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摘 要：研究讲述广播式自动相关监视系统和空管雷达信标系统各自的特长与不足，研究设想出将两者强强联合信息高度兼容的系统模式。新模式在任何搭载飞行器中所反馈航迹都能实现数据统一，研究监测信息认为，新模式能在空管雷达信标系统探测真实性与低误差率的性能下，加强目标追踪准确度和数据刷新频率，因此保证对航空器由地面到空中的不间断跟踪。
关键词：广播式自动相关监视系统 二次雷达 信息交融 数据融合
中图分类号：TN958.96;TP277 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2020）11（a）-0043-03
Data Fusion and Application of Broadcast Automatic Correlation Surveillance and Secondary Radar
HE Shuai
（Zhongdian Technology Yangzhou Baojun Electronics Co.， Ltd.， Yangzhou， Jiangsu Province， 225003 China）
Abstract： This paper describes the advantages and disadvantages of automatic correlation monitoring system and air traffic control radar beacon system， and proposes a system mode of highly compatible information of the two systems. The new mode can realize the data unification in the flight path feedback of any aircraft on board. According to the research of monitoring information， the new mode can enhance the target tracking accuracy and data refresh frequency under the performance of detection authenticity and low error rate of ATC radar beacon system， so as to ensure the uninterrupted tracking of aircraft from ground to air.
Key Words： Broadcast automatic correlation monitoring system; Secondary radar; Information fusion; Data fusion
當前，广播式自动相关监视系统具备跟踪准确、数据刷新快、陆地建设廉价以及组装修理简洁等优势，在非军事航空器相互跟踪监测领域日益受到肯定。
ADS-B可以通过飞行器或地面交通设备广播的信息获取精准的四位定位信号（经度、纬度、高度、时间）以及其他关联信息（冲突警告信息、飞行员录入信息、航迹信息、飞行拐点信息等）甚至飞机的型号和所在航空公司的注册信息等。
将ADS-B技术应用到航空管制雷达架设条件不允许的地区，ADS-B很好地补充了以上空白缺陷，从而实现类似雷达的空中管制服务。ADS-B以其廉价及性能完美地弥补了雷达覆盖盲区的不足，通过数个网点的ADS-B互联监视，来改善空中飞机来往数量管理、和更广泛范围内对飞机的飞行姿态进行动态监视。
1 二次雷达的相关概述
二次雷达系统由地面设备（包括天线设备、询问机和点迹录取器）和机载设备（应答机、天线）组成。地面站发射1 030 MHz的询问脉冲，机载应答机接收并确认询问信号后，以对应的模式通过全向天线发射频率为1 090 MHz的应答脉冲。该应答脉冲被地面站天线系统接收后，送往接收机和点迹录取器，点迹录取器检测到飞机后再计算出飞机方位、距离，经过解码确定飞机的应答代码和飞行高度。
按雷达方位角度定位体制的不同，可以把二次监视雷达分为常规二次监视雷达（SSR）和单脉冲二次监视雷达（MSSR）。按其询问和识别处理方法的不同又被划分为空中交通管制雷达信标系统（ATCRBS）和Mode S系统。
2 ADS-B数据链路分析
2.1 11090 ES数据链
