郝 娜

（民航新疆空中交通管理局技術(shù)保障中心，新疆 烏魯木齊 830016）

0 引 言

空管系統(tǒng)普遍使用雷達監(jiān)視航空器，但雷達在應(yīng)用中存在盲區(qū)，無法在一些特殊區(qū)域安裝。為了獲得監(jiān)視空域的良好效果，需改進航空系統(tǒng)的協(xié)同避讓性能。目前，民航系統(tǒng)正在建設(shè)ADS-B工程，這是因為飛行流量的不斷增加對空管監(jiān)視技術(shù)提出了更高的要求。ADS-B可以對較好地覆蓋盲區(qū)，通過有機整合ADS-B與雷達，提高空域監(jiān)視的效率。

1 ADS-B與雷達概述

1.1 ADS-B

1.1.1 ADS-B基本情況

ADS-B中文名稱為廣播式自動相關(guān)監(jiān)視。ADS-B不需要人工參與運作，利用自身依附的載體設(shè)施，與其他ADS-B載體或地面設(shè)備一起獲取與傳輸信息。自身載體一般可獲取方位、飛行高度、前方障礙以及航行速度等信息。獲取信息后，以電文方式傳輸至需要這些信息的設(shè)備。通過這樣的方式全面管控設(shè)備，降低發(fā)生飛行事故的概率。ADS-B形成于自動監(jiān)管ADS系統(tǒng)，最初監(jiān)控越洋飛行器，解決雷達設(shè)管區(qū)域局限的問題?，F(xiàn)今ADS-B技術(shù)日趨成熟，并在航天航空領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

1.1.2 ADS-B的應(yīng)用優(yōu)勢

ADS-B整合了各種現(xiàn)代化信息技術(shù)，如通信技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)以及地面設(shè)備技術(shù)等，可有效提高設(shè)備運行效率，對航空監(jiān)視區(qū)域?qū)崿F(xiàn)整體覆蓋，有利于飛行員與管理員了解風(fēng)險，保證航空交通安全。相較于傳統(tǒng)的空管雷達方式，ADS-B優(yōu)勢顯著。第一，ADS-B地面站在多種環(huán)境應(yīng)用，打破了地形約束，節(jié)省了成本且維護方便。第二，ADS-B可精確定位，有效增強航空器的協(xié)同能力，一定程度上減小了飛行間隔，增加了空域容量和空中流量。第三，ADS-B將更多目標(biāo)信息提供給地面管制人員與飛行員，達到了一體化監(jiān)視目的，充分確保了空中與地面、空中與空中及地面與地面的監(jiān)視效果。雷達本身特點導(dǎo)致其無法安裝在全部地形環(huán)境內(nèi)，而利用ADS-B可以較好地解決這個問題[1]。

1.2 雷達的定義和特點

1.2.1 雷達的定義

雷達采取無線電方法測定目標(biāo)。雷達的兩個基本任務(wù)是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)與測量目標(biāo)。雷達可控制飛機的間隔，掌握飛機的位置，判斷飛機的類型，還可以幫助飛行員導(dǎo)航，發(fā)送危險告警。

1.2.2 雷達的特點

一次雷達是相對獨立的非合作監(jiān)視。獨立性指用戶通過合理的方法鎖定目標(biāo)，并得到相關(guān)的信息。非合作性是指目標(biāo)無需任何裝備。二次雷達是有獨立特點的合作監(jiān)視，用戶通過詢問與機載設(shè)備實現(xiàn)應(yīng)答估計，但若飛機未配置應(yīng)答機或應(yīng)答機停止工作，則無法實現(xiàn)監(jiān)視。

目前，二次監(jiān)視雷達包括A/C模式和S模式。A/C模式應(yīng)答機有效識別飛機身份并得到相關(guān)飛行信息，因此地面站可得到有關(guān)目標(biāo)的三維信息與身份信息。S模式二次雷達完善了AC模式，包括A/C模式的全部功能，并可以選擇性詢問。二次雷達系統(tǒng)除了提供全面的信息之外，還有一些其他顯著特征[2]。

