一種基于ADS-B的雷達性能測試方法

楊蓓蓓，張洪川(.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥30088; .揚州藍劍電子系統工程有限公司，江蘇揚州5000)

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一種基于ADS-B的雷達性能測試方法

楊蓓蓓1，張洪川2
(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088; 2.揚州藍劍電子系統工程有限公司，江蘇揚州225000)

摘要:介紹了廣播式自動相關監視(ADS-B)技術的基本原理和坐標轉換方法，并提出了基于ADS-B數據測量雷達精度的方法。文中通過某雷達實測數據驗證了該方法的可行性。試驗結果表明，該方法可以滿足雷達精度測試的需要，操作簡單，易于評估。

關鍵詞:廣播式自動相關監視技術;雷達精度;空間曲線比對

0　引言

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

本文介紹的基于廣播式自動相關監視(ADS-B)技術［3-4］的雷達性能測試系統，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對空探測性能測試的需求。作為一種全新的技術手段，基于ADS-B的雷達性能測試系統在雷達性能測試中有著重要的價值和廣闊的應用前景。

1　ADS-B基本原理

廣播式自動相關監視(ADS-B)技術是一種對支持未來空中交通管理事業發展非常有利的監視技術。它是國際新航行系統近20年來不斷發展的通信、導航、監視技術的綜合運用。它集成了機載導航系統導出精準的航行數據(包括身份編碼、三維位置、速度矢量、飛行意圖等)，利用地空數據鏈通信方式，實時地、自發地、間歇性(每秒一次)地對外廣播。在地面，用數據鏈接收機(而不是二次雷達)就可以捕捉監視目標;在空中，相鄰運行的飛機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技術的原理如圖1所示。

圖1　ADS-B原理圖

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

以GPS定位系統為例，它所提供的民用定位精度單機定位精度可以達到10 m，如果采用載波相位差分法定位，定位精度可以達到3～5 m。ADS-B信息以廣播方式傳遞，意味著地面ADS-B接收設備的簡單化，無需地面接收設備向目標飛機發射詢問信號，因而ADS-B數據接收極為簡便。

2　雷達性能測試方法

2.1系統組成

雷達性能測試系統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雙通道數據采集單板、多通道數據融合器、微波前端接收組件、高增益板狀天線和雷達上報數據線等。軟件顯示控制單元包含民航目標與GPS數據初始化模塊、民航目標顯示和監控模塊、民航目標數據記錄重演模塊、雷達測試目標數據饋入模塊和民航目標與雷達數據比對模塊等。系統包含多路ADS-B接收通道和一路冗余通道，保證了對ADS-B信號的高質量接收，同時利用高精度GPS對接收的ADS-B報文標記精準的接收時間戳信息。由于各型雷達系統的接口多樣，標校系統通過串口或以太網的方式將雷達的數據接入到測試系統平臺。

雷達性能測試系統以民航目標為真值，通過實時接收民航飛機ADS-B系統播報的經緯度、速度、高度、機型等信息，運用動態時空誤差估計、航跡實時外推等新技術，與雷達記錄的目標數據進行實時關聯比對，給出距離、方位以及仰角系統誤差的數據曲線，完成對雷達動態性能的測試、分析、評估與優化。

雷達性能測試系統的構架如圖2所示。

圖2　雷達性能測試系統組成

2.2數據格式

雷達性能測試系統數據格式如以下10項:

(1)BatchNo:目標批號;

(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。

記錄的航跡信息數據報文包含位置報文、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據報文。

2.3坐標轉換

在對ADS-B接收機接收數據的處理中，GPS坐標的轉換至關重要，其轉換的精度直接關系到雷達測試精度的效果。由于民航飛機下傳的位置數據是經度、緯度和高度信息，而雷達獲得數據是以雷達坐標系為基準的斜距、方位和俯仰，因此需要將民航飛機數據與雷達數據轉換到同一個坐標系下才能作數據比對分析。為了提高坐標轉換的精度，首先由參心大地坐標系轉換為參心空間直角坐標系，其次是由空間直角坐標轉換為適用于雷達的雷達坐標系。

(1)由參心大地坐標系轉換為參心空間直角坐標系，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為大地經度，e為橢球的第一偏心率。

