淺析場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)

劉元春　張煉

【摘要】隨著我國航空業(yè)務的快速發(fā)展，飛機起降次數(shù)越來越多，從而給地面管制人員帶來的工作負荷也越來越大。場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)能夠對機場跑道上的目標進行定位、跟蹤監(jiān)視，讓管制員實時掌握跑道上目標的態(tài)勢信息，方便管制員對目標進行管控，提高機場運行率，減少地面沖突、確保地面安全。本文由三部分組成，第一部分講述場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)工作原理；第二部分講述場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)組成；第三部分講述后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

【關鍵字】場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

1 場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)工作原理

場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)的工作原理等同于一次雷達。通過雷達天線系統(tǒng)發(fā)射電磁波，其中的一部分能量被目標接收，并且在各個方向上產生二次散射。雷達天線收集散射回來的能量并送至雷達頭對回波信號進行處理，從而發(fā)現(xiàn)目標存在，將視頻信號、觸發(fā)信號、方位角信號等送數(shù)據(jù)處理分機處理，提取目標的距離和方位等信息，形成目標航跡。通過監(jiān)控維護分機監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，設定系統(tǒng)參數(shù)，進行必要的設置和維護和顯示雷達圖像。系統(tǒng)工作示意如圖1所示。

2 場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)組成

場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)由天線分機、雷達頭、數(shù)據(jù)處理分機和監(jiān)控維護分機組成。通過天線分機向空間發(fā)射電磁波，接收目標反射回來的回波信號，通過雷達頭處理將射頻信號轉化為中頻信號，進一步轉化為視頻信號、數(shù)字信號和方位角信號，送數(shù)據(jù)處理分機進行點跡提取、航跡生成跟蹤和視頻數(shù)據(jù)分發(fā)。通過監(jiān)控維護分機進行雷達圖像的顯示和監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，設定系統(tǒng)參數(shù)，進行必要的設置和維護。系統(tǒng)組成如表1所示。系統(tǒng)組成和交聯(lián)關系如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)處理功能

3.1 硬件架構

3.1.1 概述

場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)處理硬件架構組成包括數(shù)據(jù)處理分機和監(jiān)控維護分機，數(shù)據(jù)處理分機配備在雷達站機房，監(jiān)控維護分機配備在管制中心。數(shù)據(jù)處理分機接收雷達信息，并將處理的雷達數(shù)據(jù)上報到監(jiān)控維護分機，監(jiān)控維護分機接收雷達數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、飛行計劃等數(shù)據(jù)，在顯控終端顯示目標的態(tài)勢信息，并對目標進行掛牌，實現(xiàn)對目標進行監(jiān)控、管理和指揮。其中數(shù)據(jù)處理分機駐留雷達數(shù)據(jù)處理軟件，監(jiān)控維護分機駐留系統(tǒng)監(jiān)控軟件和綜合顯示軟件。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理分機

數(shù)據(jù)處理分機主要組成有：（1）服務器：采用商用主流服務器，支持19英寸機架安裝，支持PCI擴展；（2）視頻采集卡：雷達模擬視頻采集與處理，支持PCI安裝；（3）雷達數(shù)據(jù)處理軟件。

3.1.3 監(jiān)控維護分機

監(jiān)控維護分機主要組成：（1）主機：采用商用主流臺式工作站，可支持雙顯；（2）顯示器：24寸液晶顯示器，支持分辨率不低于1920×1280；（3）系統(tǒng)監(jiān)控軟件；（4）綜合顯示軟件。

監(jiān)控維護分機可配置為本地監(jiān)控維護分機與遠程監(jiān)控維護分機，也可配置為監(jiān)控分機（主要實現(xiàn)雷達狀態(tài)監(jiān)控）與維護分機（主要實現(xiàn)雷達視頻與目標顯示），主要功能主要有：（1）雷達頭監(jiān)視：與雷達頭信號分配器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)雷達頭狀態(tài)監(jiān)視、以圖形化實時展示設備故障狀態(tài)，當設備故障時提供告警和日志記錄，具備歷史日志查詢；（2）雷達頭控制：與雷達頭信號分配器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)雷達頭的工作狀態(tài)、工作模式、主備切換、配置參數(shù)等控制；（3）雷達數(shù)據(jù)處理服務器監(jiān)控：實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)處理服務器的狀態(tài)監(jiān)視、主備控制以及點航跡處理參數(shù)配置；（4）目標顯示：實現(xiàn)雷達原始點跡、點跡、航跡顯示，目標報告格式支持CAT010格式；具備目標數(shù)據(jù)記錄與重演功能；具備目標數(shù)據(jù)查詢與輸出功能；（5）視頻顯示：實現(xiàn)雷達視頻實時顯示；（6）地圖顯示：實現(xiàn)監(jiān)視區(qū)域類GIS地圖顯示（7）飛行計劃處理：實現(xiàn)飛行計劃的引接、處理并與目標報告關聯(lián)；（8）用戶管理：具備用戶分級管理，實現(xiàn)調試員、管理員以及操作員的權限分配和用戶管理；（9）具備多個監(jiān)控維護分機協(xié)同工作能力。

