董榮果，李 翔，趙憲濤

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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ADS-B系統(tǒng)在城市防空雷達(dá)標(biāo)校中的應(yīng)用

董榮果，李 翔，趙憲濤

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

城市防空雷達(dá)的標(biāo)校工作很大程度上受到城市環(huán)境的限制，如塔標(biāo)尋找、信標(biāo)機(jī)架設(shè)及無人機(jī)飛行等等。分析得出基于ADS-B系統(tǒng)的標(biāo)?？梢员苊膺@些條件的限制，且用試驗(yàn)證明了此標(biāo)校方法的可行性。

城市防空雷達(dá)；標(biāo)校；ADS-B；對比分析

0 引 言

城市防空雷達(dá)在第一時(shí)間準(zhǔn)確地定位空中目標(biāo)位置，是城市防空系統(tǒng)運(yùn)作的第1步。也就是說，防空雷達(dá)是城市防空系統(tǒng)的“眼睛”，那么提高“眼睛”指示目標(biāo)的準(zhǔn)確度尤為重要。標(biāo)校是雷達(dá)提高目標(biāo)指示準(zhǔn)確度重要的一步。

常規(guī)兩坐標(biāo)雷達(dá)的標(biāo)校主要是距離和方位上的，目前標(biāo)校方法有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種。

靜態(tài)標(biāo)校是基于固定塔標(biāo)(無源標(biāo)校)或信標(biāo)機(jī)(有源標(biāo)校)的一種標(biāo)校方式。在城市環(huán)境中，尋找合適的塔標(biāo)或架設(shè)信標(biāo)機(jī)的地點(diǎn)，通過差分全球定位系統(tǒng)(GPS)來計(jì)算相對于雷達(dá)的距離、方位值，然后對比雷達(dá)探測出的目標(biāo)距離、方位值，計(jì)算出誤差值并修正[1]。

動(dòng)態(tài)標(biāo)校則是基于無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的一種標(biāo)校方式。通過差分GPS實(shí)時(shí)記錄無人機(jī)飛行過程中的GPS數(shù)據(jù)，并換算為相對于雷達(dá)的距離、方位值，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄雷達(dá)對該無人機(jī)探測出的距離、方位值，2組數(shù)據(jù)擬合出曲線，分析出誤差值并修正。

1 ADS-B系統(tǒng)及其標(biāo)校應(yīng)用方法

1.1 ADS-B系統(tǒng)簡介

ADS-B是廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)的簡稱，是飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)與指揮塔實(shí)現(xiàn)雙向溝通的重要渠道。其工作原理如圖1所示。

圖1 ADS-B系統(tǒng)工作原理

ADS-B信息包含飛機(jī)標(biāo)識、飛機(jī)種類、飛機(jī)四維(高度、經(jīng)度、緯度、時(shí)間)信息以及其他一些附加信息[2]。ADS-B信息獲取的渠道有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、慣性參考系統(tǒng)(IRS)、其他機(jī)載傳感器[3]。多通道的數(shù)據(jù)來源，使得ADS-B系統(tǒng)信息準(zhǔn)確度高，實(shí)時(shí)性好。ADS-B系統(tǒng)最大廣播距離可達(dá)400 km，而且城市中配備ADS-B系統(tǒng)的民航飛機(jī)較多，相對于無人機(jī)而言，民航飛機(jī)飛行高度較高，雷達(dá)反射面積大，易于發(fā)現(xiàn)。種種條件都為利用ADS-B系統(tǒng)對城市防空雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)校提供了可能。

1.2 ADS-B系統(tǒng)用于城市防空雷達(dá)標(biāo)校

首先要架設(shè)一臺ADS-B信息接收器，在雷達(dá)附近空曠處接收來自民航飛機(jī)ADS-B信息，利用民航飛機(jī)ADS-B系統(tǒng)廣播出的飛機(jī)GPS、高度信息以及雷達(dá)自身的GPS、高度信息，計(jì)算出飛機(jī)相對于雷達(dá)的距離和方位信息(真實(shí)值)，與雷達(dá)探測出的該飛機(jī)距離、方位信息(測量值)進(jìn)行比較，分析出誤差值并修正。原理圖如圖2所示。

圖2 ADS-B系統(tǒng)用于雷達(dá)標(biāo)校原理圖

在目標(biāo)選取、數(shù)據(jù)利用、標(biāo)校精度等幾個(gè)方面對比分析4種方法在城市防空雷達(dá)標(biāo)校中的應(yīng)用，標(biāo)校方法對比結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)校方法對比

對比發(fā)現(xiàn)，基于ADS-B系統(tǒng)的標(biāo)校方法和靜態(tài)有源標(biāo)校方法比較適合城市防空雷達(dá)的標(biāo)校工作；但是，靜態(tài)有源標(biāo)校中，信標(biāo)機(jī)架設(shè)需要合適的位置及定點(diǎn)人員的遠(yuǎn)程配合，需要的人力物力較多，同時(shí)，信標(biāo)機(jī)花費(fèi)上較ADS-B系統(tǒng)稍高。由此可以看出，基于ADS-B系統(tǒng)的標(biāo)校在城市防空雷達(dá)的標(biāo)校中占有一定的優(yōu)勢，在標(biāo)校后的驗(yàn)證工作中也較為簡單易行。

