擺衛(wèi)兵，劉 毅，李卓倫

（陸軍工程大學 軍械士官學校，湖北 武漢 430075）

0 引 言

地空導彈武器系統(tǒng)中的目標搜索雷達和跟蹤制導雷達的目標探測精度是保證地空導彈武器系統(tǒng)射擊能否成功的重要因素。因此，在武器系統(tǒng)維修工作完成后，對雷達進行校飛，確定雷達工作性能和精度是一項必不可少的重要工作。目前普遍采用的方法是使用空軍飛機進行校驗飛行[1]，這種方法成本高、協(xié)調(diào)難度大、實施困難。

ADS-B 系統(tǒng)是目前國際民航系統(tǒng)通用的一種空中交通管制系統(tǒng)，它是一種基于GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地/空、空/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視新技術(shù)[2]。裝備了ADS-B 系統(tǒng)的民航飛機獲得機載GPS 的定位數(shù)據(jù)，然后將位置信息通過ADS-B 系統(tǒng)廣播出來。ADS-B系統(tǒng)定期向外傳輸飛機的狀態(tài)向量（水平和垂直位置、水平和垂直速度）和其他信息[3-4]。因此，接收民航飛機發(fā)送的ADS-B 廣播，將數(shù)據(jù)和地空導彈雷達對該目標的探測數(shù)據(jù)進行比對，即可獲得和軍機校飛同等的效果。

1 總體方案

系統(tǒng)一方面接收民航飛機主動廣播發(fā)送的全球定位位置信息，并將其按照地空導彈雷達設備要求解算為距離、方位、高度、速度等信息；另一方面使用攝像頭同步捕獲記錄地空導彈雷達設備顯示的結(jié)果。最后將二者匯總比較，得出地空導彈雷達設備校驗結(jié)果。系統(tǒng)工作流程圖如圖1 所示。

2 硬件方案

2.1 硬件總體方案

系統(tǒng)硬件由雷達界面捕獲攝像頭、加固筆記本、民航廣播接收模塊等部分組成。雷達界面捕獲攝像頭采用磁吸支撐桿固定在雷達屏幕前，自動捕獲雷達顯示界面，供用戶判讀目標探測參數(shù)；加固筆記本是系統(tǒng)核心，運行系統(tǒng)軟件；民航廣播接收模塊接收民航飛機ADS-B廣播。系統(tǒng)硬件組成圖如圖2 所示。

加固筆記本實物圖如圖3 所示。

2.2 民航廣播接收模塊設計

根據(jù)ADS-B 標準，ADS-B 廣播的頻率為1 090 MHz。民航廣播接收模塊采用軟件無線電接收技術(shù)（SDR）。軟件無線電概念自1992 年MILTRE 公司首次明確提出以后，得到了快速的發(fā)展[5]。軟件無線電可以最小程度地結(jié)合通用硬件平臺，通過軟件編程而獲得多個頻段的通信能力。

根據(jù)軟件無線電的基本組成，模塊首先需要采用調(diào)諧器接收民航發(fā)送的ADS-B 信號，將接收到的射頻信號頻率轉(zhuǎn)換為某個固定的中頻；接著由解調(diào)器對中頻信號進行A/D 轉(zhuǎn)換、對信號進行數(shù)字下變頻；然后由軟件對信號進行解調(diào)、解碼等信號處理。模塊工作框圖如圖4所示。

調(diào)諧器采用Rafael Micro公司的R820T芯片。R820T是一款高性能低功耗高度集成的硅調(diào)諧器，集成了低噪聲放大器（LNA）、混頻器、分數(shù)鎖相環(huán)、VGA 可變增益控制、電壓調(diào)節(jié)器和跟蹤濾波器[6]。R820T 工作頻率范圍為24～1 766 MHz，正好覆蓋ADS-B 所用的1 090 MHz。R820T 芯片的外部電路如圖5 所示。

解調(diào)器采用Realtek 公司的RTL2832U 芯片。RTL2832U 芯片是一個高性能支持USB 2.0 接口的DVBTCOFDM（編碼正交頻分復用）解調(diào)器[7]。RTL2832U 芯片可以實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，對信號進行數(shù)字下變頻為基帶正交IQ 信號。RTL2832U 芯片的外部電路如圖6 所示。

3 軟件方案

軟件是系統(tǒng)的核心，運行在加固筆記本平臺，包括攝像頭控制、雷達數(shù)據(jù)判讀、數(shù)字無線電控制、ADS-B數(shù)據(jù)解算、目標坐標計算、數(shù)據(jù)庫存儲控制、Word 文檔輸出、Excel文檔輸出等模塊。系統(tǒng)軟件組成框圖如圖7所示。

