二次監(jiān)視雷達跟蹤近程目標的新方法*

王　強**，喻　波，王愛國，李　濤

(1.四川九洲空管科技有限責任公司，四川 綿陽 621000；2.中國西南電子技術研究所，成都 610036)

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二次監(jiān)視雷達跟蹤近程目標的新方法*

王強**1，喻波2，王愛國1，李濤1

(1.四川九洲空管科技有限責任公司，四川 綿陽 621000；2.中國西南電子技術研究所，成都 610036)

針對近程目標的機動特性以及在近距離詢問信號飽和使應答機抑制等因素造成二次監(jiān)視雷達不能穩(wěn)定跟蹤目標的現(xiàn)象，提出了一種新的跟蹤方法，采用詢問編排、功率控制等措施讓應答機能有效應答，并通過近程跟蹤濾波、航跡融合來實現(xiàn)對近程目標的穩(wěn)定跟蹤。該方法提高了系統(tǒng)的跟蹤效能，近程目標的應答率提高到了80%左右，適合于二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)對近距離目標跟蹤要求嚴苛的場合。該方法已在實際工程中成功應用。

二次監(jiān)視雷達；近程跟蹤；相控陣天線；詢問編排；功率控制；航跡融合

1　引　言

二次監(jiān)視雷達(Secondary Surveillance Radar,SSR)是提供空中飛行情報及態(tài)勢的主要信息來源，不僅是民航的必配設備，還廣泛應用于軍事領域。在某些特殊應用場合，由于目標機動飛行復雜，不僅速度快，而且轉彎半徑小，對二次監(jiān)視雷達的跟蹤性能提出了更高的要求。特別是在近距離，機動目標運動軌跡的不規(guī)則性會進一步放大，并且由于逐步靠近架設場地，由場地環(huán)境引起的電磁環(huán)境干擾也變得嚴重，這都給二次監(jiān)視雷達的后端處理帶來一定的困難。

目前對二次監(jiān)視雷達跟蹤近程目標的研究還相對較少。文獻[1]從詢問控制、波束調度等方面對二次監(jiān)視雷達跟蹤近程目標作出了研究，而本文側重于近程目標特性分析、跟蹤算法以及工程應用。

本文首先分析了由于態(tài)勢變化大以及應答抑制等因素造成近程目標容易丟失的原因，提出在相控陣體制下，利用波束的靈活性將波束瞬時定向到近程目標所在區(qū)域，然后給和通道、控制通道分配預設的功率控制值對目標進行詢問，獲取目標的應答信息后再利用獨立的跟蹤濾波器來穩(wěn)定連續(xù)地捕獲目標。

2　近程目標特性分析

2.1運動特性

民航飛機通常飛行比較平穩(wěn)，姿態(tài)變化緩慢，而軍機常常做各種機動飛行，姿態(tài)變化劇烈，有時還會出現(xiàn)應答天線被機身遮擋，從而影響詢問機的探測。

從機動目標的運動軌跡看，可分解為鉛垂面內和水平面內的機動飛行。在鉛垂面內，平飛加減速是在距離上變化大而方位和高度則變化小，俯沖、躍升、筋斗是在高度上變化大而方位和距離變化??；在水平面內，典型的機動飛行動作是盤旋，即方位變化大而距離和高度變化小。對詢問機來說，機動目標在距離、方位上的突變會超出點跡報告和航跡關聯(lián)時的區(qū)域尺寸，在高度上的突變則會導致目標報告與航跡進行C模式測試時失敗[2]。

2.2應答特性

當飛機靠近詢問站點時，由于詢問機發(fā)射功率過大，會導致應答機接收的詢問脈沖飽和、抑制脈沖幅度增加，導致應答機不能應答。對于民航機場來說，通常部署航路二次監(jiān)視雷達和終端區(qū)二次監(jiān)視雷達。航路二次監(jiān)視雷達主要關注中遠程目標，發(fā)射功率大，作用距離遠；終端區(qū)二次監(jiān)視雷達只關注近程目標，發(fā)射功率小，作用距離近，這樣就不會造成在近距離應答機飽和。而對于某些特殊應用平臺，要求二次監(jiān)視雷達既要監(jiān)視遠距離目標，又要對近程目標進行穩(wěn)定跟蹤，這樣就會帶來上述問題。同時，在近距離時詢問信號太強也會引起反射干擾，導致虛假目標的產(chǎn)生。

