傳輸設(shè)備速率對(duì)于航管雷達(dá)融合處理的影響研究

奉澤昊+黃肖超

摘要： 該文結(jié)合民航航管業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，分析傳輸設(shè)備性能對(duì)于航管雷達(dá)融合航跡的影響。通過(guò)采用通信原理演算出傳輸速率對(duì)雷達(dá)航跡輸出的影響，并結(jié)合具體單部雷達(dá)的階段性丟目標(biāo)和丟扇區(qū)現(xiàn)象，深入研究該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并給出了具體解決方案和建議。

關(guān)鍵詞： 航管；傳輸速率；航跡融合；二次雷達(dá)

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）01-0013-03

Abstract：In this paper， it applies the features of civil aviation management business to analysis the influence of transmission performance of equipment on air traffic control radar track fusion. It adopts the communication principle calculate on the transmission rates effect on track radar output， researches into the phase of the single radar target and lost the sector lost phenomenon， also give the cause and provides concrete solutions.

Key words： ATC； transmission rate； track fusion； secondary radar

1 引言

近年來(lái)隨著民航業(yè)發(fā)展迅速，空管的業(yè)務(wù)量也是在成倍的增長(zhǎng)，不僅是體現(xiàn)在管制飛行架次的增加，更體現(xiàn)在相關(guān)保障設(shè)備的負(fù)荷量的提升。民航傳輸網(wǎng)絡(luò)作為空管的業(yè)務(wù)載體，所承載的業(yè)務(wù)包含甚高頻（VHF）、管制移交電話、航管雷達(dá)、航空電報(bào)等空管核心業(yè)務(wù)。不同的業(yè)務(wù)對(duì)于傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求也不盡相同，對(duì)于傳輸設(shè)備的保障能力，直接影響空管業(yè)務(wù)的開(kāi)展和航空安全。

航管雷達(dá)作為民航空中交通管制指揮的重用工具，被用于定位飛行目標(biāo)在空中位置。按其探測(cè)目標(biāo)的方式可以分為一次監(jiān)視雷達(dá)和二次監(jiān)視雷達(dá)。一次雷達(dá)的基本工作原理是雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射電磁波，通過(guò)計(jì)算電磁波在探測(cè)到目標(biāo)后返回所需要的時(shí)間，來(lái)確定出目標(biāo)的距離和方位。二次雷達(dá)的工作原理是雷達(dá)發(fā)出詢問(wèn)電磁波，飛行目標(biāo)的機(jī)載應(yīng)答機(jī)設(shè)備在接收到與其相關(guān)的詢問(wèn)電磁波后發(fā)出應(yīng)答脈沖，雷達(dá)的地面接收設(shè)備通過(guò)接收到的應(yīng)答信號(hào)來(lái)確定目標(biāo)的距離和方位。

二次雷達(dá)為目前航管廣泛采用的雷達(dá)類型，其數(shù)據(jù)信號(hào)由雷達(dá)站經(jīng)各種傳輸設(shè)備將信號(hào)引接至管制中心，管制中心的雷達(dá)處理系統(tǒng)通過(guò)融合多部雷達(dá)的信號(hào)后，實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的位置信息，從而為管制指揮提供技術(shù)支持。由于雷達(dá)站基本都位于邊遠(yuǎn)臺(tái)站，均需要通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)將雷達(dá)信號(hào)引接至管制中心。因此傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能對(duì)于雷達(dá)信號(hào)的傳輸和雷達(dá)處理系統(tǒng)的融合具有重要的影響。

2 傳輸網(wǎng)絡(luò)性能導(dǎo)致航管雷達(dá)信號(hào)融合的常見(jiàn)故障

2.1 高度跳變

根據(jù)民航管制的相關(guān)規(guī)定，監(jiān)視設(shè)備探測(cè)的飛行目標(biāo)在相鄰周期內(nèi)高度差超過(guò)90m，即認(rèn)定為該飛行器發(fā)生了高度跳變，具體體現(xiàn)為目標(biāo)的高度值在雷達(dá)融合處理系統(tǒng)的顯示終端上面出現(xiàn)上下跳動(dòng)現(xiàn)象。由于各部雷達(dá)所捕捉到的同一目標(biāo)經(jīng)過(guò)各種方式到達(dá)同一套雷達(dá)融合系統(tǒng)存在一定的延時(shí)，導(dǎo)致同一時(shí)刻多部雷達(dá)各自探測(cè)的目標(biāo)高度值存在較大的差異，引起自動(dòng)化系統(tǒng)融合算法和策略出錯(cuò)，以致目標(biāo)出現(xiàn)高度跳變，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響空中交通管制的指揮判斷。

