空管自動(dòng)化系統(tǒng)的多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

【摘 要】本文分析了空管自動(dòng)化系統(tǒng)的多雷數(shù)據(jù)處理的方式和特點(diǎn)，對(duì)多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的時(shí)空對(duì)準(zhǔn)、正北校正、坐標(biāo)變換以及多雷達(dá)航跡相關(guān)融合跟蹤的方法。

【關(guān)鍵詞】時(shí)空對(duì)準(zhǔn) 正北校正 航跡相關(guān)融合

空管自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的復(fù)雜的分布式處理系統(tǒng)，它接收和處理來自各個(gè)雷達(dá)頭和飛行計(jì)劃的數(shù)據(jù)，通過人機(jī)界面給空中交通管制員提供對(duì)整個(gè)管制區(qū)內(nèi)飛行活動(dòng)的監(jiān)視、預(yù)測(cè)和告警信息，協(xié)助管制員對(duì)空中交通進(jìn)行安全有序的管理。目前我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)高速發(fā)展，對(duì)空中交通管制系統(tǒng)提出了許多新要求，而其中多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理任務(wù)是空中交通管制系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本文作者根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)目前主流的空管自動(dòng)化系統(tǒng)的多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行歸納總結(jié)。

一、多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理概述

多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理是指多分布在不同位置的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的空中同一目標(biāo)經(jīng)過數(shù)據(jù)融合和跟蹤后，在系統(tǒng)內(nèi)形成唯一的系統(tǒng)目標(biāo)航跡，在管制席的系統(tǒng)綜合模式下，目標(biāo)在顯示是唯一的，且狀態(tài)最佳的。多雷達(dá)綜合航跡信息是整個(gè)管制系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息。供給告警計(jì)算、計(jì)劃相關(guān)處理、管制扇區(qū)移交等各個(gè)子模塊使用?？展茏詣?dòng)化系統(tǒng)能接收多部雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)那些參加處理的單雷達(dá)航跡，經(jīng)過判別后，確定這些航跡信息是否屬于同一個(gè)目標(biāo)，如屬同一目標(biāo)則時(shí)空對(duì)準(zhǔn)后采用適當(dāng)方法進(jìn)行融合，選出最能表達(dá)實(shí)際情況的目標(biāo)態(tài)勢(shì)描述，最終生成新航跡或更新舊航跡，并盡可能保證系統(tǒng)航跡的連續(xù)平滑。

多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要完成的工作包括：實(shí)時(shí)搜集各部雷達(dá)送來的點(diǎn)跡或航跡數(shù)據(jù)，把它們的時(shí)空參考坐標(biāo)系變換到一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)空參考坐標(biāo)系并同時(shí)進(jìn)行必要的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償；在統(tǒng)一參考坐標(biāo)系中進(jìn)行相關(guān)比較，搜索并確認(rèn)由同一目標(biāo)通過不同雷達(dá)形成的數(shù)據(jù)；對(duì)這些數(shù)據(jù)用加權(quán)求和或進(jìn)行綜合濾波的方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化合并即數(shù)據(jù)融合，并在此基礎(chǔ)上建立、維護(hù)每個(gè)目標(biāo)的多雷達(dá)系統(tǒng)航跡。通過對(duì)多部異地雷達(dá)共同觀測(cè)或監(jiān)視同一目標(biāo)所得到的位置或/和速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的多重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，不僅可以擴(kuò)大監(jiān)視空域范圍，增加結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性，而且可以達(dá)到提高測(cè)量精確度的效果。

二、多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的時(shí)空對(duì)準(zhǔn)

由于各單雷達(dá)的數(shù)據(jù)更新頻率不一樣，時(shí)間延遲不一樣，導(dǎo)致多雷達(dá)處理模塊以異步方式接收單雷達(dá)航跡信息。為提高雷達(dá)數(shù)據(jù)處理精度，滿足多雷達(dá)跟蹤數(shù)據(jù)處理精度要求，各雷達(dá)所探測(cè)的同一航跡必須推算到系統(tǒng)定義的時(shí)間刻度上，取得同一時(shí)刻的航跡空間位置，統(tǒng)一各雷達(dá)站使用的空間、時(shí)間參考點(diǎn)和統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。

