呂濤 李璐 周鑫

【摘要】? ? 多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)接入終端區(qū)多監(jiān)視源數(shù)據(jù)，包括一次雷達、二次雷達、多點定位系統(tǒng)（MLAT）、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）、場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)等，通過對各種監(jiān)視源的異構(gòu)監(jiān)視信息進行融合處理，保障終端區(qū)高密度航班安全飛行。本文介紹了一種多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引的實現(xiàn)方法，通過對多源數(shù)據(jù)信號接口、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視與通道選擇和數(shù)據(jù)格式變換、坐標(biāo)變換等保護性預(yù)處理完成多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引功能的實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】? ? 多傳感器? ? 異構(gòu)數(shù)據(jù)? ? 數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)

引言：

多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)一般具備多個分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，一般包括ADS-B地面站應(yīng)用系統(tǒng)、MLAT監(jiān)視系統(tǒng)、多源異構(gòu)多監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)接口、地圖服務(wù)器、綜合交通態(tài)勢融合、綜合交通態(tài)勢預(yù)測與沖突預(yù)警、監(jiān)視干擾檢測與定位處理、綜合交通態(tài)勢顯示、綜合交通態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)綜合管理等。其基本組成如圖1所示。

在多傳感器異構(gòu)接引系統(tǒng)中，需要接引的各類數(shù)據(jù)源的輸入數(shù)據(jù)都需要進行一系列的預(yù)處理，包括多源數(shù)據(jù)信號通信接口、數(shù)據(jù)有效性判斷模塊、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視與通道選擇、數(shù)據(jù)保護性預(yù)處理、數(shù)據(jù)歸一化格式轉(zhuǎn)換與輸入，無航跡相關(guān)的單點跡信息、完成點航相關(guān)的航跡數(shù)據(jù)、連續(xù)跟蹤的航跡和無點跡相關(guān)的航跡補充跟蹤、高度跟蹤等。同時，還要進行面向多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)融合等處理，完成各傳感器數(shù)據(jù)的時空對準(zhǔn)和坐標(biāo)變換。

一、多源數(shù)據(jù)信號通信接口

多源數(shù)據(jù)信號通信接口主要完成各傳感器系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的判斷和匹配，完成數(shù)據(jù)濾除、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)分類歸集和融合航跡數(shù)據(jù)輸出。通過本地數(shù)據(jù)庫的參數(shù)配置完成數(shù)據(jù)歸一化格式轉(zhuǎn)換，其輸入源應(yīng)支持RS-232、RS-422及網(wǎng)絡(luò)等電氣接口。

信號接口處理單元實現(xiàn)對各數(shù)據(jù)源的不同通信通路的處理。數(shù)據(jù)信號的處理采用專有技術(shù)實現(xiàn)的智能多源數(shù)據(jù)處理組件，支持ADS-B地面接收機、多點定位系統(tǒng)、Thomson（Thales ATM）雷達、Raytheon雷達頭及綜合航跡，Telephonics綜合航跡，Alenia雷達、Toshiba雷達、Siemens雷達等多種一二次雷達的HDLC、TCP/IP通信規(guī)程，通信規(guī)程通過服務(wù)器參數(shù)配置。

多源數(shù)據(jù)信號通信接口的接口處理模塊應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)處理模塊，方便與其他子系統(tǒng)進行連接通信。

二、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視與通道選擇

多傳感器異構(gòu)引接系統(tǒng)至少支持兩路獨立、冗余的信號輸入，物理接口包括光纖、網(wǎng)線、串口等多種不同傳輸介質(zhì)。系統(tǒng)的前端處理單元對多路數(shù)據(jù)信號進行信號質(zhì)量評估、實時管控、通道的自適應(yīng)切換和通道的手動選擇。質(zhì)量評估系統(tǒng)根據(jù)各子系統(tǒng)上報的通道狀態(tài)和接引系統(tǒng)的質(zhì)量評估準(zhǔn)則完成質(zhì)量評估，對其上報的數(shù)據(jù)率進行實施管控，根據(jù)通信協(xié)議中要求的數(shù)據(jù)格式及必備數(shù)據(jù)項進行檢查和校驗，同時根據(jù)評估結(jié)果進行自適應(yīng)的通道切換。數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視流程如圖2所示。

