周 游 任 倫 李 碩

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

警戒搜索雷達(dá)由于其全天候，探測距離遠(yuǎn)，搜索范圍大的特性，經(jīng)常被用作戰(zhàn)前預(yù)警雷達(dá)，以盡早發(fā)現(xiàn)威脅目標(biāo)[1]。然而根據(jù) 2016 年中國民航的機(jī)場起降架次的統(tǒng)計(jì)信息，我國境內(nèi)民用航空(頒證)機(jī)場共有218個(gè)(不含香港、澳門和臺(tái)灣地區(qū))，全年起降架次達(dá)到9238291架次，其中，北京首都機(jī)場排名第一，全年起降606081架次，日均起降1660.5架次[2]，這勢必會(huì)導(dǎo)致在國內(nèi)很多陣地的某個(gè)時(shí)間段雷達(dá)能夠檢測到很多民航，影響操作手對(duì)可疑目標(biāo)的判斷。因此無論是雷達(dá)研制單位還是軍方及其他使用單位都迫切需要一種能夠?yàn)V除民航的顯示方式。

考慮到有些雷達(dá)在研制過程中并沒有配備訊問機(jī)，本文介紹的過濾方法需要輔助配備ADS_B地面接收設(shè)備，基于ADS_B接收到的民航位置信息，通過時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，將雷達(dá)檢測到的民航目標(biāo)從PPI中濾除掉，能夠很好地滿足需求。

1 系統(tǒng)概述

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS_B)的全稱是“Automatic Dependent Surveillance-Broadcast”，它通過數(shù)據(jù)鏈以廣播形式向外發(fā)送自身的狀態(tài)信息，包括飛機(jī)的標(biāo)識(shí)、呼號(hào)、經(jīng)緯度、高度、速度等信息，這些信息可由同樣加裝ADS_B的地面接收站接收并顯示[3-5]。

本系統(tǒng)處理流程如圖1所示，ADS_B地面接收站將收到的民航信息通過網(wǎng)絡(luò)，采用TCP的方式發(fā)送給雷達(dá)終端；同時(shí)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)將檢測到的點(diǎn)跡目標(biāo)信息傳遞給數(shù)據(jù)處理機(jī)，數(shù)據(jù)處理機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)跡凝聚、雜波剔除、航跡相關(guān)、航跡外推、航跡管理等步驟將最終形成的航跡信息傳遞給雷達(dá)終端。雷達(dá)終端在收到兩路數(shù)據(jù)后，先后經(jīng)過時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、空間對(duì)準(zhǔn)、門限判斷后，由雷達(dá)操作手將確定為民航的雷達(dá)航跡從PPI顯示中剔除，以下對(duì)主要步驟詳細(xì)介紹。

圖1 系統(tǒng)處理流程圖

2 處理流程

本系統(tǒng)中，兩路數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，雷達(dá)和ADS_B沒有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，最終檢測到的目標(biāo)位置信息也都是在各自坐標(biāo)系中，為了能夠?qū)陕窋?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)就必須轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的時(shí)空坐標(biāo)系中。

2.1 時(shí)間對(duì)準(zhǔn)

ADS_B地面接收站收到的數(shù)據(jù)中已經(jīng)包括了GPS時(shí)間戳，而雷達(dá)以本地時(shí)間作為基準(zhǔn)，因此存在基本上固定的時(shí)間差異，為消除該差異，系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候終端給信號(hào)處理機(jī)發(fā)送“GPS時(shí)間校準(zhǔn)指令”，信號(hào)處理機(jī)根據(jù)該指令，為每個(gè)檢測到的目標(biāo)點(diǎn)跡打上GPS時(shí)標(biāo)，數(shù)據(jù)處理機(jī)在最終輸出目標(biāo)航跡的時(shí)候同樣增加GPS時(shí)間信息。另外，雷達(dá)每圈掃描時(shí)間為10s，而ADS_B的數(shù)據(jù)更新率為1s，因此，在同一時(shí)間段內(nèi)，終端接收到ADS_B的數(shù)據(jù)量是雷達(dá)的10倍?？紤]到雷達(dá)有較大的測量誤差，包括運(yùn)動(dòng)模型誤差，濾波速度誤差，位置測量誤差，時(shí)間對(duì)準(zhǔn)誤差等，為了分析對(duì)比，以雷達(dá)數(shù)據(jù)為時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)ADS_B數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。假設(shè)目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為v，ADS_B在t1時(shí)刻收到的目標(biāo)距離為R(t1)，在下一時(shí)刻t2收到的目標(biāo)距離為R(t2)，在t1和t2之間的ti時(shí)刻，收到雷達(dá)數(shù)據(jù)，那么ADS_B在ti時(shí)刻的目標(biāo)距離推算值為：