3　近程跟蹤設計

3.1系統(tǒng)設計

根據(jù)上述近程目標特性分析，要穩(wěn)定跟蹤近程目標，應采取以下措施：

(1)提高掃描速率，在近程目標的各種機動飛行中彌補探測掉點、盲點，以增加捕獲幾率；

(2)進行功率控制，避免應答機抑制及反射干擾；

(3)為近程目標構建獨立的航跡跟蹤模型，以匹配近程目標態(tài)勢瞬時變化所產(chǎn)生的新關聯(lián)門限。

本文提出的近程跟蹤系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)以正常速率順序掃描探測目標，航跡處理模塊送出穩(wěn)定航跡，同時航跡送往近程跟蹤閾值檢測器；近程跟蹤閾值檢測器將每個目標與預設閾值進行比較，判斷是否滿足近程條件，是否為近程目標要根據(jù)不同平臺對系統(tǒng)的需求而定(本系統(tǒng)以50 km作為近程閾值)，如果滿足則觸發(fā)跟蹤定時器；跟蹤定時器根據(jù)設置的跟蹤頻率來觸發(fā)跟蹤詢問，直至該目標超出近程跟蹤空域(本系統(tǒng)1 s對目標跟蹤1次)，對空域內的每個近程目標都設置獨立的跟蹤定時器；系統(tǒng)收到跟蹤定時器的觸發(fā)后，暫停當前掃描，保護現(xiàn)場數(shù)據(jù)(當前掃描方位、功率控制參數(shù)等)，重新設置近程功率控制參數(shù)，然后將波束瞬時定向到近程目標所在方位進行詢問；在每次近程跟蹤詢問期間，接收到的目標報告都打上近程跟蹤標記，便于后端航跡處理對近程目標進行單獨的跟蹤處理；近程跟蹤詢問完成后，恢復正常掃描功率控制參數(shù)，將波束定向到掃描中斷方位，啟動正常掃描。

圖1近程跟蹤系統(tǒng)設計框圖

Fig.1 Design diagram of short-range tracking system

在系統(tǒng)設計時，跟蹤目標的批數(shù)應與系統(tǒng)的刷新率進行匹配。采取跟蹤后會增加系統(tǒng)時間開銷，過多的跟蹤可能影響正常掃描探測，當滿足跟蹤條件的目標數(shù)量超出時間容限時，應以關注的目標作為首先跟蹤對象，或以距離、方位作為選取的優(yōu)先條件。

3.2詢問編排

在每次跟蹤過程中期望通過增加詢問次數(shù)來提高探測率，但是過高的詢問率也會導致應答機抑制，如民航對應答機的應答率規(guī)定為至少每秒回答1 200次[3]，即最低詢問間隔應大于1/1 200 s才能觸發(fā)應答機應答。因此，應根據(jù)應答機特征以及實際情況進行合適的選取近程跟蹤詢問間隔[1]。

3.3功率控制

一部二次監(jiān)視雷達的詢問波束發(fā)射功率為PΣ，控制波束發(fā)射功率為PΩ，在距離R處，應答機接收到的詢問信號和控制信號幅度為

(1)

圖2詢問信號和詢問旁瓣抑制信號空間關系

Fig.2 The space relationship between interrogation signal and interrogation sidelobe suppression signal

從圖2中可看出詢問信號已經(jīng)飽和，而詢問旁瓣抑制信號已進入應答或抑制區(qū)[4]，這樣會導致詢問機失去對應答機的捕獲機會。因此，近程跟蹤時功率控制值應滿足

PΣ-Cp-LR≤P″Σ。

(2)

式中：P″Σ為應答機能接收的最大詢問信號；Cp為功率控制值。在本例中，系統(tǒng)功率至少應控制8 dB。功率控制時，詢問波束與控制波束的功率控制值應保持一致，使詢問波束與控制波束的增益始終保持最佳匹配，滿足二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)要求[4]。

3.4近程跟蹤航跡處理

近程跟蹤航跡處理要進行單獨處理，然后再與正常掃描航跡進行融合。其處理流程與正常掃描航跡處理流程一樣[5]，處理時需注意：點跡報告和航跡的配準是以航跡預測位置為中心的幾個聯(lián)合區(qū)域，在近程跟蹤時要適當加大各區(qū)域的尺寸；C模式測試時，要放寬C模式容限值，太嚴格會影響俯沖或躍升目標的探測；為迅速捕獲高機動目標，航跡應快速起批，當點跡質量穩(wěn)健、數(shù)據(jù)置信度高，可將三點起批調整為兩點起批。下面著重介紹近程跟蹤濾波方法和遠近程航跡融合處理。

