东北空管局技术保障中心航管雷达站 辽宁 沈阳 110043
摘 要：广播式自动相关监视（ADS-B）是国际航空界正在积极推进一种航行新技术。本文主要介绍如何将不同格式的ADS-B数据与雷达数据通过坐标转换、时标处理接入到数据中心，数据中心通过多种校验手段（包括与雷达数据比对）从而提升ADS-B数据的质量与可靠性。
关键词：ADS-B 二级数据中心 坐标转换 目标验证
0、引言
广播式自动相关监视(ADS-B)是利用空地、空空数据通信完成交通监视和信息传递的一种航行新技术。 国际民航组织(ICA0)将其确定为未来监视技术发展的主要方向,国际航空界正在积极推进该项技术的应用,一些国家已投入实用 。
与雷达系统相比,ADS-B能够提供更加实时和准确的航空器位置等监视信息,建设投资只有前者的十分之一左右,并且维护费用低,使用寿命长。使用 ADS-B可以增加无雷达区域的空域容量,减少有雷达区域对雷达多重覆盖的需求,大大降低空中交通管理的费用 。
本文主要介绍ADS-B二级数据处理中心通过多种验证方式（包括接入雷达数据对比验证），提升ADS-B信号的质量与可靠性，提升东北地区监视能力。
一、ADS-B数据中心相关设备介绍
1.1ADS-B设备介绍
1.1.1ADS-B信号采集——ADCD（ADS-B数据收集解析子系统）
ADCD包括2*N台互为冗余的设备，运行在Redhat Enterprise Linux AS7操作系统之上。系统对从网络接收到各地面站发出的ADS-B数据进行格式解析、坐标变换、质量监控、等方面处理，然后提供给ADV&ADF系统使用。
1.1.2雷达信号采集——RDCD（雷达数据处理子系统）
RDCD包括2*N台互为冗余的设备，运行在LINUX操作系统之上。系统对从网络接收到雷达数据、多点定位数据、综合航迹等数据进行格式转换、坐标变换、质量检查等方面处理，然后提供给ADV子系统作航迹验证使用。
1.1.3ADV（数据验证）&ADF（数据融汇）子系统
ADV&ADF（以下简称ADVF）子系统处理单地面站数据、雷达数据、飞行计划数据，并且为其他子系统提供融汇验证后的ADS-B数据。
ADVF子系统按系统内部统一格式接收ADCD、RDCD、FPCD发出的监视数据，为其他功能模块提供处理过的ADS-B融汇验证数据，对超过系统处理能力的过载航迹将舍弃。系统选择离中心点最远的目标作为舍弃对象。
二、ADS-B数据、雷达数据输入处理
2.1ADS-B数据、雷达数据格式转换
ADS-B和雷达数据来自不同的参考系，雷达产生的测量值是极坐标，是相对于雷达自身的距离、方位、高度等，坐标形式为（r，θ，η）；而ADS-B数据为WGS-84坐标系中经度、纬度、高度（L,B.H）。为了进行数据对比验证，所有的数据必须转换到相同的坐标系和相同的单位。目标的运动最好是在直角坐标系下描述，任何传感器坐标系下表示的测量在直角坐标系都有准确的表达。所以将ADS-B报告的WGS-84坐标系的数据和雷达中的极坐标的数据转换到同一的融合坐标系——地心直角坐标系（X，Y，Z）。该方法以地心坐标系为统一坐标系进行变换，是一种高精度的坐标变换方法。
系统使用的坐标系统定义如下：
1）站心（本地）直角坐标系
以观测点o为原点，通过该点的切平面与子午面的交线为y轴（正北为正），通过该点的法线为z轴（指向天顶为证正），x轴垂直于y轴和z轴，构成右手坐标系o-xyz。
2）大地极坐标系
M为椭球体面上任意一点，MN为过点的子午线，S为连结MP的大地线长，A为大地线在M点的方位角。以M为极点，MN为极轴，S为极半径，A为极角，这样就构成大地极坐标系。
3）大地坐标系
用大地精度L、大地纬度B和大地高H表示。
4）地心空间直角坐标系
以地球质心（椭球体中心）为原点，起始子午面与赤道交线为轴，在赤道面上与轴正交的方向为轴，椭球体的旋转轴为轴，构成右手坐标系。
5）站心（本地）极坐标系
以观测点o为原点，以点p与o的连线在通过该点的切平面上的投影为极半径，以投影与子午面上的夹角为极角，构成站心极坐标系。
2.1.1ADCD中ADS-B信号坐标转换
ADCD接收到的目标的位置信息需要将其转换成以系统中心点为原点的直角坐标数据。椭球体参数参照WGS-84，以大地中心作为参考原点进行坐标变换。
具体坐标变换说明如下：
