組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)交互格式設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)換*

韓文彬 李曉燕 王華兵 郭金良

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003)

組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)交互格式設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)換*

韓文彬 李曉燕 王華兵 郭金良

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003)

隨著雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化技術(shù)不斷發(fā)展,組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)交互一致性需求日顯突出。面向組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)共享需求,分析了雷達(dá)情報(bào)交互結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵要素,分析并明確了各個(gè)情報(bào)要素的不同格式定義及差異,研究了情報(bào)要素格式選擇方法和轉(zhuǎn)換技術(shù),能夠支撐組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)傳遞、轉(zhuǎn)換和處理設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

組網(wǎng)雷達(dá); 指揮控制; 情報(bào)交互; 情報(bào)格式

ClassNumberTN95

1 引言

信息化戰(zhàn)場(chǎng)條件下,軍用雷達(dá)作戰(zhàn)運(yùn)用方式將從單體作戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化的組網(wǎng)作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變。雷達(dá)組網(wǎng),是指通過(guò)將多部不同體制、不同頻段、不同模式、不同極化雷達(dá)適當(dāng)布站,借助于通信手段鏈接成網(wǎng),由中心站統(tǒng)一調(diào)配從而形成一個(gè)有機(jī)整體。網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)的信息(原始信號(hào)、點(diǎn)跡、航跡等)由中心站收集,綜合處理后形成雷達(dá)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報(bào)信息,并按照戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的變化自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)在工作范圍內(nèi)的探測(cè)、定位和跟蹤。

為了實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)雷達(dá)之間情報(bào)共享,必須進(jìn)行規(guī)范、合理的情報(bào)交互設(shè)計(jì),使得雷達(dá)情報(bào)在網(wǎng)內(nèi)語(yǔ)義明確、基準(zhǔn)一致,并且確保在信息傳遞、轉(zhuǎn)換和處理過(guò)程中的正確表達(dá)與理解。

2 情報(bào)交互結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵要素

圖1 情報(bào)交互結(jié)構(gòu)

組網(wǎng)條件下,將所有雷達(dá)情報(bào)納入到以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)化管理框架下,實(shí)行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一運(yùn)用。組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)采集與融合處理,是組網(wǎng)雷達(dá)指揮控制系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)組網(wǎng)雷達(dá)指揮控制結(jié)構(gòu)[1～4],得到圖1所示的組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)交互結(jié)構(gòu)。其中,雷達(dá)為網(wǎng)內(nèi)情報(bào)源,通過(guò)探測(cè)形成點(diǎn)跡情報(bào)或航跡情報(bào);情報(bào)中心為情報(bào)采集和處理單元,對(duì)所有雷達(dá)情報(bào)進(jìn)行融合,產(chǎn)生融合情報(bào)并進(jìn)行上報(bào)和網(wǎng)內(nèi)共享;指揮中心和網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)為情報(bào)使用單元,指揮中心利用融合情報(bào)支撐指揮決策,網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)利用融合情報(bào)進(jìn)行引導(dǎo)搜索或組網(wǎng)抗干擾等。

在組網(wǎng)雷達(dá)指控交互的所有信息中,雷達(dá)情報(bào)是交互最頻繁、數(shù)據(jù)量最大的信息,也是直接支持組網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵信息。因而,情報(bào)交互格式設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各項(xiàng)要求,主要包括準(zhǔn)確傳輸雷達(dá)情報(bào)而不降低精度,數(shù)據(jù)量盡量小以降低通信負(fù)荷,語(yǔ)意明確而不會(huì)被誤用等。

雷達(dá)情報(bào)要素主要包含批號(hào)、敵我屬性、機(jī)型、目標(biāo)位置及時(shí)戳(錄取時(shí)間)等。其中,目標(biāo)位置和時(shí)戳的表示格式較多,對(duì)于融合情報(bào)質(zhì)量影響最大;批號(hào)、敵我屬性、機(jī)型等要素語(yǔ)義簡(jiǎn)單,易于網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)一。另外,組網(wǎng)情報(bào)融合是基于相同的參考坐標(biāo)系進(jìn)行的,需將不同雷達(dá)情報(bào)轉(zhuǎn)換到相同坐標(biāo)系,因而情報(bào)融合質(zhì)量也會(huì)受到雷達(dá)定位和定北信息的影響。因此,本文將目標(biāo)位置、時(shí)戳、定位、定北等信息作為雷達(dá)情報(bào)交互關(guān)鍵要素進(jìn)行分析。