发展二次监视雷达在航空管制系统中的重要性被国际民航组织提上议事日程，时至今日二次雷达在国际航空领域已经得到广泛应用，由于1090ES是二次监视雷达的延伸功能。目前a/c模式航空管制二次雷达已经大量使用，单这两种方式的数据传输内容有限，以前研制生产的s模式应答机不能满足ADS-B飞机搭载应答系统的性能需求，当前飞机通信系统设备以及内置程序的更新换代已经成为一项紧迫任务。市场化通信系统的运营模式完全可以满足ADS-B工作需求。两者脉冲频率已经实现完美兼容，飞机的个体身份及运行模式信息已经完全包含在该系统数据库中。
1090ES编码模块通过脉冲进行数据编码，它发送的数据由前导脉冲和信息模块组成，并融入1 090 mhz射频信号中。前导脉冲有4个脉冲组成，位置分别是0 μs、1 μs、3.5 μs、4.5 μs。8 μs处开始是应答数据模块信息，长度112 μs，每一个数据位的位置傻瓜，都是宽度为1 μs的“有脉冲及无脉冲”区间，即“一个脉冲后跟一个无脉冲”表示二进制数1，用“一个无脉冲后跟一个脉冲”表示二进制数0，这种编码形式对抗干扰具有非常强的能力。 ADS-B OUT以1 090 mhz的频率与地面站进行数据交流通信，其发射频率（1 mbit/s）、长波用于信息交换的中间载体。
2.2 UTA数据链
UTA作为ads-b专用监视数据链设备，脱离了传统系统的束缚。同时支持ADS-B、FIS-B和TIS-B广播服务，这些广播服务可以通过时分复用和随机访问相结合的混合介质访问技术来实现。作为一中宽带数据链，它的码元速率高达1.041 667 Mbps。报文类型氛围ADS-B报文（又可分为基本ADS-B报文和长ADS-B报文）和地面上行报文。ADS-B报文用于飞行器广播信息，地面上行报文用于地面站广播信息。UAT报文的每个帧长度为1 s，与UTC时间保持同步。
2.3 VDL-4概述
VDL-4目前已成为国际民用航空组织和欧洲电信标准协会推荐的规范化数据链通信技术，它的核心为自组织的时分多址（STDMA）协议。TDMA在每个时隙的起始都会给予任何一个平台（飞机、地面站或车辆）一次利用整个信道发射数据的机会。各平台根据精密时间同步系统竞争时隙以获取发射的机会，竞争成功的平台在某一个特定的时隙发射自己的信息。
VDL-4的基本设备包括VHF收发器、GNSS收发器和数据通信处理器。其中VHF收发器用于接收、发射VHF射频信号;GNSS用于获取位置和时间信息;数据通信处理器用于对接收到的信息进行和对信道的访问进行控制。
3 融合算法
要想监测飞机航行轨迹的连续性就要让系统实现按预先设计好的程序来进行滤波（比如对飞机抵达目的地的优先顺序来进行滤波）这样就能节省大量的时间，从而规避了ADS-B与SSR在工作时时间的不同步。广播自动相关监视与二次雷达的数据融合分别在完成报文格式检查、解码、剔除野值后进行坐标转换、时间对齐、航迹关系最后才进行数据的融合。
假设系统有N个数据源，现已知数据处理中心在k时刻对于目标物体运动状态的融合估计为，误差的协方差计算为，因此，可以预测融合中心在目标物体运动状态在k+1时的初步预测为：
（2）
4 系统数据测试
信息系统在检测过程中进行了信息融合，进行对非国航的两处机场以及四周装配的n套1090ES ads-b接收设备，在对飞机地面以及一周为数百千米的领空及天气进行全方位的掌握，ADS-B采集信息经网络发送到信息中心，经数台ADS-B陆地全面监视，解决高楼、山川等屏障对飞行器信息交换造成的信号减弱因素的产生和丢失。
在实际检测中，对不同数据源进行分析表明ads-b性能远高于SSR的低刷新频率和跟踪精度，同样一个飞行目标在不同（ads-b、SSR）监视的状态下，其反馈出的准确度和刷新頻率几乎接近，但是当目标被单一设备（ads-b或者SSR中的任何一个）监视的时候，数据处理中心输出的只有该监视设备的滤波输出。
经过数据处理中心融合之后，无论数据源来自哪个监视系统，都可以输出一致的航迹。
5 结语
此次试验通过对机场周边安装数个1090ES ads-b接收设备，同时对空中目标及地面场站进行监测并进行数据的融合分析验证，通过对实验数据的检测验证得出的答案来看：非同一种航空器装备的仪器在探测信息量较少的时候同样可以反馈相同的数据，和现有的ATC显示编码实现完美融合。实现了从空中到地面的不间断数据交换。这种集中式序贯滤波融合算法在民用航空领域起到了非常优越的作用，值得推广应用。
参考文献
[1] 卢伟.浅谈二次雷达S模式及其抗干扰性能[J].电脑知识与技术，2019，15（13）：254-256.
[2] 唐勇，何东林，朱新平.广播式自动相关监视与二次雷达的数据融合及应用[J].成都大学学报：自然科学版，2018，37（2）：159-162.
[3] 胡枫.关于二次雷达与ADS-B广播式自动相关监视的对比研究[J].数字通讯世界，2016（4）：248-249.
[4] 张玥，李珣，李彦斌，等.广播式自动相关监视系统研究与实现[J].计算机测量与控制，2019，27（1）：156-161，180.
