基于定位設(shè)備的雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.安徽國(guó)際商務(wù)職業(yè)學(xué)院， 安徽合肥 230051)

0 引言

隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)裝備性能要求的不斷提高，雷達(dá)精度指標(biāo)作為地面情報(bào)雷達(dá)的主要作戰(zhàn)指標(biāo)，越來越受到部隊(duì)、雷達(dá)生產(chǎn)廠家的重視。目前，雷達(dá)精度評(píng)估工作作為雷達(dá)裝備定型工作的一部分，主要由部隊(duì)專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)進(jìn)行考核，主要是利用有人駕駛飛機(jī)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)和高精度探測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)來評(píng)估雷達(dá)精度，往往周期較長(zhǎng)，組織實(shí)施不方便[1]；當(dāng)雷達(dá)設(shè)計(jì)定型批產(chǎn)后，由于裝配工藝以及不同批次雷達(dá)性能上的差異，各雷達(dá)本身在精度上往往存在較大的差異，難以保證滿足精度指標(biāo)要求，而且缺乏有效手段對(duì)批產(chǎn)雷達(dá)精度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)，利用當(dāng)前主流的目標(biāo)定位設(shè)備，如差分GPS、手持式GPS、ADS-B、高精度測(cè)量雷達(dá)等，通過對(duì)多種目標(biāo)定位設(shè)備數(shù)據(jù)輸出接口歸一化處理，采用數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)篩選以及交互式查詢等文件處理方式，按照GJB 74A—1998規(guī)定的雷達(dá)精度等指標(biāo)計(jì)算方法對(duì)雷達(dá)精度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，并以比較直觀的方式顯示各雷達(dá)參數(shù)精度分析結(jié)果，有效地解決了雷達(dá)精度指標(biāo)評(píng)估相關(guān)工作，為雷達(dá)精度試驗(yàn)的開展提供了多種有效的方法和途徑。

1 雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)

雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)的主要功能是按照雷達(dá)上報(bào)輸出標(biāo)準(zhǔn)格式要求，實(shí)時(shí)采集雷達(dá)輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)，并按照統(tǒng)一的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件格式要求進(jìn)行存儲(chǔ)，能夠?qū)Χ喾N目標(biāo)定位設(shè)備存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行導(dǎo)入解析，歸一化成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件格式，通過導(dǎo)入雷達(dá)數(shù)據(jù)文件和目標(biāo)定位設(shè)備數(shù)據(jù)文件，采用數(shù)據(jù)篩選、交互式查詢等多種處理方式，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件中的每一組數(shù)據(jù)按照時(shí)間標(biāo)簽要求在目標(biāo)定位設(shè)備數(shù)據(jù)文件中進(jìn)行插值處理，從而產(chǎn)生目標(biāo)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的真值數(shù)據(jù)文件，再參照國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的精度指標(biāo)計(jì)算方法對(duì)目標(biāo)距離、方位、高度精度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，最終得到各項(xiàng)參數(shù)精度指標(biāo)以及比較直觀的顯示結(jié)果。

1.1 系統(tǒng)組成

雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)主要由目標(biāo)定位設(shè)備、雷達(dá)終端(或雷達(dá)存儲(chǔ)數(shù)據(jù))、精度評(píng)估軟件、筆記本電腦以及若干線纜組成。其中，目標(biāo)定位設(shè)備主要包括差分GPS、手持式GPS、ADS-B、高精度測(cè)量雷達(dá)等，每一類型定位設(shè)備在正常使用后均能產(chǎn)生對(duì)應(yīng)格式的數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)通過參數(shù)配置后能夠適應(yīng)多種定位設(shè)備的數(shù)據(jù)接口要求，用戶可根據(jù)自身需求靈活配置；雷達(dá)終端的主要作用是向評(píng)估軟件發(fā)送雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)數(shù)據(jù)，可通過網(wǎng)絡(luò)或串口連接到評(píng)估系統(tǒng)，或通過對(duì)評(píng)估軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接口配置，以數(shù)據(jù)文件方式導(dǎo)入到評(píng)估系統(tǒng)中；精度評(píng)估軟件是該系統(tǒng)的核心部分，能夠?qū)⒗走_(dá)數(shù)據(jù)文件和目標(biāo)定位設(shè)備數(shù)據(jù)文件進(jìn)行配置、導(dǎo)入、篩選、比較、分析等操作，最終得到雷達(dá)精度評(píng)估結(jié)果；筆記本電腦是精度評(píng)估軟件運(yùn)行的硬件平臺(tái)，只要安裝Windows操作系統(tǒng)即可，對(duì)其他配置沒有明顯要求；線纜主要包括網(wǎng)絡(luò)、串口等線纜，主要用于連接評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)各組成設(shè)備。雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)或串口實(shí)時(shí)采集雷達(dá)輸出的情報(bào)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，當(dāng)雷達(dá)輸出格式不是標(biāo)準(zhǔn)格式時(shí)，能夠通過對(duì)評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行雷達(dá)參數(shù)配置后，將雷達(dá)終端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到評(píng)估系統(tǒng)；對(duì)于ADS-B設(shè)備，評(píng)估軟件能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收民航目標(biāo)飛行數(shù)據(jù)，主要包括飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間、類別信息、位置導(dǎo)航精確度等[2-3]，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；對(duì)于差分GPS、手持式GPS設(shè)備，可根據(jù)設(shè)備使用要求，將設(shè)備搭載在需要探測(cè)的目標(biāo)設(shè)備上，通過事后數(shù)據(jù)導(dǎo)入到筆記本中，通過配置定位設(shè)備參數(shù)將其導(dǎo)入到評(píng)估軟件中；對(duì)于高精度測(cè)量雷達(dá)，可以根據(jù)其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式要求對(duì)評(píng)估軟件進(jìn)行配置，保證高精度測(cè)量雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠?qū)氲皆u(píng)估系統(tǒng)中。在雷達(dá)數(shù)據(jù)和定位設(shè)備數(shù)據(jù)均導(dǎo)入至評(píng)估系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前數(shù)據(jù)包含的目標(biāo)數(shù)量以及對(duì)應(yīng)的目標(biāo)批號(hào)列表，選擇需要進(jìn)行精度評(píng)估的目標(biāo)批號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)將包含該批號(hào)的雷達(dá)數(shù)據(jù)篩選并分離出來，再根據(jù)目標(biāo)定位數(shù)據(jù)類型，配置對(duì)應(yīng)的目標(biāo)定位數(shù)據(jù)參數(shù)。當(dāng)定位數(shù)據(jù)為ADS-B數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)入ADS-B數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前數(shù)據(jù)包含的所有民航ICAO識(shí)別碼，可根據(jù)需要選擇對(duì)應(yīng)的識(shí)別碼，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選并自動(dòng)轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)；當(dāng)定位數(shù)據(jù)為差分GPS、手持式GPS設(shè)備時(shí)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件后系統(tǒng)自動(dòng)生成極坐標(biāo)數(shù)據(jù)；當(dāng)定位數(shù)據(jù)為高精度測(cè)量雷達(dá)時(shí)，需要指定對(duì)應(yīng)的配置參數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后會(huì)根據(jù)配置參數(shù)查找對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并自動(dòng)生成極坐標(biāo)數(shù)據(jù)。當(dāng)雷達(dá)數(shù)據(jù)與定位設(shè)備數(shù)據(jù)均成功導(dǎo)入并分離出待評(píng)估的數(shù)據(jù)后，采用數(shù)據(jù)篩選、交互式查詢等多種處理方式對(duì)分離后的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件中每一組數(shù)據(jù)按照時(shí)間標(biāo)簽在目標(biāo)定位設(shè)備數(shù)據(jù)文件中進(jìn)行插值處理，從而產(chǎn)生目標(biāo)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的真值數(shù)據(jù)文件，最終計(jì)算出雷達(dá)各參數(shù)精度，并直觀顯示評(píng)估結(jié)果。精度評(píng)估主要流程如圖2所示。

