低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)在通用航空監(jiān)管中的應(yīng)用

高 龍， 康美玲

（上海航天技術(shù)研究院，上海201109）

0 引言

近年來，低空空域目標(biāo)監(jiān)視將面臨目標(biāo)飛行高度低、雷達(dá)散射截面（RCS）小、速度慢等情況，監(jiān)管需求越來越高。低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)是一種以低空雷達(dá)為主體的主動(dòng)式監(jiān)視體系。隨著通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為航空運(yùn)行管理和服務(wù)保障基礎(chǔ)設(shè)施的低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)得到了廣泛的關(guān)注。針對(duì)航空系統(tǒng)對(duì)低空空域監(jiān)視管理的需求，提出低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)涉及的創(chuàng)新技術(shù)和關(guān)鍵問題，給出有效解決途徑，探討了應(yīng)用前景。

1 低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)將多部雷達(dá)按一定的配置方法進(jìn)行部署，不同的雷達(dá)分別對(duì)合作/非合作目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤。各雷達(dá)獲得的目標(biāo)信息采用通信技術(shù)實(shí)時(shí)互通，完成“網(wǎng)狀”收集和傳遞，并由中心站處理、控制，從而形成一個(gè)有機(jī)的整體。利用網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)站的信息（原始視頻、點(diǎn)跡、航跡等），建立起比單部雷達(dá)質(zhì)量更好的航跡，得到雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)的低空空情和通用航空飛行態(tài)勢(shì)，還可以利用融合數(shù)據(jù)向航空用戶提供重大活動(dòng)監(jiān)控指揮、飛行導(dǎo)航、突發(fā)事件預(yù)警、搶險(xiǎn)救災(zāi)空中救援、通用航空飛行培訓(xùn)及娛樂等服務(wù)。

低空監(jiān)測(cè)雷達(dá)網(wǎng)具備以下創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）通用航空開放空域低空目標(biāo)監(jiān)視

針對(duì)通用航空開放空域（1 km～3 km低空）內(nèi)“低小慢”目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)式探測(cè)。采用自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、三維雜波圖和超雜波檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合雷達(dá)工作模式優(yōu)化和資源管理，獲得城市地理環(huán)境下優(yōu)良的目標(biāo)檢測(cè)能力，填補(bǔ)城市低空空域監(jiān)視空白。

（2）提供多類信息服務(wù)

在目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備上，增加氣象信號(hào)處理功能，解決目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測(cè)的系統(tǒng)資源矛盾，實(shí)現(xiàn)退距離模糊設(shè)計(jì)和高斯模型自適應(yīng)處理地物雜波抑制。提供通用航空監(jiān)視和氣象預(yù)警、航線規(guī)劃、緊急救助、城市反恐、威脅判斷等多類服務(wù)，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和配置能力。

（3）高系統(tǒng)可靠性及低成本設(shè)計(jì)

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱優(yōu)化和關(guān)鍵器件優(yōu)化，使系統(tǒng)可靠性達(dá)到5 000 h。系統(tǒng)成本遠(yuǎn)低于二維電掃相控陣?yán)走_(dá)，具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（4）地理信息系統(tǒng)（GIS）疊加定位

與城市地理信息系統(tǒng)（GIS）相疊加，對(duì)目標(biāo)位置、飛行趨勢(shì)精準(zhǔn)判斷，實(shí)現(xiàn)空地一體化顯示。

（5）與現(xiàn)有民航空管系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享

與民航空中交通管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口，兩者相輔相成。針對(duì)用戶需求提供城市飛行監(jiān)視管理解決方案，實(shí)現(xiàn)空管自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合空情顯示和指揮控制。

（6）電磁輻射控制技術(shù)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)雷達(dá)輻射功率低，適應(yīng)城市工作環(huán)境。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

對(duì)應(yīng)于技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)通常要考慮解決如下關(guān)鍵問題：

a）雷達(dá)的配置和優(yōu)化布站；

b）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)；

c）多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和融合[1]。

2.1 雷達(dá)的配置和優(yōu)化布站

低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)的主要任務(wù)就是對(duì)航路和管制區(qū)進(jìn)行多層覆蓋，擴(kuò)大探測(cè)區(qū)域，減少探測(cè)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)本地或異地雷達(dá)信號(hào)的雙向傳輸和信息共享，保障空中交通安全，改善空中交通服務(wù)質(zhì)量。為此，雷達(dá)組網(wǎng)必須滿足空域覆蓋原則：

a）保證雷達(dá)管轄區(qū)的全空域覆蓋；

b）一部雷達(dá)的頂空盲區(qū)必須被另外至少一部雷達(dá)的探測(cè)范圍覆蓋；

c）空域覆蓋要有一定的冗余；

d）不僅要考慮水平面覆蓋，還要考慮高度維的覆蓋；

e）保證對(duì)低空目標(biāo)的探測(cè)[2]。

為了充分利用雷達(dá)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，雷達(dá)站布置必須保證對(duì)航路的覆蓋和對(duì)重點(diǎn)繁忙機(jī)場(chǎng)的多重覆蓋。以下是常用的空管雷達(dá)兩種布置方案。