R(ti)=R(t1)+v×(ti-t1)

(1)

至此，兩路數(shù)據(jù)在時(shí)間上已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)。

2.2 空間對(duì)準(zhǔn)

本系統(tǒng)中ADS_B收到的數(shù)據(jù)為經(jīng)度、緯度、海拔高；雷達(dá)收到的數(shù)據(jù)為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的距離、方位、俯仰值。為方便用戶觀察，將ADS_B的數(shù)據(jù)采用如下方式轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)系下：

1)由目標(biāo)點(diǎn)的位置，計(jì)算出目標(biāo)在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x1,y1,z1)

(2)

其中，φ是緯度，J是經(jīng)度，H是高度，N為橢球的卯西圈曲率半徑。

(3)

其中a為地球長半徑，a=6378137m；e為橢球的第一偏心率，e2=0.00669437999013。

2)由雷達(dá)站點(diǎn)的經(jīng)緯高，同樣計(jì)算出雷達(dá)在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x0,y0,z0)。

3)計(jì)算目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)站的坐標(biāo)：

(4)

4)根據(jù)(xE,yE,zE)，計(jì)算出目標(biāo)所在位置的距離、方位、俯仰值：

(5)

Azi=tan-1(yE/xE)

(6)

Ele=sin-1(zE/R)

(7)

至此，ADS_B的數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，可以進(jìn)行比較。

2.3 門限判斷

目前，常見的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法有最鄰近法、最大似然法、最優(yōu)差別法和統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)法。其中最鄰近法主要適用于空域中存在單目標(biāo)或者目標(biāo)數(shù)較少的情況，或者說適用于稀疏目標(biāo)環(huán)境下的關(guān)聯(lián)[6]。該系統(tǒng)為對(duì)空警戒雷達(dá)，目標(biāo)相對(duì)稀少，故可以采取該方法。

最鄰近法是提出最早也是最簡單的關(guān)聯(lián)算法，它是在1971年由Singer等人提出來的。它把落在關(guān)聯(lián)門之內(nèi)并且與被跟蹤目標(biāo)的預(yù)測位置“最鄰近”的點(diǎn)作為關(guān)聯(lián)點(diǎn)[6]。如圖2所示，檢測點(diǎn)1與航跡i的預(yù)測點(diǎn)較為鄰近，因此該航跡需要與檢測點(diǎn)1進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

圖2 最鄰近法示意圖

考慮到雷達(dá)探測精度、系統(tǒng)誤差、以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換帶來的誤差等因素，以及寧可不過濾也不能誤過濾的原則，本系統(tǒng)中選取距離波門為2.5km，根據(jù)距離、方位、俯仰值，采用如下公式[7]分別計(jì)算出雷達(dá)和ADS_B目標(biāo)的x，y，z坐標(biāo)，三維距離相差2.5km內(nèi)認(rèn)為是同一目標(biāo)，可以過濾。

(8)

(9)

[(xads-xr)2+(yads-yr)2+(zads-zr)2]<6.25

(10)

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上處理流程，實(shí)測數(shù)據(jù)如圖3所示，可以看到航跡數(shù)為68，頁面較為凌亂。

圖3 原始航跡圖

疊加ADS_B的數(shù)據(jù)之后，如圖4所示，可以看出，很多本地航跡與民航重合，例如T66對(duì)應(yīng)民航CQH8847。其他可能是飛機(jī)沒有裝備ADS_B發(fā)射機(jī)，也可能是戰(zhàn)斗機(jī)或者其他因素導(dǎo)致。

圖4 雷達(dá)航跡疊加ADS_B航跡圖

空情過濾后，如圖5所示。

圖5 航跡過濾后圖

從圖5可以看出，仍然有部分民航?jīng)]有被濾除，這主要是距離波門設(shè)置較小導(dǎo)致的，不過總的航跡數(shù)減少了70%左右，整個(gè)頁面清爽了很多，方便雷達(dá)操作手觀察可疑目標(biāo)。

4 結(jié)束語

隨著ADS_B設(shè)備大規(guī)模的應(yīng)用，ADS_B信息

與其他信息源融合使用不可避免，本文提出的空情過濾方法以ADS_B數(shù)據(jù)為真值，在雷達(dá)終端對(duì)檢測到的航跡進(jìn)行分析對(duì)比，最后通過實(shí)測對(duì)比，驗(yàn)證了可行性，并且由于成本較低，滿足市場需求。該方法的局限性在于只能濾除安裝了ADS_B發(fā)射機(jī)的民航，對(duì)于沒有安裝的需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn):

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