3 目標(biāo)位置格式

雷達(dá)上報(bào)目標(biāo)位置常用的坐標(biāo)系主要有雷達(dá)站球坐標(biāo)系、雷達(dá)站直角坐標(biāo)系、地心空間直角坐標(biāo)系等。

3.1 坐標(biāo)系選擇

雷達(dá)站球坐標(biāo)系定義:以雷達(dá)天線中心為原點(diǎn),R為目標(biāo)斜距離,A為目標(biāo)視線在原點(diǎn)法平面投影與正北夾角(以北偏東為正),E為目標(biāo)視線與原點(diǎn)法平面夾角(以向上為正)。

· 雷達(dá)站直角坐標(biāo)系定義[5]:又稱為地理坐標(biāo)系,以雷達(dá)天線中心為原點(diǎn),Xr軸在原點(diǎn)法平面內(nèi)指向正東,Yr軸在原點(diǎn)法平面內(nèi)指向正北,Zr軸按照右手法則確定,即所謂東北天坐標(biāo)系。

· 地心空間直角坐標(biāo)系定義:以地球質(zhì)心為原點(diǎn),Xe軸指向本初子午線與赤道交點(diǎn),Ze軸沿地球自轉(zhuǎn)軸指向北極,Ye軸以右手系確定。

此外,許多對(duì)空情報(bào)雷達(dá)可直接上報(bào)高度,因此會(huì)采用混合坐標(biāo)(距離R、方位A、高度H)。

雷達(dá)站球坐標(biāo)是點(diǎn)跡原始坐標(biāo)格式,各維探測(cè)精度確知且相互獨(dú)立,因而能夠分別設(shè)計(jì)量化單元和取值范圍。雷達(dá)站直角坐標(biāo)值由球坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換而來(lái),各維探測(cè)精度不固定,且取值范圍都較大,只有量化單元小于距離精度,才能不破壞雷達(dá)原有精度?？臻g直角坐標(biāo)與雷達(dá)站直角坐標(biāo)類似,但由于以地心為原點(diǎn),使得各維數(shù)值非常大,大大增加了量化范圍。因此,在不失精度條件下,雷達(dá)站球坐標(biāo)格式信息冗余最小,所需數(shù)據(jù)量最小;空間直角坐標(biāo)格式所需數(shù)據(jù)量最大。

由于情報(bào)融合通常是在以融合中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系進(jìn)行,因此需進(jìn)行情報(bào)格式轉(zhuǎn)換。雷達(dá)站直角坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換,在融合中心與雷達(dá)站相距較近情況下可近似為坐標(biāo)平移,因此計(jì)算量較小;雷達(dá)站球坐標(biāo)與空間直角坐標(biāo)格式的轉(zhuǎn)換,則必須經(jīng)過(guò)非線性計(jì)算,因此計(jì)算量較大。

總之,坐標(biāo)系選擇需對(duì)數(shù)據(jù)量和計(jì)算量進(jìn)行綜合考慮,在融合中心計(jì)算量足夠時(shí)可應(yīng)采用雷達(dá)站球坐標(biāo)或混合坐標(biāo)格式,在通信帶寬足夠時(shí)可采用雷達(dá)站直角坐標(biāo)格式。

3.2 高度定義與轉(zhuǎn)換

根據(jù)雷達(dá)工程實(shí)踐的不同,雷達(dá)情報(bào)中的目標(biāo)高度存在不同的定義,容易導(dǎo)致雷達(dá)站球坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的高度誤用。常規(guī)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法[5～6]已經(jīng)很成熟,本文不再贅述,以下重點(diǎn)分析不同高度定義的影響。

