一种星基ads-b的目标验证方法
阅读说明：本技术 一种星基ads-b的目标验证方法 (Target verification method of satellite-based ADS-B ) 是由 安强 李家蓬 黄枭 牟光红 陈琴 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种星基ADS-B的目标验证方法,包括：步骤一,对星基ADS-B系统架构和报文进行设计；步骤二,基于步骤一中设计的所述星基ADS-B系统架构和报文进行基于TDOA算法架构的星座设计；步骤三,基于步骤二中所述星座设计,在星基ADS-B数据中心基于TDOA架构进行计算,并通过与ADS-B系统报告的位置进行比对,判断目标的真实性和有效性。本发明从根本上解决了星基ADS-B目标有效性验证的问题,可有效过滤虚假目标和无效目标,保证了ADS-B数据的正确性和有效性,保障了管制安全。(The invention discloses a target verification method of a satellite-based ADS-B, which comprises the following steps: designing a satellite-based ADS-B system architecture and a message; secondly, carrying out constellation design based on a TDOA algorithm architecture based on the satellite-based ADS-B system architecture and the message designed in the first step; and step three, based on the constellation design in the step two, calculating on the basis of a TDOA framework in a satellite-based ADS-B data center, and comparing the position reported by the ADS-B system to judge the authenticity and the effectiveness of the target. The invention fundamentally solves the problem of validity verification of the satellite-based ADS-B target, can effectively filter false targets and invalid targets, ensures the correctness and validity of ADS-B data, and ensures the control safety.)
技术领域
本发明涉及星基ADS-B技术领域，更为具体的，涉及一种星基ADS-B的目标验证方法。
背景技术
近年来，虽然全球ADS-B推广应用较快，但该系统仍属典型的地基监视系统，具有先天的时空局限性，即ADS-B基站仍属视距工作，受地形环境约束多，监视空域覆盖不足；此外，随着航空运输业不断发展和航空器性能不断提高，未来军民航飞行活动会出现新特点：飞行单元数量大、密度高、种类多、速度快、随机性强；监视空域要求范围广、精度高、稳定性好等，对未来航空监视应用发展提出更高更新的要求。通过在低轨卫星上搭载ADS-B接收设备，利用卫星全球覆盖，无地形遮挡等特点，能实现对全球航班的实时连续无缝监视。近年，国内外均开展了星基ADS-B系统相关研究和试验。
