基于ADS_B的警戒搜索雷达空情过滤方法

周 游 任 伦 李 硕

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

警戒搜索雷达由于其全天候，探测距离远，搜索范围大的特性，经常被用作战前预警雷达，以尽早发现威胁目标[1]。然而根据 2016 年中国民航的机场起降架次的统计信息，我国境内民用航空(颁证)机场共有218个(不含香港、澳门和台湾地区)，全年起降架次达到9238291架次，其中，北京首都机场排名第一，全年起降606081架次，日均起降1660.5架次[2]，这势必会导致在国内很多阵地的某个时间段雷达能够检测到很多民航，影响操作手对可疑目标的判断。因此无论是雷达研制单位还是军方及其他使用单位都迫切需要一种能够滤除民航的显示方式。

考虑到有些雷达在研制过程中并没有配备讯问机，本文介绍的过滤方法需要辅助配备ADS_B地面接收设备，基于ADS_B接收到的民航位置信息，通过时空对准，将雷达检测到的民航目标从PPI中滤除掉，能够很好地满足需求。

1 系统概述

广播式自动相关监视(ADS_B)的全称是“Automatic Dependent Surveillance-Broadcast”，它通过数据链以广播形式向外发送自身的状态信息，包括飞机的标识、呼号、经纬度、高度、速度等信息，这些信息可由同样加装ADS_B的地面接收站接收并显示[3-5]。

本系统处理流程如图1所示，ADS_B地面接收站将收到的民航信息通过网络，采用TCP的方式发送给雷达终端；同时雷达信号处理机将检测到的点迹目标信息传递给数据处理机，数据处理机经过坐标转换、点迹凝聚、杂波剔除、航迹相关、航迹外推、航迹管理等步骤将最终形成的航迹信息传递给雷达终端。雷达终端在收到两路数据后，先后经过时间对准、空间对准、门限判断后，由雷达操作手将确定为民航的雷达航迹从PPI显示中剔除，以下对主要步骤详细介绍。

图1 系统处理流程图

2 处理流程

本系统中，两路数据相互独立，雷达和ADS_B没有统一的时间基准，最终检测到的目标位置信息也都是在各自坐标系中，为了能够对两路数据进行比对就必须转换到统一的时空坐标系中。

2.1 时间对准

ADS_B地面接收站收到的数据中已经包括了GPS时间戳，而雷达以本地时间作为基准，因此存在基本上固定的时间差异，为消除该差异，系统在启动的时候终端给信号处理机发送“GPS时间校准指令”，信号处理机根据该指令，为每个检测到的目标点迹打上GPS时标，数据处理机在最终输出目标航迹的时候同样增加GPS时间信息。另外，雷达每圈扫描时间为10s，而ADS_B的数据更新率为1s，因此，在同一时间段内，终端接收到ADS_B的数据量是雷达的10倍。考虑到雷达有较大的测量误差，包括运动模型误差，滤波速度误差，位置测量误差，时间对准误差等，为了分析对比，以雷达数据为时间基准，对ADS_B数据进行插值。假设目标做匀速直线运动，速度为v，ADS_B在t1时刻收到的目标距离为R(t1)，在下一时刻t2收到的目标距离为R(t2)，在t1和t2之间的ti时刻，收到雷达数据，那么ADS_B在ti时刻的目标距离推算值为：

R(ti)=R(t1)+v×(ti-t1)

(1)

至此，两路数据在时间上已经对准。

2.2 空间对准

本系统中ADS_B收到的数据为经度、纬度、海拔高；雷达收到的数据为目标相对雷达的距离、方位、俯仰值。为方便用户观察，将ADS_B的数据采用如下方式转换到本地坐标系下：

1)由目标点的位置，计算出目标在地心坐标系下的坐标(x1,y1,z1)

(2)

其中，φ是纬度，J是经度，H是高度，N为椭球的卯西圈曲率半径。

(3)

其中a为地球长半径，a=6378137m；e为椭球的第一偏心率，e2=0.00669437999013。

2)由雷达站点的经纬高，同样计算出雷达在地心坐标系下的坐标(x0,y0,z0)。

3)计算目标相对雷达站的坐标：

(4)

4)根据(xE,yE,zE)，计算出目标所在位置的距离、方位、俯仰值：

(5)

Azi=tan-1(yE/xE)

(6)

Ele=sin-1(zE/R)

(7)

至此，ADS_B的数据和雷达数据都转换到同一坐标系下，可以进行比较。

2.3 门限判断

目前，常见的数据关联方法有最邻近法、最大似然法、最优差别法和统计关联法。其中最邻近法主要适用于空域中存在单目标或者目标数较少的情况，或者说适用于稀疏目标环境下的关联[6]。该系统为对空警戒雷达，目标相对稀少，故可以采取该方法。

最邻近法是提出最早也是最简单的关联算法，它是在1971年由Singer等人提出来的。它把落在关联门之内并且与被跟踪目标的预测位置“最邻近”的点作为关联点[6]。如图2所示，检测点1与航迹i的预测点较为邻近，因此该航迹需要与检测点1进行关联。

图2 最邻近法示意图

考虑到雷达探测精度、系统误差、以及坐标转换带来的误差等因素，以及宁可不过滤也不能误过滤的原则，本系统中选取距离波门为2.5km，根据距离、方位、俯仰值，采用如下公式[7]分别计算出雷达和ADS_B目标的x，y，z坐标，三维距离相差2.5km内认为是同一目标，可以过滤。

(8)

(9)

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

(10)

3 实测数据分析

根据以上处理流程，实测数据如图3所示，可以看到航迹数为68，页面较为凌乱。

图3 原始航迹图

叠加ADS_B的数据之后，如图4所示，可以看出，很多本地航迹与民航重合，例如T66对应民航CQH8847。其他可能是飞机没有装备ADS_B发射机，也可能是战斗机或者其他因素导致。

图4 雷达航迹叠加ADS_B航迹图

空情过滤后，如图5所示。

图5 航迹过滤后图

从图5可以看出，仍然有部分民航没有被滤除，这主要是距离波门设置较小导致的，不过总的航迹数减少了70%左右，整个页面清爽了很多，方便雷达操作手观察可疑目标。

4 结束语

随着ADS_B设备大规模的应用，ADS_B信息

与其他信息源融合使用不可避免，本文提出的空情过滤方法以ADS_B数据为真值，在雷达终端对检测到的航迹进行分析对比，最后通过实测对比，验证了可行性，并且由于成本较低，满足市场需求。该方法的局限性在于只能滤除安装了ADS_B发射机的民航，对于没有安装的需要进一步研究。

参考文献:

[1] 赵峰.搜索警戒雷达对抗技术研究与实现[D].成都：电子科技大学，2016.

[2] 中国民用航空局. 2016年民航机场生产统计公报[EB/OL].http://www.caac.gov.cn.

[3] 邵帅.ADS_B航迹处理及显示技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[4] ACP/WGM-8. VDL MODE 4 IMPLEMENTATION MANUAL [S]. Montreal:ICAO,2006.

[5] ACP WG-C. Implementation Manual for the Universal Access Transceiver (UAT)[S].Montreal:ICAO,2005.

[6] 石章松，刘忠.目标跟踪与数据融合理论及方法[M].北京：国防工业出版社，2010：260-261.

[7] 金宏斌，徐毓，董峰.雷达信息处理系统中的坐标变换问题研究[J]. 空军雷达学院学报，2003，17(3)：54-58.