唐　勇，何東林，朱新平

(1.成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都　610106；2.中國(guó)民航局第二研究所 科研開(kāi)發(fā)中心，四川 成都　610041；3.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢　618307)

0　引　言

目前，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)因具有系統(tǒng)更新頻率高、地面站造價(jià)低以及安裝維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在民航飛機(jī)協(xié)同監(jiān)視方面越來(lái)越受到重視[1]，但因ADS-B為基于衛(wèi)星定位來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的監(jiān)視，其在信號(hào)穩(wěn)定性、完好性及可信性等方面仍有待進(jìn)一步研究[2-5].同時(shí)，國(guó)內(nèi)目前大約有一半的民航客機(jī)未安裝ADS-B機(jī)載應(yīng)答設(shè)備，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)民航飛機(jī)的完全監(jiān)視.二次雷達(dá)(Secondary surveillance radar,SSR)作為一項(xiàng)成熟可靠的監(jiān)視技術(shù)，在空中交通管制(Air traffic controller,ATC)系統(tǒng)中得到了普遍使用，但SSR系統(tǒng)因數(shù)據(jù)更新頻率較低、監(jiān)視誤差較大，且造價(jià)高、安裝維護(hù)復(fù)雜等不足，同時(shí)SSR受雷達(dá)俯仰角影響而無(wú)法對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)視[6-7].可以認(rèn)為，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，ADS-B與SSR都將是民航飛機(jī)定位監(jiān)視的重要手段之一，二者需要互為補(bǔ)充.因此，ADS-B與SSR共同使用的最好方式是進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，這樣既能發(fā)揮ADS-B技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又能保證SSR監(jiān)視的穩(wěn)定可靠.本研究分析了ADS-B與SSR各自的監(jiān)視特點(diǎn)，提出了一種ADS-B與SSR的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型，探討了ADS-B與SSR的數(shù)據(jù)融合算法，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證.

1　ADS-B與SSR監(jiān)視特點(diǎn)

1.1　ADS-B監(jiān)視特點(diǎn)

ADS-B是一種集數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和監(jiān)視于一體的新航行系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)，它將由機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備實(shí)時(shí)獲取的飛機(jī)經(jīng)度、緯度、高度與速度等定位信息，以及姿態(tài)、航班號(hào)及地址碼等其他信息定時(shí)向空中和地面進(jìn)行廣播發(fā)送，供其他飛機(jī)和地面上的用戶接收和顯示.通過(guò)空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信，ADS-B不僅可以實(shí)現(xiàn)地面對(duì)飛機(jī)的監(jiān)視，還可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與飛機(jī)之間的互相監(jiān)視.隨著新航行技術(shù)的發(fā)展，ADS-B技術(shù)因?yàn)樵靸r(jià)低、精度高而越來(lái)越受到重視，具有廣闊的應(yīng)用前景[8].

1.2　SSR監(jiān)視特點(diǎn)

SSR是目前普遍使用的空管監(jiān)視手段.一方面，它通過(guò)向飛機(jī)發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，機(jī)載設(shè)備應(yīng)答詢問(wèn)信息；另一方面，通過(guò)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行測(cè)距和測(cè)向，以及機(jī)載設(shè)備應(yīng)答的飛機(jī)二次代碼和飛行高度，兩者相互協(xié)作完成對(duì)空中目標(biāo)的定位.但SSR 系統(tǒng)具有很多局限性：通過(guò)無(wú)線電測(cè)距獲取的目標(biāo)方位精度有限；機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描方式限制了更新率的提高；無(wú)法獲得飛機(jī)的意圖、方向及速度等態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù).同時(shí)，SSR因造價(jià)高、維護(hù)使用成本高，并且只能監(jiān)視空域目標(biāo)，無(wú)法對(duì)場(chǎng)面目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視，難以滿足未來(lái)空中交通管理的發(fā)展需求[9].

1.3　ADS-B與SSR信息分類

ADS-B信息的種類主要分為3類：包含目標(biāo)四維位置和姿態(tài)信息的位置報(bào)告，包含目標(biāo)航行信息和飛機(jī)標(biāo)識(shí)信息的模式狀態(tài)報(bào)告，以及包含控制應(yīng)答和其他輔助信息的勤務(wù)報(bào)告.而SSR信息主要包括了目標(biāo)位置、二次雷達(dá)代碼、航跡質(zhì)量等格式化信息.兩類目標(biāo)信息之間的主要差異[10-13]如表1所示.

表1　ADS-B與SSR數(shù)據(jù)信息差異

2　ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合

2.1　數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型

ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合有多種模型.本研究針對(duì)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題提出一種數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型如圖1所示.

圖1ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型

本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行類型判斷后分別送入ADS-B與SSR處理通道.ADS-B預(yù)處理主要完成報(bào)文格式檢查、解碼(通常采用Eurocontrol Asterix Cat021標(biāo)準(zhǔn)格式)、野值剔除、WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)地心直角坐標(biāo)等工作；SSR預(yù)處理主要完成報(bào)文格式檢查、解碼(通常采用Eurocontrol Asterix Cat030標(biāo)準(zhǔn)格式)、野值剔除、雷達(dá)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)地心直角坐標(biāo)等工作.預(yù)相關(guān)模塊利用ADS-B報(bào)文中的地址碼和SSR報(bào)文中的二次代碼進(jìn)行預(yù)相關(guān)處理，對(duì)已經(jīng)有融合航跡記錄的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行融合濾波處理，對(duì)未有融合航跡記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)聯(lián)模塊進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián).初始化模塊負(fù)責(zé)對(duì)未關(guān)聯(lián)上的數(shù)據(jù)生成新航跡.航跡管理負(fù)責(zé)記錄融合航跡，管理航跡生存時(shí)間，剔除和更新航跡，調(diào)用濾波器進(jìn)行航跡濾波，產(chǎn)生融合結(jié)果輸出.編碼模塊負(fù)責(zé)把融合結(jié)果統(tǒng)一編碼后輸出到ATC系統(tǒng)顯示.濾波模塊采用卡爾曼濾波器完成融合估計(jì).

