CN103413463A

CN103413463A - 一种ads-b目标和雷达目标的数据容融合实现方法

Info

Publication number: CN103413463A
Application number: CN2013103407706A
Authority: CN
Inventors: 肖玉
Original assignee: Sichuan Jiuzhou ATC Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Jiuzhou ATC Technology Co Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: CN103413463B

Abstract

本发明涉及空中交通安全技术领域，本发明公开了一种ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其包括以下步骤：一、将接收到的雷达系统中的目标飞机的极坐标转为WGS-84坐标系的经纬度坐标；二、将ADS-B系统和雷达系统得到的目标飞机的位置数据进行融合，建立目标飞机的航迹；当第三个目标飞机的位置点相对于第二个目标飞机的位置点的运动方向与第二个目标飞机的位置点相对于第一个目标飞机的位置点的运动方向一致，且后一个位置点与前一个位置点之间的高度差和水平距离差均小于设定的阈值时，这三个位置点判断为同一个目标飞机，采用这三个位置点建立航迹；三、更新步骤二建立的航迹。将ADS-B目标和雷达目标进行融合，准确显示空域内的目标，方便了管制人员的使用。

Description

一种ADS-B目标和雷达目标的数据容融合实现方法

技术领域

本发明涉及空中交通安全技术领域，本发明公开了一种ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法。

背景技术

SSR（Secondary Surveillance Radar，二次雷达），通过地面询问和接收机载应答机反馈的信息来发现和识别目标飞机。很容易知道装载了应答机的飞机的二次雷达应答机代码、飞行高度、飞行速度、航向等参数，是传统的空中管制领域的监视手段。但随着全世界空管体制向新航行系统的转变，ADS（自动相关监视）技术开始在空管领域得到了越来越广泛的运用。

ADS是ICAO（ICAO是国际民用航空组织的简称）在新航行系统中所推荐的一种新兴的监视技术。所谓自动相关监视系统，是指记载导航系统获得的导航信息，通过卫星数据链或高频空－地/空－空数据链，自动实时地发送到空中接收和处理系统，经过接收处理将周边空域交通态势信息提交给飞行员感知。ADS-B（广播式自动相关监视）是以广播的方式对外发送自动相关监视信息。

随着ADS-B技术在民航、通航和军航领域的发展和逐渐应用，极大地提高了空域允许容纳的飞行器数量，提高了空域的密度和使用效率。但是，从SSR监视向ADS-B监视过渡是漫长的过程，在很长的时间里这两种监视方式会并存。对于一架安装了ADS-B机载设备的目标飞机，既可以被ADS-B监视产生ADS目标，也可以被SSR监视产生雷达目标。但这两种目标的数据接收频率不同，位置、高度等会存在一定的误差，因而，这两个目标数据无法判断是同一个目标飞机还是不同的目标飞机。

但是最终为管制人员提供的空情显示界面上需要将两种数据融合在一个目标中，以方便管制人员的需要。“如何将雷达目标和ADS目标融合”成为空中交通管制中一个亟待解决的问题。因此需要一种能够对ADS目标和雷达目标进行融合的方法，以解决空情显示的问题，从而获取准确的空中交通态势。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中需要一种将ADS-B目标和雷达目标的数据进行融合的方法，使得管制人员更好地了解空域中的目标飞机的信息，作出正确的判断。本发明公开了一种将ADS-B目标和雷达目标的数据进行融合的方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

本发明公开了一种ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一，统一ADS-B目标和雷达目标的坐标；步骤二，将ADS-B系统和雷达系统得到的目标飞机的位置数据进行融合，建立目标飞机的航迹；其具体步骤为：第三个目标飞机的位置点相对于第二个目标飞机的位置点的运动方向设为第二运动方向，第二个目标飞机的位置点相对于第一个目标飞机的位置点的运动方向设为第一运动方向，当第二运动方向和第一运动方向一致，且后一个位置点与前一个位置点之间的高度差和水平距离差均小于设定的阈值时，这三个位置点判断为同一个目标飞机，采用这三个位置点建立航迹；步骤三，更新步骤二建立的航迹。通过将ADS-B目标和雷达目标的数据进行融合，得到准确的空域信息，以便于航空管制人员作出正确的决策。

