空管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

姜 鵬，張 喆，郭金亮

空管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

姜 鵬1，張 喆2，郭金亮1

(1. 中國民航珠海進(jìn)近管制中心，廣東 珠海 519015；2. 中國民航大學(xué)，天津 300300)

主要研究了空管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計思路與實現(xiàn)方式。利用大地坐標(biāo)投影算法實現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)從WGS84空間坐標(biāo)到平面直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的平面直角坐標(biāo)進(jìn)行平移，得出雷達(dá)目標(biāo)相對于雷達(dá)站的距離以及方位。結(jié)合以上參數(shù)，按照ASTERIS CAT001標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)數(shù)據(jù)幀格式對雷達(dá)目標(biāo)的各參數(shù)信息進(jìn)行編排，封裝成HDCL同步數(shù)據(jù)并發(fā)送，實現(xiàn)二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真的目的。二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)具有廣泛的推廣前景和應(yīng)用價值，可以被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)數(shù)據(jù)研究、空管自動化系統(tǒng)告警測試等領(lǐng)域。

雷達(dá)；數(shù)據(jù)仿真；空中交通管理；地圖投影；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；ASTERIX

0 引言

目前，已被廣泛應(yīng)用于民用航空領(lǐng)域的空管二次雷達(dá)，來源于空戰(zhàn)中區(qū)分?jǐn)澄译p方飛機(jī)的敵我識別系統(tǒng)，將其與飛行計劃信息處理結(jié)合而形成的空管自動化系統(tǒng)是目前空中交通管制行業(yè)實施雷達(dá)管制的主要手段。近年來伴隨著我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展，航班量不斷增加，空域流量愈加繁忙，二次雷達(dá)作為對空監(jiān)視的主要手段，對其數(shù)據(jù)的分析和研究已逐漸成為空管核心數(shù)據(jù)研究的熱點；相關(guān)研究成果的投入使用，對實際的空管安全運行及工作效率的提升都會起到很大的幫助[1]。

由于雷達(dá)設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，價格昂貴，在科研以及教學(xué)領(lǐng)域很難以直觀、經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和研究，而利用計算機(jī)仿真技術(shù)卻可以很好滿足這一需求[2,3]。在國內(nèi)，對雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真技術(shù)的研究尚剛剛起步，二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的模擬仿真系統(tǒng)也較多，但功能大多與空管實際業(yè)務(wù)相差較大，或只側(cè)重對雷達(dá)信號的分析處理而缺乏仿真輸出的功能，或仿真的效果與實際需要出入較大，無法直接應(yīng)用等；此外，現(xiàn)空管單位使用二次雷達(dá)仿真系統(tǒng)普遍存在數(shù)據(jù)輸出格式單一，受限于特定空管自動化系統(tǒng)的情況，不便于市場推廣應(yīng)用。本文介紹了空管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計思路，通過地圖投影、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等技術(shù)完成空管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)地搭建，并按照ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)編排，以UDP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)[4]或者HDLC數(shù)據(jù)格式輸出，理論上不受自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式限制，可直接應(yīng)用于各類空管自動化系統(tǒng)；此外，本文所涉及的系統(tǒng)還支持對多種格式雷達(dá)數(shù)據(jù)的解碼分析，可用于空管雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視或進(jìn)一步分析處理等。

1 二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計思路

二次雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理是通過地面雷達(dá)詢問與機(jī)載應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答，來快速獲取飛機(jī)的應(yīng)答機(jī)編號、高度、距離、方位等參數(shù)，再通過計算機(jī)系統(tǒng)的處理即可將目標(biāo)信息顯示在計算機(jī)屏幕上。要實現(xiàn)二次雷達(dá)目標(biāo)在處理中心屏幕上的動態(tài)顯示，需要對雷達(dá)目標(biāo)位置及背景地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行投影和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等一系列處理并按照標(biāo)準(zhǔn)的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝輸出，因此數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計由三部分組成：地圖投影、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)封裝,整個過程如圖1所示。

圖1 二次雷達(dá)仿真系統(tǒng)設(shè)計原理Fig.1 Design principle of Secondary Radar Simulation System

