CN108318868A - 基于ads-b数据源的雷达战术性能测试评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于ADS‑B数据源的雷达战术性能测试评估方法，测试评估方法包括ADS‑B地面接收和解码单元、战术性能测试评估处理单元，ADS‑B地面接收和解码单元包括天线、接收装置、框架检测装置和应答解码装置；战术性能测试评估处理单元包括工控机以及安装于工控机上的战术性能评估软件；所述方法包括：采集数据信息、数据处理、坐标转换和数据比对和统计。本发明可以解决雷达装备测量精度战术指标的快速、简洁、高效的测试与评估，同时该发明可以用于部队平常训练维保、装备大修厂进行大修后的检验、装备生产厂商进行装备出厂有关性能的检测。
Description
技术领域
本发明涉及无线电信号处理领域，特别是基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法。
背景技术
雷达测量精度是雷达的一项重要战技指标，一般情况下，为检验和评估一部雷达的探测精度和系统性能是否符合设计指标要求，目前普遍采用实测法进行试验。精度试验的基本方法是比较法，即利用军用飞机作为合作目标。上述方法虽然比较成熟，但有一定的缺陷：
（1）受到飞行调动和空中管制等因素限制；
（2）投资大、费用高、实施难度大；
（3）评定组织工作繁杂，观测周期长；
（4）影响试验进度和部队训练任务；
（5）不适合雷达交付部队和大修厂使用。
这些不足严重限制了它的广泛应用，同时也给我们提出了一个新的课题：能否寻找到一种简易有效的方法来检查和标校一些测量精度要求不是很高的雷达，同时又容易被部队和大修厂掌握和实施。
为了使航线上的飞机安全、有效和有计划的在空域中飞行，管制员需要对管制空域内飞机进行实时动态监视，空中交通管制的根本目的也在于此，实施空中交通监视以往应用的方法主要是雷达监视，而由国际民航组织的未来空中航行系统专门委员会推荐采用的Automatic Dependent Surveillance –Broadcast（ADS-B，广播式自动相关监视）近几年来取得了逐步的推广，日渐成为一种主流的空中交通监视手段。
ADS-B的主要信息是飞机的四维位置信息（经度、纬度、高度和时间）、飞机的识别信息和类别信息以及其它可能附加的信息，如航向、空速、风速、风向和飞机外界温度等。由于这些信息均是通过相应的航空电子设备得到，一般都具有很高的精度和可靠性，这就为我们提供了一个思路，是否可以利用ADS-B信息作为另外一个数据源，对雷达的测试性能进行评估与标校。
发明内容
基于此，针对上述问题，本发明提供基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，本申请可以解决雷达装备测量精度战术指标的快速、简洁、高效的测试与评估，同时该发明可以用于部队平常训练维保、装备大修厂进行大修后的检验、装备生产厂商进行装备出厂有关性能的检测。
基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，所述测试评估方法包括ADS-B地面接收和解码单元、战术性能测试评估处理单元，所述ADS-B地面接收和解码单元包括天线、接收装置、框架检测装置和应答解码装置；所述战术性能测试评估处理单元包括工控机以及安装于工控机上的战术性能评估软件；
所述雷达战术性能测试评估方法具体包括以下步骤：
采集数据信息，所述数据信息包括被试雷达数据和ADS-B数据，所述ADS-B数据包括飞机的四维位置信息、飞机的识别信息和类别信息以及环境附加信息；
数据处理，去除错误应答信息，提取正确应答信息，完成同一目标应答数据的凝聚、关联，保存有用的目标经纬度、高度等信息；
坐标转换，将目标的WGS-84坐标数据转换为雷达坐标系下的r、Ф、θ坐标系数据，便于与来自被试雷达的数据进行比对；
数据比对和统计：将格式转化后的数据作为目标真值，与来自被试雷达的数据进行比对，通过多次数据统计，得出雷达测量精度和偏差。
进一步的，在本发明中，在采集数据信息过程中，还包括报头检测步骤，具体以下几个步骤：
反窄与反宽滤波，抑制过窄或过宽的报头脉冲，使得获得的ADS-B信号中的报头脉冲宽度为0.5μs；
