CN114002668A - 经由超远程ads-b检测提高空中安全的二次雷达 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及经由超远程ADS‑B检测提高空中安全的二次雷达。二次雷达包括具有形成表示为SUM的和通道的辐射方向图、形成表示为DIFF的差通道的辐射方向图和形成表示为CONT的控制通道的方向图的天线，通过实现以下步骤来定位目标：‑检测经由CONT通道(102)、经由SUM通道(103)和经由DIFF通道(104)接收到的ADS‑B电文；‑至少测量电文的功率及其相对于雷达的方位(110)；根据雷达的纬度和经度位置以及相对于雷达的方位测量，通过至少利用对一个ADS‑B电文的检测来计算发送ADS‑B电文的目标的位置，经由方位测量选择在电文中编码的表示为CPR小区的位置小区。

Description

经由超远程ADS-B检测提高空中安全的二次雷达
技术领域
本发明涉及民用和军用空中交通管制(ATC)的领域。
背景技术
目前，空中交通管制主要基于二次雷达，其检测可靠性得到广泛认可，二次雷达经由SSR和S模式协议确保对飞行器的同步监视。此外，在飞行器上实现时旨在防止碰撞(TCAS：交通警报和碰撞避免***)的扩展的ADS-B电文(ADS-B是Automatic DependentSurveillance-Broadcast(广播式自动相关监视)的首字母缩写)(电文是飞机递送的位置信息；它们不会响应雷达询问信号而被触发，而是从飞机发送装置自动发送)的非同步接收由地面ATC使用，从而提供交互式监视***的一部分。
这种监视可以与IFF(识别朋友或敌人)类型的监视结合，IFF询问器确保根据各种军用协议识别飞行器。
在将这些传感器组合在一起的单个结构中，这些不同活动的操作使用同时需要：
-同时监听二次SSR/S模式雷达和IFF询问器(如果使用后者)，这些同步模式监听操作利用形成的波束SUM和DIFF；
-在非同步模式下监听民用ADS-B电文或军用5模式电文，这些非同步模式监听操作利用由前向控制方向图(表示为CONT_Front)和后向控制方向图(表示为CONT_Back)组成的控制方向图(表示为CONT)的全向覆盖。
传统地，ADS-B电文在没有来自二次雷达的请求的情况下以对发送器特定的速率被发送，该速率尤其取决于发送器的状态和发送信息的性质。因此：
-ADS-B接收器必须能够全向监听；然而：
·天线增益通常是低的，例如从11到15DBi，这取决于在专用独立ADS-B接收器情况下为覆盖360°而使用的天线数量；
·指定的保证范围约为150Nmi，甚至更多，这取决于发送电文的应答器的质量和ADS-B接收器使用的天线数量；
-此外，原则上，在ADS-B模式下定位目标需要两个几乎连续的位置电文。
ADS-B信息的接收和处理已被确定为对新生代二次雷达而言是必不可少的功能。当ADS-B功能集成到二次雷达的结构中时，接收功能主要利用CONT-Front和CONT-Back方向图，以实现尽可能接近360°的监听覆盖。这些方向图的增益通常约为超过17dB，低于和方向图(表示为SUM)的最大增益。然而，后者用于民用或军用应用中的同步检测，增益约为27dBi，允许仅保证约250Nmi的检测范围。
与同步模式相比，在民用或军用应用中，雷达范围通常主要受限于1030MHz的上行链路的范围(即受限于所发送的询问的功率和应答器的接收端灵敏度)并且ADS-B范围仅受限于1090MHz的下行链路，即应答器的功率和ADS-B接收器的灵敏度。实际上，对于二次雷达的结构本质而言，下行链路(接收)比上行链路(发送)更敏感，以确保应答器生成的任何回复都是可接收的和可利用的。
结果，同步雷达的操作增益和监听非同步ADS-B传输的操作增益(此外，就两个传感器的架构而言，所有其他方面都相同)之差约为8到10dB。这导致在集成到二次雷达中的ADS-B接收器结构中，有保证的ADS-B范围通常约为100Nmi，尽管另外要注意，经由控制方向图(CONT)接收到的非同步回复相比于通过SUM方向图接收到的同步回复极容易出现混扰(garbled)，这是因为其本质上要窄得多(约3°)。此外，交叠回复(被称为混扰)，即彼此重合的回复，使得检测和解码变得更加困难。因此，在飞行器拥挤的环境中，接收端的有保证的ADS-B检测率是S模式二次雷达的两到三倍低。
试图克服这些性能缺陷的现有技术的解决方案是已知的。特别地，在专用的ADS-B接收器中，现有技术包括增加独立天线的数量以覆盖360°，以期经由方位选择性提供保护，同时通过将一个波束与每个接收器相关联来实现改进。接收器耦合到将检测操作组合在一起的公共处理级，这避免了重复检测，尤其是目标从一个接收器传递到下一个接收器(这允许构建单个ADS-B轨迹)的通道。
这种类型的解决方案的一个缺点尤其是ADS-B***的基础设施的成本，其随着天线数量的增加而增加，天线数量通常为4到8个(多个天线、多个下引线、多边塔、多个接收器、全局ADS-B处理等)。
在将ADS-B接收器集成到雷达架构中的情况下，除了经由CONT方向图的检测之外，经由和方向图(SUM)和差方向图(DIFF)的检测也允许实现更高的增益和更好的方位选择性，但仅在很小部分的时间内(约1.4％，对应于5°/360°)。因此，这仅能除了确保经由CONT方向图的增益执行的ADS-B监听操作之外还确保在天线轴线上的更好的监听时间覆盖，超过360°。具体地，众所周知，ADS-B接收器的全局检测需要两个连续的位置电文来生成轨迹。因此，即使经由SUM方向图接收到第一个回复，也将不可避免地经由CONT方向图接收到第二个回复，因此，最终就集成到二次雷达的架构中的ADS-B接收链而言，仅限于CONT方向图的范围。