2 大地坐標(biāo)系投影

大地坐標(biāo)系是大地測量工作中所使用的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，大地坐標(biāo)系的確立需要確定一個大小和形狀與大地體相近，且兩者位置相對固定的旋轉(zhuǎn)橢球作為參考橢球，參考橢球面是大地測量計算所使用的參考面，地面上任何點的坐標(biāo)均可以通過大地經(jīng)度L、大地維度B以及大地高度H三個參數(shù)來表示。目前世界各地根據(jù)本國大地測量使用不同的參考橢球，但比較通用的是WGS-84大地坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點為地球質(zhì)心，采用國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常熟推薦值[5]，如表1所示。

表1 WGS-84參數(shù)

在確定參考橢球體后，需要將以參考橢球體基準(zhǔn)面所確定的球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)，即利用一定的數(shù)學(xué)算法將大地坐標(biāo)系中的經(jīng)線和緯線投射到平面上，這種技術(shù)稱之為地圖投影。但由于地球球體本身的不規(guī)則形，因此導(dǎo)致其無法展開形成一個平滑的曲面，因此至今沒有任何一種數(shù)學(xué)算法能做到絕對的精確無誤，由此按照不同的需求產(chǎn)生了多種投影方法。本文采用在WGS-84橢球體上的高斯-克呂格（Gauss-Kruger）投影方式，它的投影原理是設(shè)想一個與橢球面中央子午線橫切的橢球圓柱。以中央子午線為中心，兩側(cè)按照一定的經(jīng)度差投影于圓柱表面，再將圓柱表面按照南北極方向的母線剪開，形成的平面即為高斯投影平面[6]。高斯投影平面的原點為中央子午線與赤道投影線的交點，中央子午線方向為x軸，赤道方向為y軸，構(gòu)成了高斯-克呂格投影直角坐標(biāo)系。高斯-克呂格投影長度和面積上的變形較小[7]，在我國大、中比例尺地圖的投影中多采用該方法。

高斯投影的正算就是已知大地坐標(biāo)（L，B）求解高斯投影平面坐標(biāo)（x，y）,其計算公式為[8]：

式1中，角度均為弧度。X為子午線弧長，l′′=L-L0（L0為中央子午線經(jīng)度），t=tgB，（ab、為橢球體長短半軸），N=，稱作極曲率半徑）。

高斯投影的反算就是已知高斯投影平面坐標(biāo)（x，y），求解大地坐標(biāo)（L，B），其計算公式為：

t

3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

在輸出想要仿真的二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，首先要確定雷達(dá)數(shù)據(jù)包中各參數(shù)的值，由于雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)是以雷達(dá)的坐標(biāo)為中心的站心坐標(biāo)系，要仿真輸出二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，首先得由于是文獻(xiàn)[5]對各類坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行了對比，得出采用地心坐標(biāo)系作為統(tǒng)一坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換可以較少地球曲面誤差的結(jié)論[9]，本文中也采用類似方法，以地心坐標(biāo)系作為統(tǒng)一坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.1雷達(dá)目標(biāo)地心直角坐標(biāo)系到站心極坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

在雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真的目的是動態(tài)的輸出雷達(dá)數(shù)據(jù)，以模擬真實雷達(dá)目標(biāo)的運動軌跡，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTERIX雷達(dá)數(shù)據(jù)幀的格式要求，在目標(biāo)坐標(biāo)、速度矢量等參數(shù)已知的前提下，需要將雷達(dá)目標(biāo)的地心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以雷達(dá)站為中心的極坐標(biāo)，即雷達(dá)目標(biāo)相對于雷達(dá)站的距離（rho）、方位(theta)，如圖2所示。

3.1.1 計算目標(biāo)相對于雷達(dá)站的距離

假設(shè)雷達(dá)站的投影坐標(biāo)為（Xradar，Yradar）,雷達(dá)目標(biāo)的投影坐標(biāo)為（Xp，Yp），根據(jù)勾股定理就可以計算出目標(biāo)相對于雷達(dá)站的距離，方法如下：

圖2 目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離和方位推算Fig.2 Distance and orientation of the target relative to the radar

3.1.2 計算目標(biāo)相對于雷達(dá)站的方位

雷達(dá)目標(biāo)相對于雷達(dá)站的方位（theta）是指雷達(dá)站與目標(biāo)之間連線與雷達(dá)站正北方向的順時針夾角，計算雷達(dá)站的方位需要考慮象限因素的影響。

