基于ADS-B的实时航迹精度评估模块设计
2019-08-07邢建芳周慧德
邢建芳 周慧德
【摘 要】面向对空情报雷达可在日常工作状态中掌握和评估自身探测性能的需求，设计实现了一种实时航迹精度评估算法。以民航目标的ADS-B数据为参考基准，将雷达测量航迹与其进行时空对准，实时计算对目标航迹的测量精度，同时对结果进行可视化输出。经装备实际验证，该模块具有全天候、高可靠性的特点，可连续更新系统的探测精度，为雷达标校提供参考依据。
【关键词】对空情报雷达;ADS-B;航迹精度评估;雷达标校;可视化
中图分类号： TN957.52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0005-003
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.002
Design of ADS-B Based Real-time Accuracy Evaluation Modular of Track Measurement
XING Jian-fang ZHOU Hui-de
（No. 38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei Anhui 230088， China）
【Abstract】In daily work conditions， air surveillance radar often needs to assess its detection performance. According to this requirement， a real time track accuracy assessment and visual analysis module is designed and implemented. The algorithm module uses ADS-B data as datum reference， after space-time alignment with the track detected by radar， the measuring accuracy can be calculated in real time， and finally analysis results are provided. The actual operation shows that this module has the characteristics of all-weather and high reliability; it can update the track accuracy continuously and provide reference for radar calibration.
【Key words】Air surveillance radar; ADS-B; Track accuracy assessment; Radar calibration; Visualization
0 引言
ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自动相关监视） 作为一种交通监视和信息传递的技术手段，航空器通过特定数据链周期性自动广播由机载星基导航和定位系统生成的自身精确定位信息，地面系统通过接收和处理ADS-B信息，可实时监视目标位置和其他信息，起到类似雷达的作用。与传统雷达系统相比，ADS-B在实时性、监视精度和投资费用等方面更占优势[1-2]。在雷达研制和检飞试验阶段，合作军机利用加装的定位模块来采集记录飞行航迹，事后与雷达测量航迹进行对比分析，以此来对雷达探测性能进行检验和误差标校。这种方法需要协调较多资源，同时费用高、周期长，在雷达日常工作和训练过程中，一般并不具备这样的条件。
鉴于ADS-B的精确性和易获取性，若借助民航飞机的ADS-B信息进行航迹测量精度评估和系统标校，将大大简化试验的方法和流程。文献[3-6]研究了基于ADS-B的雷达性能测试和误差校准方法;文献[7]提出了基于ADS-B信息和测量航迹进行离线空间曲线误差比对算法;文献[8]设计了一种基于ADS-B的雷达数据采集评估系统。本文设计了一种实时的雷达航迹测量精度评估方法并应用于工程实践：以高精度ADS-B报告的空中位置信息为真值，基于高效的航迹数据管理方法，实现了实时和连续的航迹方位和距离精度计算评估，并对结果曲线进行可视化输出，满足了常规条件下在线监测和评价航迹测量精度的需求，为雷达系统误差校正提供参考依据。
1 总体框架设计