2.2 目標(biāo)丟失

目標(biāo)丟失在自動(dòng)化系統(tǒng)上主要表現(xiàn)為小范圍或大面積的目標(biāo)出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象，雷達(dá)信號(hào)如果在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀格式錯(cuò)誤或遭到破壞，導(dǎo)致雷達(dá)融合處理系統(tǒng)不能解析和還原原始雷達(dá)數(shù)據(jù)，以致目標(biāo)信息的丟失。

2.3 目標(biāo)分裂

所謂目標(biāo)分裂就是雷達(dá)融合處理系統(tǒng)在同一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)對(duì)于多部雷達(dá)送出的關(guān)于同一個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后，出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的現(xiàn)象。雷達(dá)信號(hào)傳輸過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題可能導(dǎo)致分裂現(xiàn)象，在傳輸過(guò)程中當(dāng)雷達(dá)數(shù)據(jù)包出現(xiàn)丟失或誤碼等數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)目標(biāo)分裂的情況。分裂的出現(xiàn)，不但影響調(diào)度人員的判斷，增加他們的工作壓力，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致航班流量控制或撞機(jī)事件。

目標(biāo)分裂、丟失和高度跳變等都是嚴(yán)重影響管制指揮，必須盡力避免的安全事件。傳輸速率作為傳輸網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，本文結(jié)合實(shí)例深入探討其對(duì)于航管雷達(dá)融合的影響。

3 傳輸速率對(duì)雷達(dá)航跡輸出的影響

3.1 二次雷達(dá)航跡輸出過(guò)程

在每個(gè)重復(fù)周期內(nèi)，信號(hào)處理系統(tǒng)將形成的目標(biāo)應(yīng)答報(bào)告放在CPCI 總線的I/O 口上，并以中斷方式通知數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)答報(bào)告接收程序負(fù)責(zé)至I/O 地址讀取目標(biāo)應(yīng)答報(bào)告數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)答報(bào)告處理程序?qū)⑻幚硗甑膽?yīng)答報(bào)告順序存放在應(yīng)答報(bào)告緩存區(qū)。點(diǎn)跡處理程序?qū)?yīng)答報(bào)告緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成應(yīng)答群的起始、A/C 應(yīng)答碼與應(yīng)答群相關(guān)；完成應(yīng)答群凝聚、目標(biāo)距離和方位計(jì)算；去除虛假目標(biāo)（異步應(yīng)答、弱應(yīng)答及反射式應(yīng)答）；按照配置的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式向網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和串口發(fā)送點(diǎn)跡數(shù)據(jù)。航跡處理程序接收點(diǎn)跡處理程序送來(lái)的原始目標(biāo)報(bào)告，對(duì)其進(jìn)行修正；航跡起始；航跡相關(guān)檢測(cè)（距離、方位、代碼、高度、速度）；航跡更新（平滑、外推）；計(jì)算目標(biāo)的速度、航向；按照配置的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式向網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和串口發(fā)送航跡數(shù)據(jù)。二次雷達(dá)航跡輸出過(guò)程如圖1所示。

為了保證應(yīng)答處理與點(diǎn)跡/航跡處理的實(shí)時(shí)性，雷達(dá)將這兩種處理設(shè)計(jì)成獨(dú)立運(yùn)行方式。應(yīng)答處理的實(shí)時(shí)性主要針對(duì)一個(gè)詢問(wèn)重復(fù)周期內(nèi)，目標(biāo)的應(yīng)答隨機(jī)性很大，應(yīng)答處理電路只能對(duì)應(yīng)答脈沖信息進(jìn)行整合，來(lái)不及進(jìn)行更多處理，每個(gè)重復(fù)周期內(nèi)應(yīng)答處理最多產(chǎn)生64 個(gè)應(yīng)答報(bào)告送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性可以在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，將存入存貯器的應(yīng)答報(bào)告數(shù)據(jù)讀出，以數(shù)據(jù)塊的形式對(duì)應(yīng)答群信息進(jìn)行整合，輸出目標(biāo)的點(diǎn)跡報(bào)告和航跡報(bào)告，目標(biāo)處理容量為80批/11.25°扇區(qū)。點(diǎn)/航跡處理和應(yīng)答處理的數(shù)據(jù)通訊采用中斷處理方式，先進(jìn)先出棧及環(huán)形緩沖的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_可靠，同時(shí)減小了系統(tǒng)開(kāi)銷。

