廣播式自動相關監視與二次雷達的數據融合及應用

何帥

摘? 要：研究講述廣播式自動相關監視系統和空管雷達信標系統各自的特長與不足，研究設想出將兩者強強聯合信息高度兼容的系統模式。新模式在任何搭載飛行器中所反饋航跡都能實現數據統一，研究監測信息認為，新模式能在空管雷達信標系統探測真實性與低誤差率的性能下，加強目標追蹤準確度和數據刷新頻率，因此保證對航空器由地面到空中的不間斷跟蹤。

關鍵詞：廣播式自動相關監視系統? 二次雷達? 信息交融? 數據融合

中圖分類號：TN958.96;TP277? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

當前，廣播式自動相關監視系統具備跟蹤準確、數據刷新快、陸地建設廉價以及組裝修理簡潔等優勢，在非軍事航空器相互跟蹤監測領域日益受到肯定。

ADS-B可以通過飛行器或地面交通設備廣播的信息獲取精準的四位定位信號（經度、緯度、高度、時間）以及其他關聯信息（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技術應用到航空管制雷達架設條件不允許的地區，ADS-B很好地補充了以上空白缺陷，從而實現類似雷達的空中管制服務。ADS-B以其廉價及性能完美地彌補了雷達覆蓋盲區的不足，通過數個網點的ADS-B互聯監視，來改善空中飛機來往數量管理、和更廣泛范圍內對飛機的飛行姿態進行動態監視。

1? 二次雷達的相關概述

二次雷達系統由地面設備（包括天線設備、詢問機和點跡錄取器）和機載設備（應答機、天線）組成。地面站發射1 030 MHz的詢問脈沖，機載應答機接收并確認詢問信號后，以對應的模式通過全向天線發射頻率為1 090 MHz的應答脈沖。該應答脈沖被地面站天線系統接收后，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，經過解碼確定飛機的應答代碼和飛行高度。

按雷達方位角度定位體制的不同，可以把二次監視雷達分為常規二次監視雷達（SSR）和單脈沖二次監視雷達（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信標系統（ATCRBS）和Mode S系統。

2? ADS-B數據鏈路分析

2.1 11090 ES數據鏈

發展二次監視雷達在航空管制系統中的重要性被國際民航組織提上議事日程，時至今日二次雷達在國際航空領域已經得到廣泛應用，由于1090ES是二次監視雷達的延伸功能。目前a/c模式航空管制二次雷達已經大量使用，單這兩種方式的數據傳輸內容有限，以前研制生產的s模式應答機不能滿足ADS-B飛機搭載應答系統的性能需求，當前飛機通信系統設備以及內置程序的更新換代已經成為一項緊迫任務。市場化通信系統的運營模式完全可以滿足ADS-B工作需求。兩者脈沖頻率已經實現完美兼容，飛機的個體身份及運行模式信息已經完全包含在該系統數據庫中。

1090ES編碼模塊通過脈沖進行數據編碼，它發送的數據由前導脈沖和信息模塊組成，并融入1 090 mhz射頻信號中。前導脈沖有4個脈沖組成，位置分別是0 μs、1 μs、3.5 μs、4.5 μs。8 μs處開始是應答數據模塊信息，長度112 μs，每一個數據位的位置傻瓜，都是寬度為1 μs的“有脈沖及無脈沖”區間，即“一個脈沖后跟一個無脈沖”表示二進制數1，用“一個無脈沖后跟一個脈沖”表示二進制數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的頻率與地面站進行數據交流通信，其發射頻率（1 mbit/s）、長波用于信息交換的中間載體。

2.2 UTA數據鏈

UTA作為ads-b專用監視數據鏈設備，脫離了傳統系統的束縛。同時支持ADS-B、FIS-B和TIS-B廣播服務，這些廣播服務可以通過時分復用和隨機訪問相結合的混合介質訪問技術來實現。作為一中寬帶數據鏈，它的碼元速率高達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準協會推薦的規范化數據鏈通信技術，它的核心為自組織的時分多址（STDMA）協議。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射數據的機會。各平臺根據精密時間同步系統競爭時隙以獲取發射的機會，競爭成功的平臺在某一個特定的時隙發射自己的信息。

VDL-4的基本設備包括VHF收發器、GNSS收發器和數據通信處理器。其中VHF收發器用于接收、發射VHF射頻信號;GNSS用于獲取位置和時間信息;數據通信處理器用于對接收到的信息進行和對信道的訪問進行控制。

3? 融合算法

要想監測飛機航行軌跡的連續性就要讓系統實現按預先設計好的程序來進行濾波（比如對飛機抵達目的地的優先順序來進行濾波）這樣就能節省大量的時間，從而規避了ADS-B與SSR在工作時時間的不同步。廣播自動相關監視與二次雷達的數據融合分別在完成報文格式檢查、解碼、剔除野值后進行坐標轉換、時間對齊、航跡關系最后才進行數據的融合。

假設系統有N個數據源，現已知數據處理中心在k時刻對于目標物體運動狀態的融合估計為，誤差的協方差計算為，因此，可以預測融合中心在目標物體運動狀態在k+1時的初步預測為：

（2）

4? 系統數據測試

信息系統在檢測過程中進行了信息融合，進行對非國航的兩處機場以及四周裝配的n套1090ES ads-b接收設備，在對飛機地面以及一周為數百千米的領空及天氣進行全方位的掌握，ADS-B采集信息經網絡發送到信息中心，經數臺ADS-B陸地全面監視，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生和丟失。

在實際檢測中，對不同數據源進行分析表明ads-b性能遠高于SSR的低刷新頻率和跟蹤精度，同樣一個飛行目標在不同（ads-b、SSR）監視的狀態下，其反饋出的準確度和刷新頻率幾乎接近，但是當目標被單一設備（ads-b或者SSR中的任何一個）監視的時候，數據處理中心輸出的只有該監視設備的濾波輸出。

經過數據處理中心融合之后，無論數據源來自哪個監視系統，都可以輸出一致的航跡。

5? 結語

此次試驗通過對機場周邊安裝數個1090ES ads-b接收設備，同時對空中目標及地面場站進行監測并進行數據的融合分析驗證，通過對實驗數據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據，和現有的ATC顯示編碼實現完美融合。實現了從空中到地面的不間斷數據交換。這種集中式序貫濾波融合算法在民用航空領域起到了非常優越的作用，值得推廣應用。

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