航迹精度评估是雷达终端情报分析软件的一个重要功能模块，其原理框图如图1所示。ADS-B信号接收处理和雷达航迹数据处理分别作为独立的软件配置项，为航迹精度评估提供数据源;它们驻留在不同的计算机上，与情报分析软件三者之间均通过高速局域网通信。ADS-B信号接收处理软件接收并解析S模式DF字段值为17的ADS-B信号获得飞机的空中位置和ICAO地址码等信息，按协议封装后分别发送给航迹数据处理和航迹精度评估。航迹处理软件除了将雷达信号前端送来的点迹数据形成目标航迹并分配批号外，还通过航迹关联跟踪门将测量航迹与ADS-B数据形成的航迹进行一次匹配关联。如果关联成功，则将飞机ICAO地址码填写到航迹数据报文中发送给精度评估模块。后续在目标可被探测到的威力范围内，评估模块可根据关联的ADS-B信息连续对被评估目标航迹的方位和距离进行实时的精度计算和统计。
精度评估模块基于面向对象方法设计，并采用跨平台的C++开发库Qt实现。下文将详细介绍航迹数据管理设计和航迹精度计算过程。
2 航迹数据管理
2.1 航迹数据模型
航迹数据模型类TrackModel用于维护某种类型的所有航迹数据。在TrackModel类中由一个QMap类型的容器tracks来保存航迹数据，声明tracks的代码如下：
QMap
在tracks中以航迹标识和航迹数据结构 TRACK_DATA形成键-值关联。航迹标识是区分和管理不同航迹的唯一依据，其中雷达测量航迹以批号为标识，由ADS-B报告形成的航迹以飞机ICAO地址码为标识。利用航迹标识可对TrackModel进行指定航迹数据的访问、更新及移除等操作。
TRACK_DATA是为保存单条独立的航迹数据而设计的结构。其元素主要包括：航迹标识、航迹更新时间、航迹点的队列和航迹属性表等。其中航迹点队列的定义为QVector
2.2 数据管理类
数据管理类DataManage主要用于航迹数据的存储、更新和访问。为了保证数据的唯一性和确定性，DataManage采用单例模式设计实现。
DataManage类按航迹类型或来源来组织管理航迹数据，具体实现时采用容器变量trackModels来存储航迹数据。声明trackModels的代码为：
QMap
trackModels的键为航迹类型“Radar”和“ADS-B”，对应的值分别为雷达测量航迹和ADS-B航迹，航迹数据模型的类型为TrackModel。DataManage类对外提供航迹数据模型的访问接口，声明为：
TrackModel*getTrackModel（QString type）;
以航迹类型调用该函数即可获得相应的航迹数据模型。综上所述，与航迹数据管理相关的类结构如图2所示。
2.3 数据接收与更新
系统工作时，航迹处理和ADS-B信号接收处理软件各自以网络报文形式发送目标的最新位置，航迹精度评估模块接收并按协议格式解析两种位置信息。航迹数据接收与更新的简要流程如下：
（1）首先解析航迹报文并获取航迹标识trackId。
（2）定义一个PLOT_DATA结构的变量trkPlot保存解析出的最新航迹点的更新时间、位置坐标以及属性等信息。对于雷达测量航迹，检查是否有关联的ADS-B航迹，如果有则在属性映射表插入航迹关联属性，值为对应的ICAO地址码。
（3）以航迹类型为参数调用DataManage的getTrackModel方法获得对应的数据模型，将trkPlot加入到标识为trackId的航迹的点迹队列中。如果本次传入的是该航迹的首点，需要首先在tracks中初始化该航迹。
为了实现与评估计算模块的通信，利用Qt的信号和槽机制，TrackModel对象在完成更新后会发射一个信号，将被更新航迹的标识trackId发送出去。
3 航迹精度计算
3.1 时空对齐与数据插值
精度计算在时间序列上对航迹位置进行比对。对于待评估航迹的一个点，需要找到与其在时间上对齐的ADS-B点作为参考。
实际中雷达和ADS-B的数据率并不一致，并且航迹报文和ADS-B报文中的时间戳不同步，所以需要通过插值获得对应的ADS-B数据点。民航飞机大多数时间处于平稳飞行状态而较少出现机动动作，可认为是作匀速直线飞行，因此可选用线性插值。对于飞机转弯的情况，考虑到ADS-B的数据率高出雷达很多，并且插值时仅作内插，采用线性插值也是可接受的。
ADS-B数据报文中提供的空中位置是WGS-84的大地坐标，在插值计算时需要将其变换到ECEF（地心地固）坐标系。设目标的经、纬、高度分别为L、B、H，其中L、B的单位为弧度，H的单位为米;目标的ECEF坐标x、y、z可由式（1）求取。
x=（N+H）·cosB·cosLy=（N+H）·cosB·sinLz=[N·（1-e2）+H]·sinB（1）
式（1）中，N为椭球面卯酉圈的曲率半径，N=α/■;e为椭球的第一偏心率，e=■/a;a为椭球体长半轴，值为6378137米;b为椭球体短半轴，值为6356752.3142米。
