基于ADS-B的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何彬兵， 汪在華

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽合肥 230088)

0 引言

現(xiàn)役情報(bào)雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，為了應(yīng)付這些復(fù)雜的電磁環(huán)境，雷達(dá)采取了多種抗干擾措施，但是由于缺乏相應(yīng)的雷達(dá)性能評估設(shè)備，用戶無法掌握在復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)的性能發(fā)揮情況。

ADS-B的主要信息是飛機(jī)的四維位置信息、飛機(jī)的識別信息和類別信息以及其他附加信息，如航向、空速、風(fēng)速、風(fēng)向和飛機(jī)外界溫度等[1]。航空電子設(shè)備接收來自全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的位置信息，然后廣播其位置和其他數(shù)據(jù)信息給裝備了ADS-B接收裝置的地面設(shè)備或地面站[2]。由于ADS-B系統(tǒng)使用的是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)報(bào)告的已知位置和參數(shù)向量，而不用詢問雷達(dá)，它融合了飛機(jī)上GPS和相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)來生成一個(gè)三維位置和狀態(tài)向量參數(shù)，其經(jīng)緯度誤差一般小于20 m，地面接收設(shè)備可通過接收1 090 MHz工作頻率[3]，來完成對目標(biāo)的檢測和定位。因此，如果通過ADS-B地面設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)作為雷達(dá)評估和標(biāo)校真值來使用，其覆蓋距離和經(jīng)緯度誤差應(yīng)能滿足一般雷達(dá)測量要求，雷達(dá)評估和標(biāo)校結(jié)果的可信度取決于真值的穩(wěn)定性、可信度和多次測量的一致性等[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)數(shù)據(jù)采集評估系統(tǒng)是一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集民航目標(biāo)ADS-B信息(經(jīng)度、緯度、高度及航向)，對民航廣播信息進(jìn)行濾波解析，根據(jù)民航航班ICAO地址分辨民航目標(biāo)并形成目標(biāo)航跡信息，與雷達(dá)對同一目標(biāo)同期實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，計(jì)算出兩者之間的差值及均方差，從而驗(yàn)證雷達(dá)相關(guān)參數(shù)的有效性及精確度，同時(shí)為調(diào)整雷達(dá)相關(guān)參數(shù)提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)的性能評估。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

ADS-B數(shù)據(jù)解碼過程如下：接收到ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)包后，解析報(bào)文數(shù)據(jù)包，按照報(bào)文數(shù)據(jù)項(xiàng)所代表的含義將其取出并放入相應(yīng)的參數(shù)變量中(目標(biāo)航班號、當(dāng)前經(jīng)度、緯度、高度等)；ADS-B信息中的經(jīng)度、緯度、高度隸屬于大地坐標(biāo)系，而雷達(dá)一般采用的是極坐標(biāo)系，為了實(shí)現(xiàn)ADS-B信息坐標(biāo)數(shù)據(jù)與雷達(dá)航跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)的匹配，ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[5]。

系統(tǒng)通過雷達(dá)上報(bào)端口接收雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)，經(jīng)過航跡相關(guān)處理，找到與之對應(yīng)的ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)，目標(biāo)累計(jì)多幀數(shù)據(jù)后進(jìn)行系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)計(jì)算。綜合多批目標(biāo)數(shù)據(jù)，逐一計(jì)算對應(yīng)的系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差，再加權(quán)計(jì)算出雷達(dá)總體精度誤差(距離和方位的系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差)。同時(shí)，可以統(tǒng)計(jì)威力范圍內(nèi)雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)數(shù)和接收到的ADS-B目標(biāo)數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析后給出雷達(dá)點(diǎn)跡丟失率。同理，通過比較可給出雷達(dá)探測威力評估報(bào)告。