更进一步地，上述步骤一具体为将雷达目标的极坐标转为ADS-B目标的WGS-84坐标系的经纬度坐标。现有的飞机上逐渐都采用了ADS系统，后续也将逐渐推广，采用将雷达目标进行转换，提高了本发明的实现效率。

更进一步地，上述步骤一具体包括：S101.将雷达目标的极坐标转为直角坐标；S102.将直角坐标转为大地坐标系下的直角坐标；S103.将大地坐标系下的直角坐标转为ADS-B目标的WGS-84坐标系的经纬度坐标。采用直角坐标和大地直角坐标进行中转，最终完成极坐标至经纬度坐标的转换。这部分内容属于坐标转换的常规技术。

更进一步地，上述步骤二中后一个位置点与前一个位置点之间的高度差与阈值的判断具体包括：设定高度差阈值，在设定的时间范围内，如果两个目标的高度差大于高度差阈值，则这两个目标不是同一个飞机，否则进行水平距离差的判断。飞机在高度上的速度较慢，通过高度先排除部分完全不可能的目标，提高了本方法的实现效率。

更进一步地，上述步骤二中后一个位置点与前一个位置点之间的水平距离差与阈值的判断具体包括：设定水平距离差阈值，在设定的时间范围内，如果两个目标的水平距离差大于水平距离差阈值，则这两个目标不是同一个飞机，否则进行航迹建立。通过水平距离差最后再进行筛选判断，得到准确的信息。

更进一步地，上述判断两两位置点运动方向是否一致具体包括：将三个位置点依次连接，形成两条直线，当夹角在设定的阈值之间时，判定两两位置点运动方向一致。通过上述方法快速判断运动方向是否一致，夹角一般是在175-185之间为一致。

更进一步地，上述步骤三具体为：将目标飞机的其中一个位置点位作为圆锥的顶点，航迹的方向作为圆锥的轴线，根据设定的圆锥的半径和角度形成圆锥，当新的目标点不在圆锥中间时，判定不属于同一个目标飞机，当新的目标点在圆锥中间时，再进行步骤二的判断。通过上述方法使得在更新航迹的过程中能快速排除干扰因素，降低了方法的计算量。

通过采用以上的技术方案，本发明具有以下的有益效果：通过将ADS-B目标和雷达目标的数据进行融合，得到准确的空域信息，以便于航空管制人员作出正确的决策。将空中ADS-B目标和雷达目标的数据融合，扩大了整个系统的监视范围，延长了监视时间，改善和提高空中交通管制系统的整体监视精度和监视效果。

附图说明

图1为目标飞机的高度相对于雷达站的极坐标示意图。

图2为目标飞机的角度相对于雷达站的极坐标示意图。

图3为根据大地坐标系建立的直角坐标系。

图4为目标飞机的高度差的示意图。

图5为目标飞机的水平距离差的示意图。

图6为航迹建立示意图。

图7为位置点的树形结构示意图。

图8为位置更新示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其具体包括以下的步骤：

步骤一，将接收到的雷达系统中的目标飞机的极坐标转为WGS-84坐标系的经纬度坐标。二次雷达系统中采用的是极坐标，其以雷达站为极点，得到目标飞机相对于雷达站的位置信息。而ADS-B系统采用的是WGS-84坐标系，其是一种国际上采用的地心坐标系。

WGS-84坐标系参数包括：

长半轴：MainSemiaxis = 6378137.0；

短半轴：PolarSemiaxis = 6356752.3142；

扁平率：Flattening = 0.00335281067183097；

第一偏心率：FirstEccsqu = 0.00669438000426080；

第一偏心率平方根：FirstEccsquSqrt = 0.08181919092890620。

将将目标飞机的极坐标转为WGS-84坐标系的经纬度坐标首先需要将极坐标系向直角坐标系进行转换。图1为目标飞机的高度相对于雷达站的极坐标示意图。图2为目标飞机的角度相对于雷达站的极坐标示意图。

