邢建芳　周慧德

【摘 要】面向對空情報雷達可在日常工作狀態(tài)中掌握和評估自身探測性能的需求，設計實現了一種實時航跡精度評估算法。以民航目標的ADS-B數據為參考基準，將雷達測量航跡與其進行時空對準，實時計算對目標航跡的測量精度，同時對結果進行可視化輸出。經裝備實際驗證，該模塊具有全天候、高可靠性的特點，可連續(xù)更新系統(tǒng)的探測精度，為雷達標校提供參考依據。

【關鍵詞】對空情報雷達;ADS-B;航跡精度評估;雷達標校;可視化

中圖分類號： TN957.52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.002

Design of ADS-B Based Real-time Accuracy Evaluation Modular of Track Measurement

XING Jian-fang ZHOU Hui-de

（No. 38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】In daily work conditions， air surveillance radar often needs to assess its detection performance. According to this requirement， a real time track accuracy assessment and visual analysis module is designed and implemented. The algorithm module uses ADS-B data as datum reference， after space-time alignment with the track detected by radar， the measuring accuracy can be calculated in real time， and finally analysis results are provided. The actual operation shows that this module has the characteristics of all-weather and high reliability; it can update the track accuracy continuously and provide reference for radar calibration.

【Key words】Air surveillance radar; ADS-B; Track accuracy assessment; Radar calibration; Visualization

0 引言

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動相關監(jiān)視） 作為一種交通監(jiān)視和信息傳遞的技術手段，航空器通過特定數據鏈周期性自動廣播由機載星基導航和定位系統(tǒng)生成的自身精確定位信息，地面系統(tǒng)通過接收和處理ADS-B信息，可實時監(jiān)視目標位置和其他信息，起到類似雷達的作用。與傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)相比，ADS-B在實時性、監(jiān)視精度和投資費用等方面更占優(yōu)勢[1-2]。在雷達研制和檢飛試驗階段，合作軍機利用加裝的定位模塊來采集記錄飛行航跡，事后與雷達測量航跡進行對比分析，以此來對雷達探測性能進行檢驗和誤差標校。這種方法需要協調較多資源，同時費用高、周期長，在雷達日常工作和訓練過程中，一般并不具備這樣的條件。

鑒于ADS-B的精確性和易獲取性，若借助民航飛機的ADS-B信息進行航跡測量精度評估和系統(tǒng)標校，將大大簡化試驗的方法和流程。文獻[3-6]研究了基于ADS-B的雷達性能測試和誤差校準方法;文獻[7]提出了基于ADS-B信息和測量航跡進行離線空間曲線誤差比對算法;文獻[8]設計了一種基于ADS-B的雷達數據采集評估系統(tǒng)。本文設計了一種實時的雷達航跡測量精度評估方法并應用于工程實踐：以高精度ADS-B報告的空中位置信息為真值，基于高效的航跡數據管理方法，實現了實時和連續(xù)的航跡方位和距離精度計算評估，并對結果曲線進行可視化輸出，滿足了常規(guī)條件下在線監(jiān)測和評價航跡測量精度的需求，為雷達系統(tǒng)誤差校正提供參考依據。

1 總體框架設計

航跡精度評估是雷達終端情報分析軟件的一個重要功能模塊，其原理框圖如圖1所示。ADS-B信號接收處理和雷達航跡數據處理分別作為獨立的軟件配置項，為航跡精度評估提供數據源;它們駐留在不同的計算機上，與情報分析軟件三者之間均通過高速局域網通信。ADS-B信號接收處理軟件接收并解析S模式DF字段值為17的ADS-B信號獲得飛機的空中位置和ICAO地址碼等信息，按協議封裝后分別發(fā)送給航跡數據處理和航跡精度評估。航跡處理軟件除了將雷達信號前端送來的點跡數據形成目標航跡并分配批號外，還通過航跡關聯跟蹤門將測量航跡與ADS-B數據形成的航跡進行一次匹配關聯。如果關聯成功，則將飛機ICAO地址碼填寫到航跡數據報文中發(fā)送給精度評估模塊。后續(xù)在目標可被探測到的威力范圍內，評估模塊可根據關聯的ADS-B信息連續(xù)對被評估目標航跡的方位和距離進行實時的精度計算和統(tǒng)計。

