利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真的方法

摘要

本发明公开了一种利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真的方法。该方法对多雷达数据进行仿真，利用接收的ADS-B实时数据作为数据源，通过设置的雷达传感器来接收ADS-B数据，传感器模拟雷达天线的扫描过程进行目标筛选，进而实现多雷达数据的不间断生成，形成稳定的多雷达数据源。本发明方法利用ADS-B实时动态信息作为实验信息源，对多雷达数据进行仿真生成。结果表明，本发明所提出的多雷达数据半实物仿真方法可以实现多雷达报文数据的持续稳定生成，且报文具有很高的准确性，建立的仿真软件具有良好的通用性，灵活性和可扩充性，能够为相关多雷达数据的进一步开发提供重要基础。

说明书

技术领域

本发明属于半实物仿真技术领域，特别是涉及一种利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真的方法。

背景技术

多雷达数据处理是现代空中交通管理指挥系统的核心，产生多雷达或多源数据的能力是研究及开发现代空中交通管理指挥系统的前提与基础。

20世纪80年代，我国成功研制出数字式动目标模拟器，该模拟器在接收到某一频率的输入信号后，经过一段可控的数字延迟，在输出端可以获得在同一频率之上叠加一个多普勒频移的输出信号，实现了对雷达动态目标的仿真模拟。从90年开始，随着国内空中交通管理仿真模拟系统需求的不断增加，四川大学图形图像研究所采用个人计算机作为系统运行平台，通过模拟建立相对真实的雷达数据系统，构建逼真的管制环境，陆续推出了DRS-90，DRS-93，DRS-2000雷达模拟机，大大节省了硬件成本，使得仿真模拟训练能广泛地应用于空中管制培训领域，以对管制员进行培训。随着空域流量的快速增加，对空管仿真模拟系统提出了更高的要求，因此提高仿真系统模拟数据的真实性，就成为了现在模拟系统发展的重要因素。

目前国产空管多雷达数据系统关键技术已经突破国外主要厂家的技术封锁，研制开发的多雷达模拟数据发生器生成多雷达数据，经多雷达数据处理系统验证取得了成功。但从总体来看，与国际先进水平相比还存在一定的差距。国外对多雷达数据研究做得比较全面，设计上：一方面以软硬件相结合的方式，扩大了模拟系统灵活性；另一方面采用数字信号和微处理器技术，并结合工业标准总线结构以进行模块化设计，使其性能得到了提高。

随着多雷达数据需求量的日益增加，国内一些部门已经突破国外技术封锁，采用硬件方式研制成功了多雷达数据模拟发生器，可以模拟生成多雷达数据。但与国际先进水平相比，在雷达数据模拟的全面性、系统的通用性、可扩充性、兼容性以及产品化等方面还存在一定的差距，因此短时间内难以实现实体方面的赶超。随着计算机仿真技术的快速发展，采用软件方式可以克服硬件研发的许多缺点，进行多雷达数据仿真技术研究已成为重要趋势。针对多雷达数据进行仿真研究，增加其仿真结果数据的可靠性，对于 进行多雷达数据处理具有重要意义。

另一方面，作为未来监视技术发展的主要方向，世界航空领域正在积极推进ADS-B(广播式自动相关监视)技术的应用，使监视方式逐步从雷达转变到ADS-B。相对于雷达而言，ADS-B具有成本较低，适用条件要求不苛刻等优点，且能够保障记录反映飞机真实的飞行信息。目前能够进行ADS-B数据接收的相关简易设备也多种多样，便于获取。ADS-B数据信息与雷达数据信息具有较高的相似性，基于ADS-B对多雷达数据仿真系统进行开发具有重要的研究意义，有利于后期在空管指挥技术方面的相关研究工作的开展，对提高空管系统的可靠性、可维护性具有现实意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够满足多雷达数据高质量，持续稳定产生的实际需求的多雷达数据半实物仿真方法。

为了达到上述目的，本发明提供利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法包括顺序进行的下列步骤：