设定极坐标中：距离= range， alpha= 角度1，Azimuth=角度2。

极坐标转为直角坐标的过程为：

Xl = range * cos(alpha) * cos(Azimuth);

Yl = range * cos(alpha) * sin(Azimuth)；

Zl = range * sin(alpha)。

图3为根据大地坐标系建立的直角坐标系图。x轴是0°经度面和0°纬度面之间的交线，y轴是90°经度面和0°纬度面之间的交线，z周是南北轴心的交线。将地球想象成标准圆，可实际上地球并不是标准圆，长半轴和短半轴并不相等，因而，地球的半径是变化的，这里我们给出地球半径的计算方法，和纬度相关：

Radius = MainSemiaxis / sqrt(1.0 - sin(tmplat)* sin(tmplat)* FirstEccsqu);

其中：Tmplat是需要计算半径的地方的纬度，因为地球是扁平的，不同纬度地方的半径是不一样的。

将雷达目标转换为经纬度，需先将雷达转换为大地坐标系下的直角坐标，转换公式如下：

XOut = -sin(lat) * cos(lon) * Xl - sin(lon) * Yl + cos(lon) * cos(lat) * Zl + (Radius + altitude) * cos(lat) * cos(lon)；

其中：altitude是指高度，是目标相对于地面的高度，计算模型是以地心为几何原点的坐标系，根据经纬度，只能得到经纬度所处地方到地心的距离(就是地球半径)，但计算目标时需要加上目标相对于大地的高度。此处altitude高度和后面altitude高度表示一个意思，都是海拔高度，此时的高度是由雷达测量得到，后面的高度是由雷达数据向WGS84数据转换后得到的高度，其值是一致的。

YOut = -sin(lat) * sin(lon) * Xl + cos(lon) * Yl + sin(lon) * cos(lat) * Zl + (Radius + altitude) * cos(lat) * sin(lon)；

ZOut = cos(lat) * Xl + sin(lat) * Zl + (Radius * (1-FirstEccsqu) + altitude) * sin(lat)。

其中：lat为目标飞机的纬度，lon为目标飞机的经度，Altitude为目标飞机的高度。

大地直角坐标系向经纬度转换公式如下：

p = sqrt(x*x + y*y);x,y,z分别为上面的Xout，Yout，Zout；

m = (MainSemiaxis * p - (pow(MainSemiaxis, 2.0) - pow(PolarSemiaxis, 2.0))) / ( 2 * PolarSemiaxis * fabs(z)); pow(x,2.0)表示求x的平方；

n = (MainSemiaxis * p + (pow(MainSemiaxis, 2.0) - pow(PolarSemiaxis, 2.0))) / ( 2 * PolarSemiaxis * fabs(z));

v = 4*m*n + 1;

w = 2 * ( pow(n, 2.0) - pow(m, 2.0));

i = pow( sqrt(pow(v/3.0, 3.0) + pow(w/2.0, 2.0)) + w/2.0, 1.0/3.0);

i = i - pow( sqrt(pow(v/3.0, 3.0) + pow(w/2.0, 2.0)) - w/2.0, 1.0/3.0);

i是一个中间变量，因为这一步计算较多，故将一步计算拆成两步进行。

j = sqrt(2*i + 4 * m * m);

k = 2 * (n - m*i) / j;

g = pow(2*m+j, 2.0) - 4*(i - k);

u = (2 *m + j + sqrt(g)) / 2.0;

lat = atan(2 * MainSemiaxis *u / ( PolarSemiaxis * (u * u -1)));

lon = atan(y/x) ;

altitude = p / cos((lat) * DEGREE_TO_RAD) - CalculateLatToRadius(lat)。

lat表示上面计算出来的纬度，DEGREE_TO_RAD表示由角度向弧度转换，值等于3.1415926535898/180.0)

