ADS-B与雷达数据的融合应用

ADS-B与雷达数据的融合应用

作者：谢峥

来源：《科教导刊》2010年第21期

摘要本文介绍了ADS-B的概念,对比了ADS-B与常规雷达的主要区别,分析了在空管自动化系统中ADS-B与雷达数据的融合处理过程,最后探讨了其技术优势和应用前景。

关键词ADS-B 雷达数据传感器航迹

中图分类号:TN95文献标识码:A

1 ADS-B概述

ADS-B,即广播式自动相关监视,是一种利用空地、空空数据通信完成交通监视和信息传递的航行新技术,国际民航组织(ICAO)将其确定为未来监视技术发展的主要方向,并正积极推进该项技术的应用。

作为应用在空中交通服务中的监视技术,ADS-B主要实施空对空监视,装备了ADS-B机载设备的飞机通过数字式数据链,不停地广播其精确的4维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其它可能附加信息(冲突告警信息,飞行员输入信息,航迹角,航线拐点等信息)以及飞机的识别信息和类别信息。ADS-B接收机与空中交通管理系统、其它飞机的机载ADS-B结合起来,在空地都能提供精确、实时的冲突信息。

ADS-B技术是新航行系统中非常重要的监视技术,与常规雷达相比,ADS-B能够提供更加实时和准确的航空器位置等监视信息,但对其建设投资只有前者的十分之一左右,并且维护费用低,使用寿命长。使用ADS-B可以增加无雷达区域的空域容量,减少有雷达区域对雷达多重覆盖的需求,大大降低空中交通管理的费用。

但由于在技术体制、规划性、兼容性等个方面问题,单一依靠雷达系统或ADS-B实施空中交通监视,都会存在影响空中交通服务的有效性和可靠性的问题。如何将ADS-B信息与雷达数据融合应用,成为一个有益的课题。

2 ADS-B与常规雷达的比较

在工作原理和数据来源方面,常规的民用航管二次雷达,使用A/C询问模式工作,雷达向飞机询问,飞机的应答机向地面雷达发送气压高度和二次编码,地面雷达通过计算得出飞机的相对距离和方位。而ADS-B无需应答,是飞机依靠星基GPS来确定精确位置,由机载设备将GPS定位

系统的数据通过数据链,在飞机之间或与地面站互相不停广播各自的数据信息。位置、高度、速度、航向、识别号等均由飞机本身提供。

在监视精度方面,常规雷达在规定范围内工作效果良好,但会受特殊的地理条件、障碍物等限制;而ADS-B有效的位置数据与雷达相比更为精确,并且可通过位置导航精度(NACp)等标准来衡量,在精度不满足精度质量因数(HFOM)或导航不确定度(NUC)时,能够主动告知。

在监视完整性方面,常规雷达会受到反射物、目标的分析计算等直接因素的影响,并与雷达头的技术维护程度有一定间接关系;ADS-B的完整性通常更为敏感,取决于GPS卫星和每个独立的机载航行系统以及机载设备的安装等情况。

在报告识别方面,常规雷达会产生大量的“伪”ID识别码,二次应答码由4位数组成,共4096个。由于二次雷达动态分配ID,有可能会发生重码,而一次雷达则没有ID。ADS-B使用S 模式的24比特ID,数量上远多于二次雷达的 3/A模式ID,故此每架飞机都是唯一的,并且提供目标识别(通常是发送航班号和飞机尾号)。

在下行传输数据方面,常规雷达接收的下传数据非常原始。3/A和 C模式都是由飞机下行传下来的,容易出现错误,无法做适当的错误检查。S模式解决了大多数的这些缺点。而从飞机传下的ADS-B数据包括航路信息、航行参数以及相关导航参数等,有较好的错误检测能力,是一个完整的数据链通信系统。

在参考坐标系方面,雷达观测点迹使用与正北相关的斜距和角度,是空间直角坐标系。ADS-B位置测量是基于WGS-84世界大地坐标系,使用/极坐标,只会有非常个别的错误,/与基于3D的测量相比,更为精准。

