楊蓓蓓，張洪川(.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥30088; .揚(yáng)州藍(lán)劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚(yáng)州5000)

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一種基于ADS-B的雷達(dá)性能測試方法

楊蓓蓓1，張洪川2
(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088; 2.揚(yáng)州藍(lán)劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚(yáng)州225000)

摘要:介紹了廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)的基本原理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，并提出了基于ADS-B數(shù)據(jù)測量雷達(dá)精度的方法。文中通過某雷達(dá)實測數(shù)據(jù)驗證了該方法的可行性。試驗結(jié)果表明，該方法可以滿足雷達(dá)精度測試的需要，操作簡單，易于評估。

關(guān)鍵詞:廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù);雷達(dá)精度;空間曲線比對

0　引言

目前，常用的雷達(dá)性能測試方法是利用軍用飛機(jī)作為合作目標(biāo)，在軍用飛機(jī)上加裝GPS模塊用來記錄飛行的航跡，將記錄的數(shù)據(jù)作為評估的真值［1］。但是，這種方法因為兵力調(diào)動和空中管制的限制，耗費(fèi)大、周期長，實施難度較大，會影響試驗的進(jìn)度。由于雷達(dá)裝備的研制、維修與保障任務(wù)日益加重，無論是雷達(dá)研制單位、雷達(dá)修理廠家，甚至是軍方使用單位，都迫切需要一種耗費(fèi)小、周期短的手段來實現(xiàn)對雷達(dá)［2］性能指標(biāo)的測試。

本文介紹的基于廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)［3-4］的雷達(dá)性能測試系統(tǒng)，不論從測試的精度、操作的難易和實施的成本，都能夠很好地滿足雷達(dá)對空探測性能測試的需求。作為一種全新的技術(shù)手段，基于ADS-B的雷達(dá)性能測試系統(tǒng)在雷達(dá)性能測試中有著重要的價值和廣闊的應(yīng)用前景。

1　ADS-B基本原理

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)是一種對支持未來空中交通管理事業(yè)發(fā)展非常有利的監(jiān)視技術(shù)。它是國際新航行系統(tǒng)近20年來不斷發(fā)展的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)的綜合運(yùn)用。它集成了機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)出精準(zhǔn)的航行數(shù)據(jù)(包括身份編碼、三維位置、速度矢量、飛行意圖等)，利用地空數(shù)據(jù)鏈通信方式，實時地、自發(fā)地、間歇性(每秒一次)地對外廣播。在地面，用數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)(而不是二次雷達(dá))就可以捕捉監(jiān)視目標(biāo);在空中，相鄰運(yùn)行的飛機(jī)通過相互偵聽他方廣播(而不是相互探測和問訊)就能感知空中交通境況，判斷和避免沖突。

ADS-B技術(shù)的原理如圖1所示。

圖1　ADS-B原理圖

ADS-B數(shù)據(jù)通過GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的Compass以及歐盟的Galileo系統(tǒng))定位系統(tǒng)，獲取自身的位置信息，并實時將數(shù)據(jù)下傳給地面接收設(shè)備及空域中臨近的其他民航飛機(jī)。由于其提供的是GNSS導(dǎo)航定位信息，且其他參數(shù)也由精密航空電子設(shè)備獲得，故其下傳數(shù)據(jù)具備高精度的特性。

以GPS定位系統(tǒng)為例，它所提供的民用定位精度單機(jī)定位精度可以達(dá)到10 m，如果采用載波相位差分法定位，定位精度可以達(dá)到3～5 m。ADS-B信息以廣播方式傳遞，意味著地面ADS-B接收設(shè)備的簡單化，無需地面接收設(shè)備向目標(biāo)飛機(jī)發(fā)射詢問信號，因而ADS-B數(shù)據(jù)接收極為簡便。

2　雷達(dá)性能測試方法

2.1系統(tǒng)組成

雷達(dá)性能測試系統(tǒng)主要由硬件單元和軟件顯示控制單元組成。硬件單元包含ADS-B雙通道數(shù)據(jù)采集單板、多通道數(shù)據(jù)融合器、微波前端接收組件、高增益板狀天線和雷達(dá)上報數(shù)據(jù)線等。軟件顯示控制單元包含民航目標(biāo)與GPS數(shù)據(jù)初始化模塊、民航目標(biāo)顯示和監(jiān)控模塊、民航目標(biāo)數(shù)據(jù)記錄重演模塊、雷達(dá)測試目標(biāo)數(shù)據(jù)饋入模塊和民航目標(biāo)與雷達(dá)數(shù)據(jù)比對模塊等。系統(tǒng)包含多路ADS-B接收通道和一路冗余通道，保證了對ADS-B信號的高質(zhì)量接收，同時利用高精度GPS對接收的ADS-B報文標(biāo)記精準(zhǔn)的接收時間戳信息。由于各型雷達(dá)系統(tǒng)的接口多樣，標(biāo)校系統(tǒng)通過串口或以太網(wǎng)的方式將雷達(dá)的數(shù)據(jù)接入到測試系統(tǒng)平臺。