根據(jù)高度基準(zhǔn)不同,目標(biāo)高度可分為絕對(duì)高度和相對(duì)高度。絕對(duì)高度是指目標(biāo)所在位置的大地高或者海拔高,高度基準(zhǔn)是地平面或水平面;相對(duì)高度是指以雷達(dá)站高為零折算得到的目標(biāo)所在位置高度,即絕對(duì)高度與雷達(dá)站高之差。

根據(jù)有無(wú)大氣折射修正,目標(biāo)高度可分為實(shí)際高度和視在高度。大氣折射效應(yīng)使得電磁波傳播路徑發(fā)生彎曲,目標(biāo)視在高度是指雷達(dá)按照波束指向循直線確定的目標(biāo)高度,包含了大氣折射引入的高度偏差;實(shí)際高度則是目標(biāo)相對(duì)于高度基準(zhǔn)的實(shí)際值,與大氣折射無(wú)關(guān)。

圖2 目標(biāo)高度計(jì)算示意圖

通過(guò)大氣折射效應(yīng)修正,可由視在高度求解出實(shí)際高度。如圖2所示,a為地球半徑,R為目標(biāo)距離測(cè)量值,為目標(biāo)仰角測(cè)量值,Hradar為雷達(dá)站高度,則目標(biāo)高度測(cè)量值為[7]

Htarget≈Rsinθ+R2/2a+Hradar

(1)

式中,若a取平均地球半徑a0,則Htarget為視在高度;若a取為等效地球半徑ae=ka0(k=4/3)則Htarget為實(shí)際高度;若Hradar取0(實(shí)際不為0),則Htarget為相對(duì)高度,否則為絕對(duì)高度。

下面分析雷達(dá)站球坐標(biāo)(R,A,E)或混合坐標(biāo)(R,A,H)與雷達(dá)站直角坐標(biāo)(Xr,Yr,Zr)之間的轉(zhuǎn)換方法。

若H為相對(duì)實(shí)際高度,則

Zr=H-R2/2a0

(2)

若H為相對(duì)視在高度,則

Zr=H+R2/2ae-R2/a0

(3)

若H為絕對(duì)實(shí)際高度,則

Zr=H-R2/2a0-Hradar

(4)

若H為絕對(duì)視在高度,則

Zr=H+R2/2ae-R2/a0-Hradar

(5)

雷達(dá)站直角坐標(biāo)系下目標(biāo)Xr與Yr值為

(6)

4 時(shí)戳格式

雷達(dá)情報(bào)時(shí)戳,表征了雷達(dá)探測(cè)到當(dāng)前點(diǎn)跡的準(zhǔn)確時(shí)刻,是融合點(diǎn)跡時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的最直接依據(jù)。雷達(dá)時(shí)戳來(lái)自于系統(tǒng)內(nèi)時(shí)統(tǒng)設(shè)備,通常采用外部授時(shí)與內(nèi)部守時(shí)相結(jié)合的機(jī)制。外部授時(shí)利用衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)或其它授時(shí)基站對(duì)雷達(dá)時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行同步,內(nèi)部守時(shí)利用時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行同步間隔內(nèi)的高精度守時(shí)。

雷達(dá)情報(bào)時(shí)戳具有相對(duì)時(shí)戳和絕對(duì)時(shí)戳兩種形式。相對(duì)時(shí)戳在約定時(shí)間段內(nèi)采用計(jì)數(shù)器形式表示,關(guān)鍵在于保證計(jì)數(shù)器時(shí)間范圍無(wú)模糊且計(jì)數(shù)時(shí)間粒度滿足要求,例如0～10000;絕對(duì)時(shí)戳采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間格式表示,形式簡(jiǎn)單但數(shù)據(jù)量較大,例如9:10:25.125。通常情況下,經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的相對(duì)時(shí)戳是準(zhǔn)確而高效的。

(7)