（1）發(fā)射功率小。二次雷達地面站發(fā)射功率小于一次雷達，因為二次雷達有獨立的發(fā)射機。同樣，二次雷達應(yīng)答機的接收機靈敏度較低。

（2）提供豐富的信息。二次雷達系統(tǒng)可開展編碼工作，機載應(yīng)答機提供豐富的信息，如距離、方位以及飛機代碼等。

（3）不存在目標(biāo)閃爍現(xiàn)象。目標(biāo)發(fā)射能量不會形成二次雷達的回波，由機載應(yīng)答機提供自主輻射信號，與目標(biāo)對應(yīng)的反射面積無任何聯(lián)系。

2 ADS-B與空管監(jiān)視雷達數(shù)據(jù)融合處理

2.1 ADS-B航跡的形成

ADS-B目標(biāo)與唯一地址編碼對應(yīng)，有效關(guān)聯(lián)了航空器信息，從而獲得有效信息。在ADS-B系統(tǒng)中，航跡信息通過飛機獲得，且以航班與呼號標(biāo)識每個航空器的報文，避免發(fā)生信息混淆。航跡濾波利用科學(xué)算法對觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)濾波，對丟失數(shù)據(jù)進行平滑處理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果ADS-B長期無法獲得報告，說明飛機終止了航跡[3]。

2.2 雷達目標(biāo)跟蹤

雷達跟蹤目標(biāo)的航跡具體如下：（1）航跡頭，這是每條航線的第1點跡；（2）航跡起始，當(dāng)雷達開展二次掃描時，按出示波門，關(guān)聯(lián)掃描點跡，利用兩點預(yù)測外推法。外推時假定目標(biāo)開展直線勻速運動，設(shè)計第i個目標(biāo)的第j次測量數(shù)值為zi(j)，坐標(biāo)點位(xi,yi)。按照運動方程，第3點的預(yù)測外推值坐標(biāo)為：

其中，T代表采樣間隔，V代表y方向上目標(biāo)的運動速度。

目標(biāo)速度為：

航跡融合包括集中式、分布式和混合式。考慮實際情況，本文以分布式融合模型有機聯(lián)系A(chǔ)DS-B和雷達航跡。經(jīng)分析可知，每個傳感器都有獨特的航跡處理器，它們在處理數(shù)據(jù)中產(chǎn)生獨立的航跡，如此保證不會因為降低某個傳感器的點跡質(zhì)量而干擾系統(tǒng)航跡質(zhì)量。該模型的數(shù)據(jù)融合包括對各單個雷達數(shù)據(jù)實現(xiàn)融合和對多雷達航跡與ADS-B航跡融合產(chǎn)生航跡，通過互相發(fā)揮作用，提高航飛系統(tǒng)的運行水平。

2.3 航跡濾波處理

2.3.1 跟蹤濾波算

Kalman濾波算法通過建立最小均方差原則實現(xiàn)估計操作。它以線性遞推的方式，對多個數(shù)據(jù)和信號參數(shù)進行處理和測量，得到的最大均方誤差無任何差異。Kalman濾波器具有遞歸、線性與最小方差特點。若過程噪聲和觀測噪聲屬正態(tài)高斯白噪聲，則它可以充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，即對線性與高斯問題，Kalman濾波器設(shè)計最合理。

飛機在勻速運動過程中，α-β濾波器與Kalman濾波器形成了相同的效果。當(dāng)目標(biāo)運動呈隨機性時，Kalman濾波器的性能明顯比α-β濾波器高。當(dāng)飛機作勻速運動時，α-β-γ濾波器更適合。它利用激動檢測合理調(diào)節(jié)濾波增益，優(yōu)化性能。若修正的算法過于復(fù)雜，則無法充分體現(xiàn)計算常增益濾波量最小優(yōu)勢。Kalman濾波器的適應(yīng)能力較強，可提高實時處理效率。