脉冲检测，对当前ADS-B信号进行采样检测，当ADS-B信号的幅度采样值高于门限值，且随后连续的N个样点都在门限值以上，那么该采样点就是一个有效脉冲位置，N>=3；
报头初始检测，以第一个脉冲为时间参考点，依次获得的四个脉冲出现时间分别为0μs、1μs、3.5μs、4.5μs，且这四个脉冲位置为有时序匹配的四个有效脉冲位置；
功率一致性检测，分别计算前四个报头脉冲采样点的平均值，如果至少有两个报头脉冲的幅度平均值在报头脉冲幅度参考值的±3dB内，通过一致性检测，进入DF认证，否则丢弃该报头；
DF认证，检测报头功率和代码位功率之间是否有显著差距，如果有，则丢弃该报头，若前述所有认证通过，则开始代码位处理。
进一步的，在本发明中，在采集数据信息过程中，还包括采用多参数和多抽样方法进行ADS-B的代码拾取和置信度分析算法，该算法充分利用每一个代码位的多个采样值的信息与报头检测中得出的参考功率值，并通过两者之间的相关性来联合确定代码和置信度。
进一步的，在本发明中，在坐标转换步骤中，若已知空间某点的经度L、纬度B和高度H，对于空间中的同一点P（B,L,H），将其分别投影到直角坐标系XYZ中，就可以得到其直角坐标和大地坐标之间的转换关系为：
上式中，称为卯酉圈曲率半径，扁率α=(a-b)/a，a、b分别为地球的长、短轴半径，其数值如下：
地球长半轴 a=6378137m；
地球短半轴 b=6356752.3142m；
扁率倒数 1/α=298.257223563。
进一步的，在本发明中，在采集数据信息过程中，所述天线用于接收1090MHz空间电磁波信息；所述接收装置用于完成1090M调制信号到视频信号的解调工作。
本发明的有益效果是：
（1）可有效提升雷达装备测量精度战术指标的快速、简洁、高效的测试与评估能力，同时也可以辅助雷达装备对民航目标加以识别、提升雷达装备的分辨率，提高部分雷达装备的探测距离；
（2）通过实测发现本发明的探测距离可以达到400km，接收范围360度全空域，距离评估标准差不大于10米，角度评估标准差不大于0.3度，同时处理目标容量大于200批。
附图说明
图1为本发明的ADS-B消息报头时序图；
图2为本发明WGS-84大地坐标系与直角坐标系之间的转换关系图；
图3为本发明ADS-B与雷达航迹拟合结果图；
图4为本发明实测距离误差分析结果图；
图5为本发明实测方位误差分析结果图；
图6为本发明实测高度误差分析结果图；
图7为本发明设备精度计算分析结果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例：
基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，所述测试评估方法包括ADS-B地面接收和解码单元、战术性能测试评估处理单元，所述ADS-B地面接收和解码单元包括天线、接收装置、框架检测装置和应答解码装置；所述战术性能测试评估处理单元包括工控机以及安装于工控机上的战术性能评估软件；
所述雷达战术性能测试评估方法具体包括以下步骤：
采集数据信息，所述数据信息包括被试雷达数据和ADS-B数据，所述ADS-B数据包括飞机的四维位置信息、飞机的识别信息和类别信息以及环境附加信息；
数据处理，去除错误应答信息，提取正确应答信息，完成同一目标应答数据的凝聚、关联，保存有用的目标经纬度、高度等信息；
坐标转换，将目标的WGS-84坐标数据转换为雷达坐标系下的r、Ф、θ坐标系数据，便于与来自被试雷达的数据进行比对；
数据比对和统计：将格式转化后的数据作为目标真值，与来自被试雷达的数据进行比对，通过多次数据统计，得出雷达测量精度和偏差。
如果直接利用ADS信息进行标校，其实验方法及流程将大大的简化。由于民航飞机广播的ADS-B数据中的相关位置参数信息采用的是WGS-84坐标系，属于大地坐标系，而雷达一般采用的是极坐标系，为了实现ADS-B数据与雷达数据的匹配，需进行坐标转换。同时为了减小随机误差，测量结果应经过多次累计并进行非线性曲线拟合，考虑向站、背站飞行的各种情况，如图3所示。
报头检测、应答解码和数据处理可通过FPGA+CPU的架构来实现，由于FPGA具有现场可编辑的功能，CPU可以灵活运行各种算法，所以该架构具有高度的灵活性，这不仅为现场调试带来方便，也为将来潜在的升级提供可能。
