CN111508281A - 一种星载平台对ads-b目标进行分类引导的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载平台对ADS‑B目标进行分类引导的方法，包括：S1：根据所划定的区域和星载平台采集到的ADS‑B信号信息，判断发出ADS‑B信号的飞机是否在指定的经纬度区域内；S2：根据采集到的ADS‑B信息和地面上传经纬度范围所划定的区域，通过位置、速度、航向信息来预测目标是否会到达该区域，以及何时到达该区域；S3：根据采集到的ADS‑B信息和地面上传的指定过滤的条件，输出满足过滤条件的目标信息；S4：根据ADS‑B协议数据中的紧急优先状态码，星载平台通过预置条件判断后主动下传对应目标信息；S5：根据存储的飞机航线信息，星载平台进行判断、预测，对出现重大偏差的目标及时向地面发出预警信息。

Description

一种星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法

技术领域

本发明涉及航天器信号软件处理应用领域，特别涉及一种星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法。

背景技术

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，广播式自动相关监视)技术是新航行系统中非常重要的通信和监视技术，它是一种全新科技，它把冲突探测、冲突避免、冲突解决、ATC监视和ATC一致性监视以及机舱综合信息显示有机的结合起来，为新航行系统增强和扩展了非常丰富的功能，并将当今空中交通管制中的三大要素通信、导航、监视重新定义。其主要包含飞机的4维信息(经度、纬度、高度、时间)以及一些附加信息。

Automatic——自动，“全天候运行”，无需职守。Dependent——相关，它只需要于依赖精确的全球卫星导航定位数据。Surveillance——监视，监视(获得)飞机位置、高度、速度、航向、识别号和其它信息。Broadcast——广播，无需应答，飞机之间与地面站互相广播各自的数据信息。

飞机将自身的身份、经纬度位置、高度、速度等信息广播给周围的飞机和地面站，同时接收周围其他飞机广播的同类信号。所有装配ADS-B系统的飞机随机、自动地广播ADS-B信号，ADS-B星载目标引导分类为新型卫星载荷，为卫星接收并处理飞机ADS-B信号提供了大量的信号源，并在星上进行处理、报文解析、信息过滤。

但现有技术中的ADS-B信号处理方法中无法全面将卫星接收到的大量ADS-B报文信息下传地面处理，同时由于卫星和地面之间传输延迟，故无法及时作出决策。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，以解决现有的ADS-B信号处理方法中将数据下传至地面处理所存在的通信带宽不足，处理延时等问题。技术方案如下：

一种星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，包括以下步骤：

S1：根据地面上传经纬度范围所划定的区域和星载平台通过ADS-B接收机采集到的ADS-B信号信息，判断发出ADS-B信号的飞机是否在指定的经纬度区域内；

S2：根据采集到的ADS-B信息和地面上传经纬度范围所划定的区域，通过位置、速度、航向信息来预测目标是否会到达该区域，以及何时到达该区域；所述目标为发出ADS-B信号的飞机；

S3：根据采集到的ADS-B信息和地面上传的指定过滤的条件，输出满足过滤条件的目标信息；

S4：根据ADS-B协议数据中的紧急优先状态码，星载平台通过预置条件判断后主动下传对应目标信息；

S5：根据星载平台存储的飞机航线信息，星载平台进行判断、预测，对出现重大偏差的目标及时向地面发出预警信息。

可选地，所述步骤S1进一步包括：

S11：星载平台通过ADS-B接收机采集到ADS-B信号信息，并根据ADS-B协议格式，从该信号信息中解算出所有的目标位置；

S12：根据地面上传经纬度范围所划定的区域即目标区域，按照中心点加经纬度浮动范围的方式推算出该区域的位置范围；

S13：通过S11得到的目标位置，按照经纬度数值比较的方式计算发出ADS-B信息的飞机是否在S12给出的位置范围内，得到在与不在该区域的判断的结果信息并下传地面。