[5] 郭健伟.ADS-B广播式自动相关监视系统及其应用研究[J].通信电源技术，2019，36（1）：90-91.
[6] 王瑞平，吴静松.广播式自动相关监视设备系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（7）：2366-2370.
关键词：广播式自动相关监视系统 二次雷达 信息交融 数据融合
中图分类号：TN958.96;TP277 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2020）11（a）-0043-03
Data Fusion and Application of Broadcast Automatic Correlation Surveillance and Secondary Radar
HE Shuai
（Zhongdian Technology Yangzhou Baojun Electronics Co.， Ltd.， Yangzhou， Jiangsu Province， 225003 China）
Abstract： This paper describes the advantages and disadvantages of automatic correlation monitoring system and air traffic control radar beacon system， and proposes a system mode of highly compatible information of the two systems. The new mode can realize the data unification in the flight path feedback of any aircraft on board. According to the research of monitoring information， the new mode can enhance the target tracking accuracy and data refresh frequency under the performance of detection authenticity and low error rate of ATC radar beacon system， so as to ensure the uninterrupted tracking of aircraft from ground to air.
Key Words： Broadcast automatic correlation monitoring system; Secondary radar; Information fusion; Data fusion
當前，广播式自动相关监视系统具备跟踪准确、数据刷新快、陆地建设廉价以及组装修理简洁等优势，在非军事航空器相互跟踪监测领域日益受到肯定。
ADS-B可以通过飞行器或地面交通设备广播的信息获取精准的四位定位信号（经度、纬度、高度、时间）以及其他关联信息（冲突警告信息、飞行员录入信息、航迹信息、飞行拐点信息等）甚至飞机的型号和所在航空公司的注册信息等。
将ADS-B技术应用到航空管制雷达架设条件不允许的地区，ADS-B很好地补充了以上空白缺陷，从而实现类似雷达的空中管制服务。ADS-B以其廉价及性能完美地弥补了雷达覆盖盲区的不足，通过数个网点的ADS-B互联监视，来改善空中飞机来往数量管理、和更广泛范围内对飞机的飞行姿态进行动态监视。
1 二次雷达的相关概述
二次雷达系统由地面设备（包括天线设备、询问机和点迹录取器）和机载设备（应答机、天线）组成。地面站发射1 030 MHz的询问脉冲，机载应答机接收并确认询问信号后，以对应的模式通过全向天线发射频率为1 090 MHz的应答脉冲。该应答脉冲被地面站天线系统接收后，送往接收机和点迹录取器，点迹录取器检测到飞机后再计算出飞机方位、距离，经过解码确定飞机的应答代码和飞行高度。
按雷达方位角度定位体制的不同，可以把二次监视雷达分为常规二次监视雷达（SSR）和单脉冲二次监视雷达（MSSR）。按其询问和识别处理方法的不同又被划分为空中交通管制雷达信标系统（ATCRBS）和Mode S系统。
2 ADS-B数据链路分析
2.1 11090 ES数据链
发展二次监视雷达在航空管制系统中的重要性被国际民航组织提上议事日程，时至今日二次雷达在国际航空领域已经得到广泛应用，由于1090ES是二次监视雷达的延伸功能。目前a/c模式航空管制二次雷达已经大量使用，单这两种方式的数据传输内容有限，以前研制生产的s模式应答机不能满足ADS-B飞机搭载应答系统的性能需求，当前飞机通信系统设备以及内置程序的更新换代已经成为一项紧迫任务。市场化通信系统的运营模式完全可以满足ADS-B工作需求。两者脉冲频率已经实现完美兼容，飞机的个体身份及运行模式信息已经完全包含在该系统数据库中。
