航管二次雷達數(shù)據(jù)處理

賈 坤

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

航管二次雷達使得管制員直接在雷達屏幕上得到飛機的全部有關(guān)數(shù)據(jù),極大改善了空中管制環(huán)境,提高了管制效率,但對航管二次雷達數(shù)據(jù)處理變得更加困難。文獻[1]主要解決了一次雷達數(shù)據(jù)處理功能和流程,文獻[2]研究了一次雷達和二次雷達的數(shù)據(jù)處理。雖然雷達數(shù)據(jù)處理有共性的地方,但是數(shù)據(jù)處理離不開雷達本身的工作模式。本文研究了采用模式多目標(biāo)詢問時序編排技術(shù)[3]實現(xiàn)對同一波束內(nèi)多個S模式目標(biāo)的選址詢問和監(jiān)視下的數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計和跟蹤技術(shù)。

1 航跡處理功能劃分

根據(jù)航管二次雷達工作原理,其數(shù)據(jù)處理功能相應(yīng)劃分為以下幾種模塊。

1.1 數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)模塊

該模塊完成接收數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行解包,去除異常數(shù)據(jù)。在Vxworks系統(tǒng)中作為一個獨立的任務(wù)[4],能夠?qū)崟r地接收到數(shù)據(jù)。該任務(wù)如下:

task Spawn(“SsrReceive-Ni” ,101,0x0008,200000(FUNCPTR)SsrReceiveMcastRR,mysocket2,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

其中,mysocket2為網(wǎng)絡(luò)端口號。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

該模塊主要完成二次雷達工作模式的區(qū)分、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)體的初始化、相同目標(biāo)數(shù)據(jù)的合并等,使得處理完后的數(shù)據(jù)能夠滿足后面模塊航跡關(guān)聯(lián)的需要。

1.3 航跡關(guān)聯(lián)模塊

該模塊包括目標(biāo)點跡和點跡關(guān)聯(lián)、目標(biāo)點跡和航跡關(guān)聯(lián),其中點跡關(guān)聯(lián)是在雷達剛開機沒有系統(tǒng)航跡情況下進行的,點航關(guān)聯(lián)是在航跡建立后跟蹤階段和存在系統(tǒng)航跡下新目標(biāo)的加入情況下進行的,該模塊是整個航跡處理的關(guān)鍵部分,通過使用關(guān)聯(lián)策略[5],可以很好地去除目標(biāo)反射和干擾。根據(jù)二次雷達信號處理端發(fā)送數(shù)的特性,每過一個扇區(qū)就會發(fā)送該扇區(qū)內(nèi)目標(biāo)信息,依照接收特性把目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)按照雷達扇區(qū)劃分方法對監(jiān)視空域劃分。下面介紹該處理方法和帶來的好處。假如考慮二次雷達掃描一周需要4 s,如果二次雷達掃描一周做一次航跡關(guān)聯(lián),對于速度較慢的目標(biāo)來說影響不大,但是對于S模式跟蹤說,這樣的處理方法不能滿足實時性,如果是使用滯后3個扇區(qū)的辦法,其設(shè)計方法為:假設(shè)天線轉(zhuǎn)動為順時針,走到10號扇區(qū)時,開始處理7號扇區(qū)的數(shù)據(jù),如圖1所示。這樣,7號扇區(qū)中的目標(biāo)關(guān)聯(lián)只跟6號、7號、8號扇區(qū)中的系統(tǒng)航跡關(guān)聯(lián),因此可以節(jié)約航跡查找時間,并且在10號扇區(qū)是就對7號扇區(qū)中航跡進行管理和維護,不需要等到天線掃描完一周,提高了目標(biāo)跟蹤的效率。

圖1 監(jiān)視空域劃分圖Fig.1 Dividing surveillance airspace

1.4 航跡管理模塊

航跡管理通常是指航跡建立、航跡更新、航跡外推、航跡刪除。

所謂的航跡建立是指:如果一個目標(biāo)連續(xù)幾次不間斷有數(shù)據(jù),就認為構(gòu)成了航跡起始的條件。快速起始認為是:連續(xù)3次有同一個目標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成航跡起始條件,如果航跡起始成功,就相應(yīng)地存儲到相應(yīng)結(jié)構(gòu)體中等待下一步的航跡外推。

航跡更新是指:上一時刻的航跡外推和現(xiàn)在時刻的觀測數(shù)據(jù)符合某種規(guī)則確認為一個目標(biāo),然后對上一時刻外推航跡進行修正和校驗,得到該時刻的準確航跡。

