CN115775473A - 一种ads-b航空监视系统中的航空器定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ADS‑B航空监视系统中的航空器定位系统，具体涉及航空监视技术领域，包括地面接收点选择模块、航空器运行数据采集模块、量测数据计算模块、定位验证模块、航空器定位预测模块，所述地面接收点选择模块用于选择短航路段的地面接收点；所述量测数据计算模块根据三组量测数据计算得到三组航空器的位置信息，并将得到的位置信息传输至定位验证模块；所述定位验证模块用于验证量测数据计算模块得到的位置坐标与卫星定位坐标的一致性，若二者的均方根误差超出预设阈值，则发出警报提示；所述航空器定位预测模块接收到警报提示后通过滤波器实现对航空器位置的自动定位追踪，绘制出航空器飞行航路，实现对航空器的位置预测。
Description
技术领域
本发明涉及航空监视技术领域，更具体地说，本发明涉及一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统。
背景技术
随着航空业的迅猛发展，空中的航空器和无人机越来越多，据统计在2017年全球共有在役客机30681架，我国航空公司的运输总周转量在2017年就已经突破千亿吨公里，空中航空器的增多带来空中交通流量的紧张，如何保证航空器在空中不因为交通混乱发生事故，需要在航空器中搭载ADS-B航空监视系统。
ADS-B航空监视系统在民航空管的核心设备，用于动态监视航空器运行与预测优化航空线路，该系统包括ADS-B地面站、ADS-B机载设备，ADS-B机载设备用于采集航空器三维空间内的地理信息、速度信息、气象信息，并将采集的信息和航空器标识信息一起打包传输至ADS-B地面站，地面站根据机载设备传输的数据处理分析，得到标准数据，获得航空器在空中的信息，实现飞机与飞机之间、地面对飞机的相关监视，主动避免空中冲突事件、提高安全系数。其中，航空器三维地理信息的采集、传输、处理、分析的准确性、时效性是ADS-B航空监视系统能否发挥监视作用的关键。
现有的ADS-B航空监视系统中的定位系统相较于雷达定位系统具有定位精度高、数据更新率大、系统结构和建设维护成本低等优势，但是目前ADS-B航空监视系统中的定位系统主要应用于机场场域，很少涉及航空器的运行航线中的定位，同时现有ADS-B航空监视系统基于开放式广播架构，存在安全与可靠性问题，ADS-B报文存在被恶意篡改与攻击的情况，因此采用多点定位不仅可以提高定位精度和鲁棒性，还能提高监视系统的安全性，克服上述的风险与问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，通过采用多点定位算法计算航空器的在航线中的定位，利用不同测量数据交叉验证航空器的位置，提高ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统的准确性和鲁棒性，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，包括地面接收点选择模块、航空器运行数据采集模块、量测数据计算模块、定位验证模块、航空器定位预测模块，所述地面接收点选择模块用于选择短航路段的地面接收点，所述接收点用于接收并分析航空器广播发文传输的信息；所述航空器运行数据采集模块包括卫星定位信号采集单元、航空器运行状态采集单元、量测信息采集单元，并将采集的信息传输至量测数据计算模块、定位验证模块和航空器定位预测模块；所述量测数据计算模块根据三组量测数据计算得到三组航空器的位置信息，并将得到的位置信息传输至定位验证模块；所述定位验证模块用于验证量测数据计算模块得到的位置坐标与卫星定位坐标的一致性，若二者的均方根误差超出预设阈值，则发出警报提示；所述航空器定位预测模块接收到警报提示后通过滤波器实现对航空器位置的自动定位追踪，绘制出航空器飞行航路，实现对航空器的位置预测。
在一个优选地实施方式中，所述地面接收点选择模块包括已知航线选择单元和未知航线选择单元，已知航线路径的地面接收点选择方式为：
步骤S01、将已知航线划分为n段短航路段：所述短航路段按照出发地到目的地的顺序依次编号，得到n个航路段，所述短航路段的长度在150-220km；
步骤S02、建立平面坐标：以短航路段
的起点和终点的连线线段所在直线为X轴，所述连线的长度为L，以垂直过连线线段中点的直线为Y轴，得到短航路段内的平面直角坐标系；