在采集数据信息过程中，还包括采用多参数和多抽样方法进行ADS-B的代码拾取和置信度分析算法，该算法充分利用每一个代码位的多个采样值的信息与报头检测中得出的参考功率值，并通过两者之间的相关性来联合确定代码和置信度。
为完成报头检测，需要完成下面几个步骤：
（1）反窄与反宽滤波
一条标准的ADS-B广播信号中的报头脉冲宽为0.5μs，信号脉冲采用脉冲位置编码，故可能出现的脉冲宽度为0.5μs和1μs的两种脉冲，过窄、过宽的脉冲意味着噪声、干扰或目标交织等情况出现，应当对这些脉冲进行抑制。
（2）脉冲检测
假设当前一个广播信号的幅度采样值高于门限Threshold，且其随后连续的N个样点或更多样点都在门限Threshold以上，那么这个采样点就是一个有效脉冲位置（VPP）。假设系统采样率为10MHz，为了使得信号在门限之上维持至少0.3μs，则需定义满足提条件的采样点数N>＝3。这个定义表明至少存在4个连续样点高于门限。这样才可将其判定有一个脉冲存在。
（3）报头初始检测
ADS-B广播消息报头时序图如图1所示，以第一个脉冲为时间参考点，则4脉冲出现时间分别为0μs、1μs、3.5μs、4.5μs。判断是否是可能报头标准是：这四个位置有时序匹配的4个VPP，考虑到容错需要，在每个位置处，一般可以超前或者延后一个采样点。
（4）功率一致性检测
该检测是为了确定四个报头功率是否一致，如果各个报头功率之间有显著差距，证明噪声污染较严重，得到的报头脉冲幅度参考值不可靠，即使完成解码，必然会有大量误码，所以认为不具备处理意义，应该舍弃该目标，即丢弃该报头。实现步骤如下：分别计算前四个报头脉冲采样点的平均值。如果至少有两个报头脉冲的幅度平均值在报头脉冲幅度参考值的±3dB内，通过一致性检测，进入DF（Downlink Format下行链路数据格式）认证，否则丢弃该报头。
（5）DF认证
DF认证实质上是功率一致性检测的进一步延伸，该认证的目的是为了确定报头功率是否和代码位功率一致，如果报头功率和代码位功率之间有显著差距，同样证明污染严重，不具备解码意义，应该丢弃该报头。如果前述所有认证通过，开始代码位处理。
进一步的，在采集数据信息过程中，还包括代码提取步骤，ADS-B的代码拾取和置信度分析的算法很多，主要集中于时域处理中，即对代码视频信号进行形状分析得出代码和置信度。最简单的算法是振幅比较法，比较在比特位置处前后两个CHIP的振幅进行判断和置信度分析的。
为了进一步提高ADS-B代码拾取和置信度分析的准确性，可采用多参数和多抽样的相关法进行ADS-B的代码拾取和置信度分析算法。该算法可充分利用每一个代码位的多个采样值的信息与报头检测中得出的参考功率值，并通过两者之间的相关性来联合确定代码和置信度。
数据处理过程中，ADS-B设备对飞机位置信息的获取来自于GNSS导航设备的定位信息，比如经纬度信息广播出去，告知当前位置。飞机的运动轨迹肯定是连续的，那么位置消息中的经纬度信息高比特位变化是非常缓慢的，极端情况下，飞机一次飞行结束后，经纬度的高比特甚至保持不变。而ADS-B位置消息是广播时一个频繁的消息，所以，如果每次广播完整的经纬度信息，对有限的传输带宽是一种极大的浪费。
所以基于1090MHz ES数据链ADS-B采用CPR(紧凑位置报告)编码经纬度信息，这种编码忽略经纬度信息中的高位比特，那么地球的多个位置会对应同一组编码。带来的问题是如果接收机只接收到单个位置信息，解码后仍不能确定发射机的具体位置。为了解决这个问题，CPR位置编码采用奇格式编码和偶格式编码，这两种格式发送概率各占50%，当在短时间内接收到这两种类型时，就能无模糊地确定飞机地址。一旦接收站确定飞机具体地址后，也就是说接收站确定发射机的位置消息中的高比特位后，由随后的单个消息(无论是偶格式还是奇格式)都能无模糊地得到飞机的位置。
在某些特殊情况，在接收站知道自己具体位置的前提下，不用奇/偶对解码，同样能知道被监视飞机的具体位置，因为单个消息携带的位置消息对应的多个地球具体位置在南北方向相距360海里的整数倍，东西方向相距也是360海里的整数倍，若ADS-B接收不超过180海里，也就是离接收机最近的可能位置即为真实位置。
