歐洲貓自動化系統(tǒng)ADS—B多傳感器跟蹤處理淺析

張科晶

摘 要：隨著我國民用航空業(yè)的迅速發(fā)展，為加大對安全生產(chǎn)的保障力度，滿足我國民用航空發(fā)展的需要，適應(yīng)國內(nèi)空域情況的復(fù)雜性，ADS-B作為新技術(shù)在空中交通管制自動化有著廣泛的應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：歐洲貓；ADS-B；跟蹤處理

中圖分類號：V447 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-0073-03

1 ADS-B概述

1.1 ADS-B的優(yōu)勢

ADS-B技術(shù)有以下幾方面的優(yōu)點。

①數(shù)據(jù)更新快。

相比雷達監(jiān)視，ADS-B對監(jiān)視目標(biāo)提供更快的報告刷新速率（<1 s），更準(zhǔn)確帶位置/速度信息的航跡（基于GPS/FMS計算），和將來航跡趨勢（基于FMS），有利于較大提升航跡計算精確度，提供給管制員更準(zhǔn)確軌跡顯。

②信息更豐富。

機載ADS-B發(fā)送信息：識別（ICAO24位地址，呼號）、狀態(tài)向量：位置、高度、完好性和精度質(zhì)量指示符、速度、航向、飛機狀態(tài)（緊急狀態(tài)）、目的地（下一導(dǎo)航點）等。

③目標(biāo)位置精度高。

航空器是由機載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的精確定位信息。使用的為GNSS -全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：裝有ADS-B機載設(shè)備航空器的識別以及基于ADS-B和/或SSR最小側(cè)向間隔（5NM）。

④成本低廉。

單機站建設(shè)成本不到航管二次雷達的十分之一，且作用距離為250 KM（134 NM），目標(biāo)處理能力為500 s。

1.2 ADS-B地面站與空管自動化設(shè)備的連接

在中高流量和有雷達空域提供空管監(jiān)視，作為雷達的補充或潛在替代手段，融合全部傳感器的單一系統(tǒng)航跡，融合全部有關(guān)下行數(shù)據(jù)，跟蹤更精確。

2 多傳感器追蹤處理

2.1 多傳感器追蹤處理簡介

在Thales V5軟件升級后，因其接收處理的數(shù)據(jù)不再局限于雷達數(shù)據(jù)，MTP退出舞臺，轉(zhuǎn)登場多傳感器追蹤處理功能Multi Sensor Tracking Function（MSTS）。該功能模塊接收并處理監(jiān)視數(shù)據(jù)，不再僅僅局限于雷達數(shù)據(jù)（一、二次雷達，S模式SSR數(shù)據(jù)）同時也能夠處理ADS-B報告。處理完畢后以ASTERIX CAT 62格式進行數(shù)據(jù)分發(fā)。MSTS跟蹤單架飛行器的航跡信息時，結(jié)合每個傳感器（雷達，ADS-B，WAM）接收的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進行融合后發(fā)揮各自傳感器的最佳優(yōu)勢，并消除其各自缺點。

多傳感器跟蹤功能相較于曾經(jīng)MTP使用一個基于交互式多模型（IMM）的卡爾曼濾波變量更新技術(shù)，高質(zhì)量的多傳感器跟蹤算法在融合算法的準(zhǔn)確性、一致性和響應(yīng)時間有很大的提升。多傳感器交互式多模型濾波算法使用三層擴展卡爾曼濾波算法（EKF）。

多傳感器交互式多模型濾波算法可以模擬三個過渡模型：

①具有恒定直線速度飛行器運動（EKF1）；

②具有恒定轉(zhuǎn)動率飛行器運動（EKF2）；

③具有恒定縱向加速度飛行器運動（EKF3）。

這種多傳感器的所謂的變量更新的概念基于：持續(xù)的空中態(tài)勢的更新，因為每個傳感器提供的所有數(shù)據(jù)當(dāng)其收到時就盡快處理（或異步增量更新）。

多傳感器追蹤處理常用處理方式分為：ADS-B/多雷達/WAM單獨跟蹤處理（ADS-B Stand-Alone Tracking）、多傳感器（ADS-B/多雷達/WAM）航跡配對、多傳感器航跡更新三部分。多傳感器跟蹤功能總覽，如圖1所示。