精度評估模塊基于面向對象方法設計，并采用跨平臺的C++開發(fā)庫Qt實現。下文將詳細介紹航跡數據管理設計和航跡精度計算過程。

2 航跡數據管理

2.1 航跡數據模型

航跡數據模型類TrackModel用于維護某種類型的所有航跡數據。在TrackModel類中由一個QMap類型的容器tracks來保存航跡數據，聲明tracks的代碼如下：

QMaptracks;

在tracks中以航跡標識和航跡數據結構 TRACK_DATA形成鍵-值關聯。航跡標識是區(qū)分和管理不同航跡的唯一依據，其中雷達測量航跡以批號為標識，由ADS-B報告形成的航跡以飛機ICAO地址碼為標識。利用航跡標識可對TrackModel進行指定航跡數據的訪問、更新及移除等操作。

TRACK_DATA是為保存單條獨立的航跡數據而設計的結構。其元素主要包括：航跡標識、航跡更新時間、航跡點的隊列和航跡屬性表等。其中航跡點隊列的定義為QVectortrackPlots，按時間先后將每個點的信息保存到一個向量中。PLOT_DATA結構用于描述特定航跡上單個點的信息，元素包括更新時間，目標位置信息以及該點的屬性。

2.2 數據管理類

數據管理類DataManage主要用于航跡數據的存儲、更新和訪問。為了保證數據的唯一性和確定性，DataManage采用單例模式設計實現。

DataManage類按航跡類型或來源來組織管理航跡數據，具體實現時采用容器變量trackModels來存儲航跡數據。聲明trackModels的代碼為：

QMap>trackModels;

trackModels的鍵為航跡類型“Radar”和“ADS-B”，對應的值分別為雷達測量航跡和ADS-B航跡，航跡數據模型的類型為TrackModel。DataManage類對外提供航跡數據模型的訪問接口，聲明為：

TrackModel*getTrackModel（QString type）;

以航跡類型調用該函數即可獲得相應的航跡數據模型。綜上所述，與航跡數據管理相關的類結構如圖2所示。

2.3 數據接收與更新

系統(tǒng)工作時，航跡處理和ADS-B信號接收處理軟件各自以網絡報文形式發(fā)送目標的最新位置，航跡精度評估模塊接收并按協議格式解析兩種位置信息。航跡數據接收與更新的簡要流程如下：

（1）首先解析航跡報文并獲取航跡標識trackId。

（2）定義一個PLOT_DATA結構的變量trkPlot保存解析出的最新航跡點的更新時間、位置坐標以及屬性等信息。對于雷達測量航跡，檢查是否有關聯的ADS-B航跡，如果有則在屬性映射表插入航跡關聯屬性，值為對應的ICAO地址碼。

（3）以航跡類型為參數調用DataManage的getTrackModel方法獲得對應的數據模型，將trkPlot加入到標識為trackId的航跡的點跡隊列中。如果本次傳入的是該航跡的首點，需要首先在tracks中初始化該航跡。

為了實現與評估計算模塊的通信，利用Qt的信號和槽機制，TrackModel對象在完成更新后會發(fā)射一個信號，將被更新航跡的標識trackId發(fā)送出去。

3 航跡精度計算

3.1 時空對齊與數據插值

精度計算在時間序列上對航跡位置進行比對。對于待評估航跡的一個點，需要找到與其在時間上對齊的ADS-B點作為參考。

實際中雷達和ADS-B的數據率并不一致，并且航跡報文和ADS-B報文中的時間戳不同步，所以需要通過插值獲得對應的ADS-B數據點。民航飛機大多數時間處于平穩(wěn)飛行狀態(tài)而較少出現機動動作，可認為是作勻速直線飛行，因此可選用線性插值。對于飛機轉彎的情況，考慮到ADS-B的數據率高出雷達很多，并且插值時僅作內插，采用線性插值也是可接受的。