3.2 FIFO （First In First Out）及環(huán)形緩沖

先入先出FIFO（First In First Out），即先被寫入到FIFO的數(shù)據(jù)將會(huì)先被讀出。它是一片用來(lái)緩存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，可以把需要處理的數(shù)據(jù)先暫存在這片存儲(chǔ)單元中，在數(shù)據(jù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)再集中處理，以提高系統(tǒng)性能。FIFO可以集成在芯片中，而當(dāng)系統(tǒng)需要的緩沖區(qū)較大時(shí)，也可以用單獨(dú)的RAM實(shí)現(xiàn)。FIFO是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中極其重要的一環(huán)，特別是在2個(gè)處于不同時(shí)鐘域的系統(tǒng)接口部分，F(xiàn)IFO的合理使用，不但能使接口處數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎胼敵鏊俾蔬M(jìn)行有效的匹配，不使數(shù)據(jù)發(fā)生復(fù)寫、丟失和讀入無(wú)效數(shù)據(jù)的情況，而且還會(huì)有效地提高系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸效率。

環(huán)形緩沖區(qū)是一種先進(jìn)先出的循環(huán)緩沖區(qū)，從邏輯上理解，它是一段首尾相接的RAM單元；從內(nèi)存結(jié)構(gòu)理解，它是一段連續(xù)的RAM單元。在實(shí)時(shí)性要求較高的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合（如嵌入式系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸和處理過(guò)程），要在極短時(shí)間內(nèi)獲取大數(shù)據(jù)量，且不允許數(shù)據(jù)丟失，那么采用環(huán)形緩沖區(qū)是一種理想的方法。

為保證雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的大量應(yīng)答報(bào)告數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，及雷達(dá)設(shè)備對(duì)點(diǎn)跡信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，雷達(dá)在應(yīng)答處理程序、應(yīng)答報(bào)告接收/處理程序、點(diǎn)/航跡處理程序在這三者的數(shù)據(jù)交換中采用了高速的FIFO棧及環(huán)形緩沖存取的算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)流讀取和數(shù)據(jù)處理的同步。

3.3 傳輸速率與扇區(qū)處理能力的關(guān)系

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出目標(biāo)航跡信號(hào)有兩種方式，一種是通過(guò)以太網(wǎng)口輸出航跡信號(hào)給交換機(jī)，供顯控終端顯示；一種是通過(guò)串口服務(wù)器向MDOEM、PCM、FA16 SRX板、衛(wèi)星等雷達(dá)信號(hào)傳輸設(shè)備輸出基于HDLC協(xié)議的雷達(dá)數(shù)據(jù)，供雷達(dá)航跡融合系統(tǒng)使用。為了保證雷達(dá)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，空管系統(tǒng)通常采用同步通信的方式傳送雷達(dá)信號(hào)。