可选地，所述步骤S2进一步包括：

S21：星载平台通过ADS-B接收机采集到ADS-B信号信息，并根据ADS-B协议格式，从该信号信息中解算出所有的目标位置、速度方向、速度大小；所述速度方向对应航向信息；

S22：根据划定的目标区域，按照中心点加经纬度浮动范围的方式推算出该区域的位置范围，即目标经纬度范围；

S23：根据S21得到的目标的位置、速度方向、速度大小，按照固定的时间间隔给出预测的目标位置，其中预测目标位置的方法包括如下步骤：

S231：从S21的目标位置中得到目标点的经度、纬度、高度信息，并转换到地球旋转坐标系上，得到随地球旋转的(X，Y，Z)坐标信息即目标的初始位置信息；

S232：根据地心、目标位置、速度方向、速度大小信息，求解出目标点运行轨迹的地球大圆半径信息；

S233：根据S21得到的速度方向、速度大小和固定的时间间隔，按照速度乘时间等于距离的方法计算出一定时间后该发出ADS-B信号的目标运行的距离；

S234：根据S231、S232、S233得到的目标初始位置信息、目标点运行轨迹的地球大圆半径信息、目标运行的距离，给出预测的目标位置对应的地球旋转坐标系的位置信息；

S235：从S234中得到的地球旋转坐标系的位置信息，通过坐标转换的方式计算出预测的目标位置的经度、纬度、高度信息；

S24：根据S23预测的目标位置的经度、纬度、高度信息，和S22得到的目标经纬度范围进行比较，给出目标是否会到达目标经纬度范围内的判断结果，以及目标会在什么时刻到达目标经纬度范围的判断结果。

可选地，所述步骤S3包括：

S31：地面上注卫星的指定过滤的条件即搜索条件信息，该述搜索条件信息包括但不限于位置、速度、航向、高度信息；

S32：星载平台将其收到的目标发出的每一帧ADS-B信号信息和地面上注的搜索条件信息进行比对，判断该目标是否满足相应的搜索条件，是否需要下传数据；如满足条件，则将目标的相关数据信息进行下传，该信息至少包括：目标初始位置信息，预测目标位置信息。

可选地，所述步骤S4包括：

S41：针对星载平台通过ADS-B接收机采集到的ADS-B信号信息，根据ADS-B协议格式解算出所有的目标位置、速度方向、速度大小；并同时得到目标对应的紧急状态优先码；

S42：对其中紧急状态优先码不是“没有紧急状态”的飞机，星载平台主动向地面站下传对应目标的信息。

可选地，所述方法S5进一步包括：

S51：根据当前卫星时间、位置，以及星载平台存储的飞机航线信息，从起点到终点连线计算发出ADS-B信号的飞机的可能飞行范围以及当前卫星位置的ADS-B信号接受区域范围，其计算过程包含以下步骤：

S511：根据当前卫星经纬度信息及ADS-B信号天线覆盖范围，按照卫星位置和天线接收半径计算当前接收信号经纬度范围；

S512：根据当前时间及存储的飞机航线信息，从起点到终点连线计算当前存储的飞机的航线轨迹范围和可能所处的位置信息，从而得到发出ADS-B信号的飞机的可能飞行范围；；

S52：参照当前卫星位置的ADS-B信号接受区域范围，星载平台将从S2中获得目标飞机的位置、航向、速度以及预测的位置信息和S51中给出的航线信息计算出的可能飞行范围进行经纬度比对；

S53：星载平台根据地面当前指定的告警级别，来确定是否要将目标飞机的信息下传地面站。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)该方法可以充分利用卫星接收范围广的优势，同时有效减少卫星和地面的数据传输量；