ADS-B數據報文中提供的空中位置是WGS-84的大地坐標，在插值計算時需要將其變換到ECEF（地心地固）坐標系。設目標的經、緯、高度分別為L、B、H，其中L、B的單位為弧度，H的單位為米;目標的ECEF坐標x、y、z可由式（1）求取。

x=（N+H）·cosB·cosLy=（N+H）·cosB·sinLz=[N·（1-e2）+H]·sinB（1）

式（1）中，N為橢球面卯酉圈的曲率半徑，N=α/■;e為橢球的第一偏心率，e=■/a;a為橢球體長半軸，值為6378137米;b為橢球體短半軸，值為6356752.3142米。

在ECEF坐標系中，設勻速運動的目標在t1的坐標向量為X1，t3時刻的坐標向量X3，t3>t1，Δ則在位于t1與t3之間的時刻t2的坐標向量X2可由線性插值獲得：

X2=X1+（t2-t1）·（X3-X1）/（t3-t1）（2）

3.2 實時精度計算

為了能夠自動感知待分析航跡數據的更新，在評估計算模塊中注冊與TrackModel對象數據更新信號的關聯。每當待評估航跡有位置更新時，即在相應的槽函數中執(zhí)行一次精度計算，進而在時間序列上形成連續(xù)的統(tǒng)計分析結果。航跡精度實時評估計算的流程簡要描述如下：

（1）接收雷達航跡更新信號，若為待評估航跡的更新，則根據其批號在數據管理實例中查找對應的航跡數據;如果航跡屬性表中包含ADS-B的關聯，則根據屬性值即ICAO地址碼查找對應的ADS-B航跡數據。

（2）取待評估航跡的最新位置信息，若其時間戳在相關聯ADS-B航跡的時間區(qū)間內，繼續(xù)計算與每個ADS-B點的時間間隔Δt，通過檢測Δt的正負跳變獲得與該點時間最鄰近的前后兩個ADS-B報告點。

（3）按式（1）將ADS-B位置變換到ECEF坐標系并按式（2）插值得出與最新航跡點時間同步的ADS-B點。

（4）將插值得到的ADS-B點變換到雷達站心極坐標系，對待評估航跡點的方位和距離進行精度統(tǒng)計計算。

（5）以本次被評估航跡點的時間和精度結果構建一個QPoint類型的點對象，然后保存到評估結果隊列中，便于后續(xù)的可視化輸出。

在ADS-B航跡上查找插值端點時并不需要完整需遍歷ADS-B點的整個隊列。對于第一個被評估的航跡點，對ADS-B航跡的訪問從其隊尾開始可更快找到插值點位置。記錄本次插值點前端最鄰近時刻的ADS-B點索引i，對于后續(xù)更新的航跡點，則可以從i開始向后查找其對應的插值端點，完成后更新i的值，如此循環(huán)。

因為輸出結果是方位和距離精度統(tǒng)計參數，所以對插值得出的ADS-B目標點，需要將其變換到以雷達站址為中心的球面坐標系。設站心的ECEF坐標為（xr，yr，zr），目標的ECEF坐標為（x，y，z），則在站心處對目標的觀測向量可表示為：

最后，對在時間軸上累積到一定數目的航跡點，分別計算方位和斜距的平均絕對誤差和均方根誤差，以實現對航跡測量精度的統(tǒng)計評估。限于篇幅，對計算過程不做贅述。

3.3 計算結果可視化

為更直觀和友好輸出航跡精度評估結果，設計了支持人機交互的可視化圖形界面，效果如圖3所示。

界面底部為航跡參數表格，每一行容納并實時刷新一條航跡信息，按列分別顯示航跡批號、當前位置、關聯的ICAO地址碼及其他各種屬性。表格支持交互操作，鼠標雙擊某一行，即可將相應航跡的批號傳遞到計算模塊，隨即啟動對該航跡的評估。計算過程中的相關信息會在界面頂部顯示輸出。主顯示區(qū)域為精度統(tǒng)計計算的曲線輸出窗口，坐標橫軸均為時間，縱軸為方位或距離的精度指標計算結果。時間軸的坐標區(qū)間是動態(tài)更新的，覆蓋被評估航跡上最新n個位置點的時刻，最右端的時刻與航跡最新點的時刻保持同步。在計算和輸出過程中，精度曲線在時間軸上形成不斷向前的動態(tài)推進效果。