发明内容
本发明的一个目的特别是通过允许获得对目标的超远程ADS-B检测来缓解现有技术的缺点。为此，本发明的一个主题是一种用于定位发送ADS-B电文的目标的方法，该二次雷达包括天线，该天线具有形成表示为SUM的和通道的辐射方向图、形成表示为DIFF的差通道的辐射方向图以及形成表示为CONT的控制通道的方向图，通过实现以下步骤来定位所述目标：
-检测经由CONT通道、经由SUM通道和经由DIFF通道接收到的ADS-B电文；
-至少测量所述电文的功率及其相对于所述雷达的方位；
根据所述雷达的纬度和经度位置以及相对于所述雷达的方位测量，通过至少利用对单个ADS-B电文的检测来计算发送ADS-B电文的目标的位置，经由所述方位测量选择在所述电文中编码的表示为CPR小区的位置小区。
在所述电文中编码的两个编码CPR位置可能位于同一方位扇区的情况下，例如使用测量的功率和在所述ADS-B电文中编码的高度来区分所述两个位置，保留的位置是根据基于所述目标的可见性的估计器以及根据雷达接收到的功率与目标到雷达的距离的一致性而具有最高可能性的位置。
在一个具体的实现模式中，所述方法包括如下步骤，其中一旦目标进入所述雷达的询问覆盖范围，则通过以下方式确保目标的轮呼(roll-call)捕获：
-一旦目标进入所述雷达的接收覆盖范围，即利用在由所述目标发送的ADS-B电文中编码的位置；
-利用所述目标的轮呼标识，其包含在被编码在所述电文中的其S模式地址中，
天线每旋转N圈即发送一次轮呼询问，以便将目标锁定到雷达站的代码，从而避免潜在地目标一旦进入所述询问覆盖范围并且达到所述雷达的操作范围的区域而通常在每次旋转时由目标产生的M个DF11回复的污染。
所述方法例如包括如下步骤，其中所述目标在所述雷达的询问覆盖范围之前经由它们的ADS-B电文而被检测和定位，所述目标一旦进入所述询问覆盖范围就与ADS-B轨迹相关联，允许它们被所述二次雷达捕获，然后所述轨迹在它们进入所述操作雷达覆盖范围时暂时解锁以允许检测其潜在锁定状态，即它们是否被锁定到另一雷达，即不存在同步的DF11回复，从而潜在地使得能够向没有ADS-B能力的其他S模式目标提供II/SI代码冲突警告，同时确保一旦目标进入所述雷达的操作覆盖范围，即对其进行S模式轮呼监视。
所述方法例如包括如下步骤，其中，在一个移动时间窗口中，按每个3D地理小区，计算由所述雷达测量的目标的距离和在由所述目标发送的ADS-B电文中编码的所述目标的距离之差的平均值，这针对通过小区的每个目标执行，然后在任何模式下任何目标的由雷达测量的每个距离根据针对所述目标飞过的地理小区计算的平均差来被校正。
所述方法例如包括如下步骤：测量应答器的灵敏度，然后，无论是否以轮呼模式通过在进入所述雷达的询问覆盖范围时询问经由所述方法定位的发送ADS-B电文的目标，并且通过基于应答器在其对1030MHz处的询问的第一个回复上接收到的功率来计算应答器的灵敏度，检测对所述雷达以所述1030MHz发送的所述询问而具有不合要求的灵敏度的应答器，如果所述功率高于给定阈值，则声明应答器具有不合要求的灵敏度。
所述方法例如包括如下步骤，其中通过利用在所述目标飞过的一系列地理小区中的、被编码在所述目标发送的ADS-B电文中的气压高度和几何高度之差相对于在移动时间窗口中针对所述目标飞过的所述地理小区中的每一个小区计算的每小区其他目标的气压高度和几何高度之差的平均值的偏差，检测与ADS-B目标的应答器相关联的不合要求的高度计，如果所述偏差超过给定阈值，则高度计被判断为不合要求。
本发明的另一主题是能够实现这样的方法的二次雷达。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从以下参照附图给出的描述中变得明显。
图1示出了用于实现本发明的可能步骤；
图2示出了传统的ATC天线的方向图的示图；
图3示出了传统的ATC天线在集成ADS-B模式下的方位灵敏度的示图；
图4示出了根据现有技术的没有ADS-B接收的二次雷达的架构的示图；
图5示出了实现根据本发明的方法的二次雷达的架构的改变的示例；
图6示出了根据本发明的雷达利用的各种询问端和检测端的范围；
图7示出了具有两个连续电文的全局ADS-B检测原理的示图；
图8示出了根据本发明的具有单个电文的ADS-B检测原理的示图；
图9示出了可实现的ADS-B歧义去除的示图；
图10示出了跟踪进入雷达覆盖范围的目标所涉及的各种范围的示图；
图11示出了覆盖范围交叠的雷达之间的II/SI代码冲突的区域的示例；
图12示出了气压高度和几何高度之差的平均值的地图的示例；
图13示出了3D地理小区中的高度偏差的示例性分布的形状；
图14示出了对与同一地理小区中的目标一致的目标高度偏差的放大；
图15示出了对呈现与同一地理小区中的目标不一致的高度偏差的目标的放大。
具体实施方式
图1示出了用于实现本发明的步骤。该实现方案至少需要两个步骤。对于该实现方案，针对集成到二次雷达结构101中的ADS-B检测功能的存在，本发明提供包括：
-必须经由CONT_Front和CONT_Back方向图以非常高的灵敏度进行连续检测102；
-但是此外，可选地，以约15dB的较低的灵敏度经由主瓣的方向图进行连续互补检测(经由SUM方向图进行的检测103并且经由DIFF方向图进行的检测104)，以期链接CONT方向图(CONT_Front和CONT_Back)的天线增益，从而在天线轴线上在CONT图中***占据约5°的增益间隙。