雷達(dá)輸出的HDLC目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為29Byte，輸出的雷達(dá)服務(wù)（正北/扇區(qū)）信息數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為11 Byte。雷達(dá)把空域按扇區(qū)劃分，以一定的周期重復(fù)掃描空域并發(fā)送不同的報(bào)文如正北報(bào)，扇區(qū)報(bào)和目標(biāo)報(bào)。雷達(dá)信號(hào)將監(jiān)視環(huán)境劃分為32個(gè)扇區(qū)，以4秒為周期重復(fù)掃描空域，雷達(dá)天線跨過(guò)扇區(qū)邊界的時(shí)候發(fā)出1個(gè)目標(biāo)消息類型的扇區(qū)跨越包，跨過(guò)正北方向時(shí)發(fā)出1個(gè)雷達(dá)服務(wù)消息類型的正北標(biāo)記包，在天線掃描每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的角度360°/32=11.25°時(shí)發(fā)送一次對(duì)應(yīng)的目標(biāo)數(shù)據(jù)包，如圖2所示。二次雷達(dá)的轉(zhuǎn)速是15轉(zhuǎn)/分，每個(gè)扇區(qū)經(jīng)過(guò)的時(shí)間則為4/32=0.125秒，假設(shè)當(dāng)前扇區(qū)系統(tǒng)應(yīng)答處理完成了n個(gè)目標(biāo)，串口輸出速率為C1 bit/s，則當(dāng)前扇區(qū)的串口信息量輸出能力為C1*0.125 bit，串口輸出速率C1和扇區(qū)內(nèi)航跡目標(biāo)數(shù)n的關(guān)系為：

當(dāng)C1為9600 bps時(shí)，根據(jù)上述公式n=4.79，即傳輸速率為9600bps時(shí)，串口能夠傳輸?shù)睦走_(dá)航跡信息量為150Byte，由于目標(biāo)數(shù)目一定是整數(shù)，則單扇區(qū)在該速率下最多可輸出4個(gè)目標(biāo)的航跡信息。

如果雷達(dá)天線在該扇區(qū)正好跨過(guò)正北方向時(shí)，還需加上一個(gè)正北標(biāo)記包的數(shù)據(jù)大小，即

當(dāng)C1為9600 bps時(shí)，根據(jù)上述公式n=4.41，同理，覆蓋正北方向的扇區(qū)在9600 bps傳輸速率下最多仍然只能輸出4個(gè)目標(biāo)的航跡信息。

由于某雷達(dá)最大目標(biāo)處理能力為80批/扇區(qū)，則系統(tǒng)最大處理能力時(shí)對(duì)串口輸出速率C1的要求為：

根據(jù)上述公式C1=149184 bit/s。

通過(guò)上述分析，我們可以知道系統(tǒng)每扇區(qū)時(shí)間周期內(nèi)航跡目標(biāo)處理產(chǎn)生的最大數(shù)據(jù)量不能超過(guò)串口的能力，當(dāng)航跡處理程序輸出的航跡目標(biāo)數(shù)據(jù)流速率大于串口數(shù)據(jù)輸出流速率時(shí)，串口緩沖區(qū)可能會(huì)溢出，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，輸入流速率與輸出流速率的差值越大，所需要的緩沖區(qū)容量就越大。但是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理具備實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，如果緩沖區(qū)容量設(shè)的過(guò)大，下一扇區(qū)數(shù)據(jù)到來(lái)之前沒(méi)有完成本次扇區(qū)的數(shù)據(jù)輸出，則雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)信息將滯后于實(shí)際的飛行情況，影響到管制人員的工作，給飛行安全帶來(lái)危險(xiǎn)。所以當(dāng)扇區(qū)內(nèi)目標(biāo)處理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸入速率大于串口輸出能力且串口緩沖區(qū)寫滿時(shí)，為了保證雷達(dá)信號(hào)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采取下一扇區(qū)新的數(shù)據(jù)覆蓋上一扇區(qū)未能傳輸完的最老的數(shù)據(jù)的機(jī)制。

通常傳輸設(shè)備的端口速率和串口通信速率設(shè)為一致，以當(dāng)前扇區(qū)正好覆蓋正北方向?yàn)槔葏^(qū)時(shí)間內(nèi)航跡處理產(chǎn)生的最大可傳輸航跡數(shù)目n和傳輸速率C的關(guān)系為：

