ADS-B与空管监视雷达的融合处理方式分析

郝 娜

（民航新疆空中交通管理局技术保障中心，新疆 乌鲁木齐 830016）

0 引 言

空管系统普遍使用雷达监视航空器，但雷达在应用中存在盲区，无法在一些特殊区域安装。为了获得监视空域的良好效果，需改进航空系统的协同避让性能。目前，民航系统正在建设ADS-B工程，这是因为飞行流量的不断增加对空管监视技术提出了更高的要求。ADS-B可以对较好地覆盖盲区，通过有机整合ADS-B与雷达，提高空域监视的效率。

1 ADS-B与雷达概述

1.1 ADS-B

1.1.1 ADS-B基本情况

ADS-B中文名称为广播式自动相关监视。ADS-B不需要人工参与运作，利用自身依附的载体设施，与其他ADS-B载体或地面设备一起获取与传输信息。自身载体一般可获取方位、飞行高度、前方障碍以及航行速度等信息。获取信息后，以电文方式传输至需要这些信息的设备。通过这样的方式全面管控设备，降低发生飞行事故的概率。ADS-B形成于自动监管ADS系统，最初监控越洋飞行器，解决雷达设管区域局限的问题。现今ADS-B技术日趋成熟，并在航天航空领域内得到了广泛应用。

1.1.2 ADS-B的应用优势

ADS-B整合了各种现代化信息技术，如通信技术、定位导航技术以及地面设备技术等，可有效提高设备运行效率，对航空监视区域实现整体覆盖，有利于飞行员与管理员了解风险，保证航空交通安全。相较于传统的空管雷达方式，ADS-B优势显著。第一，ADS-B地面站在多种环境应用，打破了地形约束，节省了成本且维护方便。第二，ADS-B可精确定位，有效增强航空器的协同能力，一定程度上减小了飞行间隔，增加了空域容量和空中流量。第三，ADS-B将更多目标信息提供给地面管制人员与飞行员，达到了一体化监视目的，充分确保了空中与地面、空中与空中及地面与地面的监视效果。雷达本身特点导致其无法安装在全部地形环境内，而利用ADS-B可以较好地解决这个问题[1]。

1.2 雷达的定义和特点

1.2.1 雷达的定义

雷达采取无线电方法测定目标。雷达的两个基本任务是发现目标与测量目标。雷达可控制飞机的间隔，掌握飞机的位置，判断飞机的类型，还可以帮助飞行员导航，发送危险告警。

1.2.2 雷达的特点

一次雷达是相对独立的非合作监视。独立性指用户通过合理的方法锁定目标，并得到相关的信息。非合作性是指目标无需任何装备。二次雷达是有独立特点的合作监视，用户通过询问与机载设备实现应答估计，但若飞机未配置应答机或应答机停止工作，则无法实现监视。

目前，二次监视雷达包括A/C模式和S模式。A/C模式应答机有效识别飞机身份并得到相关飞行信息，因此地面站可得到有关目标的三维信息与身份信息。S模式二次雷达完善了AC模式，包括A/C模式的全部功能，并可以选择性询问。二次雷达系统除了提供全面的信息之外，还有一些其他显著特征[2]。

（1）发射功率小。二次雷达地面站发射功率小于一次雷达，因为二次雷达有独立的发射机。同样，二次雷达应答机的接收机灵敏度较低。

（2）提供丰富的信息。二次雷达系统可开展编码工作，机载应答机提供丰富的信息，如距离、方位以及飞机代码等。

（3）不存在目标闪烁现象。目标发射能量不会形成二次雷达的回波，由机载应答机提供自主辐射信号，与目标对应的反射面积无任何联系。

2 ADS-B与空管监视雷达数据融合处理

2.1 ADS-B航迹的形成

ADS-B目标与唯一地址编码对应，有效关联了航空器信息，从而获得有效信息。在ADS-B系统中，航迹信息通过飞机获得，且以航班与呼号标识每个航空器的报文，避免发生信息混淆。航迹滤波利用科学算法对观测数据实现滤波，对丢失数据进行平滑处理，保证数据的准确性。如果ADS-B长期无法获得报告，说明飞机终止了航迹[3]。

2.2 雷达目标跟踪

雷达跟踪目标的航迹具体如下：（1）航迹头，这是每条航线的第1点迹；（2）航迹起始，当雷达开展二次扫描时，按出示波门，关联扫描点迹，利用两点预测外推法。外推时假定目标开展直线匀速运动，设计第i个目标的第j次测量数值为zi(j)，坐标点位(xi,yi)。按照运动方程，第3点的预测外推值坐标为：