圖2? ? 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視流程

三、數(shù)據(jù)保護性預(yù)處理

3.1概述

對通過監(jiān)視通道選擇并已完成歸一化后格式轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行更為精細的數(shù)據(jù)判斷，實施保護性過濾。保護性過濾的規(guī)則主要為的數(shù)據(jù)格式的判斷，包括數(shù)據(jù)包頭信息、數(shù)據(jù)包標(biāo)志和各數(shù)據(jù)項中的取值規(guī)則等，接口處理功能模塊需針對不同的信號源單獨設(shè)計。

3.2數(shù)據(jù)格式變換

數(shù)據(jù)格式變換單元應(yīng)支持當(dāng)前主流的數(shù)據(jù)格式，主要包括Thomson，Raytheon Toshiba，Alenia，WestingHouse，Telephonics，Siemens，NEC等雷達數(shù)據(jù)和民航推行的ASTERIX型數(shù)據(jù)格式等。

四、時-空對準(zhǔn)和坐標(biāo)變換

4.1時間軸對準(zhǔn)

4.1.1統(tǒng)一的時間戳印記

多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)需要使用統(tǒng)一的時鐘完成時間配對和數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理，使用系統(tǒng)GPS時鐘作為統(tǒng)一的時間戳印記（time stamp）。各數(shù)據(jù)源中增加了時間戳印記后，能夠方便地補償各數(shù)據(jù)源因不同的通信信道導(dǎo)致的時間隨機差和各個數(shù)據(jù)源之間的時間基準(zhǔn)差，其中時間隨機差變化較大且無特定規(guī)律，很難通過其他辦法進行時間補償。需要注意的是，GPS的時間戳的統(tǒng)一，并不能有效減小前端傳感器帶來的處理延時，即從天線波束指向目標(biāo)時刻到數(shù)據(jù)錄取設(shè)備完成目標(biāo)探測凝聚并上報時刻的時間差延時。

4.1.2自動檢測時間差與時間差的補償

考慮到每一個傳感器在數(shù)據(jù)輸出時都會打上各個傳感器系統(tǒng)的時間印記，如果通信信道的延時不是恒定的且并不嚴(yán)重（如小于100毫秒），考慮使用一種不依賴時間戳印記的自動檢測時間差并完成時間差補償?shù)姆椒ā?/p>

對于空中的飛行目標(biāo)而言，在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系中，各個傳感器上報目標(biāo)時的時間戳僅僅因為各個傳感器間的時間差，會導(dǎo)致目標(biāo)在飛行軌跡上出現(xiàn)位置提前或延后的誤差，該誤差與飛行目標(biāo)的航向和航速有關(guān)，若多個傳感器間通過目標(biāo)探測時間的位置內(nèi)插、外推，并將之折合到同一時刻，根據(jù)其飛行姿態(tài)，完成時間差的自動檢測和補償。

各個傳感器件的時間差可以視為有固定時間差和隨機時間差組成。固定時間差的補償只需要通過一次性離線檢測或固定周期的離線檢測就能完成。而時差中的隨機部分則相當(dāng)于探測過程中出現(xiàn)的探測時間隨機誤差，該部分無法進行有效的精確補償，只能由系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過程中，完成隨機時間差的抑制。通過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合過程進行時間差抑制時，若該隨機時間差遠小于傳感器系統(tǒng)的探測誤差，則該隨機時間差可以當(dāng)做正常處理誤差進行處理;如小于100毫秒時，這可以使用該方法進行補償。