3.4.1近程跟蹤濾波

近程目標機動性強，難以建立清晰的目標運動模型。同時，選取何種濾波方法來對目標進行穩(wěn)定跟蹤，使得既要防止將機動趨勢當成測量誤差濾除，又要防止將測量誤差當成機動趨勢處理。本系統(tǒng)采用一種基于對數(shù)壓縮的自適應目標跟蹤方法[6]。

首先將目標從柱坐標系轉換到笛卡爾坐標系，在x、y、z每個方向進行跟蹤濾波，完成后再將3個濾波值進行空間運動合成，最終轉換回柱坐標系。在單個方向上按以下多項式進行展開：

(3)

式中：p(x)表示任一連續(xù)曲線；a為多項式系數(shù)；n≥0。由于在短時間內可認為目標的運動是勻速直線運動和勻加速直線運動的合成，因此，3階(含)以上分量所占比重可以忽略，只截取多項式的2階、1階和常數(shù)項就可以表征目標在單方向上的直線運動。再用最小二乘法曲線擬合對測量數(shù)據(jù)進行1階和2階擬合，擬合公式如下：

(4)

式中：xi代表時間；yi表示需要擬合的數(shù)據(jù)；m為歷史數(shù)據(jù)個數(shù)；n為擬合階數(shù)。擬合后按以下公式計算單個方向上(以x軸為例)歷史數(shù)據(jù)的一次差：

(5)

xyc=P1·I1·K+P2·I2·(1-K) 。

(6)

得到當前預測值后，判斷當前預測值與當前最新測量值差值的絕對值是否大于一次差的2倍，如果大于按照以下公式壓縮當前測量值：

xi=xyc+G(xi) 。

(7)

式中：G(xi)為對殘差進行對數(shù)壓縮的函數(shù)。壓縮完成后，再按照公式(3)和公式(4)進行1階2階擬合。然后，分別計算當前時間映射到1階和2階擬合曲線上的值并與當前實測值進行融合，得到單方向上的跟蹤濾波值。

3.4.2航跡融合

二次監(jiān)視雷達的數(shù)據(jù)更新時間一般為4～10 s[4]，而近程跟蹤頻率為1 s，因此需將近程跟蹤航跡融合到掃描航跡，以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新時間要求。并且只要應答機不飽和，正常掃描波束掠過近程目標時也能探測到該目標，這樣就也需將掃描航跡與近程跟蹤航跡融合。近程跟蹤航跡與掃描航跡融合原理如圖3所示。

圖3航跡融合原理圖

Fig.3 Diagram of track fusion

圖3中，以4 s數(shù)據(jù)更新時間為例。設S1(t1)、S2(t2)、S3(t3)、S4(t4)分別為數(shù)據(jù)更新周期內每秒產(chǎn)生的近程跟蹤航跡位置，Sy(ty)為數(shù)據(jù)更新周期內產(chǎn)生的掃描航跡位置。將前3點近程跟蹤航跡位置進行卡爾曼濾波，得到近程跟蹤外推航跡位置：

Sj(tj)=fkalman(S1(t1),S2(t2),S3(t3))。

(8)

式中：fkalman(x)為卡爾曼濾波函數(shù)。然后再將Sj(tj)、S4(t4)、Sy(ty)用平均加權法進行位置融合，得到上報的目標航跡位置：

S(t)=A(W·K1·Sj(tj),W·K2·S4(t4),W·K3·Sy(ty))。

(9)

式中：A(x)為位置平均加權函數(shù)；W為加權系數(shù)，W∈(0,1]；K1、K2、K3分別為3個位置的存在系數(shù)，取值為0或1。因為在實際的探測過程中可能存在以下幾種情況：

(1)有近程目標時可能沒有探測到該目標的掃描報文，那么K3=0；

(2)在數(shù)據(jù)更新周期內，第4個近程跟蹤點可能丟失或損害，那么K2=0；

(3)對于遠程目標，K1=0，K2=0，K3=1。

4　試驗及結果

本文所描述的近程跟蹤方法已用于工程實踐。表1為采取近程跟蹤前后目標的應答率對比，該統(tǒng)計數(shù)據(jù)選自于目標機動轉彎階段，通過該表可看出跟蹤后目標應答率大大提高。

表1跟蹤前后目標應答率對比

Tab.1 Comparison of reply rate before and after tracking

序號應答率/%采取近程跟蹤前采取近程跟蹤后目標11782目標21481目標32083目標41178目標51381

圖4和圖5為用Matlab繪制的工程試驗數(shù)據(jù)。從圖4可看出，不采取近程跟蹤時，目標在轉彎過程中容易丟失，探測的點跡較少，導致航跡出現(xiàn)偏差、斷點。從圖5可看出，由于提高了掃描率以及采取了功率控制，目標點跡明顯增多;同時，采取近程跟蹤航跡處理措施后，航跡也比較連續(xù)，并能穩(wěn)定跟蹤目標。