图2和图3示出了所涉及的天线方向图，在1090MHz的接收端。图2示出了通常用于二次雷达的ATC功能的天线的SUM、DIFF和CONT天线方向图。SUM和DIFF方向图的增益远高于围绕天线轴线的CONT方向图的增益。图3示出了传统的ATC天线的方位集成ADS-B灵敏度，SUM和DIFF通道以与CONT通道相同的接收端灵敏度对准。
返回图1，在第一步骤110中执行ADS-B电文的超远程检测，从而：
-经由SUM和DIFF方向图以非常高的灵敏度检测ADS-B电文；
-基于经由SUM和DIFF的检测，使用传统的误差信号方法，使用单个电文计算目标的位置，如将在本说明书的其余部分详细描述的那样。
术语ADS-B电文和ADS-B回复将在下文中可互换地使用。
在第二步骤120中，可操作地利用第一步骤110。经由ADS-B对超出雷达同步操作范围的飞机进行无源检测，甚至高达两倍，允许在该飞机甚至进入雷达覆盖范围之前对其进行利用，改进雷达的操作以及ATC监视***的安全性，如下文所描述的那样。
在雷达领域，更一般地在ATC空中安全领域：
-一旦目标进入雷达的发送覆盖范围，通过以低频锁定目标来降低RF污染，因此在进入雷达的操作覆盖范围之前，通过用数量少得多的少数的轮呼(DF04)回复替换所有的全呼(DF11)回复来限制污染；
-改进对雷达范围限度内II/SI代码冲突的检测并确保雷达覆盖范围内的被另一雷达错误锁定的ADS-B目标(即更具体地，超出经由CONT方向图可实现的ADS-B监听范围的ADS-B目标)的检测；
-通过补偿电离层传播失真，改进雷达同步测距精度。
在ATC安全领域，对于配备有ADS-B发送器的飞机，在进入雷达的操作覆盖范围之前执行如下操作：
-对应答器的不合要求的灵敏度的无污染检测；
-与应答器相关联的不合要求的高度计的检测。
下面将更详细地描述本发明的原理以及各种检测区域的利用。首先，将描述用于实现本发明的二次雷达架构的可能的修改。
因此，图4和图5示出了关于本发明的S模式雷达的架构的改变，图4示出了传统的现有技术的结构，图5示出了实现本发明的结构。
参照图4，其示出了传统的S模式雷达的示图的示例，将回顾这种雷达的构成元件。图4示出了S模式二次雷达的最小架构，没有经由CONT_Front和CONT_Back方向图的集成ADS-B接收，这不是传统的二次雷达配置中的标准接收模式。下面的描述提出了基于四个通道SUM、DIFF、CONT_Front和CONT_Back的解决方案，尽管本发明当然适用于基于三个通道SUM、DIFF和CONT的解决方案。
当以传统方式使用时，二次雷达以同步模式操作，即发送询问并等待与其一致的回复，这允许经由测量(方位和距离)来定位和识别(经由S模式地址)目标。图4的示图示出了S模式雷达的这种同步操作：
-左手部分示出了询问的生成；
-右手部分示出了相关联的回复的同步处理；
以及它们之间的同步，由左右之间的横向箭头表示。
为了执行该任务，雷达配备有天线1，其经由四个方向图11、12、14、15以1030MHz发送询问并以1090MHz响应接收回复，所述方向图的作用通常是:
-SUM方向图，询问和检测目标的同步回复；
-DIFF方向图，精细定位在SUM波束中的目标；
-CONT_Front方向图，阻止和拒绝来自面向天线但不存在于主SUM波束中的目标的回复；
-CONT_Back方向图，阻止和拒绝来自天线后面(并且因此必然不存在于主SUM波束中)的目标的回复。
尽管SUM和DIFF方向图通常是窄的，具有在2.4°到10°之间的3dB波瓣，但CONT_Front和CONT_Back方向图试图每个实际上覆盖180°。
天线也可以具有：
-设定方向图，即所谓的“机械”天线，并旋转；
-有源电子扫描方向图，即所谓的AESA，并保持固定或旋转。
对于旋转天线，旋转接头2和天线下行电缆确保：
-以1030MHz发送的信号和以1090MHz接收的信号的RF耦合，对于雷达的旋转部分和固定部分之间的四个方向图独立；
-天线的主瓣的轴线的方位位置201的转移。
RF处理阶段包括：
-双工器或循环器3，确保以1030MHz发送的信号和以1090MHz接收的信号之间的RF耦合，对于四个方向图独立；
-发送器4，其：
·经由SUM方向图以1030MHz发送询问；
·经由CONT_Front和CONT_Back方向图以1030MHz发送脉冲以阻挡SUM波瓣之外的应答器；
·发送器针对各种二次协议(IFF、SSR和S模式)执行此操作；
-接收器5经由四个方向图SUM、DIFF、CONT_Front和CONT_Back以1090MHz接收回复并计算用于各种二次协议IFF、SSR和S模式的误差信号。
实时处理阶段包括：
-空时管理器6，其实时管理用于各种二次协议IFF、SSR和S模式的询问时段和相关联的监听时段；
-信号处理器7：
·对于各种二次协议IFF、SSR和S模式，处理与询问相关联的监听时段中的回复；
·通过利用四个辐射方向图检测和解码天线主瓣中的同步回复：
οSUM：检测在主瓣中接收到的回复；
οDIFF：方位上精细定位在主SUM波瓣中接收到的回复，并潜在地解除混扰回复；
οCONT_Front和CONT_Back：拒绝经由SUM和DIFF旁瓣接收到的回复。
处理天线主瓣的阶段包括：
-目标的管理器8存在于波瓣中，其：
·对于各种二次协议IFF、SSR和S模式，准备(询问-回复)业务以在下一个波瓣中执行；
·管理波瓣中的IFF、SSR、全呼S模式和轮呼S模式时段；
·根据刚刚执行的业务状态和进入波瓣的任何新飞行器，在下一个轮呼时段中动态地进行选择性的S模式询问和回复；
-提取器9，其基于在波瓣中接收到的同步回复并根据用于询问的协议针对各种二次协议(IFF、SSR和S模式)中的每一个生成图线。
多旋转处理阶段10包括：