當(dāng)目標(biāo)位于雷達(dá)站為中心的第一象限時，計算方法如下：

當(dāng)目標(biāo)位于雷達(dá)站為中心的第二、三象限時，計算方法如下：

當(dāng)目標(biāo)位于雷達(dá)站為中心的第四象限時，計算方法如下：3.2地心坐標(biāo)系到處理中心坐標(biāo)系到的平移

如何將已知經(jīng)緯度坐標(biāo)的目標(biāo)動態(tài)的顯示在雷達(dá)處理中心的屏幕上，除了完成2.1中大地坐標(biāo)與地心坐標(biāo)之間相互轉(zhuǎn)換外，還需要實現(xiàn)屏幕坐標(biāo)與地心坐標(biāo)的二次轉(zhuǎn)換，由于處理中心雷達(dá)屏幕坐標(biāo)與地心坐標(biāo)均為二維平面坐標(biāo)，因此這種轉(zhuǎn)換是通過X軸、Y軸坐標(biāo)平移的方式進(jìn)行的[10]，轉(zhuǎn)換步驟如下。

3.2.1 確定處理中心雷達(dá)屏幕顯示范圍以及顯示比例

用S表示屏幕水平顯示的最大地理距離，W表示屏幕的水平分辨率，假設(shè)屏幕水平顯示范圍S=400公里，屏幕的水平分辨率W=800像素，那么很容易得出屏幕顯示比例，即S/P=400/800=0.5公里/像素。

3.2.2 根據(jù)中心點的地心坐標(biāo)推算繪圖點的投影坐標(biāo)

用（centerX、centerY）來表示屏幕中心點的地心坐標(biāo)，（drawX、drawY）來表示繪圖原點的地心坐標(biāo)；一般來說，使用各類計算機(jī)語言進(jìn)行編程時，繪圖原點均為畫布的左上角，如圖3所示：其中V為屏幕垂直分辨率，H為屏幕的水平分辨率。

圖3 目標(biāo)在屏幕上的位置推算Fig.3 Target location on the screen

那么在知道中心點地心坐標(biāo)的前提下，可以根據(jù)屏幕長寬比推算出繪圖原點的地心坐標(biāo)，計算方法如下：

3.2.3 計算目標(biāo)在處理中心雷達(dá)屏幕上的顯示位置

假設(shè)某雷達(dá)目標(biāo)地心坐標(biāo)為（pX，pY），那么可以根據(jù)其相對于繪圖原點（drawX，drawY）的相對位置以及屏幕顯示比例/SP得出該目標(biāo)在屏幕上所顯示的像素位置（px，yp），計算方法如下：

4 ASTERIX雷達(dá)格式數(shù)據(jù)仿真輸出

ASTERIX是多用途結(jié)構(gòu)化歐控監(jiān)視信息交換（All purpose Structured Eurocontrol suRveilance Information eXchange）的縮寫，是歐洲民航合作組織（ECAC）制定的監(jiān)視設(shè)備和自動化系統(tǒng)信息交換的標(biāo)準(zhǔn)。ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)是為雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸和交換而專門定義的應(yīng)用/表述協(xié)議，它是一個雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)集合，定義了用于交換的空管監(jiān)視信息的詳細(xì)結(jié)構(gòu)：下至每一個比特的編碼，上至數(shù)據(jù)塊的組織便于實現(xiàn)異構(gòu)的監(jiān)視設(shè)備和/或自動化系統(tǒng)之間的信息交換。ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)參照ISO/OSI（開放系統(tǒng)互聯(lián)）模式中的表述層及應(yīng)用層（第6，7層）而制定，數(shù)據(jù)的傳輸可以使用低層的通用協(xié)議，如TCP/IP，X.25，HDLC等，目前ASTERIX雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸主要采用HDLC協(xié)議[11]。

4.1ASTERIX數(shù)據(jù)幀構(gòu)成

數(shù)據(jù)塊（Data Block）是ASTERIX應(yīng)用實體(空管自動化系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng))間信息交換的基本單位，由數(shù)據(jù)類型字段、長度字段、記錄字段組成，如圖4所示。

