一种基于ADS-B的雷达性能测试方法

杨蓓蓓，张洪川(.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥30088; .扬州蓝剑电子系统工程有限公司，江苏扬州5000)



一种基于ADS-B的雷达性能测试方法

杨蓓蓓1，张洪川2
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088; 2.扬州蓝剑电子系统工程有限公司，江苏扬州225000)

摘要:介绍了广播式自动相关监视(ADS-B)技术的基本原理和坐标转换方法，并提出了基于ADS-B数据测量雷达精度的方法。文中通过某雷达实测数据验证了该方法的可行性。试验结果表明，该方法可以满足雷达精度测试的需要，操作简单，易于评估。

关键词:广播式自动相关监视技术;雷达精度;空间曲线比对

0　引言

目前，常用的雷达性能测试方法是利用军用飞机作为合作目标，在军用飞机上加装GPS模块用来记录飞行的航迹，将记录的数据作为评估的真值［1］。但是，这种方法因为兵力调动和空中管制的限制，耗费大、周期长，实施难度较大，会影响试验的进度。由于雷达装备的研制、维修与保障任务日益加重，无论是雷达研制单位、雷达修理厂家，甚至是军方使用单位，都迫切需要一种耗费小、周期短的手段来实现对雷达［2］性能指标的测试。

本文介绍的基于广播式自动相关监视(ADS-B)技术［3-4］的雷达性能测试系统，不论从测试的精度、操作的难易和实施的成本，都能够很好地满足雷达对空探测性能测试的需求。作为一种全新的技术手段，基于ADS-B的雷达性能测试系统在雷达性能测试中有着重要的价值和广阔的应用前景。

1　ADS-B基本原理

广播式自动相关监视(ADS-B)技术是一种对支持未来空中交通管理事业发展非常有利的监视技术。它是国际新航行系统近20年来不断发展的通信、导航、监视技术的综合运用。它集成了机载导航系统导出精准的航行数据(包括身份编码、三维位置、速度矢量、飞行意图等)，利用地空数据链通信方式，实时地、自发地、间歇性(每秒一次)地对外广播。在地面，用数据链接收机(而不是二次雷达)就可以捕捉监视目标;在空中，相邻运行的飞机通过相互侦听他方广播(而不是相互探测和问讯)就能感知空中交通境况，判断和避免冲突。

ADS-B技术的原理如图1所示。

图1　ADS-B原理图

ADS-B数据通过GNSS(全球卫星导航定位系统，包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass以及欧盟的Galileo系统)定位系统，获取自身的位置信息，并实时将数据下传给地面接收设备及空域中临近的其他民航飞机。由于其提供的是GNSS导航定位信息，且其他参数也由精密航空电子设备获得，故其下传数据具备高精度的特性。

以GPS定位系统为例，它所提供的民用定位精度单机定位精度可以达到10 m，如果采用载波相位差分法定位，定位精度可以达到3～5 m。ADS-B信息以广播方式传递，意味着地面ADS-B接收设备的简单化，无需地面接收设备向目标飞机发射询问信号，因而ADS-B数据接收极为简便。

2　雷达性能测试方法

2.1系统组成

雷达性能测试系统主要由硬件单元和软件显示控制单元组成。硬件单元包含ADS-B双通道数据采集单板、多通道数据融合器、微波前端接收组件、高增益板状天线和雷达上报数据线等。软件显示控制单元包含民航目标与GPS数据初始化模块、民航目标显示和监控模块、民航目标数据记录重演模块、雷达测试目标数据馈入模块和民航目标与雷达数据比对模块等。系统包含多路ADS-B接收通道和一路冗余通道，保证了对ADS-B信号的高质量接收，同时利用高精度GPS对接收的ADS-B报文标记精准的接收时间戳信息。由于各型雷达系统的接口多样，标校系统通过串口或以太网的方式将雷达的数据接入到测试系统平台。

雷达性能测试系统以民航目标为真值，通过实时接收民航飞机ADS-B系统播报的经纬度、速度、高度、机型等信息，运用动态时空误差估计、航迹实时外推等新技术，与雷达记录的目标数据进行实时关联比对，给出距离、方位以及仰角系统误差的数据曲线，完成对雷达动态性能的测试、分析、评估与优化。

雷达性能测试系统的构架如图2所示。

图2　雷达性能测试系统组成

2.2数据格式

雷达性能测试系统数据格式如以下10项:

(1)BatchNo:目标批号;

(2)Time:时戳，单位: ms;

(3)Range:距离，单位: m;

(4)Azimuth:方位，单位:°，以正北为0°，顺时针方向为正;

(5)Elevation:俯仰，单位:°;

(6)Lon:经度，单位:°;

(7)Lat:纬度，单位:°;

(8)Altitude:高度(单位: m);

(9)Speed:速度大小，单位: m/s;

(10)SpeedDir:速度方向，单位:°，以正北为0°，顺时针方向为正。

记录的航迹信息数据报文包含位置报文、速度报文、识别报文、地面报文、中心点位置改变报文和外部数据报文。

2.3坐标转换

在对ADS-B接收机接收数据的处理中，GPS坐标的转换至关重要，其转换的精度直接关系到雷达测试精度的效果。由于民航飞机下传的位置数据是经度、纬度和高度信息，而雷达获得数据是以雷达坐标系为基准的斜距、方位和俯仰，因此需要将民航飞机数据与雷达数据转换到同一个坐标系下才能作数据比对分析。为了提高坐标转换的精度，首先由参心大地坐标系转换为参心空间直角坐标系，其次是由空间直角坐标转换为适用于雷达的雷达坐标系。