1090ES编码模块通过脉冲进行数据编码，它发送的数据由前导脉冲和信息模块组成，并融入1 090 mhz射频信号中。前导脉冲有4个脉冲组成，位置分别是0 μs、1 μs、3.5 μs、4.5 μs。8 μs处开始是应答数据模块信息，长度112 μs，每一个数据位的位置傻瓜，都是宽度为1 μs的“有脉冲及无脉冲”区间，即“一个脉冲后跟一个无脉冲”表示二进制数1，用“一个无脉冲后跟一个脉冲”表示二进制数0，这种编码形式对抗干扰具有非常强的能力。 ADS-B OUT以1 090 mhz的频率与地面站进行数据交流通信，其发射频率（1 mbit/s）、长波用于信息交换的中间载体。
2.2 UTA数据链
UTA作为ads-b专用监视数据链设备，脱离了传统系统的束缚。同时支持ADS-B、FIS-B和TIS-B广播服务，这些广播服务可以通过时分复用和随机访问相结合的混合介质访问技术来实现。作为一中宽带数据链，它的码元速率高达1.041 667 Mbps。报文类型氛围ADS-B报文（又可分为基本ADS-B报文和长ADS-B报文）和地面上行报文。ADS-B报文用于飞行器广播信息，地面上行报文用于地面站广播信息。UAT报文的每个帧长度为1 s，与UTC时间保持同步。
2.3 VDL-4概述
VDL-4目前已成为国际民用航空组织和欧洲电信标准协会推荐的规范化数据链通信技术，它的核心为自组织的时分多址（STDMA）协议。TDMA在每个时隙的起始都会给予任何一个平台（飞机、地面站或车辆）一次利用整个信道发射数据的机会。各平台根据精密时间同步系统竞争时隙以获取发射的机会，竞争成功的平台在某一个特定的时隙发射自己的信息。
VDL-4的基本设备包括VHF收发器、GNSS收发器和数据通信处理器。其中VHF收发器用于接收、发射VHF射频信号;GNSS用于获取位置和时间信息;数据通信处理器用于对接收到的信息进行和对信道的访问进行控制。
3 融合算法
要想监测飞机航行轨迹的连续性就要让系统实现按预先设计好的程序来进行滤波（比如对飞机抵达目的地的优先顺序来进行滤波）这样就能节省大量的时间，从而规避了ADS-B与SSR在工作时时间的不同步。广播自动相关监视与二次雷达的数据融合分别在完成报文格式检查、解码、剔除野值后进行坐标转换、时间对齐、航迹关系最后才进行数据的融合。
假设系统有N个数据源，现已知数据处理中心在k时刻对于目标物体运动状态的融合估计为，误差的协方差计算为，因此，可以预测融合中心在目标物体运动状态在k+1时的初步预测为：
（2）
4 系统数据测试
信息系统在检测过程中进行了信息融合，进行对非国航的两处机场以及四周装配的n套1090ES ads-b接收设备，在对飞机地面以及一周为数百千米的领空及天气进行全方位的掌握，ADS-B采集信息经网络发送到信息中心，经数台ADS-B陆地全面监视，解决高楼、山川等屏障对飞行器信息交换造成的信号减弱因素的产生和丢失。
在实际检测中，对不同数据源进行分析表明ads-b性能远高于SSR的低刷新频率和跟踪精度，同样一个飞行目标在不同（ads-b、SSR）监视的状态下，其反馈出的准确度和刷新頻率几乎接近，但是当目标被单一设备（ads-b或者SSR中的任何一个）监视的时候，数据处理中心输出的只有该监视设备的滤波输出。
经过数据处理中心融合之后，无论数据源来自哪个监视系统，都可以输出一致的航迹。
5 结语
此次试验通过对机场周边安装数个1090ES ads-b接收设备，同时对空中目标及地面场站进行监测并进行数据的融合分析验证，通过对实验数据的检测验证得出的答案来看：非同一种航空器装备的仪器在探测信息量较少的时候同样可以反馈相同的数据，和现有的ATC显示编码实现完美融合。实现了从空中到地面的不间断数据交换。这种集中式序贯滤波融合算法在民用航空领域起到了非常优越的作用，值得推广应用。
参考文献
[1] 卢伟.浅谈二次雷达S模式及其抗干扰性能[J].电脑知识与技术，2019，15（13）：254-256.
[2] 唐勇，何东林，朱新平.广播式自动相关监视与二次雷达的数据融合及应用[J].成都大学学报：自然科学版，2018，37（2）：159-162.
[3] 胡枫.关于二次雷达与ADS-B广播式自动相关监视的对比研究[J].数字通讯世界，2016（4）：248-249.
[4] 张玥，李珣，李彦斌，等.广播式自动相关监视系统研究与实现[J].计算机测量与控制，2019，27（1）：156-161，180.
[5] 郭健伟.ADS-B广播式自动相关监视系统及其应用研究[J].通信电源技术，2019，36（1）：90-91.
[6] 王瑞平，吴静松.广播式自动相关监视设备系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（7）：2366-2370.