圖1是通用航空航路的布站情況，即將航路雷達(dá)放在兩個(gè)機(jī)場(chǎng)中間。

圖2 是機(jī)場(chǎng)終端監(jiān)視的布站情況，將機(jī)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)放在機(jī)場(chǎng)附近。

由圖1、圖2可知，它們都是分散式體系結(jié)構(gòu)。在這種體系結(jié)構(gòu)中，各傳感器對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)先進(jìn)行局部處理，包括預(yù)處理、分類及提取特征信息，并根據(jù)各自的決策準(zhǔn)則分別做出決策，然后將結(jié)果送入融合中心，以獲得最終的決策。分布式結(jié)構(gòu)以較低的費(fèi)用獲得較高的可靠性和實(shí)用性，可減少數(shù)據(jù)總線的頻寬和降低處理要求。當(dāng)一個(gè)傳感器降級(jí)時(shí)，其觀測(cè)結(jié)果不會(huì)損害整個(gè)多傳感器數(shù)據(jù)融合功能和特性。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)時(shí)高效通信，是低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信必須面對(duì)的問題。低空監(jiān)視雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，探測(cè)雷達(dá)產(chǎn)生大量探測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以流的形式實(shí)時(shí)傳送到融合中心進(jìn)行處理，如圖3所示。

融合中心處理后形成的綜合空情數(shù)據(jù)也需要的實(shí)時(shí)的分發(fā)到各用戶，以支持空域管理、資源管理。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，是雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的根本需求，也是提高組網(wǎng)系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性的重要手段。

提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性可以從硬件、協(xié)議、軟件等諸方面入手。

在硬件方面，可以通過更新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬等措施提高數(shù)據(jù)物理傳輸速度和質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議方面，可以通過選擇實(shí)時(shí)性較好的鏈路層/網(wǎng)絡(luò)層/傳輸層協(xié)議或者對(duì)協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造[3]、開發(fā)新的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議、采用新的流量控制、擁塞控制和信道管理算法[4]、根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)間屬性進(jìn)行QOS管理、在現(xiàn)有協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)交互模式中增加時(shí)間測(cè)定能力等手段[5]，提升數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的實(shí)時(shí)性。

在軟件方面，可以在網(wǎng)絡(luò)層或傳輸層協(xié)議基礎(chǔ)上，增加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)中間件，提高數(shù)據(jù)分發(fā)的實(shí)時(shí)性，這種方式一般是在現(xiàn)有的通用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議基礎(chǔ)上實(shí)施，不涉及對(duì)底層的通信協(xié)議的改動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議方面的改進(jìn)需要相應(yīng)的硬件設(shè)備的改造，會(huì)造成與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)不兼容的問題，而中間件的方式則可以有效避免兼容性問題，是在現(xiàn)有基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)背景下提高數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的有效方式。

2.3 多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和融合

在應(yīng)用背景為低空空域環(huán)境下，低空飛行器種類多樣，目標(biāo)密集，目標(biāo)機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，探測(cè)環(huán)境復(fù)雜。此外，系統(tǒng)本身也包含有較大的傳感器校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換和延遲誤差。如圖4所示，當(dāng)三部雷達(dá)同時(shí)探測(cè)一個(gè)目標(biāo)時(shí)，在融合中心將出現(xiàn)航跡冗余和混亂的情況。

針對(duì)低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)低空空域探測(cè)的需求背景和應(yīng)用環(huán)境，本項(xiàng)目將通過多源信息融合建模，并利用模式識(shí)別理論中的模糊相似性和模糊聚類思想進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)多傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合，以區(qū)分源于不同目標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確關(guān)聯(lián)和融合。

混合式信息融合模型如圖5所示。先在雷達(dá)站進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)處理，然后發(fā)給中心處理進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可減輕通信和處理負(fù)擔(dān)。混合式信息融合模型對(duì)數(shù)據(jù)處理中心性能、通信帶寬、系統(tǒng)時(shí)延、融合精度和探測(cè)概率的要求獲得到較好的折中，比較合理。

信息融合是一個(gè)過程，它把來自雷達(dá)網(wǎng)內(nèi)不同傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組織，獲得探測(cè)目標(biāo)的精確的狀態(tài)和屬性估計(jì)，以及對(duì)整體空情態(tài)勢(shì)進(jìn)行適時(shí)的綜合評(píng)估。它主要包括兩大部分：數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合處理。

模糊聚類算法是一種新的模糊數(shù)學(xué)方法，它利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性（即模糊性）把某一時(shí)刻t得到的n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)分配給m個(gè)航跡。從模糊聚類的觀點(diǎn)看，如果在某一時(shí)刻能把各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的聚類，就可以知道在該時(shí)刻該觀測(cè)空間出現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