-关于覆盖范围中的目标要执行的S模式任务的管理器101，其预测目标位置(天线交叉点)并根据内部请求、外部请求和先前的旋转的业务状态准备与这些位置相关联的要执行的任务；
-覆盖范围内目标的图线的关联和跟踪102，确保跟踪目标以期改进性能(特别是通过去除错误图线和检查解码数据)并主要但不仅仅限于在S模式中预测其未来位置。
用户接口允许雷达考虑各种请求，以及要查看的目标的图线和轨迹。
图5示出了相对于图4的传统架构的改变，这些改变使用粗虚线表示。尽管S模式雷达的操作是同步的，但是可以看出，为本发明添加的处理操作31、32与发送无关，并且对于本发明的第一步骤110，仅利用天线主瓣的轴线的方位位置。大多数元件保持不变，从而满足本发明不干涉S模式雷达的功能操作的标准。
添加的主要元件具有下述功能：
在空时管理器6中：
-将天线主瓣的方位位置发送33到用于处理非同步ADS-B回复的操作31(见下文)；
在信号处理器7中：
-添加处理操作31，其是连续的(即，独立于发送询问的时段)并且通过分立地但是同等地以各自最大灵敏度利用四个方向图SUM、DIFF、CONT_Front和CONT_Back来检测和解码非同步ADS-B回复：
·为了检测收到的所有ADS-B电文：DF17；
·从中提取S模式地址；
·用其特性丰富每个解码的回复：检测时间；检测时天线主瓣的方位；经由SUM、DIFF、CONT_Front和CONT_Back接收到的功率；以及主SUM和DIFF波束中的ADS-B电文的离轴角，这是使用误差信号方法计算的；
在非实时处理阶段(多旋转处理阶段)中
-添加ADS-B目标的远程位置32；
-在达到同步询问范围时执行选择性询问的决定34。
参照图6，现将说明本发明的原理。根据本发明的雷达仍然以传统方式利用CONT方向图来检测ADS-B电文。用于这种传统ADS-B处理的雷达范围由第一圆圈41示出。此外，如下文将描述的，本发明经由通道SUM和DIFF有利地利用接收(RX)由周围的飞机的应答器发送的信号的范围限制，该范围限制由较大直径的圆圈42示出。接收范围本身大于由雷达发送(TX)并由应答器解释的询问的最大范围，该范围由对应于高灵敏度的应答器的第三圆圈43示出。
换言之，根据本发明的远程ADS-B检测的原理基于利用以下之间的范围差：
-雷达的操作覆盖范围，该覆盖范围由最后的圆圈44示出并基于保证值：
·对于1030MHz的发送而具有最小灵敏度的应答器；
·对于1090MHz的同步接收而具有最小功率的应答器；
·同步模式下的雷达天线的SUM和DIFF方向图的增益；
·雷达使用的关注覆盖范围，其累积必然比上述三个标准更窄；
-考虑到具有最大灵敏度的应答器，在1030MHz处的询问的最大范围43，该最大范围在第二步骤120中被利用；
-考虑以最大功率发送的应答器，在1090MHz的最大接收范围42；
-对于集成到雷达中的ADS-B功能，ADS-B操作范围41，基于保证值：
·在传统的ADS-B模式下使用的天线的CONT方向图的增益，以确保连续检测ADS-B电文(见下文)；
·对于1090MHz的非同步接收，具有最小功率的应答器。
图7示出了具有两个电文(下面的回复)的ADS-B全局检测的原理，该原理应用在背景技术中回顾的现有技术中。文献中众所周知，在两个ADS-B回复中，ADS-B响应者的位置信息被编码为表示为CPR格式(CPR是Compact Position Reporting(简洁位置报告)的首字母缩写)的格式，一个回复在被称为偶数帧的第一地理参考帧中发送，而另一回复在被称为奇数帧的第二地理参考帧中发送。例如，图7示出了九个回复小区61，偶数回复62以粗体绘制，而奇数回复63以更精细的字符绘制。每个CPR小区62、63包含与小区相关的纬度信息和经度信息，小区以轴线***表示，其中y轴线表示纬度，x轴线表示经度。众所周知，应用这种全局检测的ADS-B接收器必须执行以下操作以定位ADS-B发送源：
-接收两种不同类型的两个连续的ADS-B电文：偶数ADS-B电文帧62和奇数ADS-B电文帧63；
-通过计算偶数位置和奇数位置对应的唯一CPR小区64来确定源(目标)的位置。
因此，能够重建地球参考系中(而不是相对于小区)的绝对纬度和经度位置。
图8示出了根据本发明的ADS-B检测的原理。这里，示出了单帧的回复，例如非偶数帧。本发明的原理在于基于单个(偶数或奇数)ADS-B回复通过同时利用以下信息来定位目标的位置：
-雷达70的纬度和经度位置；
-雷达70在接收该ADS-B电文时进行的方位测量71，该测量是使用SUM和DIFF方向图进行的。
具体地，由于雷达的纬度和经度位置以及电文的方位测量是已知的(具有给定的容差)，因此可以计算满足以下两个条件的CPR小区72：
-在接收到的电文中发送的简洁ADS-B位置；
-从雷达的纬度和经度位置看到的电文的方位测量，
因此通过单个ADS-B电文定位ADS-B目标。参照图8，方位测量71允许从图中所示的9个可能位置(小区)中选择位置72(CPR小区)。
为了总结根据本发明的检测处理，可以回顾，在经由SUM或DIFF捕获非同步电文时，雷达测量其与同步回复相同的特性，获得：
-天线的方位位置；
-使用误差信号方法的SUM波束中的目标的离轴角；
-SUM和DIFF中的电文的功率。
由于距离在非同步回复的情况下没有意义，因此解码电文提供了关于目标的：
-相对纬度位置(偶数或奇数CPR)；
-相对经度位置(偶数或奇数CPR)；
-高度。
在目标的远程ADS-B位置中，当目标的两个可能位置81、82(在两个相邻的CPR小区中)与雷达的位置对准时，可能会遇到地理混淆，如图9所示的那样。在这种情况下，单独测量的方位71不再是允许限定正确小区的判别式。然后，利用接收到的ADS-B电文的另外两个特征：