(2)提升有效信息传输效率；缩短反应时间，提高决策效率；

(3)具有较强的追踪能力，满足对接收范围内，众多信号源同时追踪的应用要求；

(4)对外部依赖性降低，符合未来星上计算、星上决策的趋势。

(5)本项目研究星载ADS-B信号处理决策应用，利用卫星平台的高空优势实现对信号接收范围内的大量飞机飞行状态的提供、近实时、连续跟踪与监视，尤其是对地面空管系统覆盖的薄弱地区，如大洋、北极、沙漠和地面系统投资费用高的偏远山区等空域进行全天候监视，大大提高飞机的飞行安全、飞行效率和空域利用率。

附图说明

图1为本发明具体实施例应用的星载系统示意图；

图2为本发明具体实施例应用判断目标是否在划定区域的流程图；

图3为本发明具体实施例对飞机位置预测的流程图；

图4为本发明具体实施例根据地面上传的指定信息过滤的流程示意图；

图5为本发明具体实施例根据ADS-B中的紧急优先状态码查询得到的下传地面信息流程图；

图6为本发明具体实施例根据星载平台上存储的飞机航线信息自主判断是否飞行异常的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

参见图1至图6，本实施例公开了一种星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，包括以下步骤：

S1：根据地面上传经纬度范围所划定的区域和星载平台通过ADS-B接收机采集到的ADS-B信号信息，判断发出ADS-B信号的飞机是否在指定的经纬度区域内；

S2：根据采集到的ADS-B信息和地面上传经纬度范围所划定的区域，通过位置、速度、航向信息来预测目标是否会到达该区域，以及何时到达该区域；所述目标为发出ADS-B信号的飞机；

S3：根据采集到的ADS-B信息和地面上传的指定过滤的条件，输出满足过滤条件的目标信息；

S4：根据ADS-B协议数据中的紧急优先状态码，星载平台通过预置条件判断后主动下传对应目标信息；

S5：根据星载平台存储的飞机航线信息，星载平台进行判断、预测，对出现重大偏差的目标及时向地面发出预警信息。

本实施例中，适用的航天器需要具有下面三个条件：

1.接收信号的要求

由于该方法是基于星载平台的ADS-B报文信息分析，所以需要星载平台具有能够接收ADS-B信号，并解调相应信息的能力。而ADS-B信号属于卫星接收信号之一。

2.星上存储的要求

将飞机航线信息及下传规则上传卫星，所以需要卫星具有一定的存储空间用来存放相应的数据信息和规则信息，以及存放计算的结果信息用来打包下传地面站。

3.星上计算的要求

由于本方法将原来地面的处理任务转移到卫星上，所以会占用卫星上一定的计算能力。

鉴于上述三个条件一般的航天器系统都满足，故本实例的方法可以应用到大多数航天器接收系统中对ADS-B信号的在轨接收处理。

如图1所示，该方法使用的星载系统由机载ADS-B收发设备、卫星接收机、卫星处理系统、地面信息接收站组成。其中，卫星接收机所在的卫星运行在距地面700km的轨道，飞行速度v＝7400m/s，其主要优势是覆盖范围广，最大覆盖范围可达3200km。接收系统天线部分共有7个波束按照方位分为1个中央波束和6个环绕波束。优势在于可以充分利用卫星接收到的ADS-B信号信息进行处理，而且星上处理，选择性下传，节省卫星地面之间信息传输带宽，降低有用信息的传输延时，提高决策效率。

如图2所示，该图表示了判断飞机所处位置是否在地面指定区域内的流程。星载平台会从ADS-B报文信息(ADS-B信号信息)中解析出飞机的经纬度位置信息，星载平台根据地面上传的指定区域信息划定一个指定区域经纬度范围，然后两个经纬度信息进行比较判断飞机是否在划定区域内的结果，然后决定飞机信息是否需要下传。前述内容对应步骤S1，具体过程如下所述：