時(shí)戳無(wú)模糊范圍主要考慮情報(bào)傳輸時(shí)間和融合時(shí)長(zhǎng)。其中,情報(bào)傳輸時(shí)延是指情報(bào)從雷達(dá)錄取設(shè)備到情報(bào)中心的傳輸時(shí)間,通常不大于1s;融合時(shí)長(zhǎng)是指情報(bào)中心進(jìn)行情報(bào)融合時(shí)選取的時(shí)間片長(zhǎng)度,根據(jù)設(shè)備不同可能為數(shù)秒至數(shù)分鐘量級(jí)。因此,時(shí)戳無(wú)模糊范圍通常只需參考融合時(shí)長(zhǎng)設(shè)計(jì),若融合時(shí)長(zhǎng)為ΔTfuse,則時(shí)戳計(jì)數(shù)范圍應(yīng)滿足

N≥ΔTfuse/ΔT

(8)

此外,還要確定計(jì)數(shù)器0的定義,方法比較靈活。若以整點(diǎn)為計(jì)數(shù)零點(diǎn),則時(shí)戳轉(zhuǎn)換方式為

n=(M·6000+S·1000+m)mod(N)

(9)

其中,n為時(shí)戳計(jì)數(shù),M為絕對(duì)時(shí)間“分”,S為絕對(duì)時(shí)間“秒”,m為絕對(duì)時(shí)間“毫秒”,N為時(shí)戳計(jì)數(shù)范圍。

例如,某警戒雷達(dá)網(wǎng)參數(shù)為v=500m/s,ΔR=50m,k=5,ΔT=30ms,ΔTfuse=60s,則ΔT≤40ms,N≥1500。若取ΔT=30ms,N=3000,即時(shí)戳值為0～2999。若絕對(duì)時(shí)間為9:10:25.361,則時(shí)戳為n=1361。

5 定位格式

5.1 大地坐標(biāo)系

目前,雷達(dá)定位采用的大地坐標(biāo)系主要有WGS-84、BJS-54、CGCS-2000等。通常,定位設(shè)備輸出格式為經(jīng)L、緯B、高H,而雷達(dá)情報(bào)轉(zhuǎn)換使用地心空間直角坐標(biāo)(Xe,Ye,Ze),因此需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,即

(10)

其中,a和b為大地坐標(biāo)系采用的參考橢球長(zhǎng)半軸和短半軸,其取值如表1所示。

表1 大地坐標(biāo)系橢球參數(shù)表

由表1可見(jiàn),CGCS-2000和WGS-84橢球參數(shù)相差很小,同一點(diǎn)的坐標(biāo)差值小于1mm,因此工程上可忽略[8];BJS-54橢球參數(shù)差異較大,在情報(bào)格式轉(zhuǎn)換時(shí)要選用正確參數(shù)[9]。

5.2 高程格式

根據(jù)定位設(shè)備的不同,定位輸出數(shù)據(jù)采用的高程定義有所不同。高程定義包括正高、正常高和大地高,正高是地面某點(diǎn)通過(guò)該點(diǎn)鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的距離,是個(gè)確定的物理量但無(wú)法精確求定;正常高以似大地水準(zhǔn)面代替大地水準(zhǔn)面,數(shù)值極接近正高,也成為“海拔高”;大地高是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程,與坐標(biāo)系相關(guān)。大地高與正常高的差值為異常高程ξ,本質(zhì)上為似大地水準(zhǔn)面與參考橢球面之間的高差,可以分地域預(yù)先測(cè)定[10]。大地高H、正常高h(yuǎn)和高程異常ξ三者之間的關(guān)系為

h=H+ξ

(11)

總之,無(wú)論采用何種大地坐標(biāo)系,其推算出的正常高數(shù)值應(yīng)是理論上相同,工程上相近的。在大地坐標(biāo)系與地心空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中,應(yīng)采用大地高,而避免誤用正常高。

6 定北格式

雷達(dá)定北方法很多,例如基準(zhǔn)目標(biāo)校準(zhǔn)、磁羅盤、陀螺羅盤等,不同設(shè)備輸出的“北”有著磁北和真北的差別,工程上應(yīng)該注意區(qū)分。