航跡外推是指:利用現(xiàn)有的目標(biāo)信息外推下一時刻目標(biāo)的航跡。

航跡刪除是指:目標(biāo)連續(xù)幾個時刻不出現(xiàn)的情況下,就認為是目標(biāo)消失或者目標(biāo)跟丟。

其中航跡更新和外推使用濾波器來完成,本文考慮到民航飛機的起飛和降落階段的跟蹤使用了交互多模型(IMM)濾波算法,對接收到前端二次雷達信號處理發(fā)送過來的數(shù)據(jù),采用的濾波模型有CV、CA和當(dāng)前統(tǒng)計模型,利用交互多算法的思想,把CV、CA和當(dāng)前統(tǒng)計模型組合成為目標(biāo)物理運動的數(shù)學(xué)多模型,利用交互多模型算法求解該數(shù)學(xué)模型,假設(shè)不同模型之間的轉(zhuǎn)移服從已知轉(zhuǎn)移概率的有限態(tài)馬爾科夫鏈,考慮多個模型的交互作用,以此得出目標(biāo)的狀態(tài)估計。交互多模算法[6]示意圖如圖2所示。

圖2 交互式多模型算法示意圖Fig.2 Illustration of IMM algorithm

交互式作用器利用模型概率和模型轉(zhuǎn)移概率來計算每一個濾波器的交互輸入估計 Xoj(k-1 k-1),3個濾波器各自利用最新的量測數(shù)據(jù)Z(k)和交互輸入估 Xoj(k-1 k-1)計算出一個新的估計Xj(k k)和模型的可能性向量 Λ(k),然后前一時刻的模型概率u(k-1)、模型可能性向量 Λ(k)、模型轉(zhuǎn)移概率u(k-1)(i j)被用來計算新的模型概率u(k),最后總的狀態(tài) X(k k)就可以通過新的狀態(tài)估計 Xj(k k)以及相應(yīng)的模型概率 u(k)計算出來。簡單來說就是混合、濾波、概率更新、合并這樣一個反復(fù)循環(huán)的過程。

1.5 數(shù)據(jù)框圖

根據(jù)雷達工作方式(A/C模式詢問、S模式詢問和A/C模式S模式輪詢),由于不同模式下雷達信號層輸出的數(shù)據(jù)不同,根據(jù)下面的處理流程和濾波算法得出包含有兩種詢問模式下的目標(biāo)航跡,如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)框圖Fig.3 Block diagram of data

2 航跡處理流程

如圖4所示,該流程主要包括數(shù)據(jù)解包、預(yù)處理、航跡起始、航跡關(guān)聯(lián)、航跡更新、航跡預(yù)測、航跡維護功能,針對不同目標(biāo)數(shù)據(jù)特點(雷達詢問模式)分別建立目標(biāo)信息處理分支,盡可能地考慮目標(biāo)數(shù)據(jù)的特點。

圖4 航跡處理流程圖Fig.4 Flow chart of track processing

3 外場試驗效果圖

本次外場選在成都某地,對空中的民航飛機進行了實際數(shù)據(jù)采集,使用了A/C模式、S模式[7]和A/C和S組合模式進行了詢問,通過航管顯示電腦截圖如圖5和圖6所示。

圖5 外場混合模式詢問實驗圖Fig.5 Outfield test of mixed mode inquiry

圖6 外場A/C模式詢問實驗圖Fig.6 Outfield test of A/C mode inquiry

圖5和圖6說明了雷達數(shù)據(jù)處理模塊的劃分合理性。此外,空中客機過雷達天線的正北時能夠持續(xù)穩(wěn)定跟蹤,通過外場實際試驗可以看到民航飛機的3A地址碼和S模式地址碼。

4 結(jié) 論

已有的雷達數(shù)據(jù)處理主要針對二次雷達的一種模式下的處理。本文研究了A/C和S模式組合工作模式下,航跡處理進行了模塊劃分和航跡處理流程設(shè)計,并在Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)上實現(xiàn)。通過外場試驗驗證了該航跡處理功能模塊劃分和航跡處理流程的合理性。但是在目標(biāo)超過一定數(shù)量時,該航跡處理模塊不能夠滿足目標(biāo)跟蹤的任務(wù)。此外,當(dāng)目標(biāo)大量存在干擾情況下,該航跡處理模塊會產(chǎn)生虛假目標(biāo),其關(guān)鍵技術(shù)有待進一步研究。

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