ADS-B地面站的目標定位技術研究

浙江空管分局 王旭剛

隨著ADS-B系統(tǒng)在空管監(jiān)視工作中的重要性越來越高，我們對其監(jiān)視目標的穩(wěn)定性與準確性提出了更高的要求，目前系統(tǒng)存在的缺陷、問題也亟待解決。本文以當前ADS-B運行中出現的目標位置偏差問題為出發(fā)點，通過對ADS-B系統(tǒng)與多點定位系統(tǒng)（MLAT）的定位原理進行分析，提出了一種基于ADS-B的多基站定位方法，并通過在一定GDOP前提下，對涉及的算法進行仿真，說明了估值均方根誤差的大小。該方法得到的目標位置獨立于GNSS設備提供的位置信息，為提高ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的位置準確性提供了一種輔助手段。

廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）作為一種新型航空監(jiān)視技術，因其高精度、高刷新率、低成本及便捷部署等優(yōu)勢，近幾年在我國大部分地區(qū)均建設了此類設備。尤其在雷達覆蓋不足的地區(qū)，ADS-B作為主要監(jiān)視手段使用，對我國航空安全起到了重要作用。但是隨著運行的不斷深入，ADS-B系統(tǒng)存在的一些突出問題也逐步顯現，其中ADS-B監(jiān)測到的航空器位置與真實目標存在偏差是常見的問題之一。本文針對ADS-B位置偏移問題，通過提出一種基于ADS-B的多站點定位方法解決目標位置偏移問題，并通過MATLAB軟件對其定位算法的均方根誤差（RMSE）仿真對比，希望能對逐步完善ADS-B設備起到拋轉引玉的作用。

1 基于ADS-B多基站定位原理

ADS-B地面站設備是通過地面接收技術完成對指定監(jiān)視區(qū)域內目標飛機實時探測并確定其位置。ADS-B機載設備以一定的速率對外廣播指定的信息。地面站設備將信息格式按照EUROCONTROLAsterixCAT021標準要求解析，其中必須包含的數據項包括I021/073（位置信息接收時間）、I021/130（基于WGS-84坐標的位置信息）、I021/080（目標地址）等共15項。非必選項包括I021/070（3/A碼）等27項，同樣包含著許多重要的信息，對ADS-B應用有著重要的作用。其中機載ADS-B設備廣播信息中的位置信息來源為直接取自機載GNSS設備的衛(wèi)星定位信息。

目前國內的多點定位系統(tǒng)的定位原理大都是通過基于目標信號達到時間差TDOA（Time Difference of Arrival）來定位。TDOA的原理是通過多個地面基站接收到發(fā)射源的時間差來定位。進行二維定位時，最少需要三個地面接收站；進行三維定位時，最少需要四個地面接收站。圖1簡要圖示了三維TDOA定位的定位原理。

圖1 三維定位示意圖

以三維定位為例，目前存在N個ADS-B地面站，第i個地面站的位置矩陣為si=[xi yi zi]T，i=1，2，3……，N，目標位置為d=[x y z]T?？芍?，目標d到達第i個地面站的距離為||d-si||。本文以s1作為主參考ADS-B接收站，則其位置矩陣為s1=[x1y1z1]T。根據優(yōu)化算法得到則TDOA的匹配方程如下：

選擇4個ADS-B地面基站聯立方程組，可得：

c是信號傳播速度，ti1是目標信號到達ADS-B地面接收站si與到達地面主接收站s1的時間差，ri1是目標信號到達接收站si與到達接收站s1的距離差。由于c是電磁傳播速度常數，根據公式R=ct我們認為此時的時間t與距離R成正比。因此對公式(2)簡化后，得到如下矩陣公式(3)。

其中：

可知目標位置矩陣X如下：

式中，矩陣A表示地面站之間三維距離坐標差，矩陣X表示目標的三維坐標，F為參數多項式矩陣，x34表示3號地面站與4號地面的x軸距離差，以此類推。xi表示i號地面站的x坐標值，以此類推。