通过在低轨道卫星上搭载ADS-B接收设备，利用卫星系统全球覆盖，无地形遮挡等特点，能够实现对全球航班的实时连续无缝监视。近年来，国内外均开展了星基ADS-B系统相关研究、验证试验工作。包括加拿大Aireon公司的星基ADS-B系统、欧洲航天局PROBE-V卫星等，国内有四川九洲空管科技有限责任公司与北京航空航天大学联合研制的“空事卫星1号”、国防科技大学研制的“天拓3号”等。根据中国民航要求，ADS-B接入自动化运行前，应对其真实性和有效性进行验证。星基ADS-B组网并面向管制运行开展数据服务后，也必须提供目标有效性、真实性的验证。
当前，我国星基ADS-B的研究正处于起步阶段，并未有研究针对星基ADS-B数据有效性验证提出完整的解决方案；现有的基于TDOA目标有效性验证，也并未提出针对收到两个目标信号时间的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种星基ADS-B的目标验证方法，从根本上解决了星基ADS-B目标有效性验证的问题，可有效过滤虚假目标和无效目标，保证了ADS-B数据的正确性和有效性，保障了管制安全等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种星基ADS-B的目标验证方法，包括步骤：
步骤一，对星基ADS-B系统架构和报文进行设计；
步骤二，基于步骤一中设计的所述星基ADS-B系统架构和报文进行基于TDOA算法架构的星座设计；
步骤三，基于步骤二中所述星座设计，在星基ADS-B数据中心基于TDOA架构进行计算，并通过与ADS-B系统报告的位置进行比对，判断目标的真实性和有效性。
进一步地，在步骤一中，所述星基ADS-B系统架构设计包括步骤：由飞行器利用空-天通信将ADS-B报文传输至多个卫星，再利用多个卫星通过星间-星地-地面通信将ADS-B报文传输至星基ADS-B数据中心。
进一步地，在步骤一中，所述对星基ADS-B系统架构进行设计包括实现卫星多重覆盖；所述对报文进行设计包括实现卫星时间同步、报文时间标记、报文属性标记和传输延迟均衡。
进一步地，在步骤二中，所述星座设计包括星座参数为7，12，30，15，高度为1000Km，倾角85°的星座设计；在该星座设计中，卫星的地面覆盖区是一个圆，通过地心半张角和覆盖区域直径则能够计算覆盖区域面积，它的地心半张角和地球表面覆盖区域直径D分别为：
式中，Re为地球半径，当轨道高度为h，地面仰角为ε时，卫星视场半锥角为α。
进一步地，对两重卫星覆盖的情况，在步骤三中所述在星基ADS-B数据中心基于TDOA架构进行计算包括步骤：
S31，通过地面数据中心查找两个卫星收到同一目标发出的同一报文收到的两条报文信息；
S32，根据两条报文中的时间数据，计算该目标同一报文到达两颗卫星的时间差值TDOA1；
S33，根据如下公式(a)，能够获得该目标到达该两颗卫星时间差的双曲面公式；
式中，(x0,y0,z0)为主站空间位置坐标，(x,y,z)为飞行目标的空间位置坐标，(xi,yi,zi)为第i个副站的空间位置坐标，r0为主站与飞行目标的距离,ri为第i个副站与飞行目标的距离，c为电磁波在空间的传播速度，Δri为飞行目标到达主站与到达第i个副站的距离差，ΔTi为飞行目标应答信号到达主站与到达第i个副站的时间差；
S34，计算ADS-B报告位置点到达双曲面的最小距离，计算步骤如下；
将公式(a)中TDOA方程转化为限制方程G(x,y,z)＝0，(x0,y0,z0)为ADS-B报告点，求ADS-B目标报告点到双曲面的最小值问题即转化为求目标函数的最小值，利用拉格朗日乘数法计算；
S35，根据卫星上时间误差精度，确定距离门限值εd，ADS-B报告位置与双曲面的最小距离大于该门限，则是虚假目标，否则给目标设置置信度。
进一步地，对三重卫星覆盖的情况，在步骤三中所述在星基ADS-B数据中心基于TDOA架构进行计算包括步骤：
SS31，通过地面数据中心查找三颗卫星收到同一目标发出同一条报文的三条报文信息；
SS32，根据三条报文信息中的时间数据，计算该目标同一报文到达三颗卫星的时间差值TDOA1和TDOA2；
SS33，根据如下公式(a)计算得到两个位置点，其中一个为真实目标位置，一个为虚假目标位置；
SS34，利用其他信息得到的目标当前高度信息是否符合飞行器飞行高度，排除虚假位置；
