一种基于ADS-B、WAM和雷达的组合监视方法及其架构

978MHz的广播式自动相关监视系统(ADS-B)技术在通用航空空管领域有广泛应用。中国民航飞行学院在我国首次应用ADS-B系统。从2005年至今,中国民航学院的所有5个机场建立了地面基站,150架飞机加装了机载ADS-B系统,系统运转良好,极大地提高了训练飞行的安全性和空域的利用率。为保证系统数据的精度和完整性,本文介绍了一种方法,即实现多种导航覆盖的ADS-B、广域多点相关系统(WAMLAT)和雷达监视的组合方法,以提高空中交通监视的可靠性,满足空中交通监视所需的导航精度、导航完整性和监视完整性要求。这种综合构型监视方法,将有助于推动多监视源的应用。     

ADS-B统计数据的位置导航不确定类别质量分析

为实现广播式自动相关监视(ADS-B)航迹与雷达航迹的高质量融合,必须对ADS-B航迹和雷达航迹数据质量进行分析。在分析实际ADS-B航迹数据的基础上,提出以航路为参考基准验证ADS-B航迹数据精度及完好性的方法。根据ADS-B报文中的位置导航不确定类别(NUCp)值,统计航迹点与航路中心线的水平偏差并将其作为位置实际误差,运用分位数-分位数图法对位置实际误差进行正态分布检验,得出置信水平为99%的实际误差置信区间,即在不同NUCp值下可信赖的位置误差范围。实验结果表明,在采用加权平均法进行航迹融合时,与传统权重分配相比,对于NUCp值为5或6的ADS-B航迹数据可增大权重,而对于NUCp值为7的数据则应减小权重。     

ADS-B用于高精度雷达标定的方法

为了更好地解决高精度雷达标定的问题,提出了基于广播式自动相关监视系统(ADS-B)固定误差及目标回波中心动态修正的雷达标定新方法。首先分析了ADS-B位置数据误差的来源、类型及在雷达坐标系下的特征,同时对民航目标回波中心的变化作了分析建模,在此基础上进一步通过对雷达数据与ADS-B数据之差作动态联合修正,最终估算出雷达系统误差,提高了雷达系统误差标定的精度和稳定性。并利用多批次的实测数据对该标定新方法与其他方法进行了对比验证,结果表明,该方法有效提高了标定的精度和稳定性,并已成功应用于雷达标定设备中。     

星基ADS-B接收机监视容量分析

星基广播式自动相关监视（ADS-B）系统是实现广域范围内航空器监视的重要技术手段。星基ADS-B系统内部存在严重的共信道干扰,共信道干扰限制了系统的监视性能。为了定量给出星基ADS-B接收机监视容量的计算方法,首先,给出了星基ADS-B系统的模型;随后,通过理论分析得到了星基ADS-B接收机报文冲突概率及报文正确接收概率,以此为基础理论,分析得出星基ADS-B接收机位置报文更新间隔及监视容量的计算方法;最后,构建了星基ADS-B仿真系统,仿真验证了理论计算公式的正确性。研究表明：星基ADS-B接收机的监视容量由飞机-卫星空天链路的误码率及ADS-B应用子系统所要求的位置报文更新间隔联合决定。     

共信道干扰环境下星基ADS-B系统监视性能

星基广播式自动相关监视系统（星基ADS-B）是实现广域范围内航空器监视的主要技术手段。为揭示星基ADS-B系统共信道干扰对系统监视性能的影响，提出了星基ADS-B系统监视容量的计算方法。首先给出了星基ADS-B系统模型，随后理论分析给出消息正确接收概率、位置消息更新间隔及位置报告更新间隔的计算公式，以此为基础给出了星基ADS-B系统监视容量的计算公式，最后基于SNS软件构建了星基ADS-B仿真系统，仿真验证了理论结果的正确性。研究表明：星基ADS-B系统的监视容量由ADS-B应用子系统所要求的航空器位置报告更新间隔、航空器-卫星链路的误码率、星-地面站链路的误码率及卫星数目联合确定。     