步骤S03、计算满足公式的地面接收点：所述
为短航路段
内的最高点，即航空器在该航线的最高点，最优地面接收点的坐标（x,y）满足公式
；
步骤S04、最优接收点：在平面直角坐标系中的四个象限内各取一个点作为最优接收点，得到4个地面接收点，且四个地面接收点满足均匀分布在短航路段起点和终点连线线段的等分线上，得到每段短航路段的4个地面接收点，并按照顺序进行标记。
在一个优选地实施方式中，所述未知航线选择单元的地面接收点选择方式为：地面接收点第一次识别到目标航空器广播的信号后，将信息传输给管理平台，管理平台根据分析采集的信号，经过筛选、分析得到信号包含航空器的速度和方向的量测数据，将基于航空器定位预测模块预测得到航空器的运动方向，根据预测信息将预测得到航空线路，所述航空线路为短航路段，然后参照步骤S02至步骤S04，得到短航路段的地面接收点。
在一个优选地实施方式中，所述未知航线选择单元的地面接收点选择方式为：地面接收点第一次识别到目标航空器广播的信号后，将信息传输给管理平台，管理平台根据分析采集的信号，经过筛选、分析得到信号包含航空器的速度和方向的量测数据，将基于航空器定位预测模块预测得到航空器的运动方向，根据预测信息将预测得到航空线路，所述航空线路为短航路段，然后参照步骤S02至步骤S04，得到短航路段的地面接收点。
在一个优选地实施方式中，所述卫星定位信号采集单元和航空器运行状态采集单元基于航空器上搭载的ADS-B机载设备，所述设备包括发射机和BDS接收机，所述卫星定位信号采集单元的采集方式为：接收机接收来自定位卫星对目标飞机的实测信号，计算出飞机的坐标位置与动态信息后，航空器机载发射机通过BDS振荡器，用中频和低频频率模式将由BDS获得的位置数据信息周期性广播报文至地面接收点。
在一个优选地实施方式中，所述量测数据计算模块包括AOA/TOA平均值计算单元、最小二乘估计单元，包括下列步骤：
步骤S11、构建AOA/TOA/FDOA模型，得到A1、T1和F1，计算A1、T1的平均数，得到S1，并设置W1单位矩阵；
步骤S12、计算S1和F1的加权最小二乘估计值：
；
步骤S13、利用估计值θ1计算系数矩阵B1和B2，重新构建权阵：
；
步骤S14、计算加权最小二乘估计值，重复步骤S12、S13直到前后两次估值差值的模小于给定的阈值或者达到最大的迭代次数，最后计算
；
步骤S15、根据θ1构建约束模型S2和F2；
步骤S16、构建模型权阵的系数矩阵B2，并计算权阵：
；
步骤S17：计算步骤S16的加权最小二乘估计值：
；
步骤S18、根据计算的θ2计算目标的位置信息和速度信息，同时重复步骤S16至S18，直到前后两次估值差值的模小于给定阈值或者达到最大迭代次数。
在一个优选地实施方式中，所述航空器运行预测模块包括运动模型搭建单元、目标追踪预测模型单元，所述运动模型搭建单元由匀速模型、匀加速模型、匀速转弯模型基础运动排列得到，所述目标追踪预测模型单元通过滤波算法进行目标状态的估计。
在一个优选地实施方式中，所述航空器运行预测模块包括下列步骤：
步骤S21、得到目标定位粒子：根据航空器的广播报文信号到达基站的时间TOA、基站接收广播报文信号的角度AOA、广播报文信号到达基站的信号频差FDOA，再利用三角定位法和无源定位算法，分别得到航空器的三维坐标，每个地面接收点得到若干个三维坐标，将这些三维坐标视为目标定位粒子；
步骤S22、目标定位粒子的采样和更新：根据重要性密度函数的数值对目标定位粒子进行采样；
步骤S23、计算各粒子的重要性权值并归一化：所述重要性权值根据时间戳的时间计算权值，时间越靠近当前，权重越大；
步骤S24、估计系统状态的后验分布均值以及协方差；
步骤S25、根据后验概率分布和非线性状态方程，利用 CKF 完成高斯分布参数的预测。
本发明的技术效果和优点：
本发明提供的ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，采用地面接收点的选择模块，可以找出航路中最优的接收点，提高了定位精度和鲁棒性，采用量测数据计算模块，将量测数据代入最小二乘法得到航空器的飞行速度与方向，并通过定位验证模块验证航空器广播信号中的卫星定位数据与量测数据的均方根误差判断航空器广播数据是否存在篡改风险，若存在则利用航空器定位预测模块实现对航空器的监视和预测，通过量测数据时间戳得到与时间关联的权重系数，使航空器定位预测模块及时更新数据，保证数据的时效性。