-SUM和/或DIFF中的电文的功率；
-目标的声明高度。
由于雷达的特性是已知的：地理位置(包括其高度)和设施的RF损耗，因此可以通过基于雷达对目标的可见性(取决于雷达和目标的高度)和电文接收功率与两个位置的一致性建立估计器来限定两个可能位置之间的最高可能性的位置82。
这是通过同时利用如下信息实现的：
-经由SUM和DIFF方向图的雷达的非同步接收范围；
-使用单个电文目标的检测和定位。
雷达有利地超远程检测ADS-B目标，通常是雷达的操作范围44的两倍以上(参见图6)。
图10示出了关于例如在FL500(约15000米高度)处的飞机的路径99以及关于飞机的可见性的各种检测区域，该可见性由曲线90表示，取决于雷达和目标二者的高度。在该示例中，作为x轴线上的目标距离和y轴线上的目标高度的函数，图10允许看到：
-最大远程ADS-B检测区域，其由几乎垂直的线92界定，取决于应答器的功率和雷达的SUM方向图中的ADS-B接收器的灵敏度；
-最小保证远程ADS-B检测区域，其由几乎垂直的线95界定；
-全呼DF11回复的最大污染区域(发送污染范围)，该区域由几乎垂直的线93界定，取决于S模式应答器对经由SUM方向图的雷达询问的灵敏度；
-雷达的保证操作范围，该范围由几乎垂直的线94界定；
-经由CONT方向图的集成ADS-B接收器的传统检测区域，该区域由几乎垂直的线91界定。
需要注意的是，通常，由于广播ADS-B电文的应答器本质上是近的，因此它们的RF特性通常是好的，并且因此高于任何给定的S模式应答器的最小值，这通常会限制雷达的操作范围，其必须处理所有S模式目标，即使是那些没有配备ADS-B能力的目标。
观察飞机的可见性限制90的左侧，由于地球的曲率，其取决于雷达的高度，可以看到根据本发明的ADS-B电文的最有利远程检测(线92)和ADS-B电文的检测保证限制(线95)之间的区域，在该区域中可以在进入污染区域93，然后进入雷达的操作区域94和最后进入集成ADS-B检测区域91(保证的传统ADS-B检测)之前检测径向飞行的飞机。
如果考虑进入雷达覆盖范围的例如高度为FL500的飞机，则本发明允许考虑三个区域：
-区域A，其中在可能开始DF11污染之前，远程检测ADS-B电文；
-区域B，对应于雷达覆盖之前的DF11污染的开始；
-区域C，对应于包括传统集成ADS-B接收的雷达覆盖范围。
如以上描述所示，本发明基于如下事实，将ADS-B功能集成到雷达架构中所需的操作与雷达实现的用于处理同步(DF11、DF04/05、DF20/21)回复的S模式信号处理操作几乎相同，因为ADS-B电文实际上仅是扩展S模式回复。本发明还允许在雷达波束的主SUM或DIFF波瓣中：
-对于非同步回复而不是传统情况下的同步回复，通过执行传统的非常精确的雷达测量，针对方位和功率定位接收到的电文：
-获得比通常用于ADS-B检测的CONT方向图的增益高约15dB的高天线增益，即比通常(传统的)集成的ADS-B范围大约四倍的范围(为了便于说明，各种分离未按比例显示)；
-通过利用雷达位置、该雷达进行的精确的方位测量以及在检测到的ADS-B电文中编码的相对纬度和经度CPR位置的知识，通过单个电文(而不是在试图进行超远程检测时通常要求的两个)超远程定位目标。
允许时间覆盖率保持低，根据SUM方向图的宽度低于或等于1.4％，但本发明允许二次雷达超远程(如图10所示在200Nmi和500Nmi之间)相似地处理远距离目标，这与利用全向CONT方向图的传统的集成ADS-B接收器对较近目标进行的传统处理相同。
现将描述在第二步骤120(图1)中利用的本发明可能实现的优点，这些优点尤其涉及：
-关于雷达：
·在1090MHz的污染降低；
·检测II/SI代码的冲突以及检测在冲突的2个雷达之间的重复覆盖区域中错误锁定的目标；
·校正雷达测量的距离(取决于传播)；
-关于ATC安全：
·检测在1030MHz的灵敏度不合要求的应答器；
·生成大气压力地图并检测不合要求的高度计。
下文描述由本发明有利地实现的这五个操作改进。
降低1090MHz的污染和来自雷达操作覆盖范围之外的目标的回复数量。
目前，1090MHz频谱的占用正成为ATC监控的弱点之一。遇到的污染归因于其成功，从而所利用的回复具有不同类型，诸如：
-DF11：用于使用S模式雷达捕获新目标；
-DF04/05：对于S模式ATC监视：基本监视(ELS)；
-DF20/21：对于S模式ATC监视：增强监视(EHS)；
-DF0：用于主动TCAS碰撞避免；
-DF17：用于被动ACAS碰撞避免的ADS-B电文(ACAS是Airborne CollisionAvoidance System(机载碰撞避免***)的首字母缩写)。
考虑到在操作使用时在S模式雷达中执行的功能的目的，D04/05/17/20/21回复将继续存在。DF0回复最终将被DF17回复替换。DF11回复是由雷达未知的目标生成的，并且仅能部分地被另一方式替换，诸如：
-S模式雷达簇；
但是这仅降低其覆盖范围内部的污染，DF11污染继续存在于簇的共同覆盖范围外部；
-基于ADS-B电文的轨迹初始化；
但是全向ADS-B接收器的RF覆盖范围比雷达小约两倍，因此仅能在中短距离雷达范围内利用，以基于ADS-B电文初始化雷达轨迹；因此，这并不能防止远程污染并限制雷达的范围。
为了描述本发明对降低1090MHz频谱污染的贡献，参照图10：如果考虑进入雷达覆盖范围的在FL500飞行的目标：
-区域A：几乎只要目标可见，即可以通过远程ADS-B检测进行检测；