S11：星载平台通过ADS-B接收机采集到ADS-B信号信息，并根据ADS-B协议格式，从该信号信息中解算出所有的目标位置；

S12：根据地面上传经纬度范围所划定的区域即目标区域，按照中心点加经纬度浮动范围的方式推算出该区域的位置范围；

S13：通过S11得到的目标位置，按照经纬度数值比较的方式计算发出ADS-B信息的飞机是否在S12给出的位置范围内，得到在与不在该区域的判断的结果信息并下传地面。

图2中的指定区域即为目标区域。

如图3所示，该图表示了带有轨迹预测的判断飞机是否会途经指定区域范围的流程。星载平台会从ADS-B报文信息(ADS-B信号信息)中取得的飞机的经纬度位置信息、速度信息、方向信息，通过坐标转换的方式进行位置分时预测接下来一定时间的位置范围。前述内容对应步骤S2，其具体过程如下所述：

S21：针对星载平台通过ADS-B接收机采集到的ADS-B信号信息，根据ADS-B协议格式解算出所有的目标位置、速度方向、速度大小；所述速度方向对应航向信息；

S22：根据划定的目标区域，按照中心点加经纬度浮动范围的方式推算出该区域的位置范围，即目标经纬度范围；

S23：根据S21得到的目标的位置、速度方向、速度大小，按照固定的时间间隔给出预测的目标位置，其中预测目标位置的方法包括如下步骤：

S231：从S21的目标位置中得到目标点的经度、纬度、高度信息，并转换到地球旋转坐标系(地心指向0°经线和赤道交点的方向是X轴，地心指向东经90°经线和地球赤道交点的方向是Y轴，地心指向北极方向是Z轴)上，得到随地球旋转的(X，Y，Z)坐标信息即目标的初始位置信息；

S232：根据地心、目标位置、速度方向、速度大小信息，求解出目标点运行轨迹的地球大圆半径信息；

S233：根据S21得到的速度方向、速度大小和固定的时间间隔(本实施例中，该固定的时间间隔为1s)，按照速度乘时间等于距离的方法计算出一定时间后该发出ADS-B信号的目标运行的距离；

S234：根据S231、S232、S233得到的目标初始位置信息、目标点运行轨迹的地球大圆半径信息、目标运行的距离，给出预测的目标位置对应的地球旋转坐标系的位置信息；

S235：从S234中得到的地球旋转坐标系的位置信息，通过坐标转换的方式计算出预测的目标位置的经度、纬度、高度信息；

S24：根据S23预测的目标位置的经度、纬度、高度信息，和S22得到的目标经纬度范围进行比较，并给出目标是否会到达目标经纬度范围内的判断结果，以及目标(针对已经判断出会到达给定区域的目标)会在什么时刻到达目标经纬度范围的判断结果。

图3中的指定区域即为目标区域。

如图4和图5所示，这两个流程图表示了根据接收到的ADS-B报文信息进行过滤的方法。该方法可以通过地面指定条件信息过滤器，筛选出需要的ADS-B报文信息并下传地面。同时，该方法也应该固化一部分ADS-B报文信息如图5所示的针对紧急优先状态码的监控，实时监控。比如紧急优先状态码定义如下：

编码	含义
		0	没有紧急情况
1	一般紧急情况
		2	医疗救生紧急情况
3	最小燃料
		4	不能通信情况
5	非法干扰
		6	飞机下落

ADS-B信息也包含一部分飞机状态，可以通过紧急优先状态码来快速判断飞行状态，提高地面站的决策效率。

图4对应步骤S3，其具体包括：

S31：地面上注卫星的指定过滤的条件即搜索条件信息，该述搜索条件信息包括但不限于位置、速度、航向、高度信息；

S32：星载平台将其收到的目标发出的每一帧ADS-B信号信息和地面上注的搜索条件信息进行比对，判断该目标是否满足相应的搜索条件，是否需要下传数据；如满足条件，则将目标的相关数据信息进行下传，该信息至少包括：目标初始位置信息，预测目标位置信息。