雷達(dá)性能測試系統(tǒng)以民航目標(biāo)為真值，通過實時接收民航飛機(jī)ADS-B系統(tǒng)播報的經(jīng)緯度、速度、高度、機(jī)型等信息，運(yùn)用動態(tài)時空誤差估計、航跡實時外推等新技術(shù)，與雷達(dá)記錄的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時關(guān)聯(lián)比對，給出距離、方位以及仰角系統(tǒng)誤差的數(shù)據(jù)曲線，完成對雷達(dá)動態(tài)性能的測試、分析、評估與優(yōu)化。

雷達(dá)性能測試系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

圖2　雷達(dá)性能測試系統(tǒng)組成

2.2數(shù)據(jù)格式

雷達(dá)性能測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式如以下10項:

(1)BatchNo:目標(biāo)批號;

(2)Time:時戳，單位: ms;

(3)Range:距離，單位: m;

(4)Azimuth:方位，單位:°，以正北為0°，順時針方向為正;

(5)Elevation:俯仰，單位:°;

(6)Lon:經(jīng)度，單位:°;

(7)Lat:緯度，單位:°;

(8)Altitude:高度(單位: m);

(9)Speed:速度大小，單位: m/s;

(10)SpeedDir:速度方向，單位:°，以正北為0°，順時針方向為正。

記錄的航跡信息數(shù)據(jù)報文包含位置報文、速度報文、識別報文、地面報文、中心點位置改變報文和外部數(shù)據(jù)報文。

2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在對ADS-B接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的處理中，GPS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，其轉(zhuǎn)換的精度直接關(guān)系到雷達(dá)測試精度的效果。由于民航飛機(jī)下傳的位置數(shù)據(jù)是經(jīng)度、緯度和高度信息，而雷達(dá)獲得數(shù)據(jù)是以雷達(dá)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的斜距、方位和俯仰，因此需要將民航飛機(jī)數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下才能作數(shù)據(jù)比對分析。為了提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度，首先由參心大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為參心空間直角坐標(biāo)系，其次是由空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為適用于雷達(dá)的雷達(dá)坐標(biāo)系。

(1)由參心大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為參心空間直角坐標(biāo)系，即其中，N為橢球面的曲率半徑，H為大地高度，B為大地緯度，L為大地經(jīng)度，e為橢球的第一偏心率。

(2)由空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

圖3　坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

雷達(dá)坐標(biāo)是指斜距、方位和俯仰，分別用γ、φ、θ表示。轉(zhuǎn)換公式如下:

如果得到的方位結(jié)果小于零，需要加上360°進(jìn)行修正。

2.4分析比對算法

一般來說，雷達(dá)檢飛試驗中，對給定高度、速度的航次進(jìn)行測量，記錄下測量值后，與真值數(shù)據(jù)(民航ADS-B數(shù)據(jù))進(jìn)行比較分析?？臻g曲線比對算法首先把真值數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)的測量坐標(biāo)系，然后對真值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值(線性插值、三次樣條插值)，以曲線擬合度為基準(zhǔn)把兩組數(shù)據(jù)對齊，然后踢野(剔除異常值)求出兩組數(shù)據(jù)的一次差和標(biāo)準(zhǔn)差，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行踢野(大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差)，直至沒有野值出現(xiàn)，最后求得該組數(shù)據(jù)的一次差和標(biāo)準(zhǔn)差，得到總誤差。

由于真值數(shù)據(jù)和雷達(dá)的數(shù)據(jù)率不統(tǒng)一，所以需要對真值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以求達(dá)到更好的匹配效果。插值算法有多種，比如線性插值方法和三次樣條插值方法。線性插值的好處在于民航目標(biāo)大多處于平穩(wěn)飛行狀態(tài)，極少出現(xiàn)急轉(zhuǎn)、急停的狀態(tài)，所以可以將民航目標(biāo)當(dāng)作是在作直線飛行，插值點比較靠近真值點，其缺點在于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時效果略顯不好。三次樣條插值的好處在于能夠在一定程度上處理民航目標(biāo)轉(zhuǎn)彎的情況。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳點時插值會出現(xiàn)相當(dāng)大的誤差。在此選用的是線性插值方法。