磁北是以大地磁場(chǎng)為基準(zhǔn)的,為過(guò)地球上一點(diǎn)指向地球磁北極的方向。真北,又稱正北,為過(guò)地球上一點(diǎn)指向地球地理北極的方向。地磁極與地理極相接近,但并不完全重合,通常用“磁偏角”來(lái)表示磁北和真北夾角。磁偏角在全球各地是不同的,其變化范圍常常有幾分到幾度不等;即使在同一天內(nèi)的同一地方,也常常會(huì)有幾分的變化量。我國(guó)磁偏角一般情況下為2°～3°,最大可達(dá)6°。顯然,磁偏角大小與雷達(dá)方位波束寬度相接近,定北得到的方位基準(zhǔn)不同會(huì)嚴(yán)重破壞情報(bào)一致性。因此,組網(wǎng)雷達(dá)最好采用相同的定北設(shè)備,或者采取手段將目標(biāo)情報(bào)方位校正到相同基準(zhǔn)。

7 結(jié)語(yǔ)

組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)是以信息為中心的體系,其交互情報(bào)的正確表示和傳輸是很重要的。本文面向組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)共享需求,提出了雷達(dá)情報(bào)交互關(guān)鍵要素包括目標(biāo)位置、時(shí)戳、定位、定北等,針對(duì)不同要素研究了不同格式差異及轉(zhuǎn)換方法,能夠直接指導(dǎo)組網(wǎng)雷達(dá)情報(bào)傳遞、轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

[1]余非,時(shí)銀水,季治寶.雷達(dá)網(wǎng)指揮控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究[J].防空兵指揮學(xué)院學(xué)報(bào),2011,28(4):58-60.

[2]李旭東.陸軍防空雷達(dá)組網(wǎng)與指揮控制系統(tǒng)集成研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2009,31(5):7-10.

[3]劉衛(wèi)新,孔慶寶,付繼宗,等.戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息分發(fā)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].火力與指揮控制,2012,37(增刊):121-123.

[4]樊海博.陸基雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)化改造技術(shù)研究[J].火控雷達(dá)技術(shù),2006,35(3):35-39.

[5]石章松,劉忠,王航宇,等.目標(biāo)跟蹤與數(shù)據(jù)融合理論及方法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[6]金宏斌,徐毓,董峰.雷達(dá)信息處理系統(tǒng)中的坐標(biāo)變換問(wèn)題研究[J].空軍雷達(dá)學(xué)院,2003,17(3):54-56.

[7]Merrill I. Skolnik.南京電子技術(shù)研究所譯.雷達(dá)手冊(cè)(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[7]Merrill I. Skolnik. Radar Handbook(Third Edition)[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2010.

[8]魏子卿.2000中國(guó)大地坐標(biāo)系及其與WGS84的比較[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2008,28(5):1-4.

[9]譚清華,曾祥新,張任.BJS54測(cè)繪成果到CGCS2000的轉(zhuǎn)換方法應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng),2010,35(2):36-38.

[10]謝海峰,唐海波.GPS高程測(cè)量的探討[J].廣東科技,2009(206):189-191.

DesignandTransformationofIntelligenceExchangeFormatinRadarNet

HAN Wenbin LI Xiaoyan WANG Huabing GUO Jinliang

(Luoyang Electronic Equipment Testing Center, Luoyang 471003)

As the technologies of network, digitalization, informationization in radar develop continuously, the coherence of intelligence exchange in radar net is outstanding. Focusing on the intelligence share in radar net, the intelligence exchange frame is analyzed with the key elements, of which the different format definitions differentiate, and then the methods to select and transform the element format of every element are researched. The outcome can support to design and realize the equipments for intelligence transfer, transformation, process in radar net.

radar net, command and control, intelligence exchange, intelligence format

2013年10月12日,

:2013年11月25日

韓文彬,男,碩士,助理研究員,研究方向:雷達(dá)電子戰(zhàn)仿真、試驗(yàn)與評(píng)估。

TN95DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.033