目前前我國(guó)航管雷達(dá)的時(shí)基還未使用統(tǒng)一的 GPS 時(shí)鐘，各異地雷達(dá)的時(shí)間基準(zhǔn)還不統(tǒng)一，這些時(shí)間基準(zhǔn)之間形成基本固定的時(shí)基鐘差，給多雷達(dá)航跡關(guān)聯(lián)及數(shù)據(jù)融合帶來很大麻煩，因此這是時(shí)間軸對(duì)準(zhǔn)的首要問題，而同時(shí)在異地雷達(dá)到管制中心的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸過程中，存在隨機(jī)的通訊延遲，也將影響時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。內(nèi)插或外推的過程稱為時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，即時(shí)間軸對(duì)準(zhǔn)和雷達(dá)頭數(shù)據(jù)處理延時(shí)補(bǔ)償。時(shí)間對(duì)準(zhǔn)包括時(shí)間軸對(duì)準(zhǔn)和雷達(dá)頭數(shù)據(jù)處理延時(shí)補(bǔ)償。由于雷達(dá)沒有使用統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，所以首先使用 GPS 時(shí)鐘作為統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，在每一個(gè)雷達(dá)的出口給雷達(dá)數(shù)據(jù)加上 GPS 時(shí)間印記，這樣在進(jìn)行處理時(shí)可以得到雷達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確輸出時(shí)間，因而只需要考慮雷達(dá)頭數(shù)據(jù)處理的延時(shí)補(bǔ)償。各雷達(dá)頭的信號(hào)處理，數(shù)據(jù)錄取和單雷達(dá)航跡跟蹤都有各不相同的處理延時(shí)，使得航跡數(shù)據(jù)輸出的時(shí)刻相對(duì)于雷達(dá)天線波束照射到目標(biāo)的時(shí)刻而言，具有不同的延時(shí)，需要進(jìn)行校正。

GPS 時(shí)鐘可以有效地修正各部雷達(dá)因傳輸鏈路造成的延遲時(shí)差和系統(tǒng)時(shí)間基數(shù)之間的時(shí)差。但是 GPS 時(shí)間印記無法處理雷達(dá)頭延時(shí)問題，即從雷達(dá)天線波束照射目標(biāo)時(shí)刻到雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取器輸出目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)刻的時(shí)間差。對(duì)于探測(cè)到的目標(biāo)來說，經(jīng)過統(tǒng)一修正空間坐標(biāo)之后，如果兩部雷達(dá)探測(cè)該目標(biāo)的時(shí)間相同或者經(jīng)過內(nèi)插，外推折合到同一時(shí)間，仍然會(huì)因?yàn)椴煌走_(dá)的參考時(shí)鐘的鐘差，造成目標(biāo)航跡軌跡上產(chǎn)生不同航向上的位置差，其數(shù)值等于目標(biāo)的飛行速度乘時(shí)間差。因此可以利用這個(gè)特點(diǎn)檢測(cè)并校正各部雷達(dá)之間的時(shí)差。雷達(dá)頭的處理延時(shí)和延時(shí)誤差可分為恒定部分和隨機(jī)漂移部分。其中，延時(shí)誤差恒定部分與鐘差性質(zhì)相同，只需要一次性或定期離線補(bǔ)償，而不需要進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償；隨機(jī)誤差不可能找到充分有效的方法來精確補(bǔ)償，只能依賴于在多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程中通過數(shù)據(jù)融合得到一定程度的抑制。如果這些隨機(jī)分量造成的位置誤差遠(yuǎn)小于雷達(dá)探測(cè)誤差，則可以忽略不計(jì)。若發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)緩慢漂移分量，則有必要采用自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q。在空管自動(dòng)化系統(tǒng)中，把時(shí)空對(duì)準(zhǔn)偏差控制到比單雷達(dá)測(cè)量誤差小到一定比例就能夠滿足實(shí)際的需求。考慮到民航飛機(jī)的飛行數(shù)度一般不會(huì)超過 300 米/秒，時(shí)間軸的對(duì)準(zhǔn)精度應(yīng)至少達(dá)到 50 毫秒。

三、正北校正和坐標(biāo)變換

雷達(dá)所標(biāo)稱的正北一般不同于地理的正北，那么在將雷達(dá)航跡送至系統(tǒng)融合中心的時(shí)候需要對(duì)雷達(dá)標(biāo)稱正北和地理正北的差值做一個(gè)補(bǔ)償，該值是一個(gè)固定的常數(shù)，因此在進(jìn)行系統(tǒng)融合之前需要對(duì)其進(jìn)行一次性補(bǔ)償，以滿足融合的要求。雷達(dá)所存在的固定誤差主要源于雷達(dá)在測(cè)量距離和測(cè)量角度時(shí)的精度。在空間測(cè)量中，地心直角坐標(biāo)系常作為轉(zhuǎn)換的中間變量。因此在融合中涉及站心極坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。通常，首先將雷達(dá)站心極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)系，再轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo)系，最后再將地心直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地心大地坐標(biāo)系。這樣就實(shí)現(xiàn)了站心極坐標(biāo)向地心大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

四、多雷達(dá)航跡相關(guān)、融合與跟蹤的方法

1、加權(quán)系數(shù)平均法

加權(quán)平均法是指對(duì)接入系統(tǒng)的每個(gè)單雷達(dá)都分配不同的權(quán)重系數(shù)， 收到各個(gè)雷達(dá)更新的單雷達(dá)航跡信息后，按系統(tǒng)分配的權(quán)系數(shù)比重對(duì)系統(tǒng)航跡進(jìn)行更新 。