其中，T代表采样间隔，V代表y方向上目标的运动速度。

目标速度为：

航迹融合包括集中式、分布式和混合式。考虑实际情况，本文以分布式融合模型有机联系ADS-B和雷达航迹。经分析可知，每个传感器都有独特的航迹处理器，它们在处理数据中产生独立的航迹，如此保证不会因为降低某个传感器的点迹质量而干扰系统航迹质量。该模型的数据融合包括对各单个雷达数据实现融合和对多雷达航迹与ADS-B航迹融合产生航迹，通过互相发挥作用，提高航飞系统的运行水平。

2.3 航迹滤波处理

2.3.1 跟踪滤波算

Kalman滤波算法通过建立最小均方差原则实现估计操作。它以线性递推的方式，对多个数据和信号参数进行处理和测量，得到的最大均方误差无任何差异。Kalman滤波器具有递归、线性与最小方差特点。若过程噪声和观测噪声属正态高斯白噪声，则它可以充分发挥自身的优势，即对线性与高斯问题，Kalman滤波器设计最合理。

飞机在匀速运动过程中，α-β滤波器与Kalman滤波器形成了相同的效果。当目标运动呈随机性时，Kalman滤波器的性能明显比α-β滤波器高。当飞机作匀速运动时，α-β-γ滤波器更适合。它利用激动检测合理调节滤波增益，优化性能。若修正的算法过于复杂，则无法充分体现计算常增益滤波量最小优势。Kalman滤波器的适应能力较强，可提高实时处理效率。

飞机一般根据预先设定的航线开展匀速直线飞行。当飞机把部分随机扰动作为零均值获得高斯白噪声序列时，说明它正在进行匀速直线运动，此时通过Kalman滤波器开展飞机追踪滤波操作。但是，飞机在现实中无法总开展匀速直线运动，会出现部分随机运动，如转弯、阵风等，此时将噪声作为非零均值与实际情况更符合，这就要求飞机利用自适应模型运动。当数学模型和实际目标运动模式高度契合时，Kalman滤波可发挥最大化优势。

2.3.2 目标跟踪模型

目标跟踪主要对目标的状态轨迹实现估计。目标状态模型在不断变化的状态下描述目标运动过程，以目标作为一个点源实现建模。日常使用的模型包括CV模型、CA模型和Singer模型。其中，Singer模型与统计模型同属于自适应追踪算法模型，特点是考虑目标全部的可能动机，适用于各种类型的目标动机。

3 ADS-B与空管监视雷达的融合处理方式的应用

3.1 时间对准

航管雷达和ADS-B系统根据一定的时间次序完成对空监视。处理多雷达监视数据时，要注意保持时序的精确性。航管雷达天线一般转动周期为4 s、10 s和12 s，并根据相关规范划分雷达扫描全空域为32个扇区。大部分情况可根据接收的雷达正北报明确探测目标时序，在正北报不足或缺少的情况下建立模型：

其中，Tr=[t1,t2,…,tn]代表雷达逐扇对某一时刻推进的时序进行扫描，T1代表第1部雷达持续转动k个扇区且传递探测数据消耗的时间。

此外，有：

第1部雷达持续累加转动的扇区数位k1，结合雷达自身转速顺次异步增加1；c1是第1部雷达天线扫描的时间；s1代表第1部雷达对空域进行扫描，合理划分扇区；d1代表第1部雷达传递目标报告的通信时间。

因此，式（3）可完善为：

其中，单位阵是E。式（8）代表了可信度较高的雷达目标时序。通过上一次雷达发送报文的时间和间隔，能得到下一次的报文时序。

3.2 空间对准

ADS-B报告的目标是大地坐标系位置Lα=[LαBαHα]，航管雷达提供了雷达站心极坐标系位置Lr=[rrθrhr]。在处理计算外推、滤波等数据之前，需要转换到北天东笛卡尔中央坐标系位置Xc=[xcyczc]：

经过分析融合数据可知：利用混搭式数据融合算法输出数据位置误差不会超过3 km，属于允许范围，结果达到了规定要求，可以精确管理航空数据。

4 结 论

我国的民航正在建立ADS-B空监工程，并逐步肯定了ADS-B的优势。ADS-B与雷达系统的融合，不仅有利于采集空中流量信息，还提升了空中对空中、空中对地面的协调能力。因此，必须努力推动ADS-B技术与雷达技术的融合，共同构建安全的航空环境。