廣播式自動相關(guān)監(jiān)視與二次雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合及應(yīng)用

何帥

摘? 要：研究講述廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)和空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)各自的特長與不足，研究設(shè)想出將兩者強強聯(lián)合信息高度兼容的系統(tǒng)模式。新模式在任何搭載飛行器中所反饋航跡都能實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，研究監(jiān)測信息認(rèn)為，新模式能在空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)探測真實性與低誤差率的性能下，加強目標(biāo)追蹤準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)刷新頻率，因此保證對航空器由地面到空中的不間斷跟蹤。

關(guān)鍵詞：廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)? 二次雷達(dá)? 信息交融? 數(shù)據(jù)融合

中圖分類號：TN958.96;TP277? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2020）11（a）-0043-03

Data Fusion and Application of Broadcast Automatic Correlation Surveillance and Secondary Radar

HE Shuai

（Zhongdian Technology Yangzhou Baojun Electronics Co.， Ltd.， Yangzhou， Jiangsu Province， 225003? China）

Abstract： This paper describes the advantages and disadvantages of automatic correlation monitoring system and air traffic control radar beacon system， and proposes a system mode of highly compatible information of the two systems. The new mode can realize the data unification in the flight path feedback of any aircraft on board. According to the research of monitoring information， the new mode can enhance the target tracking accuracy and data refresh frequency under the performance of detection authenticity and low error rate of ATC radar beacon system， so as to ensure the uninterrupted tracking of aircraft from ground to air.

Key Words： Broadcast automatic correlation monitoring system; Secondary radar; Information fusion; Data fusion

當(dāng)前，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)具備跟蹤準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)刷新快、陸地建設(shè)廉價以及組裝修理簡潔等優(yōu)勢，在非軍事航空器相互跟蹤監(jiān)測領(lǐng)域日益受到肯定。

ADS-B可以通過飛行器或地面交通設(shè)備廣播的信息獲取精準(zhǔn)的四位定位信號（經(jīng)度、緯度、高度、時間）以及其他關(guān)聯(lián)信息（沖突警告信息、飛行員錄入信息、航跡信息、飛行拐點信息等）甚至飛機的型號和所在航空公司的注冊信息等。

將ADS-B技術(shù)應(yīng)用到航空管制雷達(dá)架設(shè)條件不允許的地區(qū)，ADS-B很好地補充了以上空白缺陷，從而實現(xiàn)類似雷達(dá)的空中管制服務(wù)。ADS-B以其廉價及性能完美地彌補了雷達(dá)覆蓋盲區(qū)的不足，通過數(shù)個網(wǎng)點的ADS-B互聯(lián)監(jiān)視，來改善空中飛機來往數(shù)量管理、和更廣泛范圍內(nèi)對飛機的飛行姿態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視。

1? 二次雷達(dá)的相關(guān)概述

二次雷達(dá)系統(tǒng)由地面設(shè)備（包括天線設(shè)備、詢問機和點跡錄取器）和機載設(shè)備（應(yīng)答機、天線）組成。地面站發(fā)射1 030 MHz的詢問脈沖，機載應(yīng)答機接收并確認(rèn)詢問信號后，以對應(yīng)的模式通過全向天線發(fā)射頻率為1 090 MHz的應(yīng)答脈沖。該應(yīng)答脈沖被地面站天線系統(tǒng)接收后，送往接收機和點跡錄取器，點跡錄取器檢測到飛機后再計算出飛機方位、距離，經(jīng)過解碼確定飛機的應(yīng)答代碼和飛行高度。

按雷達(dá)方位角度定位體制的不同，可以把二次監(jiān)視雷達(dá)分為常規(guī)二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）和單脈沖二次監(jiān)視雷達(dá)（MSSR）。按其詢問和識別處理方法的不同又被劃分為空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)（ATCRBS）和Mode S系統(tǒng)。

2? ADS-B數(shù)據(jù)鏈路分析

2.1 11090 ES數(shù)據(jù)鏈

發(fā)展二次監(jiān)視雷達(dá)在航空管制系統(tǒng)中的重要性被國際民航組織提上議事日程，時至今日二次雷達(dá)在國際航空領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，由于1090ES是二次監(jiān)視雷達(dá)的延伸功能。目前a/c模式航空管制二次雷達(dá)已經(jīng)大量使用，單這兩種方式的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容有限，以前研制生產(chǎn)的s模式應(yīng)答機不能滿足ADS-B飛機搭載應(yīng)答系統(tǒng)的性能需求，當(dāng)前飛機通信系統(tǒng)設(shè)備以及內(nèi)置程序的更新?lián)Q代已經(jīng)成為一項緊迫任務(wù)。市場化通信系統(tǒng)的運營模式完全可以滿足ADS-B工作需求。兩者脈沖頻率已經(jīng)實現(xiàn)完美兼容，飛機的個體身份及運行模式信息已經(jīng)完全包含在該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