4.1.3內(nèi)插與內(nèi)插誤差

當(dāng)各個傳感器均為獨立系統(tǒng)中并依據(jù)各自的系統(tǒng)時間完成目標(biāo)掃描，即異步掃描狀態(tài)時，需要進行獨立處理。接引系統(tǒng)需要對每個傳感器上報的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)進行飛行位置的內(nèi)插和外推，并將之折合到同一時鐘刻度和同一空間坐標(biāo)系后，方能進行下一步的時空對準(zhǔn)處理。時間差自動檢測和補償就是為了解決各傳感器子系統(tǒng)的時間與接引系統(tǒng)的統(tǒng)一時間戳（即真實時間差）之間的時間誤差。經(jīng)過正北偏差角校正和坐標(biāo)匹配處理后，可以完成多個傳感器系統(tǒng)中上報同一目標(biāo)在固定時間維度固定位置坐標(biāo)系下的位置偏差修正，即正北偏差角校正和坐標(biāo)匹配的誤差修正。針對此時的誤差，需要進行飛行目標(biāo)內(nèi)插、外推的誤差修正，使用其飛行姿態(tài)適配的內(nèi)插和外推算法進行推算估計，再結(jié)合各個傳感器系統(tǒng)的正北分離偏差角和地球大地坐標(biāo)系的高斯投影等坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，有效計算出同一時間系、空間系下的飛行目標(biāo)位置信息。在時間軸對準(zhǔn)、時間差檢測與補償?shù)幕A(chǔ)上，再通過適當(dāng)?shù)膬?nèi)插外推計算模型，系統(tǒng)可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的“零延時”融合處理，多源數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)航跡刷新時刻顯示的目標(biāo)位置就是目標(biāo)當(dāng)前真實位置的最優(yōu)估計，而不是延時若干時間后的最優(yōu)估計。

4.2坐標(biāo)變換

4.2.1概述

在完成了時間軸對齊的時間差修正下，需要進一步提高目標(biāo)的探測精度和各傳感器數(shù)據(jù)融合率，以滿足多傳感器接引系統(tǒng)中對坐標(biāo)變換的要求。

多傳感器接引系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能模塊中，各個傳感器的目標(biāo)信息應(yīng)當(dāng)處于同一個空間坐標(biāo)系下。因此需要將不同傳感器系統(tǒng)所處的地理位置信息進行存儲，再結(jié)合其探測到的目標(biāo)位置信息，完成同一空間坐標(biāo)系的位置轉(zhuǎn)換。空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換帶來的計算誤差應(yīng)當(dāng)小于各個傳感器對于目標(biāo)的探測精度要求，否則將會造成目標(biāo)位置信息由于空間坐標(biāo)變換而導(dǎo)致探測精度下降的問題，該問題會導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)據(jù)在處理過程存在無法進行目標(biāo)相關(guān)、融合航跡精度小于單傳感器上報的航跡精度等的異常情況，從而大大降低的接引系統(tǒng)的性能。坐標(biāo)變換需要使用到地球橢球模型、地心大地坐標(biāo)系和高斯投影等數(shù)學(xué)模型，結(jié)合以歸化緯度（Conformal Latitude）為基礎(chǔ)的球面投影，最佳等效地球半徑等概念，并運行這些概念完成轉(zhuǎn)換精度和算法復(fù)雜度均合理的坐標(biāo)變換數(shù)學(xué)模型和算法。

4.2.2點跡

在點跡數(shù)據(jù)中，目標(biāo)三維位置坐標(biāo)一般都以相對于傳感器天線的斜距、方位角、海拔高度三個傳感器原始探測參數(shù)的形式提供。點跡數(shù)據(jù)中的位置信息一般為目標(biāo)相對各傳感器系統(tǒng)的斜距、相對正北的角度、飛行的海拔高度三個信息。同時已知各傳感器的位置數(shù)據(jù)，包括經(jīng)度緯度和高度。根據(jù)各傳感器系統(tǒng)上報的目標(biāo)位置信息，結(jié)合傳感器系統(tǒng)所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，計算出目標(biāo)的經(jīng)度緯度和高度數(shù)據(jù)，即計算出目標(biāo)相對大地坐標(biāo)的位置信息，以此為所有目標(biāo)的統(tǒng)一空間坐標(biāo)系。需要進行大地坐標(biāo)計算的的數(shù)學(xué)模型介紹如下：

1.以地心作為球心的正球模型計算公式;

2.因地球為橢球形，與標(biāo)準(zhǔn)求模型存在一定的誤差，需要使用球模型下的地星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，在該公式中，等效地球半徑公式如下：