图5对应步骤S4，其具体包括：

S41：针对星载平台通过ADS-B接收机采集到的ADS-B信号信息，根据ADS-B协议格式解算出所有的目标位置、速度方向、速度大小；并同时得到目标对应的紧急状态优先码；

S42：对其中紧急状态优先码不是“没有紧急状态”的飞机，星载平台主动向地面站下传对应目标的信息。

如图6所示，记录了一种飞机航班数据在星载平台上自动预测对比航线数据的，对异常情况向地面发出告警信息的过程。该过程对应步骤S5，其具体包括：

S51：根据当前卫星时间、位置，以及星载平台存储的飞机航线信息，从起点到终点连线计算发出ADS-B信号的飞机的可能飞行范围以及当前卫星位置的ADS-B信号接受区域范围，其计算过程包含以下步骤：

S511：根据当前卫星经纬度信息及ADS-B信号天线覆盖范围，按照卫星位置和天线接收半径计算当前接收信号经纬度范围；即计算当前卫星位置的ADS-B信号接受区域范围。

S512：根据当前时间及存储的飞机航线信息，从起点到终点连线计算当前存储的飞机的航线轨迹范围和可能所处的位置信息，得到发出ADS-B信号的飞机的可能飞行范围；该步骤具体包括两个部分：第一：根据ADS-B报文信息中的ICAO号，从记载平台存储的航线数据中查询该飞机航班信息是否在航线数据库中有存储；第二：根据上一步筛选出来的航线信息，对特定ICAO号航班信息利用航线信息进行航线轨迹范围计算，得到发出ADS-B信号的飞机的可能飞行范围。

S52：参照当前卫星位置的ADS-B信号接受区域范围，星载平台将从S2中获得目标飞机的位置、航向、速度以及预测的位置信息和S51中给出的航线信息计算出的可能飞行范围进行经纬度比对，得出目标飞机是否在航线范围内、是否飞行轨迹也在航线范围内。

S53：星载平台根据地面当前指定的告警级别(偏离航线报告、飞机延误报告、未发现特定目标报告)，来确定是否要将目标飞机的信息下传地面站。如，目标飞机的飞机航线是否异常的信息等等。

由以上信息可知，本实施例利用ADS-B报文信息，在星载平台进行信息筛选及计算，选择有用信息进行打包下传地面。具有区域判断功能，航线预测功能，地面指定信息类型监视，以及飞机航线自动监视功能。具有充分利用监视区域内收集到的ADS-B信息能力，大幅缩减原来将所有报文信息下传至地面的带宽压力，提升有效信息传输的效率；缩短紧急事件的发生时的反应时间，提高决策效率；具有较强的追踪能力，星上计算，对接收范围内的众多信号源同时追踪，大幅降低对外部的依赖性；符合未来星上计算，星上决策的发展趋势。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据地面上传经纬度范围所划定的区域和星载平台通过ADS-B接收机采集到的ADS-B信号信息，判断发出ADS-B信号的飞机是否在指定的经纬度区域内；

S2：根据采集到的ADS-B信息和地面上传经纬度范围所划定的区域，通过位置、速度、航向信息来预测目标是否会到达该区域，以及何时到达该区域；所述目标为发出ADS-B信号的飞机；

S3：根据采集到的ADS-B信息和地面上传的指定过滤的条件，输出满足过滤条件的目标信息；

S4：根据ADS-B协议数据中的紧急优先状态码，星载平台通过预置条件判断后主动下传对应目标信息；

S5：根据星载平台存储的飞机航线信息，星载平台进行判断、预测，对出现重大偏差的目标及时向地面发出预警信息。

2.根据权利要求1所述的星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

S11：星载平台通过ADS-B接收机采集到ADS-B信号信息，并根据ADS-B协议格式，从该信号信息中解算出所有的目标位置；

S12：根据地面上传经纬度范围所划定的区域即目标区域，按照中心点加经纬度浮动范围的方式推算出该区域的位置范围；

S13：通过S11得到的目标位置，按照经纬度数值比较的方式计算发出ADS-B信息的飞机是否在S12给出的位置范围内，得到在与不在该区域的判断的结果信息并下传地面。