ADS-B系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈在發(fā)送位置信息時(shí)，并沒有把實(shí)時(shí)時(shí)間信息包含在其中，ADS-B地面接收設(shè)備接收數(shù)據(jù)中的時(shí)間是接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)解算后打上的GPS時(shí)間戳，不是民航飛行的實(shí)時(shí)時(shí)間。精度數(shù)據(jù)分析往往是以雷達(dá)記錄的絕對時(shí)間(該時(shí)間由雷達(dá)攜帶的定位設(shè)備提供)作為基準(zhǔn)進(jìn)行分析，據(jù)統(tǒng)計(jì)二者一般相差有幾百毫秒左右。因此，ADS-B數(shù)據(jù)提供的民航位置參數(shù)和雷達(dá)錄取的數(shù)據(jù)存在時(shí)空沒有對準(zhǔn)的問題，在數(shù)據(jù)分析時(shí)不能按照通常用時(shí)間為基準(zhǔn)的方法分析，可通過對數(shù)十條航路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以某個(gè)飛行拐點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)來對航跡進(jìn)行對比分析，基本能夠測量出雷達(dá)真實(shí)的距離、方位和仰角精度。具體試驗(yàn)時(shí)，將雷達(dá)各系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置完好，并在雷達(dá)附近用ADS-B系統(tǒng)地面接收設(shè)備接收民航數(shù)據(jù)，同時(shí)雷達(dá)跟蹤各條航路上的民航目標(biāo)并記錄數(shù)據(jù)。飛行結(jié)束后，以ADS-B設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)作為真值進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，記錄多條航路，并分別對其進(jìn)行誤差對比分析。

相比于利用軍用飛機(jī)作為合作目標(biāo)檢飛只能獲取一部GPS數(shù)據(jù)的方法相比，利用ADS-B導(dǎo)航信息，理論上可以提供多個(gè)目標(biāo)的GPS數(shù)據(jù)，然后求得校正后的平均量，就可以獲得較好的校正效果。通過算法求出N條路線的校正值然后求得平均的校正值，來消除誤差，從而達(dá)到校正的目的。另外，在實(shí)際操作中，由于ADS-B系統(tǒng)的定位位置是機(jī)載GPS天線相位中心，而雷達(dá)定位則是利用飛機(jī)的電磁波反射面，從原理上講這兩種方式的定位點(diǎn)是不同的，必然產(chǎn)生不可消除的系統(tǒng)誤差。這個(gè)誤差和飛機(jī)的大小有關(guān)，民航客機(jī)的體積一般都比較大，所以在實(shí)際數(shù)據(jù)的分析中適當(dāng)考慮該因素的影響，消除該誤差[6]。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于ADS-B的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集評估系統(tǒng)的硬件分成兩大部分：ADS-B地面接收和解碼部分、戰(zhàn)術(shù)性能測試評估處理部分。其中，ADS-B地面接收和解碼部分包含ADS-B天線、信號接收模塊、報(bào)頭檢測模塊、代碼解析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊等，戰(zhàn)術(shù)性能測試評估處理部分由一臺顯控主機(jī)(評估軟件運(yùn)行載體)及其附件(包含GPS天線、電源等)組成，ADS-B地面接收和解碼部分內(nèi)嵌在顯控主機(jī)內(nèi)。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

ADS-B天線接收1 090 MHz空間電磁波信息，信號接收模塊完成1 090 MHz調(diào)制信號到視頻信號的解調(diào)工作；報(bào)頭檢測模塊根據(jù)1 090 ES數(shù)據(jù)鏈格式，完成8 μs的前導(dǎo)脈沖框架檢測；代碼提取模塊依據(jù)框架檢測位置，確定后續(xù)112 bit的數(shù)據(jù)塊，并完成對代碼的提取、解析、裝配；數(shù)據(jù)處理模塊去除錯(cuò)誤應(yīng)答信息，提取正確應(yīng)答信息，完成同一目標(biāo)應(yīng)答數(shù)據(jù)的凝聚、關(guān)聯(lián)，保存有用的目標(biāo)經(jīng)緯度、高度等信息；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊將標(biāo)的WGS-84坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，便于與來自被試?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對；顯控主機(jī)運(yùn)行雷達(dá)性能評估軟件，完成雷達(dá)性能評估功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

