S模式雷達(dá)與ADS-B融合探討與分析

劉夢琪

摘要：與普通A/C模式雷達(dá)相比，S模式雷達(dá)已成為二次雷達(dá)的最新技術(shù)，且在我國已有超過10年的使用經(jīng)驗。由于S模式雷達(dá)探測能力強(qiáng)，詢問策略比較智能，所以其廣泛應(yīng)用于民航系統(tǒng)中。而ADS-B技術(shù)作為一種新型的類似于雷達(dá)的監(jiān)視手段，被納入民航發(fā)展“十三五”規(guī)劃實施工作中，其可以在降低成本的前提下使數(shù)據(jù)的收集速率加快，目標(biāo)定位更加準(zhǔn)確，目前全國所有航路、終端區(qū)及機(jī)場都已具備ADS-B運(yùn)行能力。將S模式雷達(dá)和ADS-B進(jìn)行融合處理，不僅可以有效提高雷達(dá)系統(tǒng)的使用質(zhì)量，還能使我國形成更多S模式雷達(dá)和ADS-B融合的共同覆蓋區(qū)域。

引言

由于S模式雷達(dá)和ADS-B在實際使用過程中都具備相應(yīng)優(yōu)點，所以將 S模式雷達(dá)和ADS-B進(jìn)行融合處理，并且形成共同的覆蓋區(qū)域，不僅可以提高空管自動化系統(tǒng)的精度，還能使雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、飛行計劃與航跡相關(guān)、告警等功能得到優(yōu)化，提高飛行安全性。本文分別對S模式雷達(dá)和ADS-B的工作原理和優(yōu)缺點進(jìn)行介紹，探討和分析S模式雷達(dá)和ADS-B的具體融合方式。

1、S模式雷達(dá)工作原理分析

S模式即選擇模式，有選擇的識別目標(biāo)。起源于美英，其最初的使用是為每架飛機(jī)編上離散地址碼，管制員進(jìn)行點名式詢問，從而降低雷達(dá)詢問率，這樣可以解決所有飛機(jī)同時應(yīng)答引起的異步干擾、同步串?dāng)_、系統(tǒng)飽和問題。S模式雷達(dá)具有全呼和選呼功能，通過對安裝有S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)進(jìn)行選擇性詢問，由于飛機(jī)地址是飛機(jī)的固有屬性，具有唯一性，所以在選擇性“詢問—應(yīng)答”過程中，只有相對應(yīng)地址的飛機(jī)進(jìn)行合理應(yīng)答，有效降低了異步干擾和同步串?dāng)_，且對數(shù)據(jù)精度處理能力更強(qiáng)，還具備地空數(shù)據(jù)通信能力。如果被選擇的飛機(jī)沒有及時應(yīng)答，則S模式雷達(dá)會根據(jù)發(fā)出的詢問指令，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌a，從而確保S模式雷達(dá)進(jìn)行鎖定性的詢問。

現(xiàn)階段我國常用的S模式雷達(dá)采用的報文格式為CAT034和CAT048，對于民航飛機(jī)，S模式雷達(dá)可以和自動化數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交換，還可以將數(shù)據(jù)的類別進(jìn)行分類，其中一類則可被用于雷達(dá)的目標(biāo)定位和航空軌跡的報告中，而另一類則可用于傳輸雷達(dá)的相關(guān)服務(wù)信息。對于航空公司，S模式雷達(dá)通常使用單雷達(dá)目標(biāo)報告和單雷達(dá)服務(wù)報告的模式。

2、ADS-B工作原理分析

ADS-B的字面意思是自動相關(guān)監(jiān)視廣播，ADS-B系統(tǒng)在實際的應(yīng)用過程中已實現(xiàn)了自動化的操作模式，即表明不需要人工操作且全天候運(yùn)行。“相關(guān)”說明了在信息的獲取過程中，需要有記載的設(shè)備作為相應(yīng)的載體。“監(jiān)視”代表了提供類似于且優(yōu)于雷達(dá)監(jiān)視的服務(wù)，獲得所需監(jiān)測的目標(biāo)位置、高度、速度、航向、識別號和其它信息。“廣播”定義了無需應(yīng)答機(jī)，在適當(dāng)?shù)膫鬏敺秶鷥?nèi)，飛機(jī)之間或與地面站之間采用廣播形式互相發(fā)送數(shù)據(jù)，所有裝備ADS-B設(shè)備的用戶都可以接收和處理這些數(shù)據(jù)，而不是專門針對某一特定的用戶進(jìn)行信息的傳播。

ADS-B報文格式為 CAT021，自動化系統(tǒng)可通過解析、計算將單路ADS-B數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單路ADS-B航跡，進(jìn)而融合成 ADS-B航跡，系統(tǒng)把融合后的ADS-B航跡作為一路獨立監(jiān)視信號源，和其他單路雷達(dá)航跡一起，進(jìn)行多雷達(dá)融合運(yùn)算，生成系統(tǒng)航跡。傳輸鏈路主要包含3種，分別為1090ES、UAT、VDL-4三種數(shù)據(jù)傳輸鏈。第一種為我國民航系統(tǒng)普遍使用，其下行的頻率為1090兆赫茲，傳輸?shù)乃俾蕿?Mbps。在傳輸過程中，它的信號格式主要為脈沖編碼，我國民航系統(tǒng)組織更推薦使用這種標(biāo)準(zhǔn)的脈沖編碼，地面接收設(shè)備可以兼容二次雷達(dá)中的相關(guān)數(shù)據(jù)量，也可以接受監(jiān)視系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時還可以實現(xiàn)飛行器間與空中防撞系統(tǒng)之間的兼容。