说明：基于1090MHz ES数据链ADS-B采用CPR(紧凑位置报告)编码经纬度信息(源于机载GNSS设备)，消息类型不同，编码长度是不同的。ADS-B空中位置消息以及TIS-B空中位置消息中的位置编码长度Nb＝17；ADS-B地表位置消息以及TIS-B优质地表面位置消息中的位置编码长度Nb＝19；意图编码的位置编码长度Nb＝14；TIS-B低质地表面位置消息中的位置编码长度Nb＝12。
位置坐标编码的比特数目Nb决定了编码位置的分辨度，空中编码约5米，地表编码约1.25米，意图编码约为41米，TIS-B编码约为164米。
赤道与地极之间的纬度区域数目NZ，NZ设定为15。该参数决定了精确的空中解码范围（360海里），即同一编码对应不同地理位置之间的距离。地表面经度/纬度编码省略了19比特CPR编码的两个高比特位，因此，地表面位置报告有效精确范围是90海里。
进一步的，在本发明坐标转换过程中，由于ADS-B监视系统获得的位置信息来源于ADS-B机载GNSS系统，而ADS-B机载GNSS系统采用的是美国的GPS，GPS给出的目标三维位置信息都是采用大地坐标系，即经度、纬度、高度，如图2所示。本地雷达对目标飞机的监视采用的是空间直角坐标系，因此，存在着大地坐标系与空间直角坐标系之间的转换问题。如图2所示，如果已知空间某点的经度L、纬度B和高度H，对于空间中的同一点P（B,L,H），将其分别投影到直角坐标系XYZ中，就可以得到其直角坐标和大地坐标之间的转换关系为：
公式（1）
上式中， 称为卯酉圈曲率半径，扁率α=(a-b)/a，a、b分别为地球的长、短轴半径，其数值如下：
地球长半轴 a=6378137m；
地球短半轴 b=6356752.3142m；
扁率倒数 1/α=298.257223563。
坐标转换过后，还包括数据比对和统计步骤，由于ADS-B数据和雷达情报数据更新率不一致，传统的同步融合算法需要将ADS-B测量数据和雷达情报数据进行验资并做同步处理，大大降低了融合的精度。
目前，由于1090 ES数据链在发送位置信息时，并没有把实时时间信息包含在其中，因此ADS-B地面接收设备接收数据中的时间是接收设备接收到数据并解算后打上的时间戳，不是民航飞行的实时时间。精度数据分析往往是以雷达记录的绝对时间（该时间由雷达携带的GPS提供）作为基准进行分析，据统计二者一般相差有几百毫秒左右。因此，ADS-B数据提供的民航位置参数和雷达录取的数据存在时空不对准的问题，在数据分析时不能按照通常用时间为基准的方法分析，可通过研究对数十条航路数据进行分析，得出以某个飞行拐点作为基准点来对航迹进行对比分析，能够测量出雷达真实的距离、方位和仰角精度，如图4-图6所示。
以一批民航飞机目标为例，对一个民航目标进行跟踪探测，其动态方程可以用随机微分方程表示为：
dX(t) = A(t)X(t)dt + B(t)dξ(t) 公式（2）
其中：X(t) ∈ Rn是系统n维状态向量；A(t)，B(t)是n×n 维的系统矩阵；ξ(t)是具有零均值和单位增量协方差阵的Wiener过程。
设φ(t,s)是A(t)对应的状态转移矩阵，T为融合中心的采样周期，则对上式所描述的时 间连续线性系统进行离散化，得：
Xk ＝X(tk )＝φk，k-1Xk-1+ωk，k-1 公式(3)
其中：
φk，k-1＝φ(tk，tk-1)
tk ＝kT
易知，ωk,k-1的协方差阵为：
对于目标民航接收数量和民航目标接收时间状态建立微分方程，针对民航ADS-B数据与 雷达情报数据不同步问题建立数据融合算法模型。在此依据ADS-B数据源作为参考数据，不 考虑ADS-B数据源的误差，及数据源误差为0。
由公式Xk ＝X(tk )＝φk，k-1Xk-1+ωk，k-1得到目标运动方程：
建立滤波方程：
其中：为k时刻系统状态预测。
其中：为k-1时刻预测误差协方程矩阵，为k时刻误差协方程矩阵预测。
令：
Lk,k-1＝Pk|k-1Hk+cov(ωk,k-1,ηk) 公式(8)
则k时刻状态估计和误差协方差矩阵为：
相比于利用军用飞机作为合作目标检飞只能获取一部GPS数据的方法相比，利用ADS-B导航信息，理论上可以提供多个目标的GPS数据，然后求得校正后的平均量，就可以获得较好的校正效果。我们可以应用算法求出N条路线的校正值然后求得平均的校正值，来消除误差，从而达到校正的目的。
另外，在实际操作中，由于ADS-B系统的定位位置是机载GPS天线相位中心，而雷达定位则是利用飞机的电磁波反射面，从原理上讲这两种方式的定位点是不同的，必然产生不可消除的系统误差。这个误差和飞机的大小有关，民航客机的体积一般都比较大，所以在实际数据的分析中适当考虑该因素的影响，消除该误差。