ADS-B监视下飞行间隔评估方法研究

广播式自动相关监视（ADS-B）技术推广使用的首要问题是间隔标准的确定,为此ADS-B下飞行间隔的评估就成为亟待解决的问题。采用与基准系统进行比较的方法,对ADS-B监视下的飞行间隔的安全评估方法进行了研究。建立了ADS-B监视下的危险接近概率模型,确定了ADS-B下飞行间隔的研究方法,对雷达监视和ADS-B监视下的危险接近概率进行比较分析,在不低于雷达监视的安全目标水平下确定出ADS-B监视下对应的最小间隔。研究结果表明：在不低于雷达监视的安全目标水平下,ADS-B监视下的飞行间隔标准更小,因此方法适用于国内ADS-B监视下的飞行间隔的评估。     

EBAA：An efficient broadcast authentication scheme for ADS-B communication based on IBS-MR

Automatic dependent surveillance-broadcast （ADS-B） systems can broadcast satellitebased aircraft position, identification, etc., periodically, and are now on track to replace radar to become the backbone of next-generation air traffic management （ATM） systems. However, ADS-B systems suffer severe cyber-security problems due to the broadcast-type data link and the lack of designed-in security measures. Especially, since ADS-B messages are unauthenticated, it is easy to insert fake aircraft into a system via spoofing or insertion of false messages. Unfortu- nately, the authentication for ADS-B messages has not yet been well studied. In this paper, based on identity-based signature with message recovery （IBS-MR）, an efficient broadcast authentication scheme for ADS-B messages is proposed. The security analysis demonstrates that the scheme can achieve authenticity and integrity of ADS-B broadcast messages, as well as adaptive evolution of broadcasters＇ private keys. The performance evaluation shows that the scheme is computationally efficient for typical avionics devices with limited resources. Furthermore, the scheme achieves low communication overhead since broadcast messages can be recovered from signatures, and thus it is suitable for low-bandwidth ADS-B data link.     

基于IMMKF算法的ADS-B监视应用目标跟踪

目标跟踪是机载广播式自动相关监视（ADS-B）应用的基础功能,对提升航空器周边的弱机动民航飞机目标跟踪性能具有重要意义。提出一种基于交互式多模型卡尔曼滤波（IMMKF）算法的ADS-B 监视应用目标跟踪方法。首先,针对弱机动背景下的民航飞机的飞行特点,建立包含匀速模型和标准协同转弯模型的运动模型集,并对模型进行线性化近似;然后,将模型预测和ADS-B 状态矢量量测数据作为IMMKF 算法中多个并行卡尔曼滤波器的输入,进行并行滤波;最后,计算得到目标状态矢量的估计和模型近似概率,并作为下一次迭代的输入。结果表明：相比于基于匀速模型的卡尔曼滤波目标跟踪方法,IMMKF 方法的位置跟踪误差降低了59%,速度跟踪误差降低了77%,显著提升了状态估计性能,具备较高的跟踪精度、稳健性与计算效率,在ADS-B 监视应用中具有实际应用价值与借鉴意义。     

基于BiGRU-SVDD的ADS-B异常数据检测模型

广播式自动相关监视（ADS-B）作为新一代空管监视技术，由于采用明文方式广播发送数据，因而存在易遭受网络攻击的安全问题。为了准确检测ADS-B数据攻击行为，在充分考虑时间相关性的基础上，提出了针对ADS-B数据的异常数据检测模型。首先利用双向门控循环单元（BiGRU）神经网络预测ADS-B数据，得到了ADS-B数据预测值。再将预测值和实际值作差，将差值放入支持向量数据描述（SVDD）训练，得到了能检测ADS-B异常数据的超球体分类器。并且，选择了合适的滑动窗口，在保证异常检测准确率的同时，缩短BiGRU神经网络的训练时长。实验结果表明，BiGRU-SVDD模型能检测出随机位置偏移攻击、高度偏差攻击、重放攻击、拒绝服务（DOS）等攻击下的ADS-B异常数据。并且，与其他机器学习和深度学习方法相比，BiGRU-SVDD异常检测模型的准确率更佳，适应性更优。     