(1)接收ADS-B数据建立仿真系统数据源的S1阶段；

(2)对步骤(1)所述数据源中的数据进行预处理并分发的S2阶段；

(3)建立单雷达传感器，接收步骤(2)分发的数据以实现对目标的筛选及其屏幕显示的S3阶段；

(4)将步骤(3)中筛选得到的数据进行编码形成标准格式雷达报文，并按报文传输协议进行传输发送的S4阶段；

(5)根据步骤(3)和(4)建立多个传感器以实现多雷达报文数据持续生成的S5阶段。

在步骤(1)中，所述的接收ADS-B数据建立仿真系统数据源的方法是利用地面ADS-B接收机接收真实的ADS-B数据作为仿真系统的原始数据，将实时飞行数据进行即时读取和解析，得到飞机的包括ICAO识别码、二次雷达识别码、实时经度、纬度、高度三维位置、速度、航向、时间在内的信息，进而建立仿真系统数据源。

在步骤(2)中，所述的对步骤(1)所述数据源中的数据进行预处理并分发的方法是将步骤(1)解析后的包含大量信息块的ADS-B数据进行预处理，即将飞机经纬度、高度、速度在内的有用信息进行提取并保存，再通过用户数据报协议对上述预处理后的数据进行广播式分发。

在步骤(3)中，所述的建立单雷达传感器，接收步骤(2)分发的数据以实现对目标的筛选及其屏幕显示的方法是设置单雷达传感器，对传感器地理位置、作用距离、天线夹角、扫描周期在内的参数信息进行定义，该传感器接收步骤(2)分发的数据并利用地心地固坐标转换方法计算得出目标相对于传感器的斜距和方位信息，进而对目标进行筛选，并以传感器为参考点将筛选出的目标进行屏幕显示。

在步骤(4)中，所述的将步骤(3)中筛选得到的数据进行编码形成标准格式雷达报文，并按报文传输协议进行传输发送的方法是在目标筛选基础上依据ASTERIX标准格式进行数据编码形成001类雷达目标报告报文和002类雷达服务报文，再依据高级数据链路控制规程(High-level Data Link Control,HDLC)传输协议进行报文的发送并对其时间延迟进行引入。

在步骤(5)中，所述的根据步骤(3)和(4)建立多个传感器实现多雷达报文数据持续生成的方法是根据步骤(3)和(4)，依次在多个计算机上建立单传感器并进行不同的参数配置，这些传感器同时接收分发的ADS-B数据，分别进行数据筛选，数据编码及报文的传输发送，从而搭建多雷达数据仿真系统平台，实现多雷达数据的持续生成。

本发明提供的利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法在实现多雷达数据生成的同时，建立的仿真系统还具有良好的通用性，灵活性，可以进行持续开发完善。该方法利用Visual Studio环境开发程序仿真建立多个雷达传感器，对接收的ADS-B数据进行筛选生成雷达报文并发送，实现多雷达数据的不间断生成，形成稳定的多雷达数据源。本发明方法利用ADS-B实时动态信息作为实验信息源，所提出的多雷达数据半实物仿真技术可以实现多雷达报文数据的持续稳定生成，且报文具有很高的准确性，为相关多雷达数据的进一步开发奠定基础。

附图说明

图1是本发明提供的利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法流程图；

图2是天线扫描“方位角—时间”关系图；

图3是单雷达传感器基本界面图；

图4是仿真系统总体设计构架图；

图5是两个传感器编码设计流程图；

图6是仿真系统运行结果显示图：(a)ADS-B数据接收显示图(传感器未启动天线扫描)；(b)两个传感器编码报文的接收处理图；(c)两个传感器目标报文解码显示图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法进行详细说明。

图1是本发明提供的利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法流程图。

如图1所示，本发明提供的利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)接收ADS-B数据建立仿真系统数据源的S1阶段：

建立数据源实现目标数据的生成，是实现多雷达数据仿真的基础。

空管多雷达数据处理系统通过实时收集各台雷达送来的局部航迹数据作为多雷达数据处理系统数据源。目前民用雷达种类繁多，引入多雷达数据系统的雷达数据格式也不同。ASTERIX标准虽然对提供信息的雷达类型没有规定，但要求所有雷达系统提供的数据都存有一些共同的基本信息，包括方位、A-Mode/C-Mode、速度等编码信息。因此仿真系统所采用的数据源需要能提供包括目标方位、高度、速度等基本信息，并且要求数据源信息稳定、持续提供。