飛機一般根據(jù)預(yù)先設(shè)定的航線開展勻速直線飛行。當(dāng)飛機把部分隨機擾動作為零均值獲得高斯白噪聲序列時，說明它正在進行勻速直線運動，此時通過Kalman濾波器開展飛機追蹤濾波操作。但是，飛機在現(xiàn)實中無法總開展勻速直線運動，會出現(xiàn)部分隨機運動，如轉(zhuǎn)彎、陣風(fēng)等，此時將噪聲作為非零均值與實際情況更符合，這就要求飛機利用自適應(yīng)模型運動。當(dāng)數(shù)學(xué)模型和實際目標(biāo)運動模式高度契合時，Kalman濾波可發(fā)揮最大化優(yōu)勢。

2.3.2 目標(biāo)跟蹤模型

目標(biāo)跟蹤主要對目標(biāo)的狀態(tài)軌跡實現(xiàn)估計。目標(biāo)狀態(tài)模型在不斷變化的狀態(tài)下描述目標(biāo)運動過程，以目標(biāo)作為一個點源實現(xiàn)建模。日常使用的模型包括CV模型、CA模型和Singer模型。其中，Singer模型與統(tǒng)計模型同屬于自適應(yīng)追蹤算法模型，特點是考慮目標(biāo)全部的可能動機，適用于各種類型的目標(biāo)動機。

3 ADS-B與空管監(jiān)視雷達的融合處理方式的應(yīng)用

3.1 時間對準(zhǔn)

航管雷達和ADS-B系統(tǒng)根據(jù)一定的時間次序完成對空監(jiān)視。處理多雷達監(jiān)視數(shù)據(jù)時，要注意保持時序的精確性。航管雷達天線一般轉(zhuǎn)動周期為4 s、10 s和12 s，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范劃分雷達掃描全空域為32個扇區(qū)。大部分情況可根據(jù)接收的雷達正北報明確探測目標(biāo)時序，在正北報不足或缺少的情況下建立模型：

其中，Tr=[t1,t2,…,tn]代表雷達逐扇對某一時刻推進的時序進行掃描，T1代表第1部雷達持續(xù)轉(zhuǎn)動k個扇區(qū)且傳遞探測數(shù)據(jù)消耗的時間。

此外，有：

第1部雷達持續(xù)累加轉(zhuǎn)動的扇區(qū)數(shù)位k1，結(jié)合雷達自身轉(zhuǎn)速順次異步增加1；c1是第1部雷達天線掃描的時間；s1代表第1部雷達對空域進行掃描，合理劃分扇區(qū)；d1代表第1部雷達傳遞目標(biāo)報告的通信時間。

因此，式（3）可完善為：

其中，單位陣是E。式（8）代表了可信度較高的雷達目標(biāo)時序。通過上一次雷達發(fā)送報文的時間和間隔，能得到下一次的報文時序。

3.2 空間對準(zhǔn)

ADS-B報告的目標(biāo)是大地坐標(biāo)系位置Lα=[LαBαHα]，航管雷達提供了雷達站心極坐標(biāo)系位置Lr=[rrθrhr]。在處理計算外推、濾波等數(shù)據(jù)之前，需要轉(zhuǎn)換到北天東笛卡爾中央坐標(biāo)系位置Xc=[xcyczc]：

經(jīng)過分析融合數(shù)據(jù)可知：利用混搭式數(shù)據(jù)融合算法輸出數(shù)據(jù)位置誤差不會超過3 km，屬于允許范圍，結(jié)果達到了規(guī)定要求，可以精確管理航空數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

我國的民航正在建立ADS-B空監(jiān)工程，并逐步肯定了ADS-B的優(yōu)勢。ADS-B與雷達系統(tǒng)的融合，不僅有利于采集空中流量信息，還提升了空中對空中、空中對地面的協(xié)調(diào)能力。因此，必須努力推動ADS-B技術(shù)與雷達技術(shù)的融合，共同構(gòu)建安全的航空環(huán)境。