1090ES編碼模塊通過脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，它發(fā)送的數(shù)據(jù)由前導(dǎo)脈沖和信息模塊組成，并融入1 090 mhz射頻信號中。前導(dǎo)脈沖有4個脈沖組成，位置分別是0 μs、1 μs、3.5 μs、4.5 μs。8 μs處開始是應(yīng)答數(shù)據(jù)模塊信息，長度112 μs，每一個數(shù)據(jù)位的位置傻瓜，都是寬度為1 μs的“有脈沖及無脈沖”區(qū)間，即“一個脈沖后跟一個無脈沖”表示二進(jìn)制數(shù)1，用“一個無脈沖后跟一個脈沖”表示二進(jìn)制數(shù)0，這種編碼形式對抗干擾具有非常強的能力。

ADS-B OUT以1 090 mhz的頻率與地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)交流通信，其發(fā)射頻率（1 mbit/s）、長波用于信息交換的中間載體。

2.2 UTA數(shù)據(jù)鏈

UTA作為ads-b專用監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈設(shè)備，脫離了傳統(tǒng)系統(tǒng)的束縛。同時支持ADS-B、FIS-B和TIS-B廣播服務(wù)，這些廣播服務(wù)可以通過時分復(fù)用和隨機訪問相結(jié)合的混合介質(zhì)訪問技術(shù)來實現(xiàn)。作為一中寬帶數(shù)據(jù)鏈，它的碼元速率高達(dá)1.041 667 Mbps。報文類型氛圍ADS-B報文（又可分為基本ADS-B報文和長ADS-B報文）和地面上行報文。ADS-B報文用于飛行器廣播信息，地面上行報文用于地面站廣播信息。UAT報文的每個幀長度為1 s，與UTC時間保持同步。

2.3 VDL-4概述

VDL-4目前已成為國際民用航空組織和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會推薦的規(guī)范化數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)，它的核心為自組織的時分多址（STDMA）協(xié)議。TDMA在每個時隙的起始都會給予任何一個平臺（飛機、地面站或車輛）一次利用整個信道發(fā)射數(shù)據(jù)的機會。各平臺根據(jù)精密時間同步系統(tǒng)競爭時隙以獲取發(fā)射的機會，競爭成功的平臺在某一個特定的時隙發(fā)射自己的信息。

VDL-4的基本設(shè)備包括VHF收發(fā)器、GNSS收發(fā)器和數(shù)據(jù)通信處理器。其中VHF收發(fā)器用于接收、發(fā)射VHF射頻信號;GNSS用于獲取位置和時間信息;數(shù)據(jù)通信處理器用于對接收到的信息進(jìn)行和對信道的訪問進(jìn)行控制。

3? 融合算法

要想監(jiān)測飛機航行軌跡的連續(xù)性就要讓系統(tǒng)實現(xiàn)按預(yù)先設(shè)計好的程序來進(jìn)行濾波（比如對飛機抵達(dá)目的地的優(yōu)先順序來進(jìn)行濾波）這樣就能節(jié)省大量的時間，從而規(guī)避了ADS-B與SSR在工作時時間的不同步。廣播自動相關(guān)監(jiān)視與二次雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合分別在完成報文格式檢查、解碼、剔除野值后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、時間對齊、航跡關(guān)系最后才進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合。

假設(shè)系統(tǒng)有N個數(shù)據(jù)源，現(xiàn)已知數(shù)據(jù)處理中心在k時刻對于目標(biāo)物體運動狀態(tài)的融合估計為，誤差的協(xié)方差計算為，因此，可以預(yù)測融合中心在目標(biāo)物體運動狀態(tài)在k+1時的初步預(yù)測為：

（2）

4? 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試

信息系統(tǒng)在檢測過程中進(jìn)行了信息融合，進(jìn)行對非國航的兩處機場以及四周裝配的n套1090ES ads-b接收設(shè)備，在對飛機地面以及一周為數(shù)百千米的領(lǐng)空及天氣進(jìn)行全方位的掌握，ADS-B采集信息經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息中心，經(jīng)數(shù)臺ADS-B陸地全面監(jiān)視，解決高樓、山川等屏障對飛行器信息交換造成的信號減弱因素的產(chǎn)生和丟失。

在實際檢測中，對不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析表明ads-b性能遠(yuǎn)高于SSR的低刷新頻率和跟蹤精度，同樣一個飛行目標(biāo)在不同（ads-b、SSR）監(jiān)視的狀態(tài)下，其反饋出的準(zhǔn)確度和刷新頻率幾乎接近，但是當(dāng)目標(biāo)被單一設(shè)備（ads-b或者SSR中的任何一個）監(jiān)視的時候，數(shù)據(jù)處理中心輸出的只有該監(jiān)視設(shè)備的濾波輸出。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理中心融合之后，無論數(shù)據(jù)源來自哪個監(jiān)視系統(tǒng)，都可以輸出一致的航跡。

5? 結(jié)語

此次試驗通過對機場周邊安裝數(shù)個1090ES ads-b接收設(shè)備，同時對空中目標(biāo)及地面場站進(jìn)行監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合分析驗證，通過對實驗數(shù)據(jù)的檢測驗證得出的答案來看：非同一種航空器裝備的儀器在探測信息量較少的時候同樣可以反饋相同的數(shù)據(jù)，和現(xiàn)有的ATC顯示編碼實現(xiàn)完美融合。實現(xiàn)了從空中到地面的不間斷數(shù)據(jù)交換。這種集中式序貫濾波融合算法在民用航空領(lǐng)域起到了非常優(yōu)越的作用，值得推廣應(yīng)用。

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