4 軟件架構

4.1 雷達數(shù)據(jù)處理軟件

4.1.1 功能介紹

雷達數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)功能有：（1）視頻處理：實現(xiàn)雷達視頻采集與存儲；可輸出經(jīng)過處理后的雷達視頻報文，支持CAT240格式；具備雷達視頻重演功能；（2）目標處理：實現(xiàn)雷達原始點跡凝聚、錄取與輸出；完成點航跡關聯(lián)、跟蹤、濾波、平滑、外推處理，輸出經(jīng)過平滑后的航跡；航跡處理支持特殊區(qū)域處理（包括消隱區(qū)、雜波區(qū)、草坪區(qū)等）；點航跡格式支持CAT010格式。（3）配置管理：具備自動主備切換和監(jiān)控維護終端手動主備切換功能；具備本服務器狀態(tài)監(jiān)視、告警與輸出。

4.2 軟件處理

4.2.1 視頻處理

雷達視頻處理實現(xiàn)雷達視頻信號的采集、壓縮、分發(fā)、存儲、重演功能，通過標準的支持庫實現(xiàn)如下功能：（1）采集板卡接口；（2）扇區(qū)掃描，支持隨機掃描；（3）雷達接口緩沖區(qū)；（4）壓縮和解壓縮；（5）網(wǎng)絡分發(fā)；（6）測試信號發(fā)生器；（7）情景模擬發(fā)生器；（8）記錄和回放；（9）導航數(shù)據(jù)接口（NMEA）；（10）ASTERIX CAT240輸出。

4.2.2 目標處理

目標處理主要實現(xiàn)如下功能：（1）消隱區(qū)處理；（2）點跡錄取；（3）預處理；（4）點跡關聯(lián)；（5）航跡管理；（6）航跡跟蹤濾波；（7）航跡檢測；（8）航跡質量評估；

4.2.3 配置管理

配置管理主要通過標準的API采集主機的配置參數(shù)（主頻、內存以及相關利用率），結合軟件自身狀態(tài)組包輸出；同時連接監(jiān)控維護分機的主備切換控制實現(xiàn)通道主備切換。

4.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

4.3.1 功能介紹

系統(tǒng)監(jiān)控實現(xiàn)的功能框圖如圖3所示。

4.4 軟件處理

4.4.1 權限管理

權限管理包括本機用戶管理和協(xié)同管理，具體實現(xiàn)：（1）本機用戶管理包括登錄管理和用戶配管。登錄通過用戶名與密碼認證方式登陸，軟件自動配置與其權限匹配的界面；用戶配管包括添加、編輯、刪除用戶信息，用戶分組包括設計員、管理員、操作員，其中管理員與操作員面向最終用戶開放，設計員僅面向工廠研發(fā)、調試人員；操作員具備個人資料管理、設備的模式、狀態(tài)控制、主備機切換、故障日志查詢、態(tài)勢界面形配置等功能，管理員除具備操作員的操作外，還可具備用戶管理、雷達參數(shù)配置的功能。（2）協(xié)同管理主要實現(xiàn)多個終端的主備管理，終端采用“誰用誰申請”的原則，管理系統(tǒng)終端主控權限，在系統(tǒng)中任意時刻有且僅有一個終端具有控制權限，可通過申請并由當前主控批準后獲得主控權限。

4.4.2 日志管理

日志管理主要包括故障狀態(tài)日志的存儲、查詢、導出、刪除等操作，要求：

（1）日志存儲：按照標準的格式進行文件存儲或數(shù)據(jù)庫存儲，可記錄存儲時間可根據(jù)用戶需求進行設置，一般以天為單位；（2）日志查詢：歷史日志的條件查詢，包括時間、類型等條件；（3）日志導出：歷史日志的文件導出或打印輸出；（4）日志刪除：自動刪除超過用戶設定天數(shù)的歷史日志，同時可手動刪除；（5）統(tǒng)計分析：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計故障分布、故障時間等信息。

4.4.3 天線分機監(jiān)控

天線分機監(jiān)控通過與收發(fā)控制器交聯(lián)，實現(xiàn)雷達轉臺、天線的狀態(tài)監(jiān)視和控制。主要監(jiān)控的內容宜包括：（1）控制器鏈路；（2）轉臺工作狀態(tài)；（3）轉速；（4）方位信號、正北信號；（5）轉臺電機狀態(tài)；（6）轉臺其他自檢。