SS35，计算ADS-B报告位置点与TDOA解算得到的真实位置点的距离d；若距离d超过距离门限值εd，则认定为虚假目标，否则认定为真实目标。
进一步地，对四重卫星或四重卫星以上覆盖的情况，在步骤三中所述在星基ADS-B数据中心基于TDOA架构进行计算包括步骤：利用Chan算法和Taylor级数算法解算获得目标位置。
进一步地，包括步骤：计算利用Chan算法和Taylor级数算法解算获得的目标位置点与ADS-B报告位置点的距离，若距离超过距离门限值εd，则认定为虚假目标，否则认定为真实目标。
进一步地，所述多重覆盖包括至少两重覆盖；以及所述卫星时间同步包括利用GNSS实现时间同步；以及所述报文时间标记包括通过ADS-B载荷与卫星间设计接口，从卫星获取时间信息，并在ADS-B报文接收时标记其到达时间；以及所述传输延迟均衡包括星间-星地-地面通信网络由设计的路由算法来确保被不同卫星接收到的同一条报文，其最终到达星基ADS-B数据中心的延迟均衡且满足系统延迟要求。
本发明的有益效果是：
本发明从根本上解决了星基ADS-B目标有效性验证的问题，可有效过滤虚假目标和无效目标，保证了ADS-B数据的正确性和有效性，保障了管制安全。
本发明实施例提出了从系统架构设计、星座设计到目标验证方法的完整的基于TDOA目标验证方法与方案设计。
本发明实施例首先利用合理的卫星构架，让目标被2个以上卫星覆盖，通过卫星内置GNSS实现时间同步，对接收的信号实时译码得到ADS-B报文并传入地面数据中心，解决了监视空域覆盖范围不足的问题；其次，地面数据中心进行位置解析和航迹生成的过程，不同的卫星下传同一条报文开展TDOA计算得到目标位置信息，然后进行比较确认有效信息，解决了ADS-B监视系统可能得到虚假目标的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为星基ADS-B系统TDOA计算的逻辑构架；
图2为本发明实施例星座布局的3D模型；
图3为本发明实施例星座布局的2D模型；
图4为本发明实施例覆盖时间；
图5为本发明实施例有效覆盖率；
图6为本发明实施例两重卫星覆盖目标真实性验证原理；
图7为本发明实施例基于TDOA的星基ADS-B目标验证流程图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
一种星基ADS-B的目标验证方法，包括：
步骤一，对星基ADS-B系统架构和报文进行设计；
步骤二，基于步骤一中设计的所述星基ADS-B系统架构和报文进行基于TDOA算法架构的星座设计；
步骤三，基于步骤二中所述星座设计，在星基ADS-B数据中心基于TDOA架构进行计算，并通过与ADS-B系统报告的位置进行比对，判断目标的真实性和有效性。
更进一步的说明本发明的工作原理、工作过程，参见附图1～图7所示，包括如下步骤：
(一)TDOA测算的架构设计
基于TDOA的空间目标多点定位原理是双曲线(面)原理，即空间中目标与两个固定点的距离差相同，则该目标在这两个固定点为焦点的两个双曲面上，当空间存在4个及以上站点时，则可相交出唯一目标位置。双曲面定位算法数学模型如(a)：
TDOA的计算和目标验证用在航迹生成时同步计算。由于航迹的生成在星基ADS-B数据中心实现，因此TDOA计算过程也同样发生在星基ADS-B数据中心。要实现基于TDOA计算的星基ADS-B目标真实性和有效性验证，需要对星基ADS-B系统架构及报文传输协议进行合理设计，才能满足TDOA计算，在本发明实施例中其逻辑架构如图1所示。在此基础上，该架构设计要求主要包括：
1)多重覆盖能力：卫星覆盖具备2重以上的多重覆盖；
2)卫星时间同步：星基ADS-B系统各个卫星之间必须具备时间同步能力，如果是低轨卫星，可直接利用GNSS实现时间同步；
3)报文时间标记：ADS-B载荷与卫星间应设计接口，从卫星获取时间信息，并在ADS-B报文接收时标记其到达时间；
4)报文属性标记：ADS-B载荷与卫星间应设计接口，从卫星获取卫星编号及星下点位置信息；