在ECEF坐标系中，设匀速运动的目标在t1的坐标向量为X1，t3时刻的坐标向量X3，t3>t1，Δ则在位于t1与t3之间的时刻t2的坐标向量X2可由线性插值获得：
X2=X1+（t2-t1）·（X3-X1）/（t3-t1）（2）
3.2 实时精度计算
为了能够自动感知待分析航迹数据的更新，在评估计算模块中注册与TrackModel对象数据更新信号的关联。每当待评估航迹有位置更新时，即在相应的槽函数中执行一次精度计算，进而在时间序列上形成连续的统计分析结果。航迹精度实时评估计算的流程简要描述如下：
（1）接收雷达航迹更新信号，若为待评估航迹的更新，则根據其批号在数据管理实例中查找对应的航迹数据;如果航迹属性表中包含ADS-B的关联，则根据属性值即ICAO地址码查找对应的ADS-B航迹数据。
（2）取待评估航迹的最新位置信息，若其时间戳在相关联ADS-B航迹的时间区间内，继续计算与每个ADS-B点的时间间隔Δt，通过检测Δt的正负跳变获得与该点时间最邻近的前后两个ADS-B报告点。
（3）按式（1）将ADS-B位置变换到ECEF坐标系并按式（2）插值得出与最新航迹点时间同步的ADS-B点。
（4）将插值得到的ADS-B点变换到雷达站心极坐标系，对待评估航迹点的方位和距离进行精度统计计算。
（5）以本次被评估航迹点的时间和精度结果构建一个QPoint类型的点对象，然后保存到评估结果队列中，便于后续的可视化输出。
在ADS-B航迹上查找插值端点时并不需要完整需遍历ADS-B点的整个队列。对于第一个被评估的航迹点，对ADS-B航迹的访问从其队尾开始可更快找到插值点位置。记录本次插值点前端最邻近时刻的ADS-B点索引i，对于后续更新的航迹点，则可以从i开始向后查找其对应的插值端点，完成后更新i的值，如此循环。
因为输出结果是方位和距离精度统计参数，所以对插值得出的ADS-B目标点，需要将其变换到以雷达站址为中心的球面坐标系。设站心的ECEF坐标为（xr，yr，zr），目标的ECEF坐标为（x，y，z），则在站心处对目标的观测向量可表示为：
最后，对在时间轴上累积到一定数目的航迹点，分别计算方位和斜距的平均绝对误差和均方根误差，以实现对航迹测量精度的统计评估。限于篇幅，对计算过程不做赘述。
3.3 计算结果可视化
为更直观和友好输出航迹精度评估结果，设计了支持人机交互的可视化图形界面，效果如图3所示。
界面底部为航迹参数表格，每一行容纳并实时刷新一条航迹信息，按列分别显示航迹批号、当前位置、关联的ICAO地址码及其他各种属性。表格支持交互操作，鼠标双击某一行，即可将相应航迹的批号传递到计算模块，随即启动对该航迹的评估。计算过程中的相关信息会在界面顶部显示输出。主显示区域为精度统计计算的曲线输出窗口，坐标横轴均为时间，纵轴为方位或距离的精度指标计算结果。时间轴的坐标区间是动态更新的，覆盖被评估航迹上最新n个位置点的时刻，最右端的时刻与航迹最新点的时刻保持同步。在计算和输出过程中，精度曲线在时间轴上形成不断向前的动态推进效果。
4 应用验证
ADS-B信号接收处理模块安装在雷达天线载车平台上，作为雷达整机系统的一部分采用统一的时统设备。系统运行时，通过对时操作保证各相关软硬件的时间同步。实验以西北某地区航线上的民航飞机为目标对某雷达系统的测量精度进行评估。
在雷达终端操作软件启动航迹精度评估模块，选取含有ADS-B关联数据的某目标航迹，对其跟踪测量的方位和距离精度进行持续统计评估，结果输出如图4所示。其中，左侧曲线分为目标方位在一定时段内的平均绝对误差和均方根误差，右侧分别为探测斜距的平均绝对误差和均方根误差。
雷达探测利用机体对无线电波的反射进行定位， 这与ADS-B采用的GPS定位方式是有区别的，因此将产生确定的系统误差。当目标为体积较大的民航飞机时，分析精度时需要考虑到这种系统误差的影响。另外目标飞行方向也会对精度产生一定影响，一般径向飞行时，方位精度输出较为稳定;切向飞行时，距离精度的输出较为稳定。
5 结束语
民航ADS-B广播信号具有多目标、高精度和易获取等诸多优点，非常适合作为雷达探测性能评估的数据源。面向低成本和易实施的航迹精度评估和系统误差修正的需求，本文介绍了以ADS-B的空中位置信息为参考对雷达进行航迹精度评估的技术途径，并实现了一种支持人机交互的可视化实时评估软件模块。基于专门设计的数据管理组件，模块可自动感知航迹和ADS-B数据的更新状态，通过时空对准，在对目标进行稳定跟踪的时间区域内，对雷达测量航迹进行连续和在线精度计算和统计。
经工程实践验证，该软件模块的稳定性和可靠性均满足使用需求，可全天候工作，人机界面友好、信息输出直观，具有较高的工程应用价值。
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