经纬度转换为相对中心点的直角坐标XY
取出ADS-B目标的经纬度值，将中心站经纬度转化为空间直角坐标。将飞行目标经纬度转化为参考椭球体上的空间直角坐标，将飞行目标的空间直角坐标调整为相对中心站的站心直角坐标：
2.1.2RDCD中雷达信号格式转换
具体坐标变换说明如下：
1）取出雷达目标相对于雷达头位置的x，y值，将雷达站经纬度转化为空间直角坐标后，将飞行目标相对于雷达站的站心直角坐标调整为参考椭球体上的空间直角坐标，再讲参考椭球体上的空间直角坐标转化为经纬度
2）经纬度转换为相对中心点的直角坐标XY
取出雷达目标的经纬度值，将中心站经纬度转化为空间直角坐标。将飞行目标经纬度装华为参考椭球体上的空间直角坐标，将飞行目标的空间直角坐标调整为相对于中心站的站心直角坐标
2.2ADS-B、雷达数据时标处理
ADS-B、雷达数据中所含的时标信息，均为截断时间。在接到含有时标的数据后，ADCD、RDCD会将截断时间还原为完整时间。通过比较还原后的时标，以及接到数据的时间，可以推算出该通道的数据传输延迟值。
三、ADS-B目标验证
由于存在着ADS-B信号干扰、欺骗等情况，需要采用若干种技术来验证ADS-B数据的真实性。
验证方法：
1）地面站作用范围监测
如果从地面站收到ADS-B报文，而报文中的位置不在该地面站的作用范围内，则该报文可能是虚假报文。
2）双站位置校验
如果只有两个地面站收到某个ADS-B报文，首先，报文中的位置应该均在两个地面站的作用范围内。
假设目标Target的报文被地面站S1收到的时间是T1，被地面站S2收到的时间是T2,且Target和地面站S1、地面站S2之间的距离分别是D1、D2。
理论上两点的距离差和到达地面站的时间差成正比
|D1-D2|=V*|T1-T2|
可以根据连个地面站到达的时差得到目标可能存在一个带状区域，根据这个带状区域来验证目标位置的合法性。
3）基于到达时间差TDOA定位方法校验
4）ADS-B航迹判断
将融汇的ADS-B数据与已有的属于同一航空器目标的特性参数进行类比，以判定其目标身份。使用ADS-B航迹数据来验证当前数据的真实性。
5）雷达航迹判断
在有雷达、MLAT数据接入的时候，可以采用距离相关算法来计算ADS-B数据和单雷达航迹之间的接近程度，从而验证当前ADS-B数据的真实性。
四、ADS-B目标验证对于自动化系统的意义及在自动化应用中的参数配置
在引入ADS-B数据处理中心之前，沈阳区管NUMEN3000自动化系统引接了由北京数据公司提供的西乌、乌兰ADS-B信号，同时引接了空管装备公司的七个边境机场的ADS-B信号，包括哈尔滨的鸡西、海清、黑河、漠河ADS-B信号与长春的白山、延吉ADS-B以及丹东ADS-B信号。这八路信号直接引接到自动化系统，相互独立，由自动化系统对之进行解析验证。
随着ADS-B地面站不断建设，目前东北地区建成或预计建成的地面站数量为37个。ADS-B站点多，数据量大，如果直接引入到自动化系统，会加重自动化系统的处理负担。
ADS-B数据处理中心的引入分担了自动化的处理压力，它将东北地区的37路ADS-B地面站数据分由哈尔滨（19路）、长春（6路）、大连（2路）三个三级数据处理中心以及沈阳（10路）二级数据处理中心进行融汇验证处理，提升数据可靠性的同时降低了自动化系统处理的数据量。
接入到NUMEN3000自动化系统的ADS-B数据可以在自动化DBMS中对数据级别进行离线配置
在DBMS中：
系统VSP——监视数据处理VSP:SDP_CREDIBLE_OF_RAD_ADSB
只有雷达和ADSB覆盖目标时各种合成航迹的融合可信度。0：都高 1：雷达高而ADSB低 2：雷达低而ADSB高
五、总结
通过对多地面站输出的ADS-B信号进行验证，对提升ADS-B信号质量与可靠性有着重要的意义。
参考文献
1 广播式自动相关监视（ADS-B）在飞行运行中的应用，中国民用航空局飞行标准司，2008
2 《ADS-B二级数据处理中心和数据站系统》技术手册，2017.10
论文作者:赵䶮泽
论文发表刊物:《科技新时代》2018年5期
论文发表时间:2018/7/19
标签：数据论文; 地面站论文; 坐标系论文; 直角坐标论文; 目标论文; 椭球论文; 经纬度论文; 《科技新时代》2018年5期论文;