2、馬塞克方法

馬塞克方法將整個(gè)監(jiān)視區(qū)域分成許多矩形方格，每個(gè)方格都定義了能覆蓋到本方格區(qū)域的所有雷達(dá)的輸出優(yōu)先順序，這一順序可以各個(gè)方格都不相同，在當(dāng)前方格內(nèi)，多雷達(dá)綜合處理模塊可以簡(jiǎn)單地選擇最高優(yōu)先級(jí)的單雷達(dá)航跡作為綜合雷達(dá)航跡的輸出。

3、卡爾曼濾波

卡爾曼濾波方法是六十年代初在現(xiàn)代控制理論的發(fā)展過程中產(chǎn)生的一種濾波方法。在航天、航空和航海等許多技術(shù)領(lǐng)域都廣泛的應(yīng)用，在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域中也引入了這種濾波技術(shù)，用來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對(duì)單個(gè)和多個(gè)目標(biāo)的平滑跟蹤，處理單部或多部雷達(dá)提供的目標(biāo)數(shù)據(jù)等任務(wù)。 空管自動(dòng)化系統(tǒng)使用卡爾曼濾波方法對(duì)多雷達(dá)融合信息的目標(biāo)位置進(jìn)行平滑跟蹤處理，其他方面如高度、速度及航向等，直接采用所有能發(fā)現(xiàn)此目標(biāo)的雷達(dá)中質(zhì)量相對(duì)比較好的那路單雷達(dá)的報(bào)告。這是由于濾波平滑方法意味著利用歷史值來修正當(dāng)前值，使之不出現(xiàn)明顯跳變，這正好適合用來處理飛機(jī)位置上的變化（高速移動(dòng)時(shí)的慣性因素不可避免）；與之情況不同的是高度、速度和航向方面的變化，這些都可能在某一數(shù)值上停留很久后突然改變，引入濾波平滑后將不可避免帶來反應(yīng)慢、報(bào)告給管制員的數(shù)值跟不上實(shí)際變化的問題。

五、異常信息的特殊處理

空管自動(dòng)化系統(tǒng)在對(duì)單路雷達(dá)報(bào)來的C模式高度進(jìn)行分析的過程中，若出現(xiàn)無效或太高、變化太劇烈、混淆、扭曲等異常情況，系統(tǒng)將連續(xù)確認(rèn)兩個(gè)周期后才更新，在此期間維持原高度不變。對(duì)系統(tǒng)綜合航跡高度的處理考慮其它單雷達(dá)的C模式高度報(bào)告數(shù)值（綜合航跡的高度拒絕使用和大多數(shù)雷達(dá)報(bào)告的高度差異較大的雷達(dá)報(bào)告的高度）和目標(biāo)的高度更新穩(wěn)定性以及未來的飛行狀態(tài)，使得系統(tǒng)綜合航跡的高度更新做到連續(xù)和穩(wěn)定。當(dāng)目標(biāo)單路雷達(dá)的A模式代碼出現(xiàn)無效或異常變化時(shí)，該路單雷達(dá)航跡對(duì)A模式代碼的處理方式與高度處理類似：暫時(shí)保留原先的A模式代碼，兩個(gè)周期后仍沒有恢復(fù)正常則更新；若有多路雷達(dá)覆蓋該目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)綜合航跡使用正常的、穩(wěn)定性最好的單路雷達(dá)信息的A模式代碼。當(dāng)某雷達(dá)報(bào)告A模式代碼出現(xiàn)無效或異常變化時(shí)，系統(tǒng)參考其他雷達(dá)，如果至少有兩路雷達(dá)認(rèn)為其代碼沒有變化，則綜合航跡不更新。這種特殊處理，確保了單雷達(dá)代碼的跳變和無效不影響系統(tǒng)航跡的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

結(jié)束語

隨著空中流量的不斷上升，管制人員的任務(wù)越來越重，對(duì)空管自動(dòng)化系統(tǒng)的依賴也越來越強(qiáng)。由此可見，多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合部分是自動(dòng)化系統(tǒng)核心部分，研究多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合對(duì)于自動(dòng)化系的統(tǒng)升級(jí)改造具有重要意義。本文詳細(xì)論述了多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中所用的坐標(biāo)系及它們之間的坐標(biāo)變換，總結(jié)了多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合跟蹤的常見方式，分析了變換所帶來了誤差。分析了異常信息處理的A、C模式應(yīng)答編碼的幾種處理模式和方法，希望對(duì)空管自動(dòng)化系統(tǒng)的對(duì)設(shè)備維護(hù)工作起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]彭丁聰 《卡爾曼濾波的基本原理及應(yīng)用》

[3]吳憲 《空管自動(dòng)化系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究》

作者簡(jiǎn)介：

劉鵬男 37歲 工程師 主要從事民航空管機(jī)務(wù)工作.