基于ADS-B数据与雷达数据两者包含信息的相似性，本发明利用地面ADS-B接收机接收真实的ADS-B动态数据作为仿真系统的原始数据，持续接收原始数据并进行即时读取和解析，得到飞机的：ICAO识别码、二次雷达识别码、实时三维位置(经度、纬度、高度)、速度、航向、时间等信息，依此建立仿真系统数据源。

(2)对步骤(1)所述数据源中的数据进行预处理并分发的S2阶段：

由ADS-B地面接收机接收的原始数据中包含大量的信息块，需要将解析的ADS-B数据信息进行有效提取，只对与雷达数据相关的有用信息进行保存利用。

本发明将解析后的包含大量信息块的ADS-B实时飞行数据进行预处理，即对解析后的数据进行分割处理，形成逐条的数据(1条数据即一架飞机的信息)，每条数据只提取有效信息块进行保存，包括飞机的经度、纬度、高度、速度、航向等。本发明通过UDP无线传输协议，对上述预处理后的每一条数据进行广播式分发。

(3)建立单雷达传感器，接收步骤(2)分发的数据以实现对目标的筛选及其屏幕显示的S3阶段：

本仿真系统旨在模拟实际的二次雷达扫描过程，进行数据筛选形成多雷达报文数据，并进行显示，可以分为以下3个部分：

1.设置单雷达传感器，定义其参数信息，具体包括传感器地理位置、作用距离R_max、天线夹角、扫描周期、扫描扇区总数等；

2.通过创建动态链接库实现传感器对分发的ADS-B数据信息的实时连续接收，并利用System.Collections.Concurrent命名空间中的集合类ConcurrentQueue<T>(类型参数T，表示队列中包含的元素类型)对接收的ADS-B数据进行顺序存储；

3.利用地心地固(Earth-Centered,Earth-Fixed,ECEF)坐标转换方法，计算得出目标相对于传感器的斜距和方位信息，进而对目标进行筛选，并以传感器为参考点将筛选出的目标进行屏幕显示。这里又包括3个部分：

1)目标地理坐标转换为极坐标，即目标经纬度与斜距、方向角的转换；

目标经纬度与斜距、方向角的转换，通过地心地固(Earth-Centered,Earth-Fixed,ECEF)坐标转换来实现，即将目标“地理坐标”(经度，纬度，海拔高度)转换为以传感器为参考点建立的正东北坐标系下传感器目标的极坐标(斜距，方位角，仰角)。下面将正东北坐标系称为“本地直角坐标系”，极坐标称为“量测坐标”。

地理坐标系把地球看作标准椭球体，把地球北极、南极、赤道和本初子午线等作为要素来对目标位置进行描述。地理坐标位置描述为(λ,L,H)：λ-地理经度，为通过参考椭球面上位置点的大地子午面与本初子午面之间的二面角；L-地理纬度，为通过位置点的参考椭球面的法线与赤道面的夹角；H-海拔高度，为位置点沿法线到参考椭球面的距离。ECEF坐标系把地球看作标准椭球体，以地球质心为坐标系原点，X轴穿过格林尼治子午圈；Z轴指向北极的国际习用原点；Y轴通过赤道平面并与X、Z轴正交。本地直角坐标系下，以选定的参考点为坐标系原点，x轴穿过参考点指向地理正东方向，y轴穿过参考点指向地理正北方向，z轴由x、y轴正交生成。

具体步骤如下：

a.雷达传感器“地理坐标”转“ECEF坐标”；

设雷达传感器“地理坐标”为(λ_S,L_S,H_S)，其“ECEF坐标”为(X_S,Y_S,Z_S)：

$\left(\begin{array}{c}{X}_S=(C_S+H_S)·\cos \left(L_S\right)·\cos \left({\lambda }_S\right)\\ Y_S=(C_S+H_S)·\cos \left(L_S\right)·\sin \left({\lambda }_S\right)\\ Z_S=[C_S·(1-e^2)+H_S]·\sin \left({\lambda }_S\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：e为地球偏心率(常数)，a为地球长半轴半径(常数)，C_S为卯酉圈半径，且：