4.4.4 雷達頭監(jiān)控

雷達頭監(jiān)控包括：

（1）雷達頭設備監(jiān)控：雷達設備監(jiān)控主要完成主機的工作狀態(tài)與模式監(jiān)控、雷達頭的主備通道切換控制；（2）軟件狀態(tài)監(jiān)控：軟件運行狀態(tài)監(jiān)視部件通過圖表直觀、動態(tài)的展示雷達主機的內部軟件配置項的運行狀態(tài) ；（3）硬件狀態(tài)監(jiān)控：硬件運行狀態(tài)監(jiān)視部件通過分層結構圖形直觀、動態(tài)的展示雷達主機的硬件運行狀態(tài)。

4.4.5 雷達數(shù)據(jù)處理監(jiān)控

雷達數(shù)據(jù)處理監(jiān)控主要包括雷達數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理分機的軟硬件狀態(tài)監(jiān)視和主備機狀態(tài)監(jiān)控；其中軟件運行狀態(tài)監(jiān)控內容同雷達頭軟件運行狀態(tài)監(jiān)控。

4.4.6 系統(tǒng)參數(shù)配置

系統(tǒng)參數(shù)配置主要完成以下功能：（1）雷達頭各模塊參數(shù)配置；（2）雷達數(shù)據(jù)處理分機參數(shù)配置；（3）其他參數(shù)配置。

4.5 綜合顯示軟件

4.5.1 功能介紹

綜合顯示軟件功能框圖如圖4所示。

4.6 軟件處理

4.6.1 軟件框架

雷達數(shù)據(jù)綜合顯示軟件采用圖形化視圖（Graphic View）框架，包含視圖（View）、場景（Scene）和圖元（Item）三個組成部分。視圖為用戶定制的二維圖元進行管理與交互提供一個平臺，同時為圖元的可視化提供視圖窗口。場景為圖元的容器，提供顯示平臺，傳播事件到場景中每個圖元。圖元是圖形顯示的單元，可以將基本圖形如線、矩形、圓周等作為一個圖元，也可以將多個基本圖形組合成一個復雜圖形作為一個圖元。圖形化視圖采用二元空間分割（BSP）樹方式提供圖元快速搜索，因此可以使包含高達上百萬個圖元的大場景能夠實時可視化。圖形化視圖提供一種基于圖元的方式進行模型/視圖編程，在實際應用中可以將GIS、目標實例化成不同的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型可以包含多個具體的圖元，包含區(qū)域、點、文字、線條等符號。

4.6.2 視頻顯示

視頻顯示主要實現(xiàn)如下功能：（1）數(shù)據(jù)接收：接收并解析標準報文數(shù)據(jù)，存儲進行存儲；（2）圖元實例化：根據(jù)實際讀取的數(shù)據(jù)模型進行圖元封裝，在基礎圖元類上派生為場景可用的圖元類型，并將相應的屬性完善。（3）顯示屬性控制：提供用戶根據(jù)需要配置各類圖元的顯示屬性界面，可動態(tài)載入或存儲配置方案；（4）態(tài)勢顯示：將各實例化的圖元添加到系統(tǒng)的場景中，完善在場景視圖變換（縮放、漫游等）時適應性調整，根據(jù)屬性控制器對各圖元的配置，在態(tài)勢界面中顯示。

4.6.3 目標態(tài)勢顯示

目標態(tài)勢顯示主要實現(xiàn)以下功能：（1）目標數(shù)據(jù)接收：從網(wǎng)絡目標數(shù)據(jù)端口獲取到有效的目標數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)有效判別、格式轉換等預處理后送往后端； （2）目標數(shù)據(jù)處理：根據(jù)目標數(shù)據(jù)提取目標唯一的數(shù)據(jù)索引，根據(jù)索引查找目標鏈表，索引到有效目標鏈表的情況下直接將目標數(shù)據(jù)插入鏈表，并更新鏈表相關屬性，未查找到時，利用目標數(shù)據(jù)新建一個鏈表；當在目標鏈表更新超時情況下，將目標鏈表刪除；（3）圖元實例化：根據(jù)實際讀取的數(shù)據(jù)模型進行圖元封裝，在基礎圖元類上派生為場景可用的圖元類型，并將相應的屬性完善；（4）雷達可顯示的數(shù)據(jù)內容包括：高度、距離、速度、航向、以及S模式地址等相關信息；（5）顯示屬性控制：提供用戶對目標圖元顯示參數(shù)配置管理，可動態(tài)載入或存儲配置方案，可配置圖元相關參數(shù)；（6）態(tài)勢顯示：將各實例化的圖元添加到系統(tǒng)的場景中，完善在場景視圖變換（縮放、漫游等）時適應性調整，根據(jù)屬性控制器對各圖元的配置，在態(tài)勢界面中顯示。

5 結語

本文闡述了場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成以及系統(tǒng)功能等方面。目前國內大型機場都是采購國外的場面監(jiān)視雷達設備，通過本文，希望能對研制出具有獨立知識產權的場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)提供幫助，實現(xiàn)場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)的國產化。

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