由于ADS-B地面站對航空器的定位依賴于機載GNSS設備廣播的位置信息，當機載GNSS位置信息出現偏差時，地面基站探測到的位置也同樣偏差。本文以多點定位系統(tǒng)原理出發(fā)，利用ADS-B報文信息中的時間信息，將多個ADS-B地面基站收到的到達時間差進行TDOA分析，實現三維定位得到目標位置信息，而不依賴于GNSS的位置信息。ADS-B地面基站送出的Asterix CAT021報文中，包含有該地面基站最近一次位置信息接收時間，分別為數據項I021/073（精度1/128s）和數據項I021/074（精度2-30s）。各個地面站以CAT021格式，將目標數據報文匯總至ADS-B數據中心，數據中心根據上述TDOA定位原理，根據所接入的地面站收到目標信號到達時間進行計算，得到目標距離各個地面站的距離位置差，根據矩陣公式(4)及相關算法，計算得到目標實際距離，以達到多地面基站定位的目的。

2 定位算法誤差仿真

在分析多點定位系統(tǒng)定位效果時，必須提到幾何精度因子（GDOP），它是一種描述純粹因接收站幾何位置因素對定位精度的影響。它表征多點定位系統(tǒng)測量誤差造成的監(jiān)視點與空間接收站的距離矢量放大因子。視點到接收站的單位矢量所勾勒的形體體積與GDOP成反比。因此，在討論算法誤差的時，應當以特定的GDOP因子為前提。

本文設定在正方形分布下的GDOP前提下，討論多點定位算法中Chan算法與Taylor算法，二者為TDOA定位的經典算法。圖2為在引入噪聲因素的前提下，利用MATLAB分析軟件，以均方根誤差（RMSE）為指標，對基于ADS-B的多地面基站定位方法中使用這兩種算法的性能進行對比，得到兩種算法的RMSE曲線對比圖，如圖2所示。

圖2 CHAN算法與Taylor算法的RMSE曲線對比圖

從圖2中可以看出，在測量噪聲較小時，Chan算法與Taylor算法的RMSE相似，表征兩種算法此時性能差距不大；在測量噪聲加大后，Taylor算法的性能優(yōu)勢逐漸凸顯。Taylor算法的前提是需要目標位置的初始估計值，算法的主要思想是通過不斷迭代來修正待定位標簽位置的估計值，最后逐漸逼近目標真實的位置坐標，適用范圍廣，但是如果初值選擇不合適，有可能導致算法不收斂。而Chan算法計算速度快，但是存在精度不高的缺點。因此目前大都采用Chan-Taylor混合加權算法，將Chan算法計算出來的估計值作為Taylor級數展開法的迭代初始值帶入，之后合理設置Chan算法和Taylor級數展開法的加權系數來提高精度。

結論：近年ADS-B技術在我國得到了廣泛應用，在二次雷達覆蓋不足的區(qū)域，起到了重要作用，在東部地區(qū)也作為空管自動化系統(tǒng)的一個重要數據源接入。同時也普遍出現了因為ADS-B信號源目標位置偏移導致的隱患和故障。本文討論的定位方法基于ADS-B CAT021報文數據中的地面站接收信號的時間數據，采用多點定位原理與算法，實現三維目標定位。該方法所得到的位置信息與機載GNSS下發(fā)的位置信息不相關，可以作為ADS-B目標定位的輔助手段，以提高其定位目標的可靠性、精度。同時本文將定位中用到的Chan算法和Taylor算法性能（RMSE指標）進行了MATLAB仿真、對比?？紤]到GDOP因素，如果需利用本文提出的方法提高ADS-B定位的可靠性，在今后建站選址中，需要將全網ADS-B地面站進行總體考慮，綜合計算GDOP，以達到理想效果。