附图说明
图1为本发明系统结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
实施例1
本发明提供了如图1所示的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，包括地面接收点选择模块、航空器运行数据采集模块、量测数据计算模块、定位验证模块、航空器定位预测模块，所述地面接收点选择模块用于选择短航路段的地面接收点，所述接收点用于接收并分析航空器广播发文传输的信息；所述航空器运行数据采集模块包括卫星定位信号采集单元、航空器运行状态采集单元、量测信息采集单元，并将采集的信息传输至量测数据计算模块、定位验证模块和航空器定位预测模块；所述量测数据计算模块根据三组量测数据计算得到三组航空器的位置信息，并将得到的位置信息传输至定位验证模块；所述定位验证模块用于验证量测数据计算模块得到的位置坐标与卫星定位坐标的一致性，若二者的均方根误差超出预设阈值，则发出警报提示；所述航空器定位预测模块接收到警报提示后通过滤波器实现对航空器位置的自动定位追踪，绘制出航空器飞行航路，实现对航空器的位置预测。
进一步的，所述地面接收点选择模块包括已知航线选择单元和未知航线选择单元，已知航线路径的地面接收点选择方式为：
步骤S01、将已知航线划分为n段短航路段：所述短航路段按照出发地到目的地的顺序依次编号，得到n个航路段，所述短航路段的长度在150-220km；
步骤S02、建立平面坐标：以短航路段
的起点和终点的连线线段所在直线为X轴，所述连线的长度为L，以垂直过连线线段中点的直线为Y轴，得到短航路段内的平面直角坐标系；
步骤S03、计算满足公式的地面接收点：所述
为短航路段
内的最高点，即航空器在该航线的最高点，最优地面接收点的坐标（x,y）满足公式
；
步骤S04、最优接收点：在平面直角坐标系中的四个象限内各取一个点作为最优接收点，得到4个地面接收点，且四个地面接收点满足均匀分布在短航路段起点和终点连线线段的等分线上，得到每段短航路段的4个地面接收点，并按照顺序进行标记。
进一步的，所述未知航线选择单元的地面接收点选择方式为：地面接收点第一次识别到目标航空器广播的信号后，将信息传输给管理平台，管理平台根据分析采集的信号，经过筛选、分析得到信号包含航空器的速度和方向的量测数据，将基于航空器定位预测模块预测得到航空器的运动方向，根据预测信息将预测得到航空线路，所述航空线路为短航路段，然后参照步骤S02至步骤S04，得到短航路段的地面接收点。
进一步的，所述未知航线选择单元的地面接收点选择方式为：地面接收点第一次识别到目标航空器广播的信号后，将信息传输给管理平台，管理平台根据分析采集的信号，经过筛选、分析得到信号包含航空器的速度和方向的量测数据，将基于航空器定位预测模块预测得到航空器的运动方向，根据预测信息将预测得到航空线路，所述航空线路为短航路段，然后参照步骤S02至步骤S04，得到短航路段的地面接收点。
进一步的，所述卫星定位信号采集单元和航空器运行状态采集单元基于航空器上搭载的ADS-B机载设备，所述设备包括发射机和BDS接收机，所述卫星定位信号采集单元的采集方式为：接收机接收来自定位卫星对目标飞机的实测信号，计算出飞机的坐标位置与动态信息后，航空器机载发射机通过BDS振荡器，用中频和低频频率模式将由BDS获得的位置数据信息周期性广播报文至地面接收点。
进一步的，所述量测数据计算模块包括AOA/TOA平均值计算单元、最小二乘估计单元，包括下列步骤：
步骤S11、构建AOA/TOA/FDOA模型，得到A1、T1和F1，计算A1、T1的平均数，得到S1，并设置W1单位矩阵；
步骤S12、计算S1和F1的加权最小二乘估计值：
；
步骤S13、利用估计值θ1计算系数矩阵B1和B2，重新构建权阵：
；
步骤S14、计算加权最小二乘估计值，重复步骤S12、S13直到前后两次估值差值的模小于给定的阈值或者达到最大的迭代次数，最后计算
；
步骤S15、根据θ1构建约束模型S2和F2；
步骤S16、构建模型权阵的系数矩阵B2，并计算权阵：
；
步骤S17：计算步骤S16的加权最小二乘估计值：
；
步骤S18、根据计算的θ2计算目标的位置信息和速度信息，同时重复步骤S16至S18，直到前后两次估值差值的模小于给定阈值或者达到最大迭代次数。