攝像頭控制模塊對攝像頭硬件進行控制，在接收到ADS-B 數(shù)據(jù)的時刻對雷達屏幕截屏。雷達數(shù)據(jù)判讀模塊提供界面讓用戶對各個時刻的雷達屏幕截屏進行判讀，存儲雷達探測的目標數(shù)據(jù)。數(shù)字無線電控制模塊對數(shù)字無線電接收模塊控制頻率和增益等參數(shù)，接收ADSB 數(shù)據(jù)。ADS-B 數(shù)據(jù)解算模塊根據(jù)ADS-B 協(xié)議對接收到的數(shù)據(jù)進行解析，獲得目標經(jīng)緯度、海拔等信息。目標坐標計算模塊根據(jù)目標經(jīng)緯度、海拔等信息計算和雷達對應的方位、速度、高度、仰角、距離等信息。數(shù)據(jù)庫存儲控制模塊采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫對各種信息進行管理。Word 文檔輸出模塊將用戶選擇的校飛航跡點結(jié)果數(shù)據(jù)按照固定的格式輸出成Word 文檔。Excel 文檔輸出模塊用戶選擇的校飛航跡點結(jié)果數(shù)據(jù)按照固定的格式輸出成Excel 文檔。軟件界面如圖8 所示。

4 目標關(guān)鍵參數(shù)計算

系統(tǒng)收到的ADS-B 廣播信息包含經(jīng)緯度坐標，還需要進行目標參數(shù)計算。首先定義地球球心坐標系：地球球心為原點O，赤道面上O指向0°經(jīng)度方向為x軸正向，赤道面上O指向90°經(jīng)度方向為y軸正向，垂直赤道面指向北極點為z軸正向。地球半徑R=6 371 004 m，π=3.141 592 6。地球球心坐標系如圖9 所示。

那么空中一個點A的地球球心坐標系坐標（x，y，z）與經(jīng)緯度坐標之間的關(guān)系如下：

式中：AL 是A點的海拔高度；LA 是A點的緯度；LO 是A點的經(jīng)度。

4.1 目標徑向距離

設雷達所在的點為R點。根據(jù)三維坐標距離公式，目標A點相對于雷達的徑向距離可用式（2）求得：

4.2 目標徑向速度

將上一時刻坐標點位置定義為A點，本次坐標定義為B點。

BA間直線距離為：

目標相對雷達的徑向速度VRB用式（4）求得：

式中：SRB是雷達位置和B點的距離；SRA是雷達位置和A點的距離；TBA為BA兩點之間的時間差。

4.3 計算目標方位角

目標位置A點相對于雷達R點的方位角AAR按下面方法計算。

首先考慮特殊情況，結(jié)果為-1 表示無法計算。

情況1：A點經(jīng)度和R點經(jīng)度相同，即LOA=LOR或LOA-LOR=360°或LOA-LOR=-360°，則：

情 況2：LOA-LOR=180° 或LOA-LOR=-180°，則AAR=-1°。

情況3：兩個點分別在南北極點，即LAA-LAR=180°或LAA-LAR=-180°，則AAR=-1°。

不屬于特殊情況的，計算下面內(nèi)容。

A點和R點的球心夾角c：

由于sinc=，所以沒有根據(jù)象限修正的方位角為：

其中：

以R為中心，A相對R所在的象限來確定方位角修正方法。

A點相對R點的經(jīng)度差LOAR=LOA-LOR，緯度差LAAR=LAA-LAR。

如果：

-360°＜LOAR＜-180°且-180°＜LAAR＜0°，則為四象限；

-360°＜LOAR＜-180°且0°＜LAAR＜180°，則為一象限；

-180°＜LOAR＜0°且-180°＜LAAR＜0°，則為三象限；

-180°＜LOAR＜0°且0°＜LAAR＜180°，則為二象限；

0°＜LOAR＜180°且-180°＜LAAR＜0°，則為四象限；

0°＜LOAR＜180°且0°＜LAAR＜180°，則為一象限；

180°＜LOAR＜360°且-180°＜LAAR＜0°，則為三象限；

180°＜LOAR＜360°且0°＜LAAR＜180°，則為二象限。

然后：

4.4 相對雷達高度

飛機當前位置B點相對雷達R點高度為B點海拔減去R點海拔。

4.5 相對雷達仰角

在不考慮地球弧度的情況下，飛機相對雷達的仰角β為：

5 誤差分析

系統(tǒng)將通過ADS-B 接收到的信息轉(zhuǎn)換成地空導彈雷達在坐標系中的目標參數(shù)，系統(tǒng)接收的單個民航飛機目標一個時間段內(nèi)的參數(shù)和經(jīng)過軍用飛機校飛的某型號地空導彈雷達對同一目標的測量結(jié)果對比顯示，二者之間的最大距離誤差沒有超過50 m。經(jīng)過誤差分析，誤差主要來源于雷達照射測量目標的中心點位置和民航飛機安裝定位系統(tǒng)的位置之間存在的偏差和飛機定位誤差。民航飛機長度一般不超過80 m，GPS 定位系統(tǒng)最大定位誤差為20 m。因此，最大誤差值不超過100 m。這完全符合大部分地空導彈雷達的校飛要求。

6 結(jié) 論

本文采用數(shù)字無線電接收方式接收民航飛機發(fā)送的ADS-B 廣播，開發(fā)配套軟件，將數(shù)據(jù)和地空導彈雷達對該目標的探測數(shù)據(jù)進行比對，從而實現(xiàn)地空導彈雷達校飛。從使用效果看，基于ADS-B 技術(shù)實現(xiàn)的地空導彈雷達校飛系統(tǒng)無需協(xié)調(diào)工作，可以隨時方便地開展校飛，校飛成本低。