3、S 模式雷達(dá)與 ADS-B 的融合分析

3.1 融合方案的選擇

在 S 模式雷達(dá)與 ADS-B 融合模式的建立過程中，首先要進(jìn)行融合方案的選擇，常用的兩種方式有兩種。第一種是優(yōu)選法，主要工作原理是，在自動化終端只顯示雷達(dá)航跡或ADS-B航跡，并用不同符號標(biāo)記雷達(dá)軌跡和ADS-B軌跡，這種方法可以簡化航跡定位操作流程，即雷達(dá)覆蓋區(qū)域中顯示雷達(dá)軌跡，而雷達(dá)未覆蓋區(qū)域只顯示ADS-B航跡。但是這種方法也具備一定的缺點，即無法為ADS-B覆蓋區(qū)域和雷達(dá)覆蓋區(qū)域中的系統(tǒng)軌跡提供相應(yīng)的告警提示。由于S模式雷達(dá)和ADS-B系統(tǒng)在實際使用過程，用不同的計算方式對目標(biāo)位置進(jìn)行定位，所以在進(jìn)行目標(biāo)定位的過程中，可能會出現(xiàn)偏出二者信號覆蓋區(qū)域，產(chǎn)生嚴(yán)重跳變的現(xiàn)象。第二種是融合法，通過這種方法能有效改善優(yōu)選法中存在的問題，因此，在選擇融合方案的過程中，主要使用融合法進(jìn)行S模式雷達(dá)和ADS-B的融合模式建立。

3.2 融合模型的建立

要想建立S模式雷達(dá)和ADS-B的具體融合模式，首先要建立數(shù)據(jù)融合模型，在模型建立的過程中，模型設(shè)計實現(xiàn)思路為，將預(yù)先探測的雷達(dá)和ADS-B信息全部輸入到預(yù)處理系統(tǒng)中，然后將經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)處理完成的信息，再輸入到數(shù)據(jù)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，將不準(zhǔn)確的信息屏蔽，且將準(zhǔn)確的信息傳遞到數(shù)據(jù)相關(guān)處理系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)相關(guān)信息的分析和處理，將數(shù)據(jù)相關(guān)處理系統(tǒng)中的信息分別進(jìn)行狀態(tài)估計和目標(biāo)識別，最終對行為進(jìn)行估計，然后把最終行為估計的結(jié)果與狀態(tài)傳遞出來。通過分析建立的融合數(shù)據(jù)模型，運(yùn)用融合法建立的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，主要包含校準(zhǔn)、相關(guān)、識別及估計4個功能，同時還可以對不同數(shù)量的數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合分析，確保能夠同時監(jiān)視不同目標(biāo)的相關(guān)區(qū)域。

3.3 數(shù)據(jù)融合的實現(xiàn)

在對多雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合系統(tǒng)的建立過程中，每一個子雷達(dá)都可以作為單獨的傳感器使用，并通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以將所有子雷達(dá)中的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。由于數(shù)據(jù)在融合的過程中會有不同的方法，所以也決定了雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理架構(gòu)不同，現(xiàn)階段常用的方式為S 模式雷達(dá)數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)的融合，運(yùn)用多個雷達(dá)，然后在雷達(dá)基礎(chǔ)上加入ADS-B技術(shù)，基于兩者之間聯(lián)系加強(qiáng)所構(gòu)建的融合模型，無論是在自身性能方面或是在空中檢測方面都具有良好功效。在單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)和ADS-B數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)已經(jīng)可以轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式，這些通過雷達(dá)探測的數(shù)據(jù)，想要構(gòu)建融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，需要發(fā)揮分布式多傳感器的作用。開展航跡處理、跟蹤處理工作，需要判斷不同雷達(dá)的航跡是否是由同一個目標(biāo)探測而得，同時還需要將一些不同地面站報告的目標(biāo)進(jìn)行有效合并。S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)和ADS-B 航跡，傳輸?shù)胶蠖碎_展處理工作，同樣需要做好相應(yīng)的預(yù)處理工作，主要是校準(zhǔn)各項數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)格式的統(tǒng)一，如校正正北方位、對準(zhǔn)時間軸、變換坐標(biāo)等，使得各項數(shù)據(jù)都處于統(tǒng)一的時空參考坐標(biāo)系統(tǒng)中，盡量減少融合過程中存在的誤差限度。

4、結(jié)語

綜上所述，對于監(jiān)視效能提升，進(jìn)行S模式雷達(dá)和ADS-B的融合處理，需要確保S模式雷達(dá)系統(tǒng)在實際使用過程中能夠進(jìn)行協(xié)作融合，提高空中監(jiān)視的質(zhì)量和效率;對于監(jiān)視應(yīng)用推廣，應(yīng)該不斷完善ADS-B系統(tǒng)以適用于更多傳統(tǒng)雷達(dá)覆蓋不到的區(qū)域，尤其是在洋區(qū)、荒漠、山區(qū)，需要增加雷達(dá)覆蓋的面積，從而提高對盲區(qū)的監(jiān)視能力。

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局湖北分局，湖北 武漢430000）