步骤二，将ADS-B系统和雷达系统得到的目标飞机的位置数据进行融合，建立目标飞机的航迹；当第三个目标飞机的位置点相对于第二个目标飞机的位置点的运动方向与第二个目标飞机的位置点相对于第一个目标飞机的位置点的运动大致方向一致（方向改变的角度小于设定的阈值则认为运动方向是一致的），且后一个位置点与前一个位置点之间的高度差和水平距离差均小于设定的阈值时，这三个位置点判断为同一个目标飞机，将这三个位置点建立航迹。本发明中唯一识别标志不能作为判断依据，因为不同的链路进行数据融合时，唯一识别标志是不一样的，甚至有的链路根本就没有唯一标识符。

ADS目标具有的唯一的标识：ICAO地址，雷达目标具有唯一标识：二次代码，故在各自的系统中可以直接根据目标飞机的唯一的标识建立航迹。但在不同链路的目标融合时，由于二次代码和ICAO地址无相关性，仅视为一项属性。因此收到一条ADS位置信息或雷达目标报告，只是收到一个孤立的位置点。

本发明中采用三点航迹确认法，即一条航迹的建立是由三个位置点确认。当三个位置点的运行方向一致且三个位置点之间的高度差和水平距离差均小于设定的阈值时，三个位置点判定属于同一个目标飞机。

本发明的一个实施例

如图4所示目标的高度差的示意图。

D = H1-H2。H1为B目标高度，H2为A目标高度，在一定的时间范围内，如果两个目标高度差D大于高度阈值，判断A和B不是同一个目标。

反之，在一定的时间范围内，目标C和目标A的高度差小于高度阈值，判定C和A可能属于同一个目标。采用高度阈值排除经纬度相近但高度不同的数据的干扰。

本发明的一个实施例

如图5所示的目标的水平距离差的示意图。

在图中有两个已经存在的目标，A和C。现在新收到3条位置信息，B、D和E。其中B既在A的范围又在C的范围内，但B显然离A更近，所以B倾向于是A的点。D在C的门限范围内，而没有在其他门限范围内，所以D倾向于是C目标的更新点。而E，既不在A范围内，又不在C范围内，E倾向于一个新的目标。

本发明的一个实施例

如图6所示的航迹建立示意图。

首先收到P1点，作为一个新目标的起点，当收到下一个点P2（P2点与P1点不属于同一个系统，P1和P2点分别属于ADS-B系统和雷达系统）时，首先进行判断P2与P1的高度差是否小于设定的阈值，否，P2和P1不属于同一个目标，是则继续判断P2与P1的水平距离差是否小于设定的阈值，否，P2和P1不属于同一个目标，是则将P2作为P1的下一个目标点附着在P1后。当P3点到达时，以P1和P2作为基础，判断P3与P 1、P2之间的关系，如图中所示，P3与P2之间的既满足高度阈值的范围也满足水平距离的范围，则将P3作为P2的下一个目标附着在P2后。依次类推，完成P4、P5的判断。

最终得到一个如图7所示的树形结构。P1、P2和P3点运动趋势一致（P2相对于P1点的方向和P3相对于P2点的方向一致）时，可认为P1P2P3属于同一个目标，而P4和P5的运动方向不一致，不属于同一个目标。

航迹建立的过程就是找出同一个目标位置点的过程，也是排除非本目标位置点的过程。关键在于时间差阈值的设定，高度阈值的设定，水平方向距离阈值的设定。目标在垂直方向上速度小于水平方向，故可以根据需要设定合适的值，比如2000米的高度阈值，而在水平方向上，为了航迹建立的准确性，可设定一个较小的水平距离阈值和时间差阈值，比如1秒的时间差阈值和500米的水平距离差阈值。当然，阈值的设定可以根据需要进行相应的调整。

