基于ADS-B 技术的地空导弹雷达校飞系统设计

摆卫兵，刘 毅，李卓伦

（陆军工程大学 军械士官学校，湖北 武汉 430075）

0 引 言

地空导弹武器系统中的目标搜索雷达和跟踪制导雷达的目标探测精度是保证地空导弹武器系统射击能否成功的重要因素。因此，在武器系统维修工作完成后，对雷达进行校飞，确定雷达工作性能和精度是一项必不可少的重要工作。目前普遍采用的方法是使用空军飞机进行校验飞行[1]，这种方法成本高、协调难度大、实施困难。

ADS-B 系统是目前国际民航系统通用的一种空中交通管制系统，它是一种基于GPS 全球卫星定位系统和地/空、空/空数据链通信的航空器运行监视新技术[2]。装备了ADS-B 系统的民航飞机获得机载GPS 的定位数据，然后将位置信息通过ADS-B 系统广播出来。ADS-B系统定期向外传输飞机的状态向量（水平和垂直位置、水平和垂直速度）和其他信息[3-4]。因此，接收民航飞机发送的ADS-B 广播，将数据和地空导弹雷达对该目标的探测数据进行比对，即可获得和军机校飞同等的效果。

1 总体方案

系统一方面接收民航飞机主动广播发送的全球定位位置信息，并将其按照地空导弹雷达设备要求解算为距离、方位、高度、速度等信息；另一方面使用摄像头同步捕获记录地空导弹雷达设备显示的结果。最后将二者汇总比较，得出地空导弹雷达设备校验结果。系统工作流程图如图1 所示。

2 硬件方案

2.1 硬件总体方案

系统硬件由雷达界面捕获摄像头、加固笔记本、民航广播接收模块等部分组成。雷达界面捕获摄像头采用磁吸支撑杆固定在雷达屏幕前，自动捕获雷达显示界面，供用户判读目标探测参数；加固笔记本是系统核心，运行系统软件；民航广播接收模块接收民航飞机ADS-B广播。系统硬件组成图如图2 所示。

加固笔记本实物图如图3 所示。

2.2 民航广播接收模块设计

根据ADS-B 标准，ADS-B 广播的频率为1 090 MHz。民航广播接收模块采用软件无线电接收技术（SDR）。软件无线电概念自1992 年MILTRE 公司首次明确提出以后，得到了快速的发展[5]。软件无线电可以最小程度地结合通用硬件平台，通过软件编程而获得多个频段的通信能力。

根据软件无线电的基本组成，模块首先需要采用调谐器接收民航发送的ADS-B 信号，将接收到的射频信号频率转换为某个固定的中频；接着由解调器对中频信号进行A/D 转换、对信号进行数字下变频；然后由软件对信号进行解调、解码等信号处理。模块工作框图如图4所示。

调谐器采用Rafael Micro公司的R820T芯片。R820T是一款高性能低功耗高度集成的硅调谐器，集成了低噪声放大器（LNA）、混频器、分数锁相环、VGA 可变增益控制、电压调节器和跟踪滤波器[6]。R820T 工作频率范围为24～1 766 MHz，正好覆盖ADS-B 所用的1 090 MHz。R820T 芯片的外部电路如图5 所示。

解调器采用Realtek 公司的RTL2832U 芯片。RTL2832U 芯片是一个高性能支持USB 2.0 接口的DVBTCOFDM（编码正交频分复用）解调器[7]。RTL2832U 芯片可以实现A/D 转换，对信号进行数字下变频为基带正交IQ 信号。RTL2832U 芯片的外部电路如图6 所示。

3 软件方案

软件是系统的核心，运行在加固笔记本平台，包括摄像头控制、雷达数据判读、数字无线电控制、ADS-B数据解算、目标坐标计算、数据库存储控制、Word 文档输出、Excel文档输出等模块。系统软件组成框图如图7所示。

摄像头控制模块对摄像头硬件进行控制，在接收到ADS-B 数据的时刻对雷达屏幕截屏。雷达数据判读模块提供界面让用户对各个时刻的雷达屏幕截屏进行判读，存储雷达探测的目标数据。数字无线电控制模块对数字无线电接收模块控制频率和增益等参数，接收ADSB 数据。ADS-B 数据解算模块根据ADS-B 协议对接收到的数据进行解析，获得目标经纬度、海拔等信息。目标坐标计算模块根据目标经纬度、海拔等信息计算和雷达对应的方位、速度、高度、仰角、距离等信息。数据库存储控制模块采用SQL Server 数据库对各种信息进行管理。Word 文档输出模块将用户选择的校飞航迹点结果数据按照固定的格式输出成Word 文档。Excel 文档输出模块用户选择的校飞航迹点结果数据按照固定的格式输出成Excel 文档。软件界面如图8 所示。