圖4不采取近程跟蹤時的點跡和航跡圖

Fig.4 Diagram of plot and track before tracking

圖5采取近程跟蹤后的點跡和航跡圖

Fig.5 Diagram of plot and track after tracking

5　結束語

本文提出的近程跟蹤新方法采用近程詢問編排、功率控制等措施使近程目標的應答率提高到了80%左右，同時采用近程跟蹤濾波和航跡融合等技術改善了目標報告掉點、不連續(xù)的現(xiàn)象。本文所提出的方法通過理論分析以及結合工程設計，解決了某些特殊平臺加裝二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)遇到的一些關鍵問題。如何進一步提高近程目標的應答率將在下一步工作中研究。

[1]鄧欣.提高航管二次雷達近程目標跟蹤穩(wěn)定性的方法[J].電訊技術，2016,56(2)：190-194.

DENG Xin. A method for improving secondary surveillance radar system′s short-range targets tracking stability[J].Telecommunication Engineering,2016,56(2):190-194.(in Chinese)

[2]張蔚.二次雷達原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

ZHANG Wei.The theory of secondary surveillance radar[M].Beijing: National Defense Industry Press,2009.(in Chinese)

[3]ICAO.Surveillance and collision avoidance systems:ICAO Annex 10 Volume IV[S].Montreal,Canada:ICAO,2007:1-56.

[4]中國民用航空總局.空中交通管制二次監(jiān)視雷達設備技術規(guī)范:MH/T 4010-2006[S].北京：中國標準出版社，2006:1-47.

CAAC.Technical standards for ATC secondary surveillance radar:MH/T 4010-2006[S].Beijing:Standards Press of China,2006:1-47.(in Chinese)

[5]賈坤.航管二次雷達數(shù)據(jù)處理[J].電訊技術，2011,51(6)：78-81.

JIA Kun.Data processing of secondary surveillance radar for air traffic control[J].Telecommunication Engineering,2011,51(6):78-81.(in Chinese)

[6]王耀興,劉永剛,李濤.一種航跡濾波的方法：CN201310143949.2[P].2013-08-07.WANG Yaoxing,LIU Yonggang,LI Tao.A method of track filtering:China，CN201310143949.2[P].2013-08-07.

王強(1982—)，男，四川渠縣人，2007年于電子科技大學獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達；

WANG Qiang was born in Quxian,Sichuan Province，in 1982.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:wangqiang_uestc@163.com

喻波(1980—)，男，四川仁壽人，2003年于電子科技大學獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達；

YU Bo was born in Renshou,Sichuan Province，in 1980.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2003.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:nidejia@163.com

王愛國(1979—)，男，山東海陽人，2002年于武漢理工大學獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達；

WANG Aiguo was born in Haiyang,Shandong Province，in 1979.He received the B.S. degree from Wuhan University of Technology in 2002.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:my_wag@163.com

李濤(1987—)，男，四川合江人，2009年于電子科技大學獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達。

LI Tao was born in Hejiang,Sichuan Province，in 1987.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:474997647@qq.com

A New Short-range Target Tracking Method for Secondary Surveillance Radars

WANG Qiang1,YU Bo2,WANG Aiguo1,LI Tao1

(1.Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.,Ltd.,Mianyang 621000,China;2.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

In view of the tracking problem caused by short-range maneuver flight target and transponder suppressed due to strong interrogation signal in secondary surveillance radar(SSR) system,a new tracking method is proposed.In the method,interrogation arrangement,power control and other measure are used to strigger transponder reply and realize stable tracking of short-range targets by short-range tracing filter and track fusion.The proposed method can improve the tracking system performance，the reply rate of short-range targets is improved to around 80%,and it is suitable for application in complex short-range target tracking with SSR system.The method has been successfully applied in an engineering project.

secondary surveillance radar;short-range tracking;phased array antenna;interrogation arrangement;power control;track fusion

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.016

2016-01-29；

2016-05-04Received date:2016-01-29；Revised date：2016-05-04

TN958.96

A

1001-893X(2016)09-1039-05

引用格式：王強，喻波，王愛國,等.二次監(jiān)視雷達跟蹤近程目標的新方法[J].電訊技術，2016,56(9):1039-1043.[WANG Qiang,YU Bo,WANG Aiguo,et al.A new short-range target tracking method for secondary surveillance radars[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1039-1043.]

**通信作者：wangqiang_uestc@163.comCorresponding author：wangqiang_uestc@163.com