(1)由参心大地坐标系转换为参心空间直角坐标系，即其中，N为椭球面的曲率半径，H为大地高度，B为大地纬度，L为大地经度，e为椭球的第一偏心率。

(2)由空间直角坐标系转换为雷达坐标系，其转换关系如图3所示。

图3　坐标系的转换关系

雷达坐标是指斜距、方位和俯仰，分别用γ、φ、θ表示。转换公式如下:

如果得到的方位结果小于零，需要加上360°进行修正。

2.4分析比对算法

一般来说，雷达检飞试验中，对给定高度、速度的航次进行测量，记录下测量值后，与真值数据(民航ADS-B数据)进行比较分析。空间曲线比对算法首先把真值数据坐标转换到雷达的测量坐标系，然后对真值数据进行插值(线性插值、三次样条插值)，以曲线拟合度为基准把两组数据对齐，然后踢野(剔除异常值)求出两组数据的一次差和标准差，再对数据进行踢野(大于3倍标准差)，直至没有野值出现，最后求得该组数据的一次差和标准差，得到总误差。

由于真值数据和雷达的数据率不统一，所以需要对真值数据进行插值，以求达到更好的匹配效果。插值算法有多种，比如线性插值方法和三次样条插值方法。线性插值的好处在于民航目标大多处于平稳飞行状态，极少出现急转、急停的状态，所以可以将民航目标当作是在作直线飞行，插值点比较靠近真值点，其缺点在于飞机转弯时效果略显不好。三次样条插值的好处在于能够在一定程度上处理民航目标转弯的情况。然而，当数据出现跳点时插值会出现相当大的误差。在此选用的是线性插值方法。

根据雷达数据坐标点和插值后的真值数据坐标点，求出与雷达坐标点最近的真值数据坐标点，则该坐标点即为与雷达数据坐标点的匹配点。超过系统支持的最大查找距离还没有匹配的点，则表示该点没有匹配点，为野值，将直接删除该点，也就是一次踢野。

一次差公式为

其中，x1(n)为搜索雷达样本数据，x2(n)为跟踪雷达样本数据。

标准差公式为对大于3倍标准差的数据进行以下处理:

对于样本x2(n)中的数据进行分析，如果x2(n)≤3 s则认为该点的数据有效，否则删除该雷达数据点。当没有数据点被删除时，则认为已经完美匹配，此时计算得到的一次差和均方根误差即为雷达数据和真值比对的结果。

按时间比对与按空间比对相同，不同的地方在于查找匹配点和插值都是按时间进行的，算法要求时间精准。当雷达数据包含准确的时间戳信息时，利用时间比对算法优于空间曲线比对算法。

3　实测数据分析

雷达在试验前完成了各项指标的测试和标定。测试系统安装在雷达附近，一般选择平台较高、位置较开阔的地方。测试系统包括接收机、天线、GPS等。为了保证接收数据的稳定性和正确性，系统通过光纤链路将数据传送至处理终端进行分析。测试系统工作频率1090 MHz，中心点位置的经纬度信息和雷达中心点保持一致。

测试系统工作时，操作界面会显示接收到的民航数据报文，目标飞机用方形图标进行标识;将雷达数据馈入测试系统后，雷达航迹数据也将在操作界面显示，目标飞机用飞机图标进行标识。图4为某批目标飞机的ADS-B数据和雷达航迹数据。

图4　软件航迹显示界面

通过选择合适的ADS-B目标，运用测试系统的比对分析功能，就可以实现目标飞机的ADS-B数据与雷达数据的自动关联，实现与雷达数据的比对。数据选择时必须保证ADS-B数据包含全部的雷达数据，否则将导致数据处理结果不准确。图5和图6分别为某批目标飞机的距离差和方位差。

通过计算得到:距离误差39.0279 m，方位误差0.09256°。其中，参与比对算法运算的真值数据318点，雷达数据78点。通过对多批目标数据进行比对分析，验证了测试系统的可行性和正确性。

图5　航迹比对距离差

图6　航迹比对方位差

4　结束语

针对传统雷达性能测试的弊端，本文提出的基于ADS-B的测试方法易于掌握和实施。通过实测数据表明，系统可以准确地跟踪空中的目标飞机，可以将其接收的数据作为计算雷达精度的真值数据。

参考文献:

［1］朱华统，杨元喜，吕志平.GPS坐标系统的变换［M］.武汉:测绘出版社，1994.

［2］张光义，赵玉杰.相控阵雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］Zhang J，Liu W，Zhu Y B.Study of ADS-B data evaluation［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2011，24(4):461-466.

［4］FARINA A，STUDER F.Radar data processing ［M］.Baldock，Hertfordshire: Research Studies Press，1985:367-370.

A radar performance test method based on ADS-B

YANG Bei-bei，ZHANG Hong-chuan
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.Yangzhou Blue Sword Electronic System Engineering Corporation，Yangzhou 225000，China)

Abstract:The basic principle and coordinate transformation of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B)are introduced，and a radar precision measurement method is proposed based on the ADS-B.The feasibility of the method is verified through practical radar data tested.The test results show that this method satisfies the requirements of radar precision test and can be easily operated and evaluated.

Key words:ADS-B; radar precision; spatial curve comparison

作者简介:杨蓓蓓(1982-)，女，工程师，硕士，研究方向:雷达总体技术;张洪川(1992-)，男，研究方向:电子信息技术。

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-03-25

文章编号:1009-0401(2015)02－0012－03

文献标志码:A

中图分类号:TN953+.5