步骤三，更新步骤二建立的航迹；后续更新航迹的过程可以继续依照步骤二的方法继续寻找附着在P3后面的位置点，也可以采用以下的方法快速实现。

如图5所示的位置更新示意图。当目标飞机的航迹建立后，将目标飞机的其中一个位置点位作为圆锥的顶点，航迹的方向作为圆锥的轴线，根据设定的圆锥的半径和角度进行判断，当新的目标点不在圆锥中间时，判定不属于同一个目标，当新的目标点在圆锥中间时，再进行步骤二的判断。当目标A的航迹建立后(已知目标的位置和方向后)，据此作出一个圆锥形。圆锥形由两个要素决定：半径和角度，这两个要素主要根据目标飞机的转弯频率和运动速度来决定，可以根据需要进行调整。如图5，目标A向右侧前进，我们为此作出圆锥形。点C在圆锥形之内，那么判断C点可能是目标A的一个位置更新点。虽然B点离A点更近，但B点显然不在A的圆锥形以内，因此判断B点是一个新的目标。

建立目标航迹后，当目标的位置，速度和方向都已明确，为了得到更好的目标生命周期，可将扇形半径，扇形角度和时间门限值设定较大。

本发明所述的数据融合实现方法不同链路数据不同权重的融合方式。ADS-B目标报告的位置精度可达10m以内，报告周期为1s，远远高于雷达探测到的目标精度。因此，当一个目标既有ADS-B数据，又有二次雷达数据，较好的方式是以ADS-B数据为主。当ADS-B数据更新时间超过3s（即一个最小的雷达扫描周期）后，根据目标之前的速度和位置信息进行航迹预测，可以将预测位置和当时收到的雷达位置融合，作为目标最新位置信息。当ADS-B数据超过15s未曾到达时，即判断该目标为雷达目标，无ADS目标数据，其位置数据按照雷达报告的方式处理。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用本发明的，本发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离本发明的发明思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例做出种种修改或调整，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims

1.一种ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一，统一ADS-B目标和雷达目标的坐标；步骤二，将ADS-B系统和雷达系统得到的目标飞机的位置数据进行融合，建立目标飞机的航迹；其具体步骤为：第三个目标飞机的位置点相对于第二个目标飞机的位置点的运动方向设为第二运动方向，第二个目标飞机的位置点相对于第一个目标飞机的位置点的运动方向设为第一运动方向，当第二运动方向和第一运动方向一致，且后一个位置点与前一个位置点之间的高度差和水平距离差均小于设定的阈值时，这三个位置点判断为同一个目标飞机，采用这三个位置点建立航迹；步骤三，更新步骤二建立的航迹。

2.如权利要求1所述的ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其特征在于所述步骤一具体为将雷达目标的极坐标转为ADS-B目标的WGS-84坐标系的经纬度坐标。

3.如权利要求2所述的ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其特征在于所述步骤一具体包括：S101.将雷达目标的极坐标转为直角坐标；S102.将直角坐标转为大地坐标系下的直角坐标；S103.将大地坐标系下的直角坐标转为ADS-B目标的WGS-84坐标系的经纬度坐标。

4. 如权利要求3所述的ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其特征在于所述步骤二中后一个位置点与前一个位置点之间的高度差与阈值的判断具体包括：设定高度差阈值，在设定的时间范围内，如果两个目标的高度差大于高度差阈值，则这两个目标不是同一个飞机，否则进行水平距离差的判断。

5.如权利要求4所述的ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其特征在于所述步骤二中后一个位置点与前一个位置点之间的水平距离差与阈值的判断具体包括：设定水平距离差阈值，在设定的时间范围内，如果两个目标的水平距离差大于水平距离差阈值，则这两个目标不是同一个飞机，否则进行航迹建立。

6.如权利要求5所述的ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其特征在于所述判断两两位置点运动方向是否一致具体包括：将三个位置点依次连接，形成两条直线，当夹角在设定的阈值之间时，判定两两位置点运动方向一致。

7.如权利要求6所述的ADS-B目标和雷达目标的数据融合实现方法，其特征在于所述步骤三具体为：将目标飞机的其中一个位置点位作为圆锥的顶点，航迹的方向作为圆锥的轴线，根据设定的圆锥的半径和角度形成圆锥，当新的目标点不在圆锥中间时，判定不属于同一个目标飞机，当新的目标点在圆锥中间时，再进行步骤二的判断。