进一步的，所述航空器运行预测模块包括运动模型搭建单元、目标追踪预测模型单元，所述运动模型搭建单元由匀速模型、匀加速模型、匀速转弯模型基础运动排列得到，所述目标追踪预测模型单元通过滤波算法进行目标状态的估计。
进一步的，所述航空器运行预测模块包括下列步骤：
步骤S21、得到目标定位粒子：根据航空器的广播报文信号到达基站的时间TOA、基站接收广播报文信号的角度AOA、广播报文信号到达基站的信号频差FDOA，再利用三角定位法和无源定位算法，分别得到航空器的三维坐标，每个地面接收点得到若干个三维坐标，将这些三维坐标视为目标定位粒子；
步骤S22、目标定位粒子的采样和更新：根据重要性密度函数的数值对目标定位粒子进行采样；
步骤S23、计算各粒子的重要性权值并归一化：所述重要性权值根据时间戳的时间计算权值，时间越靠近当前，权重越大；
步骤S24、估计系统状态的后验分布均值以及协方差；
步骤S25、根据后验概率分布和非线性状态方程，利用 CKF 完成高斯分布参数的预测。
综上：本发明提供的ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，采用地面接收点的选择模块，可以找出航路中最优的接收点，提高了定位精度和鲁棒性，采用量测数据计算模块，将量测数据代入最小二乘法得到航空器的飞行速度与方向，并通过定位验证模块验证航空器广播信号中的卫星定位数据与量测数据的均方根误差判断航空器广播数据是否存在篡改风险，若存在则利用航空器定位预测模块实现对航空器的监视和预测，通过量测数据时间戳得到与时间关联的权重系数，使航空器定位预测模块及时更新数据，保证数据的时效性。
在实施例中所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、SRAM、SDRAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其他介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。
本申请实施例可以应用于计算机系统/服务器，其可与众多其他通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与计算机系统/服务器一起使用的众所周知的计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境。
计算机系统/服务器可以在由计算机系统执行的计算机系统可执行指令（诸如程序模块）的一般语境下描述。通常，程序模块可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络连接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：包括地面接收点选择模块、航空器运行数据采集模块、量测数据计算模块、定位验证模块、航空器定位预测模块，所述地面接收点选择模块用于选择短航路段的地面接收点，所述接收点用于接收并分析航空器广播发文传输的信息；所述航空器运行数据采集模块包括卫星定位信号采集单元、航空器运行状态采集单元、量测信息采集单元，并将采集的信息传输至量测数据计算模块、定位验证模块和航空器定位预测模块；所述量测数据计算模块根据三组量测数据计算得到三组航空器的位置信息，并将得到的位置信息传输至定位验证模块；所述定位验证模块用于验证量测数据计算模块得到的位置坐标与卫星定位坐标的一致性，若二者的均方根误差超出预设阈值，则发出警报提示；所述航空器定位预测模块接收到警报提示后通过滤波器实现对航空器位置的自动定位追踪，绘制出航空器飞行航路，实现对航空器的位置预测。
2.根据权利要求1所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述地面接收点选择模块包括已知航线选择单元和未知航线选择单元，已知航线路径的地面接收点选择方式为：
步骤S01、将已知航线划分为n段短航路段：所述短航路段按照出发地到目的地的顺序依次编号，得到n个航路段，所述短航路段的长度在150-220km；
步骤S02、建立平面坐标：以短航路段的起点和终点的连线线段所在直线为X轴，所述连线的长度为L，以垂直过连线线段中点的直线为Y轴，得到短航路段内的平面直角坐标系；
步骤S03、计算满足公式的地面接收点：所述
为短航路段
内的最高点，即航空器在该航线的最高点，最优地面接收点的坐标（x,y）满足公式
；