雷達(dá)數(shù)據(jù)采集評估系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)ADS-B民航航班數(shù)據(jù)的接收，提取ADS-B編碼信息，經(jīng)解碼后記錄飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度等數(shù)據(jù)；同時(shí)接收雷達(dá)通過指定協(xié)議上報(bào)的航跡數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)分析和比對，將在時(shí)間、方位和距離上符合的ADS-B數(shù)據(jù)和雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行配對；在比較足夠多的配對目標(biāo)數(shù)據(jù)后(配對目標(biāo)ADS-B數(shù)據(jù)、配對目標(biāo)雷達(dá)航跡數(shù)據(jù))，通過對目標(biāo)誤差進(jìn)行累計(jì)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)情報(bào)質(zhì)量和雷達(dá)性能的評估。系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)配置、任務(wù)編緝、數(shù)據(jù)采集、情報(bào)協(xié)議解析、信息顯示與記錄、雷達(dá)性能評估、數(shù)據(jù)庫管理等模塊組成，如圖4所示。系統(tǒng)配置模塊主要包括站地坐標(biāo)配置、真值表格式配置、通信方式配置、通信協(xié)議配置；任務(wù)編緝模塊主要是輸入當(dāng)前任務(wù)的工作時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境參數(shù)等；數(shù)據(jù)采集模塊包括采集雷達(dá)上報(bào)的航跡數(shù)據(jù)、ADS-B接收的民航航班數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)；情報(bào)協(xié)議解析模塊的任務(wù)是根據(jù)協(xié)議類型對接收的雷達(dá)點(diǎn)航跡數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，解析出目標(biāo)批號、距離、方位、高度等信息；信息顯示與記錄模塊負(fù)責(zé)顯示ADS-B信息、雷達(dá)點(diǎn)航跡信息，主要顯示目標(biāo)參數(shù)、人機(jī)交互等信息，并按照內(nèi)部的格式進(jìn)行記錄，文件記錄之后，可將記錄的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行重演，再現(xiàn)工作時(shí)的場景，便于開展數(shù)據(jù)分析；雷達(dá)性能評估模塊負(fù)責(zé)分析接收到的數(shù)據(jù)，評估雷達(dá)情報(bào)質(zhì)量和雷達(dá)性能，并以報(bào)表形式進(jìn)行顯示和輸出；數(shù)據(jù)庫管理模塊主要管理包括系統(tǒng)接收的各種數(shù)據(jù)、雷達(dá)裝備型號、通信協(xié)議和用戶信息等。

圖4 系統(tǒng)軟件組成框圖

對雷達(dá)情報(bào)評估的指標(biāo)包括雷達(dá)精度評估、威力評估、航跡自動(dòng)起始能力(自動(dòng)起始時(shí)間和自動(dòng)起始率)評估、航跡質(zhì)量(跟蹤精度、點(diǎn)跡丟失率)評估等。雷達(dá)精度評估包括單個(gè)目標(biāo)的精度評估和雷達(dá)總體精度評估。雷達(dá)總體精度評估是分距離段、方位范圍、高度層，統(tǒng)計(jì)雷達(dá)的方位、距離和高度精度。單個(gè)目標(biāo)的精度評估，可通過人工干預(yù)的方式在顯示界面上點(diǎn)擊目標(biāo)批次進(jìn)行操作，即可顯示該目標(biāo)的距離、方位、高度的精度誤差。雷達(dá)總體精度評估通過軟件自動(dòng)評估完成。系統(tǒng)提供兩種不同方式評估雷達(dá)總體精度的評估結(jié)果供參考。方式1：考慮ADS-B數(shù)據(jù)和雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)之間存在時(shí)空沒有對準(zhǔn)的問題，只有目標(biāo)作切向飛行時(shí)，才進(jìn)行距離精度評估，因?yàn)槟繕?biāo)切向飛行時(shí)，距離精度對時(shí)間不敏感；同理，只有在目標(biāo)徑向飛行時(shí)，才進(jìn)行方位精度評估，因?yàn)槟繕?biāo)徑向飛行時(shí)，方位精度對時(shí)間不敏感。方式2：不管目標(biāo)是否是徑向、切向，只要有配對的雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)和ADS-B數(shù)據(jù)就實(shí)時(shí)進(jìn)行精度評估。這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：方式1的精度評估方法計(jì)算結(jié)果更精確，但是需要較長時(shí)間，因?yàn)槟繕?biāo)并不是每時(shí)每刻都在切向或者徑向飛行，可采集的數(shù)據(jù)較少；方式2的精度評估方法計(jì)算更快，只要有數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)計(jì)算精度，但是沒有方式1精確。