-区域B：如果雷达在该方位被允许，则在目标一进入雷达的发送覆盖范围，因此甚至在其开始响应DF11全呼询问之前，雷达可以立即经由轮呼UF4询问来锁定目标；随后雷达继续以低速率(约15到18秒)进行轮呼询问，这足以防止目标被解锁：因此DF11污染(每个5秒的旋转3次)降低到较低的DF04污染量(每三个5秒的旋转1次)，因此比率接近10；
-区域C：目标进入雷达的操作覆盖范围；然后有利地已经建立了轨迹。
因此，本发明允许降低由于我方雷达造成的污染和降低由该应答器不必要地产生的回复数量，同时当目标最终进入S模式雷达的操作覆盖范围时加速雷达跟踪。
远距离检测II/SI代码中的冲突区域并检测错误锁定的ADS-B目标。
下面将参照图11回顾II/SI代码在雷达范围限度内的冲突原理。多个解决方案(尤其参见专利申请FR1913154)提出检测雷达覆盖范围的其中存在与靠近所关注的雷达R1的另一雷达R2的II/SI代码冲突的区域，它们的操作覆盖范围111、112交叠。交叠区域113是两个操作覆盖范围之间的II/SI代码(如果II1＝II2)冲突区域，因此是两个雷达R1、R2锁定进入它们的覆盖范围的相同II/SI代码目标的区域，从而将它们从其他雷达中屏蔽掉。
举例来说，如果考虑各种现有方法，则在Rl和R2的共同方位中根据超远程的雷达R1的位置，通常为250Nmi(R2的倒数)，R1的离去目标(由于已经被R1锁定，因此很远)与进入目标(由于已经被R2锁定，因此只有在更近时才能看到)之间的最大距离之差指示冲突的可能性。这种方法只是指示性的(基于行为的概率)，并且不允许观察到在冲突区域尚未看到进入目标，因此更不能缓解这个问题，因此无法确保ATC安全。
在Rl和R2的该共同方位中，在雷达Rl的整个ADS-B覆盖范围内，尚未检测到的目标的S模式雷达跟踪(经由UF11/DF11全呼或通过S模式簇)，使用S模式地址和由目标广播的ADS-B电文给出的位置，允许：
-解决R2的操作覆盖范围和R1的ADS-B覆盖范围的公共区域114中的II/SI代码冲突；
-确保高反应性，因此被R2锁定的ADS-B目标一旦到达R1的ADS-B覆盖范围，即被检测到；
然而，由于R1的集成ADS-B接收器的传统范围受到R1的CONT通道(与SUM通道相比)较低的增益(约15dB)的限制，因此这不能覆盖远程雷达的整个冲突区域。
出于相同的原因，诸如专利申请FR1913154中描述的FRUITS的存在和分布的分析此后适用于所有S模式飞机，无论它们是否配备有ADS-B OUT能力，但是，对于R1的ADS-B范围，受限于R1的CONT与SUM的较低增益；因此，这种分析适用于中程雷达。
根据本发明，在雷达的操作覆盖范围之前，即接收UF11和DF11全呼的区域，这也是UF04/05和DF04/05轮呼询问的区域，即在远离雷达的该距离处，如图10所示，ADS-B目标经由它们的电文被检测和定位并且与ADS-B轨迹相关联。
如果不应用上述去除污染的原理(例如，在用户拒绝允许锁定发生在覆盖范围之外，并且因此发生在区域B中的情况下)，雷达R1仍然可以在目标进入其操作覆盖区域(区域C)时立即询问该目标，从而确保在II/SI代码的整个冲突区域内进行完美的S模式监视，但前提是目标配备有ADS-B能力。
II/SI代码中的冲突随后仅在雷达的操作覆盖范围94内声明：如果ADS-B目标被锁定在区域B中以降低DF11回复的污染，则本发明建议在进入区域C时撤销锁定，如果批准这样操作，则为了验证在区域C中不存在来自该目标的DF11回复，以期在雷达接收到对同一目标的轮呼询问的DF04/05回复的情况下声明II/SI代码冲突；因此，通过这种方法，首先检测到目标，然后才验证是否存在II/SI代码冲突，尤其为了对配备有S模式但未配备有ADS-B功能的飞机的潜在未检测提供警告。
如果ADS-B目标没有被锁定在区域C中，则在其进入区域B之前没有对雷达的DF11回复，因此在其被锁定在雷达的操作覆盖范围内之前，成为II/SI代码冲突的指标。
校正雷达测量的距离(取决于传播)。
众所周知，由于电离层各层的折射率失真，1030MHz和1090MHz的二次雷达波不沿直线传播；因此，目标似乎比实际上更远。
根据本发明，为了校正由雷达测量的距离，可以使用与用于远程ADS-B检测相同的ADS-B电文：
-约每0.5秒发送的ADS-B“空中位置”消息递送纬度/经度位置和气压高度。
由于步骤110允许利用单个电文确定ADS-B目标的纬度和经度位置和高度，与雷达的已知纬度和经度位置相关联，因此可以重新计算到目标的准确距离，即从所述目标所在的地理位置和高度到雷达的准确距离，这主要用于具有到雷达的超远距离的中空目标的可见性的高空雷达(高度高于1000m)。
因此，本发明提出，在可调整以反映环境大气稳定性的移动时基中，收集每个3D地理小区和每个高度切片的关于由雷达测量的距离和由小区中存在的ADS-B目标计算的距离之差的统计数据。因此，对于每个使用ADS-B目标的小区，都与雷达测量的距离与几何距离之差的平均值相关联。如果允许雷达询问其操作覆盖范围之外的目标，则可以在区域C甚或区域B中进行这种分析。
如果每个小区的统计数据是有代表性的(即，基于呈现稳定的距离差和与相邻小区的一致性的足够数量的样本)，那么，对于每个同步SSR、S模式或雷达的IFF目标检测，不论所述目标是否具有ADS-B能力，测量的距离(因此包括由于通过电离层传播引起的影响)可以通过几何距离的评估来完成，以便用该小区在该高度的平均差来校正测量的距离，因此对电离层反射有贡献。因此，根据目标连续飞过的地理小区中计算的平均差，对雷达测量的距离进行校正。对于多雷达管理，这种距离校正还允许改进由不同雷达为同一目标生成的轨迹的关联，从而补偿由此看到的不等的层传播。
检测低灵敏度的应答器