5)传输延迟均衡：星间-星地-地面通信网络应合理设计路由算法，确保被不同卫星接收到的同一条报文，其最终到达星基ADS-B数据中心的延迟满足系统延迟要求，且延迟均衡。
(二)基于TDOA算法架构的星座设计
根据TDOA架构可知，卫星星座的设计需满足多重覆盖的能力。对卫星系统而言，要实现对一定区域或者全球的覆盖和服务能力，往往需要由数颗或者数十颗卫星构成卫星星座，本发明实施例设计了一种覆盖全球的低轨道星座，其星座参数为7，12，30，15，高度为1000Km，倾角85°，该星座布局的3D和2D模型如图2和图3所示。
卫星的地面覆盖区是一个圆，通过地心半张角和覆盖区域直径则可计算覆盖区域面积，它的地心半张角和地球表面覆盖区域直径D分别为：
公式中，Re为地球半径，当轨道高度为h，地面仰角为ε时，卫星视场半锥角为α；
图4是覆盖时间，横坐标代表时间，纵坐标代表覆盖率，该图表明最大覆盖率100％，最小覆盖率97％，可以有效的对全球进行覆盖和实时通信；
由表1分析可知，相位因子为3时，低轨卫星星座构型的覆盖情况最佳，最大覆盖率可达99.82％，平均覆盖率为97.11％，全时段覆盖率为100％。
表1不同相位因子覆盖率分析
图5中横坐标代表纬度，纵坐标代表覆盖率，从该图中可以看出，在大部分地区可以实现80％的二重覆盖，因此该算法可以很好的实现连续覆盖，并且实施TDOA的目标有效性验证。
(三)基于TDOA目标有效性验证方法
在星基ADS-B系统中，通过合理设计星座构型，若实现目标的4重及以上的覆盖，即可实现目标的空间位置TDOA解算，获得目标空间唯一位置，通过ADS-B报告的位置进行比对，判断该目标的真实性和有效性；通过TDOA算法架构的星座设计可知，该卫星星座并不能在所有位置均可实现目标的4重及以上覆盖，当卫星只有两重和三重覆盖时，可通过以下方式进行目标有效性验证：
(1)两重卫星覆盖验证方法
当只有两重卫星覆盖时，根据TDOA定位原理，可确定此时空间目标位于以两个卫星S1和S2为轴的双曲面上，但是由于卫星测量的时间误差以及ADS-B位置报告的滞后性，不可直接验证ADS-B目标报告位置点是否在此双曲面，可通过以下步骤验证ADS-B目标的真实性和有效性：
1)通过地面数据中心查找两个卫星收到同一目标发出的同一报文收到的两条报文信息；
2)根据两条报文中的时间数据，计算该目标同一报文到达两颗卫星的时间差值TDOA1；
3)根据公式(a)，可获得目标到达该两颗卫星时间差的双曲面公式；
4)计算ADS-B报告位置点到达双曲面的最小距离，计算方法如下；
将公式(a)中TDOA方程转化为限制方程G(x,y,z)＝0，(x0,y0,z0)为ADS-B报告点，求ADS-B目标报告点到双曲面的最小值问题即转化为求目标函数的最小值，可利用拉格朗日乘数法计算；
5)根据卫星上时间误差精度，确定距离门限值εd，ADS-B报告位置与双曲面的最小距离超过该门限，则是虚假目标，否则给目标设置置信度。
双重覆盖验证的原理如图6所示。
(2)三重卫星覆盖验证方法
当只有三重卫星覆盖时，根据TDOA定位原理以及公式(1)，可以解算得到两个空间位置点，可通过以下步骤验证ADS-B目标的真实性：
1)通过地面数据中心查找三颗卫星收到同一目标发出同一条报文的三条报文信息；
2)根据三报文中的时间数据，计算该目标同一报文到达三颗卫星的时间差值TDOA1和TDOA2；
3)根据TDOA公式(a)计算得到两个位置点，其中一个为真实目标位置，一个为虚假目标位置；
4)利用其他信息如解算得到的目标当前高度信息是否符合飞机飞行高度，排除虚假位置；
5)计算ADS-B报告位置点与TDOA解算得到的真实位置点的距离d；
6)若距离超过门限值εd，则认定为虚假目标，否则认为是真实目标。
地面数据中心基于TDOA方法验证ADS-B目标有效性的数据处理流程如图7所示。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
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