(2)由空間直角坐標系轉換為雷達坐標系，其轉換關系如圖3所示。

圖3　坐標系的轉換關系

雷達坐標是指斜距、方位和俯仰，分別用γ、φ、θ表示。轉換公式如下:

如果得到的方位結果小于零，需要加上360°進行修正。

2.4分析比對算法

一般來說，雷達檢飛試驗中，對給定高度、速度的航次進行測量，記錄下測量值后，與真值數據(民航ADS-B數據)進行比較分析。空間曲線比對算法首先把真值數據坐標轉換到雷達的測量坐標系，然后對真值數據進行插值(線性插值、三次樣條插值)，以曲線擬合度為基準把兩組數據對齊，然后踢野(剔除異常值)求出兩組數據的一次差和標準差，再對數據進行踢野(大于3倍標準差)，直至沒有野值出現，最后求得該組數據的一次差和標準差，得到總誤差。

由于真值數據和雷達的數據率不統一，所以需要對真值數據進行插值，以求達到更好的匹配效果。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大多處于平穩飛行狀態，極少出現急轉、急停的狀態，所以可以將民航目標當作是在作直線飛行，插值點比較靠近真值點，其缺點在于飛機轉彎時效果略顯不好。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轉彎的情況。然而，當數據出現跳點時插值會出現相當大的誤差。在此選用的是線性插值方法。

根據雷達數據坐標點和插值后的真值數據坐標點，求出與雷達坐標點最近的真值數據坐標點，則該坐標點即為與雷達數據坐標點的匹配點。超過系統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)為搜索雷達樣本數據，x2(n)為跟蹤雷達樣本數據。

標準差公式為對大于3倍標準差的數據進行以下處理:

對于樣本x2(n)中的數據進行分析，如果x2(n)≤3 s則認為該點的數據有效，否則刪除該雷達數據點。當沒有數據點被刪除時，則認為已經完美匹配，此時計算得到的一次差和均方根誤差即為雷達數據和真值比對的結果。

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行的，算法要求時間精準。當雷達數據包含準確的時間戳信息時，利用時間比對算法優于空間曲線比對算法。

3　實測數據分析

雷達在試驗前完成了各項指標的測試和標定。測試系統安裝在雷達附近，一般選擇平臺較高、位置較開闊的地方。測試系統包括接收機、天線、GPS等。為了保證接收數據的穩定性和正確性，系統通過光纖鏈路將數據傳送至處理終端進行分析。測試系統工作頻率1090 MHz，中心點位置的經緯度信息和雷達中心點保持一致。

測試系統工作時，操作界面會顯示接收到的民航數據報文，目標飛機用方形圖標進行標識;將雷達數據饋入測試系統后，雷達航跡數據也將在操作界面顯示，目標飛機用飛機圖標進行標識。圖4為某批目標飛機的ADS-B數據和雷達航跡數據。

圖4　軟件航跡顯示界面

通過選擇合適的ADS-B目標，運用測試系統的比對分析功能，就可以實現目標飛機的ADS-B數據與雷達數據的自動關聯，實現與雷達數據的比對。數據選擇時必須保證ADS-B數據包含全部的雷達數據，否則將導致數據處理結果不準確。圖5和圖6分別為某批目標飛機的距離差和方位差。

通過計算得到:距離誤差39.0279 m，方位誤差0.09256°。其中，參與比對算法運算的真值數據318點，雷達數據78點。通過對多批目標數據進行比對分析，驗證了測試系統的可行性和正確性。

圖5　航跡比對距離差

圖6　航跡比對方位差

4　結束語

針對傳統雷達性能測試的弊端，本文提出的基于ADS-B的測試方法易于掌握和實施。通過實測數據表明，系統可以準確地跟蹤空中的目標飛機，可以將其接收的數據作為計算雷達精度的真值數據。

參考文獻:

［1］朱華統，楊元喜，呂志平.GPS坐標系統的變換［M］.武漢:測繪出版社，1994.

［2］張光義，趙玉杰.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［3］Zhang J，Liu W，Zhu Y B.Study of ADS-B data evaluation［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2011，24(4):461-466.

［4］FARINA A，STUDER F.Radar data processing ［M］.Baldock，Hertfordshire: Research Studies Press，1985:367-370.

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:雷達總體技術;張洪川(1992-)，男，研究方向:電子信息技術。

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-03-25

文章編號:1009-0401(2015)02－0012－03

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN953+.5