本发明的该可选步骤的一个目的是在进入雷达的远处覆盖范围之后尽快检测包括低灵敏度，即灵敏度低于标准阈值的应答器的飞机的存在。因此，可以提供关于由雷达同步检测这些飞机的潜在脆弱性的警告，即在机动期间降低从雷达接收到的辐射场的飞机可能不再被检测到。国际民航组织(ICAO)在附件10第IV卷中限定了安装在飞机上的应答器天线的预期RF特性：
-关于监听询问的能力(仅同步模式)，关于灵敏度：-71至-77dBm；
-关于同步和非同步回复的发送，关于功率：51至57dBm(125至500W)。
专利申请FR1800479提出通过通常在飞机从机场起飞期间，因此先验是短程的，发送各种询问作为目标监视的补充来评估有源配置中的应答器的灵敏度。这些询问的功率被衰减(经由雷达的发送器中的降低以及当目标在波瓣中非常离轴时使用天线增益的衰减二者)以确定目标不再响应的功率。具体地，由于应答器的回复的功率即使在距询问器近距离处也保持最大，因此已知雷达未检测到回复只能是由于应答器未解释询问。
本发明在此具有相同的目的，并提出评估准无源配置中的应答器的灵敏度，即不产生任何额外的询问，因此没有额外的污染，这将与前述方法相反，相同的目的是对不够灵敏的应答器的存在提供警告。
为此，一旦在天线主瓣(SUM和/或DIFF)中接收到ADS-B电文，目标即经由其S模式地址被识别并且相对于方位和距离被定位。为了限制目标在解释询问后立即发送的DF11回复所产生的污染，经由使用雷达的发送器的全功率在其中心波瓣(因此是最大增益之一)以非常低的重复率(通常每15秒1次)进行的轮呼询问，目标尽快被选择性地锁定。
由于雷达经由该目标的ADS-B电文定位目标，因此可以理所当然地认为，当目标开始响应UF11全呼或UF04/05轮呼询问时，应答器发送的功率也将符合规格；后者刚好高于应答器的接收端灵敏度阈值；然后，雷达能够通过利用特性来计算应答器天线接收到的功率，如上述专利申请FR1800479中所描述的那样，这些特性是：
关于雷达：
-天线增益(最大增益-由于询问期间目标的方位离轴角而导致的天线增益损耗)；
-由发送器和天线之间的电缆造成的损耗；
-其发送器的峰值功率；以及
关于目标：
-作为从雷达天线看到的目标高度的函数的天线增益损耗；
-由于频率非常接近(用于询问的1030MHz和用于回复的1090MHz)，在考虑与这两个频率相关的其他已知特性时，假设询问和回复之间的传播效应保持相似，估计传播损耗。
在这两种情况下，共同地，一旦目标出现在空域中，并且尽管两种方法之间存在差异，如下所示，但是它们相互补充并且二者朝着相同的目标努力。
关于专利申请FR1800479，其试图通常是在飞机从机场起飞期间并且因此是在小距离处通过降低在连续询问中发送的功率直到跨过接收端灵敏度阈值导致应答器不响应来进行灵敏度测量：因此搜索是有源的且有污染，但仍然是可接受的，因为仅在路径初始化时执行。
根据本发明，试图远程，通常甚至在飞机进入雷达的空域之前，测量灵敏度。假设由于正在检测ADS-B回复，因此下行链路(飞机到雷达)的预算是好的，如果飞机没有响应全呼或轮呼询问，这意味着其应答器仍然低于二次雷达发送的1030MHz询问的接收端灵敏度阈值。旨在用于应答器的附加的轮呼询问不会造成污染，因为在跨过接收端灵敏度阈值之前不会感知它们。
本发明实现的解决方案有利于ATC安全，因为后者需要在飞机飞行期间尽快检测到监视***的任何故障。
检测不合要求的高度计。
关于飞行器高度的分离是空中安全的基本要素之一，无论是关于空中交通管制还是关于诸如机载碰撞避免***的自动***。大气压力的测量限定飞行器的本地高度，因此可以确保关于同一航道中的飞机之间的气压高度的分离。众所周知，高度计的故障可能会导致空中灾难。因此，重要的是在飞机进入二次雷达的空中覆盖范围之前或之后尽快甚或实时地检测气压高度计的故障，如本发明允许的那样。
为了检测不合要求的气压高度计，第一步包括建立每个3D地理小区的平均大气压力，允许生成气压高度和几何高度之差的地图，本发明的远程ADS-B覆盖范围已预先划分为地理小区。小区的大小通常可以是纬度的1°和经度的1°。
每0.5秒发送一次的从作为第二种类型的ADS-B消息的空速消息获得的信息提供气压测量和(具体地经由GNSS卫星定位获得的)几何测量之间的高度差。根据本发明，在可调整以便考虑环境的大气稳定性的移动时基中针对每个地理小区收集关于该差的统计数据。图12示出了由此获得的气压高度和几何高度之差的平均值的地图的示例。平均值的等级对应于图上灰度级的等级。
与每个小区的这些平均值相关联，还考虑以下因素：
-允许建立平均值的小区中的测量次数；
-每个小区中的测量值的标准偏差，反映小区中的测量稳定性，从而反映了该小区中的大气压力的稳定性。
根据本发明，在移动时基的速率(其中取每个3D地理小区的差的平均值的移动时基)：
-对于每个地理小区，在ADS-B电文中递送的可能值范围内，对气压高度和几何高度之差的分布进行分析，通常具有25英尺的间距，如图13所示，其示出了地理小区中存在的所有目标的这些差的分布131的示例；
-那么如果：
·一方面，差的标准偏差低于本发明的指示该小区中的高度差的稳定性的参数；以及
·另一方面，小区中的一些差高于另一参数，指示小区的平均值的代表性；
这样，小区中存在的雷达的任何目标具有其相对于高度差的平均值评估的(气压/几何)高度差。
本发明的两个参数允许运营商根据其雷达站点的特性调整本发明：
-经由标准偏差的大气稳定性
-经由测量次数的飞机拥堵。
如果该高度差接近小区的其他差的分布，则根据给定的接近度标准142，目标被认为具有一致的气压/几何高度差并且其ADS-B跟踪分数的值增加，这种情况在图14中示出。该图经由曲线141示出目标的差，该曲线141接近全部差131的分布。