$C_S=a/\sqrt{1-e^2·{\sin }^2\left(L_S\right)}---\left(2\right)$

b.目标“地理坐标”转“ECEF坐标”；

设目标“地理坐标”为(λ,L,H)，其“ECEF坐标”为(X,Y,Z)：

$\left(\begin{array}{c}X=(C+H)·\cos \left(L\right)·\cos \left(\lambda \right)\\ Y=(C+H)·\cos \left(L\right)·\sin \left(\lambda \right)\\ Z=[C·(1-e^2)+H]·\sin \left(\lambda \right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中：e为地球偏心率(常数)，a为地球长半轴半径(常数)，C为卯酉圈半径，且：

$C=a/\sqrt{1-e^2·{\sin }^2\left(L\right)}---\left(4\right)$

c.由目标的“量测坐标”，计算其在“本地直角坐标系”中坐标；

设目标的“量测坐标”为(r,θ,φ)，其中r为斜距、θ为方位角、φ为仰角，其“本地直角坐标”为(x_t,y_t,z_t)：

$\left(\begin{array}{c}{x}_t=r·\cos \left(\theta \right)·\cos \left(\phi \right)\\ y_t=r·\cos \left(\theta \right)·\sin \left(\phi \right)\\ z_t=r·\sin \left(\phi \right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

d.应用坐标系旋转变换，计算得雷达目标的“本地直角坐标”；

设目标“本地直角坐标”(x_t,y_t,z_t)，应用旋转矩阵由“地心地固坐标”得到：

$\left(\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right)=T_S^T\left(\begin{array}{c}X-X_S\\ Y-Y_S\\ Z-Z_S\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中T_S为旋转矩阵： 

$T_S=\left(\begin{array}{ccc}-\sin \left(L_S\right)& -\cos \left(L_S\right)·\sin \left({\lambda }_S\right)& \cos \left(L_S\right)·\cos \left({\lambda }_S\right)\\ \cos \left(L_S\right)& -\sin \left(L_S\right)·\sin \left({\lambda }_S\right)& \sin \left(L_S\right)·\cos \left({\lambda }_S\right)\\ 0& \cos \left({\lambda }_S\right)& \sin \left({\lambda }_S\right)\end{array}\right)---\left(7\right)$

e.综合式(5)和式(6)，可以得到目标的“量测坐标”(r,θ,φ)。

目标斜距r为：

$r=\sqrt{x_t^2+y_t^2+z_t^2}---\left(8\right)$

目标方位角θ，其计算可以分为以下4种情况：

情况1：若(x_t＝0,y_t>0)，则θ为0，说明目标在传感器正北方；

情况2：若(x_t＝0,y_t<0)，则θ为180，说明目标在传感器正南方；

情况3：若x_t>0，则：

说明目标在(0,180)范围内，位于传感器东面；

情况4：若x_t<0，则：

说明目标在(180,360)范围内，位于传感器西面。

目标仰角φ为：

$\phi =\arcsin \left(\frac{z_t}{\sqrt{x_t^2+y_t^2+z_t^2}}\right)---\left(11\right)$

至此实现了目标经纬度与斜距、方向角的转换。

2)目标数据的筛选，即依据斜距和方位角筛选出相应的传感器目标；

本发明依据雷达天线扫描机制进行数据筛选，其判断条件是：天线扫描至t时刻时，目标数据是否在相应扇区。具体可以分为两步进行判断：

第一确定目标在传感器作用距离范围内。将r与R_max进行比较：若r小于R_max，表示目标能够被雷达捕获；反之则不能。

第二定义天线扫描“方位角—时间”关系如图2所示，即确定传感器从启动到扫描至某一时刻时天线的位置，天线在此时刻所扫描的区域为U(不同的颜色块)。获取相应时刻目标的方位角，确定目标是否在天线扫描区域U之内，以此确定雷达覆盖范围内的所有目标。