4 目标关键参数计算

系统收到的ADS-B 广播信息包含经纬度坐标，还需要进行目标参数计算。首先定义地球球心坐标系：地球球心为原点O，赤道面上O指向0°经度方向为x轴正向，赤道面上O指向90°经度方向为y轴正向，垂直赤道面指向北极点为z轴正向。地球半径R=6 371 004 m，π=3.141 592 6。地球球心坐标系如图9 所示。

那么空中一个点A的地球球心坐标系坐标（x，y，z）与经纬度坐标之间的关系如下：

式中：AL 是A点的海拔高度；LA 是A点的纬度；LO 是A点的经度。

4.1 目标径向距离

设雷达所在的点为R点。根据三维坐标距离公式，目标A点相对于雷达的径向距离可用式（2）求得：

4.2 目标径向速度

将上一时刻坐标点位置定义为A点，本次坐标定义为B点。

BA间直线距离为：

目标相对雷达的径向速度VRB用式（4）求得：

式中：SRB是雷达位置和B点的距离；SRA是雷达位置和A点的距离；TBA为BA两点之间的时间差。

4.3 计算目标方位角

目标位置A点相对于雷达R点的方位角AAR按下面方法计算。

首先考虑特殊情况，结果为-1 表示无法计算。

情况1：A点经度和R点经度相同，即LOA=LOR或LOA-LOR=360°或LOA-LOR=-360°，则：

情 况2：LOA-LOR=180° 或LOA-LOR=-180°，则AAR=-1°。

情况3：两个点分别在南北极点，即LAA-LAR=180°或LAA-LAR=-180°，则AAR=-1°。

不属于特殊情况的，计算下面内容。

A点和R点的球心夹角c：

由于sinc=，所以没有根据象限修正的方位角为：

其中：

以R为中心，A相对R所在的象限来确定方位角修正方法。

A点相对R点的经度差LOAR=LOA-LOR，纬度差LAAR=LAA-LAR。

如果：

-360°＜LOAR＜-180°且-180°＜LAAR＜0°，则为四象限；

-360°＜LOAR＜-180°且0°＜LAAR＜180°，则为一象限；

-180°＜LOAR＜0°且-180°＜LAAR＜0°，则为三象限；

-180°＜LOAR＜0°且0°＜LAAR＜180°，则为二象限；

0°＜LOAR＜180°且-180°＜LAAR＜0°，则为四象限；

0°＜LOAR＜180°且0°＜LAAR＜180°，则为一象限；

180°＜LOAR＜360°且-180°＜LAAR＜0°，则为三象限；

180°＜LOAR＜360°且0°＜LAAR＜180°，则为二象限。

然后：

4.4 相对雷达高度

飞机当前位置B点相对雷达R点高度为B点海拔减去R点海拔。

4.5 相对雷达仰角

在不考虑地球弧度的情况下，飞机相对雷达的仰角β为：

5 误差分析

系统将通过ADS-B 接收到的信息转换成地空导弹雷达在坐标系中的目标参数，系统接收的单个民航飞机目标一个时间段内的参数和经过军用飞机校飞的某型号地空导弹雷达对同一目标的测量结果对比显示，二者之间的最大距离误差没有超过50 m。经过误差分析，误差主要来源于雷达照射测量目标的中心点位置和民航飞机安装定位系统的位置之间存在的偏差和飞机定位误差。民航飞机长度一般不超过80 m，GPS 定位系统最大定位误差为20 m。因此，最大误差值不超过100 m。这完全符合大部分地空导弹雷达的校飞要求。

6 结 论

本文采用数字无线电接收方式接收民航飞机发送的ADS-B 广播，开发配套软件，将数据和地空导弹雷达对该目标的探测数据进行比对，从而实现地空导弹雷达校飞。从使用效果看，基于ADS-B 技术实现的地空导弹雷达校飞系统无需协调工作，可以随时方便地开展校飞，校飞成本低。