1.3 基于ADS-B系統(tǒng)標(biāo)校方法的數(shù)據(jù)處理

在此標(biāo)校方法的數(shù)據(jù)處理方面，主要有兩大步驟：

(1) 將民航飛機(jī)GPS值換算為相對于雷達(dá)的距離、方位值，作為真實(shí)值；

(2) 對比雷達(dá)探測出的該飛機(jī)距離、方位值，即測試值，分析誤差并修正。

假設(shè)地球是半徑為r的球體，任意一物體地理位置表示為(L，B，H)，其中L為經(jīng)度，B為緯度，H為海拔高度。則飛機(jī)位置信息可表示為(LF，BF，HF)，雷達(dá)天線中心位置信息為(LR，BR，HR)。那么，以雷達(dá)為中心的空間直角坐標(biāo)系中，飛機(jī)坐標(biāo)位置可表示為：

(1)

由此計(jì)算出，飛機(jī)相對于雷達(dá)的距離為：

(2)

飛機(jī)相對于雷達(dá)的方位為：

(3)

根據(jù)上述公式，計(jì)算出飛機(jī)相對于雷達(dá)的距離、方位信息作為真實(shí)值[4]。由于ADS-B系統(tǒng)更新飛機(jī)數(shù)據(jù)的時(shí)間和雷達(dá)探測到飛機(jī)時(shí)的時(shí)間不一致，因此，在對比真實(shí)值和測試值時(shí)，需要利用同一時(shí)間源(例如格林威治時(shí)間)作為參考，分別繪制出真實(shí)值和測試值的“時(shí)間-距離”曲線和“時(shí)間-方位”曲線，在同一參考坐標(biāo)下進(jìn)行對比，從而得出誤差值并加以修正。標(biāo)校的結(jié)果也可以錄取其他飛機(jī)航次進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4 ADS-B系統(tǒng)用于城市防空雷達(dá)標(biāo)校精度分析

在雷達(dá)標(biāo)校工作中，一般要求真實(shí)數(shù)據(jù)精度高于待標(biāo)校雷達(dá)定位精度的3倍以上。城市防空雷達(dá)作為警戒雷達(dá)，其定位精度要求不會太高，距離精度要求在50 m左右，方位精度要求在0.5°左右。在標(biāo)校過程中，差分GPS數(shù)據(jù)精度很高，距離上能精確到毫米級，方位精度也很高；ADS-B系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)緯度誤差約為0.000 1°，由此計(jì)算出來的距離誤差小于10 m，方位誤差小于0.05°，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于城市防空雷達(dá)定位精度。由此可以看出，ADS-B系統(tǒng)用于城市防空雷達(dá)的標(biāo)校，其精度肯定能滿足要求。

2 標(biāo)校結(jié)果分析

在我國東北部某市進(jìn)行了基于ADS-B系統(tǒng)對城市防空雷達(dá)的標(biāo)校，現(xiàn)以錄取的自東北方向進(jìn)入、切向飛向西南方的一航班部分?jǐn)?shù)據(jù)為例，對比真實(shí)值和測試值。

由圖3可以看出，根據(jù)ADS-B數(shù)據(jù)計(jì)算出來的飛機(jī)距離、方位(真實(shí)值)曲線與雷達(dá)探測出飛機(jī)距離、方位(測試值)曲線有較好的擬合度，對于城市防空雷達(dá)的標(biāo)校有很好的利用價(jià)值。

圖3 真實(shí)值與測試值曲線對比

3 結(jié)束語

本文對比分析了多種雷達(dá)標(biāo)校方法，指出了基于ADS-B系統(tǒng)的標(biāo)校在城市防空雷達(dá)標(biāo)校中的優(yōu)勢。雖然ADS-B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較大，挑選合適數(shù)據(jù)并計(jì)算會延長一定的標(biāo)校時(shí)間;但是相較于靜態(tài)標(biāo)校，此標(biāo)校方法在不需要多處架設(shè)標(biāo)校系統(tǒng)的情況下，能完成多距離、多方位的同步標(biāo)校,相較于動(dòng)態(tài)標(biāo)校，則能節(jié)省較多的人力、物力。利用ADS-B系統(tǒng)對城市防空雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)校具有很高的推廣價(jià)值。

[1] 朱起悅.應(yīng)用差分GPS技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校[J].電訊技術(shù)，2006(1)：108-110.

[2] 張?zhí)炱?ADS-B技術(shù)及其在空管中的發(fā)展與應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2009(6)：34-37.

[3] 苑文亮.基于ADS-B數(shù)據(jù)的雷達(dá)標(biāo)校新方法[J].艦船電子工程，2010(3)：147-150.

[4] 朱華統(tǒng).GPS坐標(biāo)系統(tǒng)的變換[M].武漢:武漢測繪出版社，1994.

Application of ADS-B System to The Calibration of Air-defense Radar for City

DONG Rong-guo,LI Xiang,ZHAO Xian-tao

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The calibration of air-defense radar for city is limited by city environment in great degree,such as tower marker search,beacon setting and unmanned aerial vehicle (UAV) flight etc..This paper educes that the calibration based on ADS-B system can avoid those limitations through the analysis,and proves the feasibility of this calibration method through the experiment.

air-defense radar for city;calibration;ADS-B;comparison analysis

2016-07-13

TN957.51

A

CN32-1413(2016)05-0050-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.012