坐標投影轉(zhuǎn)換在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

許 樂

（民航中南空管局空管設(shè)備應(yīng)用技術(shù)開放實驗室，廣東 廣州 510403）

坐標投影轉(zhuǎn)換在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

許 樂

（民航中南空管局空管設(shè)備應(yīng)用技術(shù)開放實驗室，廣東 廣州 510403）

雷達目標的位置是基于雷達站本地的，必須對坐標進行轉(zhuǎn)換，并投影到顯示平面上，才能在顯示器上觀察。本文通過研究廣州歐洲貓自動化系統(tǒng)雷達目標坐標投影轉(zhuǎn)換為例，介紹坐標投影轉(zhuǎn)換在自動化系統(tǒng)顯示中的應(yīng)用。

自動化系統(tǒng)；雷達目標；坐標投影

0 引言

在自動化系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)雷達目標的統(tǒng)一融合處理，就必須將各地雷達站掃描到的目標實時的轉(zhuǎn)換到某一坐標系下。當今各自動化系統(tǒng)廠家比較流行的做法是將目標的站心坐標系通過數(shù)次變換，轉(zhuǎn)換到本地平面投影坐標系后再進行融合處理，再進行顯示。

1 雷達目標坐標投影轉(zhuǎn)換

從雷達站傳送下來的雷達目標的位置是基于該雷達站本地的，必須對目標的坐標進行轉(zhuǎn)換，并投影到顯示平面上，才能在顯示器上觀察。由于地球是三維橢球體的，而顯示屏幕是二維的平面，因此三維立體到二維平面的投影必然會帶來誤差以及變形。對坐標進行變換和投影，要求誤差和變形在可接受的范圍之內(nèi)。

以廣州歐洲貓自動化系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的坐標變換和投影算法，使用符合國際標準的WGS-84坐標系作為基準參數(shù)進行坐標投影變換和計算（地球大圓周）距離，變換過程如圖1所示。

圖1 坐標投影變換流程圖

在這套坐標變換流程中，一共有四個參考坐標系統(tǒng)。第一個參考坐標系統(tǒng)是站心坐標系，即雷達站的坐標系，其平面位置和高度位置是分開計算的，是相對于雷達站的，高度使用氣壓高度。平面位置可以使用極坐標系或笛卡爾坐標坐標系，極坐標系用角度/距離來表示（rho/theta），以雷達站為中心，正北角度為0，順時鐘方向角度為theta，與雷達站中心的距離為rho[1]；笛卡爾坐標使用XY來表示，雷達站為原點，向北為Y正，向東為X正[2]。極坐標系與笛卡爾坐標系可以相互轉(zhuǎn)換，但算出來的都是以雷達站為參考點的位置。

第二個是地心坐標系，這個坐標系以地心為球心的三維坐標計算系統(tǒng)，三條數(shù)軸都以地心為原點，使用相同的單位長度，分別為X軸（橫軸）、Y軸（縱軸）和Z軸（豎軸）。各軸之間的順序要求符合右手法則，即以右手握住Z軸,讓右手的四指從X軸的正向以90度的直角轉(zhuǎn)向Y軸的正向,這時大拇指所指的方向就是Z軸的正向。地心坐標系統(tǒng)是重要的中間坐標系統(tǒng)，各個雷達站的位置/高度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了統(tǒng)一地心坐標系后就可以相互進行比較、融合等后續(xù)處理。地心坐標系的數(shù)據(jù)是三維的，計算起來沒有系統(tǒng)誤差[3]。因此，對雷達目標的告警、路徑預(yù)測等計算一般都采用地心坐標系來計算，計算完以后再把結(jié)果轉(zhuǎn)換成其它方便顯示的坐標系統(tǒng)的數(shù)值。

下面說明站心坐標系與地心坐標系的轉(zhuǎn)換。以測站P（B0，L0，H0）為原點，P點的法線方向為軸（指向天頂為正），軸指向過P點的大地子午線的切線北方向，軸與平面垂直[4]。P’為目標點，即要計算和轉(zhuǎn)換的點，通常為飛行目標位置，此點的站心坐標為（XL，YL，ZL）。

圖2 坐標轉(zhuǎn)換示圖

則站心坐標到地心坐標的轉(zhuǎn)換公式如下：

則地心坐標到站心坐標的轉(zhuǎn)換公式如下：

第三個為參心坐標系，這個坐標系的中心是可以設(shè)定的，把某個重要位置點設(shè)定為參考中心，如廣州區(qū)管自動化系統(tǒng)以廣州白云機場東跑道中心點設(shè)置為參考中心點。參心坐標系統(tǒng)也有三個維度，水平面兩個維度X和Y，以及垂直的高度。水平面的X和Y是根據(jù)距離參考中心的大圓距離算出來的，首先使用大圓球面距離算法算出大圓距離，然后把大圓距離在經(jīng)度方向的分量作為Y值，在緯度方向的分量作為X值。參心坐標系會有一點的誤差，但是對于區(qū)域范圍內(nèi)工作的自動化系統(tǒng)來說，這個誤差是可以接受的。

最后一個是平面投影坐標系，這個坐標系用于把三維球面的坐標轉(zhuǎn)換為二維平面的坐標。從三維到二維的轉(zhuǎn)換過程又稱為投影，主要使用了大地投影算法，投影點位于系統(tǒng)中心點與球心延長線與球面的交點。大地投影算法中歐洲貓自動化系統(tǒng)綜合了蘭伯特和墨卡托投影的優(yōu)點，采用三維立體坐標投影算法，投影過程如圖3所示。

圖3 投影示意圖

2 結(jié)束語

坐標投影轉(zhuǎn)換在自動化系統(tǒng)雷達信號處理過程中是必要的環(huán)節(jié)，因各雷達型號不同而處理過程有所不同，但各種雷達坐標系的定義標準是一致的。本文所述的是將坐標投影轉(zhuǎn)換用于現(xiàn)有在用自動化系統(tǒng)雷達目標的顯示中，通過實際使用和驗證，證明準確且精度高。

［1］余博,郭雷,高世偉.基于對數(shù)極坐標變換的灰度投影穩(wěn)像算法[J].計算機應(yīng)用.2008(12).

［2］宋軍,王國宏.傾斜角定位技術(shù)的研究[J].艦船電子工程,2005(2).

［3］高艷芳,戚樹軍,李曉昌.將WGS-84坐標轉(zhuǎn)為北京54坐標的一種實用方法[J].物探化探計算技術(shù),2008(12).

［4］周云,華祖耀.DIS中的坐標系統(tǒng)及坐標轉(zhuǎn)換[J].計算機仿真,2000(6).

許樂（1981—），男，福建人，工程師，主要研究方向是空管監(jiān)視設(shè)備和空管自動化系統(tǒng)。

楊玉潔］