如果该差151超出小区的其他差的分布的量152过大，如图15所示，则目标被认为具有不一致的气压/几何高度差并且通过向其赋予值-1而不是前一种情况中的值+1(图14)，其ADS-B跟踪分数的值降低。
每个ADS-B轨迹的气压/几何高度差的一致性分数是基于给定次数的比较进行分析的，执行这些比较以期向雷达的用户声明该分数是否低于不合要求的高度计的假定值。该值的限定考虑到在电文中发送的ADS-B位置测量的精度，这些精度用于为小区参考和所讨论的目标二者建立气压/几何高度差。因此，测高误差检测越精确，则所使用的目标的数量就越少，因此受到测试的关注就越少，并且本发明必须在越长的移动窗口中整合每个小区的这个越少的数据。该参数允许调整测量位置和测量上下文的平稳性之间的一般折衷。
ADS-B电文的超远程检测允许在目标进入S模式雷达的责任覆盖范围之前执行该统计分析，并因此允许空中交通控制器以较大的裕度管理该目标与其周围的目标之间的分离，以便于即使在高度计故障的情况下，仍确保ATC安全。

Claims (8)

1.用于使用二次雷达定位发送ADS-B电文的目标的方法，所述二次雷达包括天线(1)，所述天线(1)具有形成表示为SUM的和通道的辐射方向图、形成表示为DIFF的差通道的辐射方向图以及形成表示为CONT的控制通道的方向图，所述二次雷达具有预先限定的询问覆盖范围(43)，所述方法的特征在于，通过实现以下步骤来定位所述目标：
-检测经由CONT通道(102)、经由SUM通道(103)和经由DIFF通道(104)接收到的ADS-B电文；
-至少测量所述电文的功率及其相对于所述雷达(110)的方位；
根据所述雷达的纬度和经度位置以及相对于所述雷达的方位测量(71)，通过至少利用对单个ADS-B电文的检测来计算发送ADS-B电文的目标的位置，被编码在所述电文中的表示为CPR小区(72)的位置小区经由所述方位测量来被选择。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电文中编码的两个CPR位置(81、82)可能位于同一方位扇区的情况下，使用测量的功率和在所述ADS-B电文中编码的高度来区分所述两个位置(81、82)，保留的位置(82)是根据基于所述目标的可见性的估计器以及根据雷达接收到的功率与目标到雷达的距离的一致性而具有最高可能性的位置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括步骤(120)，其中，一旦目标进入所述雷达的询问覆盖范围(43)，则通过以下方式确保目标的轮呼捕获：
-一旦目标进入所述雷达的接收覆盖范围(42)，即利用在由所述目标发送的ADS-B电文中编码的位置；
-利用所述目标的轮呼标识，所述轮呼标识被包含在被编码在所述电文中的其S模式地址中，
天线每旋转N圈即发送一次轮呼询问，以便将目标锁定到雷达站的代码，从而避免由DF11回复造成的污染，DF11回复是潜在地目标一旦进入所述询问覆盖范围(43)并且达到所述雷达的操作范围的区域(44)而通常在每次旋转时由目标产生的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括步骤(120)，其中，在所述雷达的询问覆盖范围(43)之前所述目标经由它们的ADS-B电文而被检测和定位，所述目标一旦进入所述询问覆盖范围就与ADS-B轨迹相关联，允许它们被所述二次雷达捕获，然后所述轨迹在它们进入所述操作雷达覆盖范围时即刻解锁以允许检测其潜在锁定状态，即它们是否被锁定到另一雷达，即不存在同步的DF11回复，从而潜在地使得能够向没有ADS-B能力的其他S模式目标提供II/SI代码冲突警告，同时确保一旦目标进入所述雷达的操作覆盖范围，即对其进行S模式轮呼监视。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括步骤(120)，其中，在一个移动时间窗口中，按目标飞过的每个地理小区，计算由所述雷达测量的目标的距离和在由所述目标发送的ADS-B电文中编码的所述目标的距离之差的平均值，这针对通过小区的每个目标执行，然后任何模式下任何目标的由雷达测量的每个距离根据针对所述目标飞过的地理小区计算的平均差来被校正。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤(120)：测量应答器的灵敏度，然后，无论是否以轮呼模式通过在进入所述雷达的询问覆盖范围(43)时询问经由所述方法定位的发送ADS-B电文的目标，并且通过基于应答器在其对1030MHz处的询问的第一个回复上接收到的功率来计算应答器的灵敏度，检测对所述雷达以所述1030MHz发送的所述询问而具有不合要求的灵敏度的应答器，如果所述功率高于给定阈值，则声明应答器具有不合要求的灵敏度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括步骤(120)，其中，通过利用在所述目标飞过的一系列地理小区中的、被编码在所述目标发送的ADS-B电文中的气压高度和几何高度之差相对于在移动时间窗口中针对所述目标飞过的所述地理小区中的每一个小区计算的每小区其他目标的气压高度和几何高度之差的平均值的偏差，检测与ADS-B目标的应答器相关联的不合要求的高度计，如果所述偏差(152)超过给定阈值，则高度计被判断为不合要求。
8.二次雷达，其特征在于，被配置为实现根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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