此外，本发明在雷达传感器天线扫描开始后进行数据的筛选，天线扫描通过WindowsForm窗体按钮触发进行。扫描按钮触发以后，启用数据筛选线程，获取数据进行判别，这一过程与扫描起始时间和第一条数据的读取时间相关。这两个时间往往会因计算机的性能不同而存在差别，即存在一定的时间差。一些计算机性能较好(运算速度很快)时，时间差接近为0，然而一些计算机在启动扫描时这一时间差很大，有时甚至达到了1秒。为实现传感器对雷达扫描过程的逼真模拟，需要将这一时间差进行消除，从而保证传感器天线起始扫描与获取目标数据的同步进行。

这一时间差是系统时间差造成的，本发明通过两种方法进行了解决：

方法1，记录扫描起始系统时间和读取第一条数据的系统时间，在数据依据时间戳进行分布时，消除这个时间差；

方法2，通过延迟第一条数据的读取时间，比如在扫描开始进行4秒后，获取第一条数据，开始进行数据筛选。

3)目标地理坐标转换为屏幕坐标即经纬度与屏幕坐标转换，再进行目标屏幕显示。

目标地理坐标转换为屏幕坐标部分应用Lambert变换函数，并采用GDI+绘图进行目标显示。

本发明首先利用单点Lambert变换，得到目标相对于参考点的经纬度方向，再将经纬度方向值转换为窗体坐标，将目标在窗体屏幕中进行显示。显示功能采用GDI+绘图实现，主要应用Graphics类，用来显示相关元素的是PictureBox控件。对于图像的刷新，采用绘图控件的paint事件进行绘制图像的操作，绘图的基本模式为不断地重载绘图控件。图3为本发明建立的仿真系统单雷达传感器基本界面图，依此界面进行相关屏幕显示。

(4)将步骤(3)中筛选得到的数据进行编码形成标准格式雷达报文，并按报文传输协议进行传输发送的S4阶段：

《MHT 4008-2000空管雷达及管制中心设施间协调移交数据规范》定义空管雷达报文格式主要为ASTERIX帧格式，雷达报文传输格式为HDLC帧格式。步骤(3)实现了传感器对目标数据的筛选，在此基础上依据雷达报文标准格式进行编码并进行编码报文的传输发送。

本发明实现了对筛选数据的编码，并提供了001类雷达目标报告和002类雷达服务报告2种雷达报文数据的标准格式化定义。001类雷达目标报告报文，包含雷达目标的位置、高度、识别信息点迹特征以及航迹状态等主要信息，常见报文有雷达目标报告点迹报文和雷达目标报告航迹报文两种类型，其基本格式如表1和表2所示：

表1点迹报文(001类)

表2航迹报文(001类)

002类雷达服务报文主要用来将雷达状态信息发送给雷达数据处理系统，其报文有扇区跨越报文和正北标记报文两种类型，其基本格式如表3所示：

表3扇区跨越和正北标记报文(002类)

其中表3的第二行数据为扇区跨越报文，扇区跨越报文带有时间标记，是天线跨越扇区起始方位的时间，其传输与天线旋转同步；表3的第三行数据为正北标记报文，它独立于扇区跨越报文，其在天线跨越正北方位时进行传输发送。

本发明利用UDP无线传输协议对上述编码的报文数据进行内部局域网传输。在雷达报文数据发送中使用多线程方法，依据报文类型开设多个发送线程，通过每个线程建立SOCKET服务以实现数据的发送。对于编码的报文(十六进制数据)依据传输约定先经过格式转换形成二进制数据，再以帧为单位进行数据传输，传输顺序依次是：标志位→地址→控制字段→报文→帧检验序列→标志位。