4 應用驗證

ADS-B信號接收處理模塊安裝在雷達天線載車平臺上，作為雷達整機系統(tǒng)的一部分采用統(tǒng)一的時統(tǒng)設備。系統(tǒng)運行時，通過對時操作保證各相關軟硬件的時間同步。實驗以西北某地區(qū)航線上的民航飛機為目標對某雷達系統(tǒng)的測量精度進行評估。

在雷達終端操作軟件啟動航跡精度評估模塊，選取含有ADS-B關聯數據的某目標航跡，對其跟蹤測量的方位和距離精度進行持續(xù)統(tǒng)計評估，結果輸出如圖4所示。其中，左側曲線分為目標方位在一定時段內的平均絕對誤差和均方根誤差，右側分別為探測斜距的平均絕對誤差和均方根誤差。

雷達探測利用機體對無線電波的反射進行定位， 這與ADS-B采用的GPS定位方式是有區(qū)別的，因此將產生確定的系統(tǒng)誤差。當目標為體積較大的民航飛機時，分析精度時需要考慮到這種系統(tǒng)誤差的影響。另外目標飛行方向也會對精度產生一定影響，一般徑向飛行時，方位精度輸出較為穩(wěn)定;切向飛行時，距離精度的輸出較為穩(wěn)定。

5 結束語

民航ADS-B廣播信號具有多目標、高精度和易獲取等諸多優(yōu)點，非常適合作為雷達探測性能評估的數據源。面向低成本和易實施的航跡精度評估和系統(tǒng)誤差修正的需求，本文介紹了以ADS-B的空中位置信息為參考對雷達進行航跡精度評估的技術途徑，并實現了一種支持人機交互的可視化實時評估軟件模塊?；趯ｉT設計的數據管理組件，模塊可自動感知航跡和ADS-B數據的更新狀態(tài)，通過時空對準，在對目標進行穩(wěn)定跟蹤的時間區(qū)域內，對雷達測量航跡進行連續(xù)和在線精度計算和統(tǒng)計。

經工程實踐驗證，該軟件模塊的穩(wěn)定性和可靠性均滿足使用需求，可全天候工作，人機界面友好、信息輸出直觀，具有較高的工程應用價值。

【參考文獻】

[1]Robert Sittler， Jifeng Ru， Siva Sivananthan， et al. A New Algorithm of Radar to ADS-B Registration[J].Air Traffic Control Quarterly，2011，19（3）：191-210.

[2]張召悅，韓邦村，高春燕.基于數據融合的ADS-B/ACARS空域監(jiān)視系統(tǒng)設計[J].航空計算技術，2013，43（4）：91-94.

[3]劉浩，吳國慶.基于ADS-B的目標指示雷達戰(zhàn)術性能測試方法研究[J].計算機與數字工程，2015，43（5）：793-796.

[4]孟軍，馬彥恒，董健，et al.基于ADS-B的便攜式空情偵測系統(tǒng)技術方案研究[J].計算技術與自動化，2012，31（1）：132-135.

[5]王忠強.基于ADS-B的雷達系統(tǒng)誤差校準算法研究[J]. 系統(tǒng)仿真技術，2016，12（1）：30-44.

[6]苑文亮，唐小朋，朱洪偉，et al.基于ADS-B數據的雷達標校新方法[J].艦船電子工程，2010，30（3）：147-150.

[7]楊蓓蓓，張洪川.一種基于ADS-B的雷達性能測試方法[J].雷達與對抗，2015，35（2）：12-15.

[8]何彬兵，汪在華.基于ADS-B的雷達數據采集評估系統(tǒng)設計[J].雷達科學與技術，2017，15（4）：427-432.