本发明可以解决雷达装备测量精度战术指标的快速、简洁、高效的测试与评估，同时该发明可以用于部队平常训练维保、装备大修厂进行大修后的检验、装备生产厂商进行装备出厂有关性能的检测。
本发明成果可有效提升雷达装备测量精度战术指标的快速、简洁、高效的测试与评估能力，同时也可以辅助雷达装备对民航目标加以识别、提升雷达装备的分辨率，提高部分雷达装备的探测距离。通过实测发现本发明的探测距离可以达到400km，接收范围360度全空域，距离评估标准差不大于10米，角度评估标准差不大于0.3度，同时处理目标容量大于200批。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，其特征在于，所述测试评估方法包括ADS-B地面接收和解码单元、战术性能测试评估处理单元，所述ADS-B地面接收和解码单元包括天线、接收装置、框架检测装置和应答解码装置；所述战术性能测试评估处理单元包括工控机以及安装于工控机上的战术性能评估软件；
所述雷达战术性能测试评估方法具体包括以下步骤：
采集数据信息，所述数据信息包括被试雷达数据和ADS-B数据，所述ADS-B数据包括飞机的四维位置信息、飞机的识别信息和类别信息以及环境附加信息；
数据处理，去除错误应答信息，提取正确应答信息，完成同一目标应答数据的凝聚、关联，保存有用的目标经纬度、高度等信息；
坐标转换，将目标的WGS-84坐标数据转换为雷达坐标系下的r、Ф、θ坐标系数据，便于与来自被试雷达的数据进行比对；
数据比对和统计：将格式转化后的数据作为目标真值，与来自被试雷达的数据进行比对，通过多次数据统计，得出雷达测量精度和偏差。
2.根据权利要求1所述基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，其特征在于，在采集数据信息过程中，还包括报头检测步骤，具体以下几个步骤：
反窄与反宽滤波，抑制过窄或过宽的报头脉冲，使得获得的ADS-B信号中的报头脉冲宽度为0.5μs；
脉冲检测，对当前ADS-B信号进行采样检测，当ADS-B信号的幅度采样值高于门限值，且随后连续的N个样点都在门限值以上，那么该采样点就是一个有效脉冲位置，N>=3；
报头初始检测，以第一个脉冲为时间参考点，依次获得的四个脉冲出现时间分别为0μs、1μs、3.5μs、4.5μs，且这四个脉冲位置为有时序匹配的四个有效脉冲位置；
功率一致性检测，分别计算前四个报头脉冲采样点的平均值，如果至少有两个报头脉冲的幅度平均值在报头脉冲幅度参考值的±3dB内，通过一致性检测，进入DF认证，否则丢弃该报头；
DF认证，检测报头功率和代码位功率之间是否有显著差距，如果有，则丢弃该报头，若前述所有认证通过，则开始代码位处理。
3.根据权利要求1所述基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，其特征在于，在采集数据信息过程中，还包括采用多参数和多抽样方法进行ADS-B的代码拾取和置信度分析算法，该算法充分利用每一个代码位的多个采样值的信息与报头检测中得出的参考功率值，并通过两者之间的相关性来联合确定代码和置信度。
4.根据权利要求1所述基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，其特征在于，在坐标转换步骤中，若已知空间某点的经度L、纬度B和高度H，对于空间中的同一点P（B,L,H），将其分别投影到直角坐标系XYZ中，就可以得到其直角坐标和大地坐标之间的转换关系为：
上式中，称为卯酉圈曲率半径，扁率α=(a-b)/a，a、b分别为地球的长、短轴半径，其数值如下：
地球长半轴 a=6378137m；
地球短半轴 b=6356752.3142m；
扁率倒数 1/α=298.257223563。
5.根据权利要求1所述基于ADS-B数据源的雷达战术性能测试评估方法，其特征在于，在采集数据信息过程中，所述天线用于接收1090MHz空间电磁波信息；所述接收装置用于完成1090M调制信号到视频信号的解调工作。
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