在地面设备方面,雷达站的投入成本大,维护复杂,且选址受地形等因素的限制。而为满足航行监视的ADS-B地面基站,可以只安装接收机,只接收GPS信号和飞机下行广播,技术简单,成本较小。

在机载设备配备方面,常规雷达只需飞机配备二次应答机,现所有的民航飞机均配备。对于一些没有二次应答机的航空器,一次雷达也可探测到。而ADS-B需要每架飞机安装GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器等相应的机载设备。

3 ADS-B与雷达信号在空管自动化系统中的融合应用

随着我国航空公司机队规模扩大和机型的更新,近年来许多航空器都选装了适合新航行系统的机载电子设备,具备了地空双向数据通信能力。同时有越来越多的空管自动化系统都具备了ADS航迹处理能力,标志着中国航空的主要空管设施已经具备了ADS监视能力。

如何将ADS-B信号与常规雷达信号融合呢?下面就以三亚管制区使用的美国Telephonics 公司的Aerotrac自动化系统为例进行分析说明。

3.1 数据解码

ADS-B数据使用的Asterix Cat 021格式与常规雷达相比更为复杂, ADS-B数据通过地空数据链接入系统后,数据被高分辨率规范化的四字节计数器解码为标准格式数据。

3.2 完整性检查

可靠性和完整性的检测,是为了保障ADS-B数据的完好性。除了机载设备做基于 Cat021 UAP1.x DO-260A规范的自动完整性检查之外,系统还利用雷达黑白名单,允许用户管理他们自己的完整清单的黑白名单方案。白名单定义为不超过NUC门限值的航空器列表,黑名单则为超过NUC门限值的航空器列表。装有ADS-B机载设备的每架航空器都有其唯一的ICAO S 24位ID码,在白名单列表内的航空器发送的ADS-B数据可用,而黑名单内的则不可用。

同时系统允许多雷达处理维护人员针对特定的航空器建立其独立的静态权重,并允许提供信息到现有的相关雷达跟踪,以增加额外的信息(但不被允许去干预位置),来完善黑白名单判别机制。故此,对不同机载设备的航空器,系统能够分别进行完整性检测。

3.3 航迹数据关联

在一个混合传感器架构的自动化系统中,提供以下几种系统航迹:单纯的雷达传感器(来自于一个或多个雷达站)、单纯的ADS-B传感器(来自于一个或ADS-B地面基站)、混合航迹(ADS-B与雷达)以及其它(如飞行计划航迹)。

航迹数据关联是指在多个传感器数据源同时存在时,针对同一目标的跟踪数据值之间进行关联确认,形成对应关系。合并来自不同站点的位置报告的条件:首先在位置上需要接近同一架飞机,并且具有相同的、唯一的二次代码(由飞机发出,应该是相同的,可以允许由于飞行员改变或雷达故障而短暂的不同),或是具有相同的、唯一的24比特ID。包含更多的关键因素(如应答机的内部硬件编码,相对来说不会由传输过程中的处理而产生错误)。

雷达与ADS-B使用基本相同的合并原则,主要区别是ADS-B的24比特ID具有更强的相关性。

3.4 多传感器航迹融合

系统在同一时间使用雷达和ADS-B两种信息(而不是指定优先一方或另一方),提供最小位置误差的系统航迹。系统的多传感器数据融合模块(MST - Multi Sensor Tracker)使用动态数据精度监测以平衡ADS-B和雷达数据,对一个目标的多个关联数据进行相对权重的加权计算,当某一路传感器质量下降时,系统MST将自动降低其权重,甚至必要时完全舍弃该报告。系统的MST 在传感器之间促进的数据融合基于它们的相对精度,当ADS-B的数据完好性以及更新频率均满足系统门限时,视为权重最高的类雷达数据进行加权融合,从而输出高于常规雷达精度的系统融合航迹。