基于自动相关监视技术的目标获取及跟踪

基于ADS-B技术的目标获取及跟踪

Target capturing and tracking based on ADS-B technique

0引言

广播式自动相关监视ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)是国际民航组织确定的未来主要监视技术，它是一种基于全球卫星定位系统和利用空地、空空数据链通信完成交通监视和信息传递的空管监视新技术[1]。利用该技术，目标（航行器、地面车辆等）可以面向所有用户自动周期性地广播监视数据，提供呼号、位置、高度、速度、航向、爬升/下降率等丰富的信息，其它的目标、地面站、网关都可以通过数据链接收此数据，并应用于各种用途（如空中交通监视服务、未来空-空监视服务等）。与传统的雷达系统监视技术相比较，ADS-B具有数据更新率快、精度高、监视信息丰富、建设维护成本低、使用寿命长等明显优势。

中国民航高度重视新航行技术的应用与实施，不断加强ADS-B技术研究与应用，在技术政策与规章标准制定、机载设备加改装，地面设备研制生产、技术验证与试验运行等方面开展了大量工作，为ADS-B地空监视（ADS-B OUT[2]）的实施奠定了基础。加快推广应用ADS-B也是我国由民航大国向民航强国迈进，建设新一代航空运输系统的重要任务之一。中国民航结合自身监视的现状和未来航空业发展的需求，确定了我国运输航空ADS-B采用1090MHz扩展电文（1090 ES）数据链技术，并制定了ADS-B发展规划、应用原则和总体策略，同时也提出了中国民航ADS-B地面站点建设实施路线。

1090 ES ADS-B地面站接收和处理1090MHz扩展电文信息，在产生欧控监视数据交换标准文档ASTERIX Category 021[2]报告前后，需要完成目标位置信息的初始化和合理性检查，即对信息解码产生的目标位置进行检查、校验和判断。这个处理过程实质上就是目标的获取和跟踪。

1地面站基本功能

在解释这个目标处理过程之前，有必要先介绍一下1090 ES地面站（接收）设备的基本功能：地面站是ADS-B系统的重要组成部分，其通过RF天线接收由航行器和场面车辆所广播出来的信息，并对这些信息进行提取和解码，经处理后产生标准的数据报告传给用户。1090 ES地面站（接收）设备的原理框图如下图1所示。

图1 1090 ES地面站（接收）设备的原理框图

1090 ES接收：接收并解码1090MHz扩展电文信息，将这些信息发往后级模块完成信息的处理和输出。

报告产生：完成信息的处理，组织输出报告的数据项。通过配置，ADS-B地面站可以同时向多个用户系统提供不同的服务，为了确保与现有监视数据处理系统和工具的兼容，采用标准的ASTERIX Category 021报文作为其目标报告输出格式。此外，ADS-B服务还可以包括周期性地输出地面站状态报告（ASTERIX Category 023[3]）和ASTERIX版本报告。

协调世界时（UTC）时钟同步：使地面站内部时钟与UTC同步。UTC时间用于表示时间的适用性，并为输出报告标记时间戳和用于其它用途。

内部自检（BITE）：地面站周期性地完成设备内部自检工作，并将自检结果报地面站管理和状态报告模块。

地面站管理和状态报告：用户可通过管理接口，获取地面站各子系统的状态信息，并实现控制和配置地面站的功能。

2目标的获取

目标的获取阶段从地面站接收到目标的第一个信息，或者是目标的位置数据已过期后，重新开始接收到的第一个信息开始。一般情况下，在这个阶段由于目标还没有被校验，ADS-B 地面站并不会输出目标的ASTERIX Category 021报告，典型的做法是在正确接收到2个奇偶信息对后确定获取目标，并输出报告[4]。

但是，通过修改配置，也可以允许输出未经校验的目标的Category 021报告，在V0.23以后的版本，Category 021报告都会指示出该目标是未经校验的。

2.1距离检查

目标获取的第一步就是对目标最初的位置进行距离检查，判断其是否位于地面站可靠的接收区域内，这个可靠的区域一般是指地面站的最大作用范围，它会受到天线增益和地形的影响。在距离检查期间，由于尚未进行目标校验，所以地面站不会输出目标报告，如果需要输出这些报告用于监视等功能，也可以通过修改配置来实现。距离检查可以有多种方式，图2是其中的一个例子。