天线整流罩对GNSS观测值与定位精度影响研究

当前大部分城市为保护卫星连续运行参考站(CORS)系统基准站天线安装了整流罩,但天线整流罩对观测值以及基准站坐标影响的研究仍显不足。为解决基于广州CORS(GZCORS)的网络RTK高程测量存在较大偏差的问题,基于2016—2021年观测站数据,以及拆除基准站天线罩前后的观测数据质量与定位效果相关分析,对天线整流罩对GNSS观测值与高程定位精度的影响进行了深入探究,并分别进行了静态仿动态和城市车载动态定位测试验证。研究结果显示,天线整流罩在一定程度上会增加原始观测值的多路径效应影响,降低约10%的数据可用率,并对基准站高程定位结果产生1～14 cm的系统性偏差,进而影响用户RTK高程定位效果。定位结果显示,拆除基准站天线罩后,基于GZCORS的RTK水平定位均方根误差(RMS)为1 cm左右,高程定位精度RMS为2 cm左右;城市场景下车辆动态定位精度RMS为15～20 cm,满足车道级定位性能。     

基于深度学习的ADS-B异常数据检测模型

广播式自动相关监视（ADS-B）是下一代空中交通运输系统的重要组成部分，是新航行系统中非常重要的通信和监视技术，但其协议没有提供相关的信息认证和数据加密，因此极其容易受到欺骗干扰的影响。针对ADS-B报文数据特点，采用深度学习的seq2seq模型对ADS-B报文数据进行重构，通过重构误差来检测异常，并对数据进行特征扩展，使模型能更好的捕捉数据的时间依赖性。实验结果表明，所采用的方法优于传统的机器学习方法，且在数据特征扩展后，模型检测效果提升。相比于现有的欺骗干扰检测方法，该方法不需要改变ADS-B系统的协议，也不需要额外的节点或传感器参与，具有一定的适应性和灵活性。     

地形辅助制导系统

本文叙述一种地形辅助制导系统,用来修正惯性系统或其它导航系统的误差,以提高飞行器的制导精度。这种辅助系统含有一个卡尔曼滤波器,它将飞行器所飞过的实际地形信息与预存的地图进行比较和处理,从而估计出导航系统的误差。对于一般的丘陵地形,辅助制导后的精度可达到数十米的范围。它适用于飞机、巡航导弹、弹道导弹和其它武器运载系统,而且所需的设备简单,易于实现。     

OTHR multipath tracking with uncertain coordinate registration

Multipath probabilistic data association (MPDA) exploits discrete multipath propagation to improve tracking performance for systems such as over-the-horizon radar (OTHR). The original formulation assumed a known ionospheric environment for mapping radar measurements to ground coordinates. We consider an extension of the technique that allows for ionospheric uncertainties affecting the transformation between slant and ground coordinates in addition to the usual sensor noise. A new technique, MPDA for uncertain coordinate registration (MPCR), is described and tested on simulated and real OTHR data. The study assumes a two-layer spherical mirror ionosphere with random fluctuations of the ionospheric heights around known mean values. An extensive Monte Carlo analysis of track errors and track loss is carried out for MPCR under two scenarios and the results are compared with a baseline probabilistic data association (PDA) approach and with MPDA. The results indicate the high reliability of the MPCR approach.     

Multiradar Tracking System Using Radial Velocity Measurements

Multiradar tracking using both position and radial velocity measurements is discussed. The measurement of two or more different radial velocity components allows the calculation of rectangular velocity components. The measurement noise of the velocity components is filtered using a Kalman filter in the same way as the Cartesian position components. Before the conversion of velocity components from radial to Cartesian coordinates, the radial velocities are aligned on a time scale to account for the time shift of the radar measurements. In order to compare multiradar tracking system performance with and without radial velocity, some simulation tests have been performed for typical paths. The simulation results show a significant improvement when radial velocity is used for tracking.     

GNSS多系统RTK授时性能分析

RTK授时不依赖实时精密星历，精度高、实现简单，在短距离精密授时与时间同步中具有突出的应用潜力。针对城域环境下单系统RTK授时可能面临可用卫星数量较少、收敛时间较长等问题，验证分析了GNSS多系统RTK授时性能。基于中国科学院国家授时中心时间频率资源和3个GNSS跟踪站的BDS-3、GPS和Galileo观测数据开展多系统RTK授时试验，涉及动态、静态和固定站坐标3种模式，并从授时精度、收敛时间和稳定度3个方面展开分析。两条基线的试验结果表明：与光纤双向时间频率传递结果相比，动态模式下，多系统单频授时差异STD较GPS单系统分别提高9.13%和9.01%，静态模式分别提高6.09%和11.76%，固定站坐标模式分别提高3.04%和5.79%，多系统单频RTK授时的授时结果差异STD优于0.25 ns，双频优于0.15 ns；多系统融合使得RTK授时的收敛时间与GPS单系统相比至少缩短25%以上，静态模式下双频RTK收敛时间缩短最多，两条基线分别缩短66.9%和67.8%；3种模式多系统站间钟差的万秒稳均进入10-15量级，动态模式和静态模式下短期稳定度相比GPS单系统有明显改善，但随着平均时间的增长，这种改善也在逐渐减弱。试验结果可为城域环境下GNSS多系统RTK授时的应用推广提供一定的参考。     