圖4 ASTERIX數(shù)據(jù)幀格式Fig.4 Format of ASTERIX Data Block

1、數(shù)據(jù)類別（Data Category）：對傳輸?shù)膬?nèi)容進(jìn)行分類，如CAT001（目標(biāo)信息），CAT002（服務(wù)信息），CAT008（氣象信息）等。

2、記錄（Record）：某種數(shù)據(jù)類別的實體單位，如CAT001的一個記錄用于描述一個雷達(dá)目標(biāo)，CAT002的一個記錄用于描述一個雷達(dá)服務(wù)（正北/扇區(qū)）信息。一個記錄由一個域規(guī)格字段（FSPEC）和若干個數(shù)據(jù)域（Data Field）組成。

3、域規(guī)格字段（Field Specification，F(xiàn)SPEC）：

FSPEC位于一個記錄的最前面，定義了一個記錄里面實際包含的數(shù)據(jù)域。

4、數(shù)據(jù)域（Data Field）：用于描述記錄（Record）中數(shù)據(jù)條目（Data Item）的具體實現(xiàn)內(nèi)容。一個記錄里面由若干個數(shù)據(jù)域組成，F(xiàn)SPEC里面規(guī)定了該記錄（Record）中所包含的數(shù)據(jù)域類別，如雷達(dá)目標(biāo)信息類下面的：雷達(dá)SAC/SIC地址碼，MODE-C高度等。

4.2ASTERIX CAT001數(shù)據(jù)幀輸出

雷達(dá)仿真程序中，應(yīng)用最多的是CAT001（目標(biāo)信息）類型的ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，表2列舉了其包含的部分常用Data Field。將上文中計算出來的雷達(dá)參數(shù)按照CAT001數(shù)據(jù)幀進(jìn)行封裝，以實現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真輸出的目的，仿真效果如圖5所示。

表2 ASTERIX CAT001數(shù)據(jù)條目

5 結(jié)論

本文給出了二次雷達(dá)仿真系統(tǒng)的設(shè)計理念以及實現(xiàn)方法。先利用高斯投影算法實現(xiàn)大地坐標(biāo)系到投影坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再通過坐標(biāo)系平移，完成雷達(dá)目標(biāo)投影坐標(biāo)到到處理中心雷達(dá)屏幕顯示位置的映射。動態(tài)測算雷達(dá)站與目標(biāo)之間的相對位置，其與目標(biāo)速度、二次代碼等信息以ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行封裝并發(fā)送。該仿真系統(tǒng)的研發(fā)涉及坐標(biāo)投影、雷達(dá)仿真等專業(yè)領(lǐng)域，具備較高的學(xué)術(shù)價值；從推廣前景來看，該系統(tǒng)使用便捷，擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛的應(yīng)用于雷達(dá)數(shù)據(jù)模擬仿真以及民航空中交通管理等領(lǐng)域。

圖5 仿真目標(biāo)在屏幕上顯示Fig.5 The simulation target display on screen

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Design and Implementation of Secondary Radar Signal Simulation System

JIANG Peng1, ZHANG Zhe2, GUO Jin-liang1
(1. Zhuhai Terminal Air Traffic Control Center.CAAC, Zhuhai 519015, China; 2. Civil Aviation Uniaversity of Chiana, Tianjin 300300, China)

This article design and implementation of multi radar signal simulation system. To achieve the conversion of level rectangular coordinate radar target WGS84 space geodetic coordinate coordinates by using the transverse Mercator Projection algorithm, the plane coordinate conversion of the X, Y axis coordinate translation, the target relative to the radar station distance and azimuth, arrangement of all kinds of parameter information of radar target in accordance with the Asterix standard CAT001 radar data frame format, packaging a HDCL synchronization signal to realize the purpose of simulation. The results show that the multi radar signal simulation system is widely used, and can be widely used in the field of Civil Aviation Radar, ATC automation system and radar signal simulation.

Radar; Signal simulation; Air traffic control; Map projection; Coordinate transformation; ASTERIX

TP391.9

: A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.02.003

國家自然科學(xué)基金委員會與中國民用航空局聯(lián)合資助項目(U1633107)。

姜鵬(1983-)，男，工程師，碩士，主要研究方向：空中交通管理。

姜鵬(1983-)，工程師，主要研究方向：空中交通管理。

本文著錄格式：姜鵬，張喆，郭金亮. 空管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2017，38（2）：10-15