3.根据权利要求2所述的星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21：星载平台通过ADS-B接收机采集到ADS-B信号信息，并根据ADS-B协议格式，从该信号信息中解算出所有的目标位置、速度方向、速度大小；所述速度方向对应航向信息；

S22：根据划定的目标区域，按照中心点加经纬度浮动范围的方式推算出该区域的位置范围，即目标经纬度范围；

S23：根据S21得到的目标的位置、速度方向、速度大小，按照固定的时间间隔给出预测的目标位置，其中预测目标位置的方法包括如下步骤：

S231：从S21的目标位置中得到目标点的经度、纬度、高度信息，并转换到地球旋转坐标系上，得到随地球旋转的(X，Y，Z)坐标信息即目标的初始位置信息；

S232：根据地心、目标位置、速度方向、速度大小信息，求解出目标点运行轨迹的地球大圆半径信息；

S233：根据S21得到的速度方向、速度大小和固定的时间间隔，按照速度乘时间等于距离的方法计算出一定时间后该发出ADS-B信号的目标运行的距离；

S234：根据S231、S232、S233得到的目标初始位置信息、目标点运行轨迹的地球大圆半径信息、目标运行的距离，给出预测的目标位置对应的地球旋转坐标系的位置信息；

S235：从S234中得到的地球旋转坐标系的位置信息，通过坐标转换的方式计算出预测的目标位置的经度、纬度、高度信息；

S24：根据S23预测的目标位置的经度、纬度、高度信息，和S22得到的目标经纬度范围进行比较，给出目标是否会到达目标经纬度范围内的判断结果，以及目标会在什么时刻到达目标经纬度范围的判断结果。

4.根据权利要求3所述的星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31：地面上注卫星的指定过滤的条件即搜索条件信息，该述搜索条件信息包括但不限于位置、速度、航向、高度信息；

S32：星载平台将其收到的目标发出的每一帧ADS-B信号信息和地面上注的搜索条件信息进行比对，判断该目标是否满足相应的搜索条件，是否需要下传数据；如满足条件，则将目标的相关数据信息进行下传，该信息至少包括：目标初始位置信息，预测目标位置信息。

5.根据权利要求4所述的星载多通道ADS-B信号处理方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41：针对星载平台通过ADS-B接收机采集到的ADS-B信号信息，根据ADS-B协议格式解算出所有的目标位置、速度方向、速度大小；并同时得到目标对应的紧急状态优先码；

S42：对其中紧急状态优先码不是“没有紧急状态”的飞机，星载平台主动向地面站下传对应目标的信息。

6.根据权利要求5所述的星载平台对ADS-B目标进行分类引导的方法，其特征在于，所述方法S5进一步包括：

S51：根据当前卫星时间、位置，以及星载平台存储的飞机航线信息，从起点到终点连线计算发出ADS-B信号的飞机的可能飞行范围以及当前卫星位置的ADS-B信号接受区域范围，其计算过程包含以下步骤：

S511：根据当前卫星经纬度信息及ADS-B信号天线覆盖范围，按照卫星位置和天线接收半径计算当前接收信号经纬度范围；

S512：根据当前时间及存储的飞机航线信息，从起点到终点连线计算当前存储的飞机的航线轨迹范围和可能所处的位置信息，从而得到发出ADS-B信号的飞机的可能飞行范围；；

S52：参照当前卫星位置的ADS-B信号接受区域范围，星载平台将从S2中获得目标飞机的位置、航向、速度以及预测的位置信息和S51中给出的航线信息计算出的可能飞行范围进行经纬度比对；

S53：星载平台根据地面当前指定的告警级别，来确定是否要将目标飞机的信息下传地面站。

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