步骤S04、最优接收点：在平面直角坐标系中的四个象限内各取一个点作为最优接收点，得到4个地面接收点，且四个地面接收点满足均匀分布在短航路段起点和终点连线线段的等分线上，得到每段短航路段的4个地面接收点，并按照顺序进行标记。
3.根据权利要求2所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述未知航线选择单元的地面接收点选择方式为：地面接收点第一次识别到目标航空器广播的信号后，将信息传输给管理平台，管理平台根据分析采集的信号，经过筛选、分析得到信号包含航空器的速度和方向的量测数据，将基于航空器定位预测模块预测得到航空器的运动方向，根据预测信息将预测得到航空线路，所述航空线路为短航路段，然后参照步骤S02至步骤S04，得到短航路段的地面接收点。
4.根据权利要求1所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述卫星定位信号采集单元用于采集卫星定位系统传输的定位信息；所述航空器运行状态采集单元用于采集航空器飞行速度、航班号、飞机识别码；所述量测信息采集单元由地面接收点完成，通过地面接收站对航空器传输的信号进行分析得到航空器的广播报文信号到达基站的时间TOA、基站接收广播报文信号的角度AOA、广播报文信号到达基站的信号频差FDOA。
5.根据权利要求1所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述卫星定位信号采集单元和航空器运行状态采集单元基于航空器上搭载的ADS-B机载设备，所述设备包括发射机和BDS接收机。
6.根据权利要求5所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述卫星定位信号采集单元的采集方式为：接收机接收来自定位卫星对目标飞机的实测信号，计算出飞机的坐标位置与动态信息后，航空器机载发射机通过BDS振荡器，用中频和低频频率模式将由BDS获得的位置数据信息周期性广播报文至地面接收点。
7.根据权利要求1所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述量测数据计算模块包括AOA/TOA平均值计算单元、最小二乘估计单元，包括下列步骤：
步骤S11、构建AOA/TOA/FDOA模型，得到A1、T1和F1，计算A1、T1的平均数，得到S1，并设置W1单位矩阵；
步骤S12、计算S1和F1的加权最小二乘估计值：
；
步骤S13、利用估计值θ1计算系数矩阵B1和B2，重新构建权阵：
；
步骤S14、计算加权最小二乘估计值，重复步骤S12、S13直到前后两次估值差值的模小于给定的阈值或者达到最大的迭代次数，最后计算
；
步骤S15、根据θ1构建约束模型S2和F2；
步骤S16、构建模型权阵的系数矩阵B2，并计算权阵：
；
步骤S17：计算步骤S16的加权最小二乘估计值：
；
步骤S18、根据计算的θ2计算目标的位置信息和速度信息，同时重复步骤S16至S18，直到前后两次估值差值的模小于给定阈值或者达到最大迭代次数。
8.根据权利要求1所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述航空器运行预测模块包括运动模型搭建单元、目标追踪预测模型单元，所述运动模型搭建单元由匀速模型、匀加速模型、匀速转弯模型基础运动排列得到，所述目标追踪预测模型单元通过滤波算法进行目标状态的估计。
9.根据权利要求1所述的一种ADS-B航空监视系统中的航空器定位系统，其特征在于：所述航空器运行预测模块包括下列步骤：
步骤S21、得到目标定位粒子：根据航空器的广播报文信号到达基站的时间TOA、基站接收广播报文信号的角度AOA、广播报文信号到达基站的信号频差FDOA，再利用三角定位法和无源定位算法，分别得到航空器的三维坐标，每个地面接收点得到若干个三维坐标，将这些三维坐标视为目标定位粒子；
步骤S22、目标定位粒子的采样和更新：根据重要性密度函数的数值对目标定位粒子进行采样；
步骤S23、计算各粒子的重要性权值并归一化：所述重要性权值根据时间戳的时间计算权值，时间越靠近当前，权重越大；
步骤S24、估计系统状态的后验分布均值以及协方差；
步骤S25、根据后验概率分布和非线性状态方程，利用 CKF 完成高斯分布参数的预测。
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