在本模型中，ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合還需要解決下面幾個(gè)問(wèn)題：

1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.ADS-B報(bào)文采用WGS-84坐標(biāo)系，而SSR采用極坐標(biāo)系.對(duì)此，可通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把坐標(biāo)系統(tǒng)一為笛卡爾地心直角坐標(biāo)系.

2)時(shí)間對(duì)齊.由于ADS-B與SSR是2個(gè)系統(tǒng)，沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn).因此，在數(shù)據(jù)融合前必須通過(guò)外推和插值等方法把2個(gè)系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)報(bào)告時(shí)間校正到同一時(shí)刻.

3)航跡關(guān)聯(lián).航跡關(guān)聯(lián)是為了把ADS-B與SSR對(duì)同一目標(biāo)的觀測(cè)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián).在ADS-B數(shù)據(jù)中飛機(jī)被32 bit地址碼唯一標(biāo)識(shí)，而SSR則通過(guò)二次代碼標(biāo)識(shí)飛機(jī).對(duì)于已形成融合航跡的飛機(jī)可以通過(guò)地址碼或二次代碼直接關(guān)聯(lián)，對(duì)于未形成融合航跡的飛機(jī)可以通過(guò)最近領(lǐng)域法、概率數(shù)據(jù)互聯(lián)等方法關(guān)聯(lián)得到融合航跡[14].

4)融合方式.融合方式分為集中式、分布式、混合式等，其中集中式融合算法有3種，即并行濾波、序貫濾波及數(shù)據(jù)壓縮濾波[15].

2.2　融合算法

由于ADS-B系統(tǒng)與SSR系統(tǒng)工作時(shí)在時(shí)間上的不同步，本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)采用集中式序貫濾波融合算法，則不管是哪個(gè)系統(tǒng)觀測(cè)，按時(shí)間順序，先到的量測(cè)點(diǎn)先進(jìn)行濾波，這樣就省去了時(shí)間同步處理，又增強(qiáng)了航跡的連續(xù)性.

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程采用勻加速模型，采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，則狀態(tài)方程為，

(1)

(2)

(3)

其中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣與過(guò)程噪聲矩陣分別為，

(4)

(5)

融合中心按照傳感器的序號(hào)1→N對(duì)融合中心目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估值進(jìn)行序貫更新，傳感器1

(6)

(7)

(8)

則融合中心最終的狀態(tài)估計(jì)是，

(9)

(10)

3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試

本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)在實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試中，通過(guò)民航二所在成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)及其周邊安裝的8套(見(jiàn)圖2，圓圈表示地面站位置，折線多邊形表示航空走廊)1090ES ADS-B接收機(jī)，對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面及周邊300 km空域進(jìn)行全天候完整監(jiān)視.ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)通過(guò)ADSL、3G、甚高頻等通信方式傳到處理中心.通過(guò)多個(gè)ADS-B地面站的多重覆蓋監(jiān)視，解決建筑、山脈等對(duì)飛機(jī)監(jiān)視可能造成的無(wú)線電遮擋等原因而出現(xiàn)的目標(biāo)丟失.同時(shí)，在雙流機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面雷達(dá)站安裝一部雷神SSR.

本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)ADS-B與SSR融合數(shù)據(jù)顯示效果如圖3所示.圖3中，只有數(shù)字的標(biāo)牌表示雷達(dá)數(shù)據(jù)，有航班號(hào)的表示ADS-B數(shù)據(jù)，標(biāo)牌尾帶“T”的表示ADS-B與SSR融合后的數(shù)據(jù).

圖2成都雙流機(jī)場(chǎng)及其周邊1090ES ADS-B地面站分布圖

圖3成都雙流機(jī)場(chǎng)ADS-B/SSR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)融合顯示效果

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，由于ADS-B刷新率和監(jiān)視精度都遠(yuǎn)高于SSR，在飛行目標(biāo)同時(shí)被ADS-B與SSR監(jiān)視的情況下，融合輸出的精度和刷新率都和ADS-B接近.而當(dāng)目標(biāo)只被ADS-B或SSR其中一種傳感器監(jiān)視時(shí)，融合系統(tǒng)給出的是這種傳感器的濾波輸出.不管飛機(jī)機(jī)載設(shè)備情況如何(有或無(wú)SSR、ADS-B應(yīng)答機(jī))，本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)都能給出統(tǒng)一航跡.

4　結(jié)　論

本研究提出了一種采用集中式序貫濾波融合算法的ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，利用成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)及周邊安裝的8個(gè)1090ES ADS-B地面站和1部雷神SSR同時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合驗(yàn)證.通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：不受ADS-B或SSR某類監(jiān)視數(shù)據(jù)缺失影響(不同機(jī)載設(shè)備)，都能給出統(tǒng)一航跡；提高了SSR監(jiān)視的精度和更新率；對(duì)SSR場(chǎng)面監(jiān)視盲區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)充覆蓋，實(shí)現(xiàn)了從航路到場(chǎng)面的完整及連續(xù)監(jiān)視；統(tǒng)一編碼輸出，兼容現(xiàn)有ATC顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式.