广播式自动相关监视与二次雷达的数据融合及应用

唐　勇，何东林，朱新平

(1.成都大学 信息科学与工程学院，四川 成都　610106；2.中国民航局第二研究所 科研开发中心，四川 成都　610041；3.中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，四川 广汉　618307)

0　引　言

目前，广播式自动相关监视(Automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)因具有系统更新频率高、地面站造价低以及安装维护简单等优点，在民航飞机协同监视方面越来越受到重视[1]，但因ADS-B为基于卫星定位来实现飞机的监视，其在信号稳定性、完好性及可信性等方面仍有待进一步研究[2-5].同时，国内目前大约有一半的民航客机未安装ADS-B机载应答设备，而无法实现对民航飞机的完全监视.二次雷达(Secondary surveillance radar,SSR)作为一项成熟可靠的监视技术，在空中交通管制(Air traffic controller,ATC)系统中得到了普遍使用，但SSR系统因数据更新频率较低、监视误差较大，且造价高、安装维护复杂等不足，同时SSR受雷达俯仰角影响而无法对机场场面飞机进行监视[6-7].可以认为，在相当长时间内，ADS-B与SSR都将是民航飞机定位监视的重要手段之一，二者需要互为补充.因此，ADS-B与SSR共同使用的最好方式是进行数据融合，这样既能发挥ADS-B技术的优点，又能保证SSR监视的稳定可靠.本研究分析了ADS-B与SSR各自的监视特点，提出了一种ADS-B与SSR的数据融合系统模型，探讨了ADS-B与SSR的数据融合算法，并利用实测数据对系统进行了验证.

1　ADS-B与SSR监视特点

1.1　ADS-B监视特点

ADS-B是一种集数据通信、卫星导航和监视于一体的新航行系统先进技术，它将由机载卫星导航设备实时获取的飞机经度、纬度、高度与速度等定位信息，以及姿态、航班号及地址码等其他信息定时向空中和地面进行广播发送，供其他飞机和地面上的用户接收和显示.通过空地、空空数据链通信，ADS-B不仅可以实现地面对飞机的监视，还可实现飞机与飞机之间的互相监视.随着新航行技术的发展，ADS-B技术因为造价低、精度高而越来越受到重视，具有广阔的应用前景[8].

1.2　SSR监视特点

SSR是目前普遍使用的空管监视手段.一方面，它通过向飞机发出询问信号，机载设备应答询问信息；另一方面，通过对飞机进行测距和测向，以及机载设备应答的飞机二次代码和飞行高度，两者相互协作完成对空中目标的定位.但SSR 系统具有很多局限性：通过无线电测距获取的目标方位精度有限；机械旋转扫描方式限制了更新率的提高；无法获得飞机的意图、方向及速度等态势数据.同时，SSR因造价高、维护使用成本高，并且只能监视空域目标，无法对场面目标进行监视，难以满足未来空中交通管理的发展需求[9].

1.3　ADS-B与SSR信息分类

ADS-B信息的种类主要分为3类：包含目标四维位置和姿态信息的位置报告，包含目标航行信息和飞机标识信息的模式状态报告，以及包含控制应答和其他辅助信息的勤务报告.而SSR信息主要包括了目标位置、二次雷达代码、航迹质量等格式化信息.两类目标信息之间的主要差异[10-13]如表1所示.

表1　ADS-B与SSR数据信息差异

2　ADS-B与SSR数据融合

2.1　数据融合系统模型

ADS-B与SSR数据融合有多种模型.本研究针对实际应用问题提出一种数据融合系统模型如图1所示.

图1ADS-B与SSR数据融合系统模型

本数据融合系统对收到的报文进行类型判断后分别送入ADS-B与SSR处理通道.ADS-B预处理主要完成报文格式检查、解码(通常采用Eurocontrol Asterix Cat021标准格式)、野值剔除、WGS-84坐标转地心直角坐标等工作；SSR预处理主要完成报文格式检查、解码(通常采用Eurocontrol Asterix Cat030标准格式)、野值剔除、雷达极坐标转地心直角坐标等工作.预相关模块利用ADS-B报文中的地址码和SSR报文中的二次代码进行预相关处理，对已经有融合航迹记录的数据直接进行融合滤波处理，对未有融合航迹记录的数据通过关联模块进行航迹关联.初始化模块负责对未关联上的数据生成新航迹.航迹管理负责记录融合航迹，管理航迹生存时间，剔除和更新航迹，调用滤波器进行航迹滤波，产生融合结果输出.编码模块负责把融合结果统一编码后输出到ATC系统显示.滤波模块采用卡尔曼滤波器完成融合估计.