其中n只能取整數(shù)，C為2400的倍數(shù)關(guān)系。按常用的幾種傳輸速率計(jì)算得表1。

3.4 實(shí)例分析

春運(yùn)期間，湖南空域航班流量較大，某雷達(dá)在雷達(dá)融合處理系統(tǒng)中出現(xiàn)階段性丟目標(biāo)和丟高度的現(xiàn)象。借助監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在流量高峰期，該雷達(dá)輸出的航跡信號(hào)有較為明顯的扇區(qū)丟失，4秒周期航跡數(shù)統(tǒng)計(jì)為112-130個(gè)，扇區(qū)丟失數(shù)為1-4個(gè)；同期對(duì)比雷達(dá)本地顯控終端統(tǒng)計(jì)信息為航跡數(shù)141個(gè)，點(diǎn)跡150個(gè)左右。當(dāng)時(shí)雷達(dá)串口輸出速率和傳輸設(shè)備的端口速率均配置為9600 bps。由表1可知，的傳輸速率無(wú)法滿足扇區(qū)內(nèi)目標(biāo)數(shù)大于4的情形，當(dāng)扇區(qū)內(nèi)航跡處理目標(biāo)數(shù)大于4，9600bps傳輸速率必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；而雷達(dá)本地顯控終端由于使用10/100Mbps交換機(jī)連接，不存在帶寬限制瓶頸，故雷達(dá)本地航跡統(tǒng)計(jì)數(shù)大于雷達(dá)融合處理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的航跡數(shù)。將雷達(dá)串口輸出速率和傳輸設(shè)備端口速率調(diào)整至后，再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)扇區(qū)丟失的情況。

由此可見(jiàn)，雷達(dá)傳輸速率大小的設(shè)置必須跟當(dāng)?shù)睾桨嗔髁看笮∠嗥ヅ?，速率設(shè)置太小會(huì)引起扇區(qū)丟失、高度丟失等網(wǎng)絡(luò)阻塞和丟包現(xiàn)象，而提高傳輸速率要以消耗更多的傳輸資源為代價(jià)，因此，雷達(dá)信號(hào)傳輸速率的設(shè)置必須因地制宜，并非越大越好。由于雷達(dá)信號(hào)傳輸通常使用子速率傳輸，即小于64k bps的速率，現(xiàn)有串口雷達(dá)傳輸方案在傳輸該雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，不能滿足該雷達(dá)最大目標(biāo)處理能力對(duì)傳輸?shù)囊蟆?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從雷達(dá)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)于航管雷達(dá)融合航跡的影響為基礎(chǔ)，采用通信原理演算出傳輸速率對(duì)雷達(dá)航跡輸出的影響，并結(jié)合某雷達(dá)站階段性丟目標(biāo)和丟扇區(qū)現(xiàn)象，分析了該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，提出了具體解決方案。實(shí)踐證明，該方法可以有效解決雷達(dá)信號(hào)因傳輸速率影響而航跡不連續(xù)的問(wèn)題，對(duì)該雷達(dá)大規(guī)模推廣應(yīng)用具有重要的借鑒意義。同時(shí)，其他格式的雷達(dá)信號(hào)所需傳輸速率也可同樣參考此方法進(jìn)行分析，調(diào)整最合適的傳輸速率，從而改善雷達(dá)信號(hào)傳輸質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王屹峰，牛磊.雷神雷達(dá)數(shù)據(jù)格式淺析[J].Air Traffic Management ，2008（3）：14-17.

[2] 劉宇.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的航跡相關(guān)[D].成都：四川大學(xué)，2003.

[3] 張寶忠.空管雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的研究[J].信息與電腦，2010（05）.

[4] 關(guān)朝暉.多雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)包抓取與分析算法的設(shè)計(jì)[J].信息與電子工程，2011（1）：7-9.

[5] 朱勇，陳剛，周祿華.空管系統(tǒng)中雷達(dá)數(shù)據(jù)引接技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].電子質(zhì)量，2015（7）：23-26.

[6] 韓曉峰.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及其實(shí)時(shí)性的研究與應(yīng)用[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[7] 劉俊杰.鄔秋香.民航空管雷達(dá)航跡模擬技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].空中交通，2014（2）：22-25.

[8] 鄒津.權(quán)太范.雷達(dá)航跡處理研究[J].無(wú)線電工程.1992（4）：22，20-27.

[9] 劉曉文.基于CAN網(wǎng)絡(luò)的嵌入式軟PLC系統(tǒng)環(huán)形緩沖研究[J].工礦自動(dòng)化，2015（4）：94-98.

[10] 魏永清.具有軟件模擬FIFO緩沖區(qū)的串口通信模塊設(shè)計(jì)[J].嵌入式軟件應(yīng)用，2006（7）：64-66.