雷達(dá)威力評估是通過累積比較ADS-B數(shù)據(jù)和雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)，評估雷達(dá)探測目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離；航跡自動(dòng)起始能力評估包括航跡自動(dòng)起始時(shí)間評估、航跡自動(dòng)起始率評估兩方面內(nèi)容，航跡自動(dòng)起始時(shí)間評估是計(jì)算雷達(dá)錄取的航跡起始時(shí)間與最早出現(xiàn)該目標(biāo)的ADS-B信息的時(shí)間之差，航跡自動(dòng)起始率評估是指在一段時(shí)間內(nèi)雷達(dá)自動(dòng)起始的新目標(biāo)批次總數(shù)與該段時(shí)間內(nèi)送來的ADS-B信息中包含的新目標(biāo)批次總數(shù)之比；航跡質(zhì)量評估包含跟蹤精度評估和點(diǎn)跡丟失率評估，跟蹤精度評估是指評估目標(biāo)航跡跟蹤過程中目標(biāo)的ADS-B數(shù)據(jù)、雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)各參數(shù)之間的誤差，點(diǎn)跡丟失率評估是指目標(biāo)航跡跟蹤過程中該目標(biāo)ADS-B數(shù)據(jù)出現(xiàn)次數(shù)和該目標(biāo)雷達(dá)錄取點(diǎn)跡個(gè)數(shù)之差與該目標(biāo)ADS-B數(shù)據(jù)出現(xiàn)次數(shù)的比值。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

根據(jù)上述思路，成功進(jìn)行了雷達(dá)數(shù)據(jù)采集評估系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)使用時(shí)首先進(jìn)行系統(tǒng)配置，包括站地坐標(biāo)、通信方式等；然后進(jìn)行任務(wù)編緝，輸入當(dāng)前任務(wù)的各個(gè)參數(shù)；編緝完成后開始采集數(shù)據(jù)，采集的雷達(dá)情報(bào)數(shù)據(jù)和ADS-B數(shù)據(jù)以電子地圖的方式顯示，雷達(dá)狀態(tài)、干擾、抗干擾信息以數(shù)據(jù)表的形式顯示，同時(shí)將采集到的所有數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)采集完成后可進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)精度、雷達(dá)威力、航跡質(zhì)量等雷達(dá)性能評估。系統(tǒng)界面如圖5所示。

雷達(dá)精度分析包括高度均值方差分析、距離均值方差分析、方位均值方差分析以及離散率計(jì)算。系統(tǒng)列出當(dāng)前所有待計(jì)算的目標(biāo)，當(dāng)單擊某一目標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算相關(guān)精度參數(shù)并顯示，包括均值、方差、離散率。如圖6所示，圖中上部分表示某批目標(biāo)的航跡數(shù)據(jù)序列，顯示了整個(gè)航跡的變化過程，下部分表示航跡的相對誤差值。當(dāng)雷達(dá)目標(biāo)無對應(yīng)的ADS-B數(shù)據(jù)時(shí)只計(jì)算離散率，若要計(jì)算均值和方差則需要添加真值表。

雷達(dá)威力分析是計(jì)算當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)雷達(dá)錄取的所有目標(biāo)的最大發(fā)現(xiàn)距離，如圖7所示，左側(cè)列表列出了當(dāng)前所有待計(jì)算的目標(biāo)和最大距離，單擊某一目標(biāo)，此時(shí)系統(tǒng)查詢并顯示相應(yīng)的飛機(jī)航班信息，包括航空公司、航班號、飛機(jī)型號，同時(shí)右側(cè)圖表顯示航跡數(shù)據(jù)序列，顯示了整個(gè)航跡的變化過程。選中多批目標(biāo)后，軟件可根據(jù)目標(biāo)實(shí)際發(fā)現(xiàn)的最大距離得出雷達(dá)的探測威力。

圖5 系統(tǒng)界面

圖6 目標(biāo)精度分析

圖7 雷達(dá)威力分析

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于ADS-B的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集雷達(dá)的主要工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)及情報(bào)數(shù)據(jù)，再利用目標(biāo)真實(shí)GPS數(shù)據(jù)或民航ADS-B廣播數(shù)據(jù)等真值，對雷達(dá)性能(如雷達(dá)威力、雷達(dá)精度、航跡質(zhì)量等)進(jìn)行評估。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)DS-B目標(biāo)信息進(jìn)行假目標(biāo)抑制、相關(guān)、濾波等跟蹤處理，形成ADS-B目標(biāo)航跡信息；能夠?qū)Σ杉降腁DS-B目標(biāo)航跡信息數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)性能指標(biāo)的評估與顯示。

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