在本模型中，ADS-B与SSR数据融合还需要解决下面几个问题：

1)坐标转换.ADS-B报文采用WGS-84坐标系，而SSR采用极坐标系.对此，可通过坐标转换把坐标系统一为笛卡尔地心直角坐标系.

2)时间对齐.由于ADS-B与SSR是2个系统，没有统一的时间基准.因此，在数据融合前必须通过外推和插值等方法把2个系统的传感器数据报告时间校正到同一时刻.

3)航迹关联.航迹关联是为了把ADS-B与SSR对同一目标的观测航迹进行关联.在ADS-B数据中飞机被32 bit地址码唯一标识，而SSR则通过二次代码标识飞机.对于已形成融合航迹的飞机可以通过地址码或二次代码直接关联，对于未形成融合航迹的飞机可以通过最近领域法、概率数据互联等方法关联得到融合航迹[14].

4)融合方式.融合方式分为集中式、分布式、混合式等，其中集中式融合算法有3种，即并行滤波、序贯滤波及数据压缩滤波[15].

2.2　融合算法

由于ADS-B系统与SSR系统工作时在时间上的不同步，本数据融合系统采用集中式序贯滤波融合算法，则不管是哪个系统观测，按时间顺序，先到的量测点先进行滤波，这样就省去了时间同步处理，又增强了航迹的连续性.

目标运动方程采用匀加速模型，采用笛卡尔直角坐标系，则状态方程为，

(1)

(2)

(3)

其中，状态转移矩阵与过程噪声矩阵分别为，

(4)

(5)

融合中心按照传感器的序号1→N对融合中心目标运动状态估值进行序贯更新，传感器1

(6)

(7)

(8)

则融合中心最终的状态估计是，

(9)

(10)

3　系统数据测试

本数据融合系统在实际数据测试中，通过民航二所在成都双流国际机场及其周边安装的8套(见图2，圆圈表示地面站位置，折线多边形表示航空走廊)1090ES ADS-B接收机，对机场场面及周边300 km空域进行全天候完整监视.ADS-B监视数据通过ADSL、3G、甚高频等通信方式传到处理中心.通过多个ADS-B地面站的多重覆盖监视，解决建筑、山脉等对飞机监视可能造成的无线电遮挡等原因而出现的目标丢失.同时，在双流机场场面雷达站安装一部雷神SSR.

本数据融合系统ADS-B与SSR融合数据显示效果如图3所示.图3中，只有数字的标牌表示雷达数据，有航班号的表示ADS-B数据，标牌尾带“T”的表示ADS-B与SSR融合后的数据.

图2成都双流机场及其周边1090ES ADS-B地面站分布图

图3成都双流机场ADS-B/SSR实测数据融合显示效果

实际测试数据显示，由于ADS-B刷新率和监视精度都远高于SSR，在飞行目标同时被ADS-B与SSR监视的情况下，融合输出的精度和刷新率都和ADS-B接近.而当目标只被ADS-B或SSR其中一种传感器监视时，融合系统给出的是这种传感器的滤波输出.不管飞机机载设备情况如何(有或无SSR、ADS-B应答机)，本数据融合系统都能给出统一航迹.

4　结　论

本研究提出了一种采用集中式序贯滤波融合算法的ADS-B与SSR数据融合系统，利用成都双流国际机场及周边安装的8个1090ES ADS-B地面站和1部雷神SSR同时监视数据，并进行了数据融合验证.通过实测数据验证，本数据融合系统具备以下特点：不受ADS-B或SSR某类监视数据缺失影响(不同机载设备)，都能给出统一航迹；提高了SSR监视的精度和更新率；对SSR场面监视盲区进行了补充覆盖，实现了从航路到场面的完整及连续监视；统一编码输出，兼容现有ATC显示系统数据格式.