本发明还对雷达进行目标捕获时产生的电磁波传播时间延迟进行了引入，这涉及到雷达目标报告报文的延迟，依据需要利用Thread.Sleep(τ)线程进行控制，其中τ为时间变量，定义传播时间延迟变量。在建立二次雷达传感器进行目标扫描及报文发送时，需要引入电磁波的传播时间，即传感器在进行报文发送时，在原来基础上需要进行计算并添加上这一传播时间再进行发送。传播时间t_t为：

t_t＝2·r/c+t_r  (12)其中r为斜距，c为电磁波在空气中传播速度，t_t为电磁波传播总时间，t_r为机载应答机应答延迟时间(3微妙)。计算机在时间处理时采用的最小计数单位为1毫秒，t_r可以忽略不计：

1)当r≤15千米时，t_t<1毫秒，此情况下可以认为不存在时间延迟；

2)当r≥15千米时，t_t>1毫秒，此时需要进行延迟发送。

本方法通过对报文传输时间延迟的引入，增加了仿真数据的可靠性和逼真性。

(5)根据步骤(3)和(4)建立多个传感器以实现多雷达报文数据持续生成的S5阶段：

为实现多雷达数据源的仿真需求，需要建立多雷达传感器平台。

本发明根据步骤(3)和(4)，依次在多台计算机上建立单传感器并进行不同的参 数配置，具体参数信息包括地理位置、作用距离、天线夹角、扫描周期、扫描扇区总数等，这些传感器同时接收分发的ADS-B数据，分别进行数据筛选、数据编码及报文的传输发送，从而搭建多雷达数据仿真系统平台，实现多雷达数据的持续生成，仿真系统总体设计构架如图4所示。依据需求可以对多雷达传感器进行相关参数配置，进而实现多种雷达报文数据的生成。

实验结果

本发明提供的利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法可以通过以下实验进一步说明。

实验采用的数据源为ADS-B接收机实时接收的动态飞行数据。这些动态数据包括ICAO识别码、二次雷达识别码、地理位置(经度、纬度、高度)、速度、航向、时间等信息。

以两个传感器为例进行设置，其编码设计流程如图5所示。框架图分为3个部分，中间部分为ADS-B数据源，由ADS-B天线，接收机及一台计算机组成，实现对ADS-B原始数据的接收及预处理功能。框架图左和右部分为平行建立的两个传感器，建立在两个相互独立的计算机上。传感器接收数据源分发的数据，在不启动天线扫描时，将接收的ADS-B目标数据直接进行屏幕显示并定期进行刷新，其中的一个传感器运行效果图如图6(a)所示；启动天线扫描以后，两个传感器分别进行ADS-B数据的接收、目标数据筛选、屏幕显示、编码以及按照HDLC帧格式分别进行报文数据的传输发送。报文利用UDP无线协议进行内部局域网数据传输，通过不同的发送线程对雷达目标报告报文、正北标记报文和扇区跨越报文进行发送。

为对本发明建立的仿真系统报文数据进行评估分析，建立了两个相同的雷达传感器报文数据接收程序，报文数据接收端窗体界面包括两部分，一部分是原始报文数据显示窗口，包括原始报文编码数据直接显示窗口，报文接收计数窗口以及目标报告报文解码显示窗口(显示目标的斜距，方位角，高度和地速信息)；另一部分是原始报文数据解码目标显示画面，用来对解码的目标进行显示。图6(b)为接收程序对仿真系统两个传感器发送的编码报文的接收处理图，可以看到由仿真系统两个传感器分别发送出的逐条的原始报文数据、报文条数以及目标报文数据解码显示信息。图6(c)为对目标报文的解码目标显示图，可以得知两个画面显示的飞机图标(白色点)位置总体轮廓相同，只是位置发生了水平移动。仿真系统在设置两个传感器参数时，只对地理坐标作了变动，二者 纬度和海拔高度均保持相同，只有经度不同，其余参数均一致。因此预测其目标显示结果也只有经度方向的差异，即水平方向上的差异，这与图6(b)显示结果相一致。

实验结果表明，本发明提供的利用ADS-B数据实现多雷达数据半实物仿真方法既实现了对雷达传感器的仿真，又实现了由ADS-B数据向多雷达数据的高质量稳定转换生成，建立的多雷达数据仿真系统平台可用于空管多雷达数据的进一步开发研究。