單獨跟蹤處理功能：傳感器數(shù)據(jù)的接收觸發(fā)多傳感器跟蹤功能。 所謂的傳感器數(shù)據(jù)為：ADS- B報告，WAM報告，雷達點跡和跟蹤等。ADS- B數(shù)據(jù)報告的預(yù)處理，以檢查傳入的ADS - B報告的一致性和完整性為主（錯誤檢測）。系統(tǒng)航跡中的ADS-B信息的處理是基于使用卡爾曼濾波功能獨立的ADS- B單獨跟蹤處理。

多傳感器航跡配對（association）：雷達、ADS-B及WAM報告將會在其單獨跟蹤模式下進行配對，再在多傳感器交互式多模型狀態(tài)向量的比對下檢查并確定與系統(tǒng)航跡進行配對。

多傳感器航跡更新：已配對的傳感器報告更新航跡時，使用傳感器測量位置的報告，根據(jù)不同傳感器類型分為：-測量ADS - B的報告的向量組成的緯經(jīng)度，速度方向矢量或氣壓高度。

2.2 ADS-B航跡預(yù)處理（ADS-B Stand-Alone Tracking

單獨跟蹤處理）

2.2.1 ADS-B相關(guān)功能

對于雷達，ADS-B地面站及WAM系統(tǒng)，都擁有自己的預(yù)相關(guān)/相關(guān)（pre-correlation/correlation），配對（association）功能模塊。

將接收到的報告航跡與本地系統(tǒng)航跡（外推點）關(guān)聯(lián)的手段叫做跟蹤（Tracking）。跟蹤分為三步： Correlation（相關(guān)），Association（配對）。

以下主要介紹ADS-B的相關(guān)功能：ADS - B單獨跟蹤處理周期定于接收ADS - B報告的時刻。當(dāng)收到ADS-B報告，報告將立即單獨處理，以避免引入任何處理延遲。

2.2.2 ADS - B的處理報告

接受ADS - B的報告后，ADS - B的獨立跟蹤開始處理。在此過程允許ADS – B報告將會與先前收到的ADS - B報告進行一致性檢查，ADS-B單獨跟蹤處理，如圖2所示。

①收到的ADS-B報告需與使用有效的ADS-B單機跟蹤狀態(tài)的系統(tǒng)航跡進行配對（association），什么是有效的？使用具有唯一性的24位飛行器地址（aircraft address）。

②當(dāng)ADS-B報告能夠進行配對時，則進行錯誤檢測驗證本報告的ADS-B獨立跟蹤狀態(tài)（錯誤檢測：以檢查傳入的ADS - B報告的一致性和完整性）。

③當(dāng)ADS-B報告不能基于24位飛行器地址的系統(tǒng)航跡配對時，此份ADS-B報告即認(rèn)為非相關(guān)。非相關(guān)報告將會發(fā)送到多傳感器內(nèi)核跟蹤監(jiān)視嘗試基于多傳感器狀態(tài)進行航跡相關(guān)。

④當(dāng)ADS-B報告沒有通過錯誤檢測被認(rèn)為其為非連續(xù)報告，并將其發(fā)送到多傳感器初始化功能模塊。

⑤連續(xù)性ADS-B報告使用卡爾曼濾波算法更新航跡，并且將結(jié)果發(fā)送到多傳感器相關(guān)功能模塊。

2.3 多傳感器航跡配對與融合-核心跟蹤功能（Multi-

Sensor Kernel Tracking Function）

多傳感器核心跟蹤功能，旨在將系統(tǒng)到同一飛行器的被雷達，ADS-B地面基站信息及WAM系統(tǒng)所監(jiān)視到的特有航跡融合為系統(tǒng)航跡。多傳感器核心跟蹤處理程序，如圖3所示。

處理流程：預(yù)相關(guān)（pre-correlation），相關(guān)（correlation），配對（association），航跡更新，DAP處理、航跡初始化，航跡管理。2.3.1 多傳感器預(yù)相關(guān)（ADS-B）。

不能與ADS-B報告航跡相關(guān)的航跡拋棄。

ADS-B報告航跡為中心點設(shè)定一個扇區(qū)，扇區(qū)的大小取決于：ADS - B的測量標(biāo)準(zhǔn)誤差及對飛行器運動性能來說最近一次更新與外推點的最大范圍。建立直角坐標(biāo)系（Dx，Dy，Dz）表示，考慮全球定位系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)偏差，在直角坐標(biāo)參考表示監(jiān)視航跡協(xié)方差矩陣及最大飛行器加速能力。在不引入任何位置誤差的情況下，將從大地測量的ADS-B報告位置坐標(biāo)通過WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