干涉仪测量数据联合定位的方法

提出了干涉仪测量系统的六通道测量数据联合定位的处理思想，并提供了具体的计算处理方法。该新方法是将测速数据与定位数据联合确定运载火箭的位置坐标，进而可计算其速度、加速度等其它弹道参数，这无疑会提高测量数据的利用率和改进弹道计算结果的精度。     

雷达检测性能试验等效推算方法

 雷达检测性能是雷达最基本、最重要的性能,雷达检测性能试验是雷达试验的重要内容。由于各种原因,针对雷达的系统级原型试验常常难以开展或者只能极少量地开展,通常只能通过进行大量等效试验来辅助雷达性能的鉴定评估工作。本文针对缺乏原型试验条件下的雷达检测性能评估问题,提出了一种基于试验数据分析的雷达检测性能等效推算方法。首先给出了等效试验与原型试验之间的差异性度量方法,它是等效推算和性能评估的基础;接着对存在原型试验条件下的等效推算方法进行了研究;而后针对通常无法进行原型试验的实际情况,提出了一种基于预测模型和仿真试验相结合的零子样原型试验条件下的等效推算方法;最后通过仿真实例验证了本文方法的合理性和可行性。     

A visionary look at aviation surveillance systems

The FAA's future aviation surveillance systems fall into four categories: Automatic Dependent Surveillance (ADS) will be used in the oceanic environment; ADS-Broadcast (ADS-B) will be used in the domestic en route environment; ADS-B will be used with a secondary radar backup in the terminal area; and ADS-B will be used with primary radar backup within the Airport Surface Traffic Automation (ASTA) system on the airport's surface environment. Two other systems introduced in this paper are Cockpit Display of Traffic Information (CDTI) and Traffic Advisory and Collision Avoidance System (TCAS). All these systems will use navigational signals emitted by the Global Positioning System (GPS) constellation of satellites     

一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法

为了提高星敏感器的数据更新率,必须减少星像坐标的提取时间。在提取星像坐标的过程中,现有基于FPGA的方法虽然避免了星图保存和读取过程,然而需要高性能的FPGA才能实现。为此提出了一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法,将逐个像素聚类的方式优化成像素队列聚类的方式,实现了对恒星星像坐标的实时提取,可以解决现有的实时提取星像坐标方法中像素输出时钟与处理时钟不匹配的问题,达到1个时钟周期处理完1个像素的目的,从而减少了星像坐标的提取时间,提高了星敏感器的实时性。最后把该方法嵌入到某星敏感器系统中,实验结果表明,与现有基于FPGA的实时提取星像坐标方法相比,在相同工作频率且不降低星像坐标提取精度的前提下,提取时间仅为现有方法的21.1%,数据更新率提高了近5倍。因此,该方法不但具有实时性,而且具有较好的鲁棒性。     

ADS-B监视报文参数统计及其所需性能

基于广播式自动相关监视（ADS-B）报文的位置导航不确定性指标（NUC_P）的监视质量备受关注。针对位置导航不确定性参数好、监视质量却不高的问题，深入研究广播式自动相关监视报文数据项及其与基于性能的通信与监视的相关性。在充分考虑通信导航监视相关性及全球卫星导航系统（GNSS）广域增强等因素基础上，推导、构建了监视所需性能估计模型，并给予合理简化。在测试空域利用2个具有运行资质的生产商ADS-B接收站，连续采集近2亿条ADS-B报文，统计分析报文各信息项的状态参数，并应用到所需性能估计模型评估计算这两个ADS-B站的所需监视性能。此外还将参考文献报文参数代入模型评估所需性能。结果显示，当考虑报文各信息项统计状态及具备广域增强服务支撑时，ADS-B所需监视性能参数估计值未达到99.9%要求。若缺乏广域增强服务及相关性因素等，系统所需性能与国际民航组织（ICAO）监视要求的差距则更大。