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)點和插值后的真值數(shù)據(jù)坐標(biāo)點，求出與雷達(dá)坐標(biāo)點最近的真值數(shù)據(jù)坐標(biāo)點，則該坐標(biāo)點即為與雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)點的匹配點。超過系統(tǒng)支持的最大查找距離還沒有匹配的點，則表示該點沒有匹配點，為野值，將直接刪除該點，也就是一次踢野。

一次差公式為

其中，x1(n)為搜索雷達(dá)樣本數(shù)據(jù)，x2(n)為跟蹤雷達(dá)樣本數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)差公式為對大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理:

對于樣本x2(n)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果x2(n)≤3 s則認(rèn)為該點的數(shù)據(jù)有效，否則刪除該雷達(dá)數(shù)據(jù)點。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)點被刪除時，則認(rèn)為已經(jīng)完美匹配，此時計算得到的一次差和均方根誤差即為雷達(dá)數(shù)據(jù)和真值比對的結(jié)果。

按時間比對與按空間比對相同，不同的地方在于查找匹配點和插值都是按時間進(jìn)行的，算法要求時間精準(zhǔn)。當(dāng)雷達(dá)數(shù)據(jù)包含準(zhǔn)確的時間戳信息時，利用時間比對算法優(yōu)于空間曲線比對算法。

3　實測數(shù)據(jù)分析

雷達(dá)在試驗前完成了各項指標(biāo)的測試和標(biāo)定。測試系統(tǒng)安裝在雷達(dá)附近，一般選擇平臺較高、位置較開闊的地方。測試系統(tǒng)包括接收機(jī)、天線、GPS等。為了保證接收數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和正確性，系統(tǒng)通過光纖鏈路將數(shù)據(jù)傳送至處理終端進(jìn)行分析。測試系統(tǒng)工作頻率1090 MHz，中心點位置的經(jīng)緯度信息和雷達(dá)中心點保持一致。

測試系統(tǒng)工作時，操作界面會顯示接收到的民航數(shù)據(jù)報文，目標(biāo)飛機(jī)用方形圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識;將雷達(dá)數(shù)據(jù)饋入測試系統(tǒng)后，雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)也將在操作界面顯示，目標(biāo)飛機(jī)用飛機(jī)圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識。圖4為某批目標(biāo)飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)和雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)。

圖4　軟件航跡顯示界面

通過選擇合適的ADS-B目標(biāo)，運(yùn)用測試系統(tǒng)的比對分析功能，就可以實現(xiàn)目標(biāo)飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的自動關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的比對。數(shù)據(jù)選擇時必須保證ADS-B數(shù)據(jù)包含全部的雷達(dá)數(shù)據(jù)，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果不準(zhǔn)確。圖5和圖6分別為某批目標(biāo)飛機(jī)的距離差和方位差。

通過計算得到:距離誤差39.0279 m，方位誤差0.09256°。其中，參與比對算法運(yùn)算的真值數(shù)據(jù)318點，雷達(dá)數(shù)據(jù)78點。通過對多批目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，驗證了測試系統(tǒng)的可行性和正確性。

圖5　航跡比對距離差

圖6　航跡比對方位差

4　結(jié)束語

針對傳統(tǒng)雷達(dá)性能測試的弊端，本文提出的基于ADS-B的測試方法易于掌握和實施。通過實測數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地跟蹤空中的目標(biāo)飛機(jī)，可以將其接收的數(shù)據(jù)作為計算雷達(dá)精度的真值數(shù)據(jù)。

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A radar performance test method based on ADS-B

YANG Bei-bei，ZHANG Hong-chuan
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.Yangzhou Blue Sword Electronic System Engineering Corporation，Yangzhou 225000，China)

Abstract:The basic principle and coordinate transformation of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B)are introduced，and a radar precision measurement method is proposed based on the ADS-B.The feasibility of the method is verified through practical radar data tested.The test results show that this method satisfies the requirements of radar precision test and can be easily operated and evaluated.

Key words:ADS-B; radar precision; spatial curve comparison

作者簡介:楊蓓蓓(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)總體技術(shù);張洪川(1992-)，男，研究方向:電子信息技術(shù)。

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-03-25

文章編號:1009-0401(2015)02－0012－03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN953+.5