多傳感器預(yù)相關(guān)功能選擇的標(biāo)準(zhǔn)非常簡單：盡快排除法對應(yīng)到選定的系統(tǒng)航跡的傳感器報告。經(jīng)過預(yù)相關(guān)處理后，每個選定的系統(tǒng)航跡能夠與一系列的預(yù)相關(guān)的ADS-B報告航跡相配對，同時每個選定ADS-B報告航跡能夠與一系列的預(yù)相關(guān)的系統(tǒng)航跡相配對。無論是在ADS-B單獨跟蹤處理中報告航跡相關(guān)或非相關(guān)的，都將傳送到多傳感器預(yù)相關(guān)功能。

2.3.2 多傳感器相關(guān)功能（Multi-Sensor Correlation Function）。

對于ADS - B報告航跡的單獨處理，這個功能是用來拒絕不能與本報告配對的預(yù)相關(guān)系統(tǒng)航跡。

對每個可能的報告航跡-系統(tǒng)航跡對（或系統(tǒng)航跡-報告航跡對），計算一個評估隸屬度（似然度-likelihood），該值評估ADS-B報告航跡對應(yīng)的系統(tǒng)航跡的概率。這種概率方法基于貝葉斯理論和卡爾曼濾波算法。

評估隸屬度的計算，還有一些ADS-B報告航跡的附加屬性，即是否相關(guān)的決定性因素：SSR一致性，24位飛行器地址一致性，飛行器識別的一致性，獨立處理時配對的質(zhì)量因素，也會根據(jù)其他傳感器的標(biāo)準(zhǔn)屬性（速度、點跡質(zhì)量，跟蹤點跡的航跡號等）綜合判斷。

在相關(guān)階段的末尾，根據(jù)評估隸屬度的計算及作為24位飛行器地址一致性，每個ADS-B報告航跡與系統(tǒng)航跡之間的建立相關(guān)鏈接。在下一個相關(guān)階段，可能性最高的值，將會成為相關(guān)唯一鏈接，其他相關(guān)鏈接將會被拋棄。

2.3.3 多傳感器的配對功能（ Multi-Sensor Association Function）

配對處理解決一對多和多對一相關(guān)沖突問題，達到航跡一一配對。

利用最近鄰概率配對技術(shù)，使用相關(guān)隸屬度找到最佳航點跡配對。其他相關(guān)連接涉及點跡航跡的，將會被拋棄。

ADS-B當(dāng)一份報告沒有相關(guān)到任何系統(tǒng)航跡，這份報告將會送到多傳感器初始化處理功能模塊中。

2.3.4 多傳感器的濾波計算功能（Multi-Sensor Filtering Function）

完成配對的點跡用以更新多雷達航跡。系統(tǒng)使用勻速自適應(yīng)kalman濾波器更新航跡的運動屬性。

多傳感器交互式多模型濾波算法更新的系統(tǒng)航跡的運動屬性。自適應(yīng)卡爾曼濾波算法通過調(diào)整目標(biāo)運動屬性來跟蹤機動目標(biāo)。在航跡更新前計算點跡與航跡外推點跡的統(tǒng)計距離，距離大于統(tǒng)計門限的原因，相應(yīng)地多假設(shè)跟蹤方法給出兩種多雷達航跡，最后選擇一種航跡。

2.3.5 多傳感器初始化功能（Multi-Sensor Initiation Function）

當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)不配對的報告航跡時，即傳送至初始化功能模塊，進行創(chuàng)建并確認(rèn)可能性監(jiān)視航跡。

初始化處理包括預(yù)相關(guān)，相關(guān)，配對，航跡更新。初始化航跡需要計算評估隸屬度，以判斷該航跡的真假。基于Bayesian的判決決定航跡被確認(rèn)或者拋棄。每個新航跡都分配一個唯一的航跡號。新建的航跡經(jīng)過初始化后，成為確認(rèn)航跡，方能更新。

3 ADS-B展望

ADS-B的推廣應(yīng)用在十二五規(guī)劃中，將在全國范圍內(nèi)建設(shè)41套ADS-B地面站，并進一步推廣其應(yīng)用，作為區(qū)域雷達監(jiān)視的補充手段，增加對洋區(qū)的航空監(jiān)視能力擴大對洋區(qū)的航空監(jiān)視覆蓋區(qū)域。在終端區(qū)，能夠提供較雷達定位更精密的位置信息。作為本場低高度區(qū)域，在雷達覆蓋不到區(qū)域能夠進行高精度定位，可有效的縮短飛行器間隔，管制得到更加全面、準(zhǔn)確、完善的空域狀況，通過自動化系統(tǒng)更為有效的對整體空域進行指揮調(diào)配。

參考文獻：

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