本方案應(yīng)用模式識(shí)別理論中的模糊相似性和模糊聚類思想，對(duì)多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)聚類，以區(qū)分源于不同目標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確關(guān)聯(lián)和融合。采用Rij表示探測(cè)目標(biāo)的屬性，其中i=1，2；j=1，2?，F(xiàn)在的問題是判斷R11，R12，R21，R22是否有屬于同一目標(biāo)的航跡。將這個(gè)問題作為對(duì)兩個(gè)傳感器的二值假設(shè)檢驗(yàn)問題來考慮：用H1代表兩條航跡是同一目標(biāo)航跡，H0代表兩條航跡是不同目標(biāo)的航跡，即

定義兩條航跡的統(tǒng)計(jì)距離為

利用模糊聚類算法確定最佳 ｛dij｝（i，j=1，2）元素之間的相似度矩陣

其中：

式中：m為權(quán)重因子，通常取值范圍為1～5。

關(guān)聯(lián)決策Dij通常根據(jù)最小精度傳感器決定。即

式中：Dij=1表示兩條航跡隸屬于同一探測(cè)目標(biāo)；Dij=0表示兩條航跡隸屬于不同目標(biāo)。

對(duì)于隸屬于同一目標(biāo)的兩條航跡，可以進(jìn)行航跡融合，得到精度更高的新航跡：式中：ksup=Maxk｛ukk｝，k=k1，k2，…，ks。

應(yīng)用上面的算法流程，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用三個(gè)不同類型的異型傳感器，觀測(cè)兩個(gè)交叉直線航路目標(biāo)。進(jìn)行200次蒙特卡洛后，得到仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后的三個(gè)目標(biāo)融合為一個(gè)目標(biāo)，且目標(biāo)位置和速度誤差，均小于三個(gè)雷達(dá)中的最小誤差，說明經(jīng)融合后的系統(tǒng)探測(cè)精度優(yōu)于單傳感器探測(cè)精度。

3 低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)在通用航空監(jiān)管中的應(yīng)用

低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)在通用航空監(jiān)視管理中的應(yīng)用非常廣泛，如空中交通監(jiān)管、通航機(jī)場(chǎng)著陸導(dǎo)航等[6]。不同的應(yīng)用領(lǐng)域和不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)監(jiān)視設(shè)備的要求也不盡相同，但都應(yīng)保證飛行的安全性和高效性。

3.1 通航空中交通管理系統(tǒng)

隨著通用航空低空空域的逐步開放，需要掌握低空空域監(jiān)視的有效手段，加強(qiáng)空中交通管理。很多中小型民航機(jī)場(chǎng)沒有監(jiān)視設(shè)備，缺乏有效地監(jiān)視手段，其他輔助探測(cè)手段稀少，情報(bào)綜合效率較低，覆蓋范圍有限，給飛行安全帶來嚴(yán)重的隱患。

將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和低空監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備相結(jié)合，在通航監(jiān)管中，建立一體化的通航空中交通管理系統(tǒng)，利用導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置與速度信息，提高對(duì)通用航空合作飛行目標(biāo)的監(jiān)視與識(shí)別能力。通過低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)對(duì)通用航空非合作飛行目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和監(jiān)視，不僅能夠解決以上監(jiān)管需求，而且能夠打破GPS定位的技術(shù)壟斷，形成一個(gè)開放的集查詢、監(jiān)視、控制、管理、決策于一體的綜合交通管理系統(tǒng)，提高空中交通管理系統(tǒng)容量、效率和安全。

3.2 通航機(jī)場(chǎng)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度導(dǎo)航的發(fā)展，可以通過導(dǎo)航系統(tǒng)輔助，克服終端區(qū)航道寬度過窄、飛行間隔過小等問題。通過低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)監(jiān)視和管理通用航空機(jī)場(chǎng)上的車輛（機(jī)場(chǎng)大巴、緊急情況車輛、燃料配送車輛）和飛機(jī)，最大效率地利用機(jī)場(chǎng)，可以形成車輛和飛機(jī)的實(shí)時(shí)交通態(tài)勢(shì)導(dǎo)航圖，為通用航空航路、終端區(qū)提供導(dǎo)航服務(wù)。

3.3 其他特殊應(yīng)用

低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)還可以應(yīng)用在通用航空飛行校驗(yàn)、培訓(xùn)、緊急救援等方面。使飛行試驗(yàn)、教學(xué)、突發(fā)事件應(yīng)對(duì)變得更簡(jiǎn)單。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于低空監(jiān)視雷達(dá)網(wǎng)建立空中交通管理系統(tǒng)，將顯著改善高密度空域、惡劣氣象和復(fù)雜地形等環(huán)境下安全飛行的能力，同時(shí)大大節(jié)省陸基通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)和使用的巨額成本，保障飛行安全、提高飛行效率、增加空域容量，推動(dòng)航空運(yùn)輸高效、健康地可持續(xù)發(fā)展，為航空運(yùn)輸業(yè)帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。