R=R.sqrt{[1-（2.ε2-ε4）.sin2φ0]/（1-ε2.sin2φ0）}

≈R.sqrt（1-ε2.sin2φ0）

R=6378.137km（地球赤道參考半徑）

ε=0.081819191（地球第一偏心率）

在上式中，φ0為各傳感器系統(tǒng)位置數(shù)據(jù)中的緯度。等效地球半徑由傳感器系統(tǒng)所在的緯度決定。

目標(biāo)由斜距方位角轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度如下：

（rh-β）→（λ-φ）：

cos（γ）=[（R+h）2+（R+C）2-rh2]/[2.（R+h）.（R+C）]

tan（λ-λ0 ）=sinβ/（ctgγ.cosφ0-cosβ.sinφ0）

tanφ=ctgβ.sin（λ-λ0 ）/cosφ0+tanφ0.cos（λ-λ0 ）

大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換到相對斜距、方位角：

（λ-φ）→（rh-β）：

cos（γ）=sinφ.sinφ0+cosφ.cosφ0.cos（λ-λ0 ）

tanβ=[cosφ.sin（λ-λ0 ）]/[sinφ.cosφ0-cosφ.sinφ0.cos（λ-λ0 ）]

rh2=（R+h）2+（R+C）2-2.（R+h）.（R+C）.cos（γ）

以上公式中，目標(biāo)高度、中心站點高度、中心站位置信息均為已知信息。方位角為相對正北的角度（即以Y軸為起點，順時針為正角度值，取值范圍為0°～360°）。

4.2.3航跡

在各傳感器已完成目標(biāo)跟蹤的航跡數(shù)據(jù)中，目標(biāo)的位置坐標(biāo)信息與點跡相同，均為相對于傳感器天線的斜距、方位角、海拔高度三個傳感器原始探測參數(shù)的形式。通過極坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換可以獲取該目標(biāo)的X-Y坐標(biāo)信息。因航管雷達系統(tǒng)中常使用球面方位圓心距離進行目標(biāo)投影顯示，需要將之轉(zhuǎn)換為相對地心的大地坐標(biāo)系，即經(jīng)度緯度和高度數(shù)據(jù)。利用目標(biāo)的投影X-Y坐標(biāo)、海拔高計算大地坐標(biāo)，所需數(shù)學(xué)模型如下：

1.以地心作為球心的正球模型計算公式;

2.作為橢球形的地球與正球型存在幾何形狀偏差引起的誤差，采用局部最佳的地球半徑說明如下：

X-Y坐標(biāo)信息到大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換如下：

（x-y）→（λ-φ）：

tan（λ-λ0 ）=4.（R+h）.x/{[4.（R+h）2-x2-y2].cosφ0-4.（R+h）.y.sinφ0}

tanφ=y.sin（λ-λ0 ）/（x.cosφ0）+tanφ0.cos（λ-λ0 ）

當(dāng)x=0時，

λ=λ0

sin（φ-φ0）=4.（R+h）.y/[4.（R+h）2+y2]

大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度到X-Y坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換如下：

（λ-φ）→（x-y）：

x=2.（R+h）.cosφ.sin（λ-λ0 ）/[1+sinφ.sinφ0+cosφ.cosφ0.cos（λ-λ0 ）]

y=2.（R+h）.[sinφ.cosφ0-cosφ.sinφ0.cos（λ-λ0 ）]/[1+sinφ.sinφ0+cosφ.cosφ0.cos（λ-λ0 ）]

為了方便于進行正北校正，也可以將上述 （x-y）→（λ-φ）換改造成（r-β）→（λ-φ）變換，因為正北偏差校正就是方位角β的偏差校正，這里，r=x2+y2為目標(biāo)在顯示平面內(nèi)對坐標(biāo)原點的平面距離。因此，雖然正北校正非常重要，但是從數(shù)學(xué)觀點看，它僅僅是坐標(biāo)變換的一個組成部分。斜距、方位角到經(jīng)度、緯度的變換（rh-β）→（λ-φ）已包含方位角β，可直接實現(xiàn)正北校正。

五、結(jié)束語

本文給出了一種多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引的實現(xiàn)方法，描述了可適配的多源數(shù)據(jù)信號通信接口，數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視和通道選擇，數(shù)據(jù)保護性預(yù)處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和時-空對準(zhǔn)處理。多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)為終端區(qū)綜合監(jiān)視體制提供較為全面的飛行器信息，解決繁忙終端區(qū)監(jiān)視手段單一、匱乏等問題，是空中交通管制系統(tǒng)中重要的組成。

參? 考? 文? 獻

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