图2 距离检查流程

从上图2中可以看出，通过接收符合要求的奇偶位置信息对来判断空中或地面位置，信息对需要符合要求如下：奇偶空中位置信息对，信息间时间间隔应少于10秒；奇偶地面位置信息对，如果两个信息中的一个解码后的地速大于25海里/小时或未知，则两个信息的时间间隔小于10秒，如果两个信息的地速都≤25海里/小时，则时间间隔为50秒。

2.2CPR校验

压缩位置报告CPR(Compact Position Reporting)[5]实际上是一种位置数据的压缩算法。通过该算法，目标的位置数据被编进ADS-B扩展电文中，地面站再使用该算法对扩展电文进行解码。

在距离检查时，由CPR编码的位置信息经解码后可能会产生可靠的但是却是错误的位置信息，这个错误的位置信息会影响后续的解码。地面站应该通过接收到的信息去校验第一个位置报告是否合理。校验的方法有很多，图3是其中一个例子。

图3 CPR校验流程

备注：

1)新的位置信息应在用于距离检查的奇偶位置信息后120秒内接收到。

2)奇偶位置信息对的要求：奇偶空中位置信息对，配对信息间的时间间隔应少于10秒；

奇偶地面位置信息对，如果两个信息中的一个解码后的地速大于25海里/小时或未知，则配对的两个信息的时间间隔小于10秒，如果两个信息的地速都≤25海里/小时，则时间间隔为50秒。

3)通过配置，允许输出未经校验的目标的报告，可以用于监视等应用。

4)用本地解码和全球解码的结果进行比较。

3目标跟踪

目标跟踪也叫目标数据维护，就是地面站实时核对目标位置的合理性。

首先，对于通过距离检查和CPR校验的目标，ADS-B地面站会使用本地且明确的CPR 解码方式来处理新的位置信息。如果在30秒内，解码新的空中位置信息产生的位置变化超过6海里，也就是没有处于它应该存在的范围内，那么这个新的位置在本地解码中就没有通过合理性测试。此时，地面站将不会输出Category 021报告，但是通过修改配置，该报告还是可以输出的，在Category 021 V0.23以后的版本，Category 021报告都会指示出该报告是不可信的。没有通过合理性测试的新的位置将不会用于下一个本地解码的基准位置，地面站会按两个具有相同地址码的目标分别进行处理，而这个没有通过测试的位置会作为一个新的目标位置进行建立。

当一个目标的状态从地面向空中转变时，对于目标产生的第一个空中位置信息，建议采用不同的位置跳变距离来限制，这个限制值可以采用2.5海里。本地解码合理性测试中规定的位置跳变的距离限制值可以通过配置进行修改。

4目标终止

如果一个目标在120秒内没有位置更新，地面站就将终止该目标，在目标跟踪过程中没有通过合理性测试的位置不能计入已有目标的位置更新，而120秒以后收到的位置信息会作为新的目标重新进行目标的获取过程。

整个目标获取、跟踪、终止的处理流程及关系见图4。

图4 目标位置信息的处理流程

5结束语

地面站处理的报文信息还包括速度信息、航空器识别信息、目标状态信息、航空器运行状态信息等等，目标的获取和跟踪仅仅是ADS-B扩展电文中目标位置信息报文处理过程中的一部分，它主要是完成目标位置的检查、校验和判断过程，是产生目标位置报告的重要的初始化和处理过程。

参考文献：

[1]顾春平. 空中交通管制新技术监视新技术简介[J]. 现代雷达, 2010, 32(9)：1-7.

[2]SUR.ET1.ST05.2000-STD-12-01，EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR

SURVEILLANCE DATA EXCHANGE Part 12: Category 021 ADS-B Reports [S].

[3]SUR.ET1.ST05.2000-STD-16-01，EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR

SURVEILLANCE DA TA EXCHANGE Part 16: Category 023 CNS/ATM Ground Station and Service Status Reports [S].

[4]ED-129，TECHNICAL SPECIFICATION FOR A 1090 MHz EXTENDED SQUITTER

ADS-B GROUND STATION [S].

[5]RTCA DO-260A，Minimum operational performance standards for 1090 MHz extended

squitter automatic dependent surveillance-broadcast (ADS-B) and traffic information services-broadcast (TIS-B) [S].