圖2 雷達(dá)精度評(píng)估流程圖

1.3 數(shù)據(jù)接口歸一化設(shè)計(jì)

由于定位設(shè)備數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)格式的多樣性，在進(jìn)行雷達(dá)裝備精度評(píng)估時(shí)，往往需要針對(duì)這些數(shù)據(jù)做許多數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，當(dāng)待處理的文件數(shù)量比較多時(shí)，不僅處理過程比較繁瑣，而且重復(fù)性工作較多，大大降低了工作效率。本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)充分考慮了各定位設(shè)備數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)格式的多樣性，采用了數(shù)據(jù)接口歸一化設(shè)計(jì)，將多種格式、多種類型的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)配置的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式，再進(jìn)行后續(xù)雷達(dá)精度評(píng)估工作。通過數(shù)據(jù)接口歸一化設(shè)計(jì)，減少了大量數(shù)據(jù)的預(yù)處理重復(fù)過程，提高了雷達(dá)精度評(píng)估工作效率，有效地解決了系統(tǒng)對(duì)各類設(shè)備的兼容性問題。

對(duì)于雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)的歸一化設(shè)計(jì)，首先要定義關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)及其量綱，所謂關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)是指雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)在進(jìn)行雷達(dá)精度計(jì)算時(shí)需要用到的數(shù)據(jù)項(xiàng)，如數(shù)據(jù)文件總列數(shù)、時(shí)間、方位、距離、高度等。通過參數(shù)配置把關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)在數(shù)據(jù)文件中的位置指定后，系統(tǒng)在進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入時(shí)，首先把目標(biāo)批號(hào)提取出來，由用戶來選擇需要進(jìn)行精度評(píng)估的目標(biāo)批號(hào)，當(dāng)目標(biāo)批號(hào)確定后，就能從數(shù)據(jù)文件中快速導(dǎo)入和篩選出與當(dāng)前批號(hào)相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)，從而形成了統(tǒng)一的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式。雷達(dá)精度評(píng)估關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)在數(shù)據(jù)文件中對(duì)應(yīng)的列參數(shù)在不重復(fù)的情況下可以任意指定，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，大大方便了雷達(dá)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)中。圖4是評(píng)估系統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選擇標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件格式復(fù)選框，各關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)能夠自動(dòng)生成，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件格式能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，增強(qiáng)了系統(tǒng)在使用過程中的靈活性。圖5是評(píng)估系統(tǒng)在雷達(dá)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入后的批號(hào)選擇框。

圖3 雷達(dá)精度評(píng)估關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)與數(shù)據(jù)文件中的位置關(guān)系

圖4 關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)在雷達(dá)數(shù)據(jù)文件中的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖5 評(píng)估系統(tǒng)目標(biāo)批號(hào)選擇與ADS-B數(shù)據(jù)航班ICAO識(shí)別碼選擇框

目標(biāo)定位設(shè)備主要依托于GPS定位，它是一種全天候的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維位置信息，其在測(cè)量、導(dǎo)航、測(cè)速等方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[4]，隨著人們對(duì)GPS認(rèn)識(shí)的不斷加深，其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。本文針對(duì)目前市場(chǎng)上主流的目標(biāo)定位設(shè)備，如手持式GPS、差分GPS、ADS-B等，采用數(shù)據(jù)接口歸一化設(shè)計(jì)，通過對(duì)應(yīng)的軟件解析模塊把對(duì)應(yīng)格式的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到雷達(dá)評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)，提取出必要的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)[5]，形成統(tǒng)一的目標(biāo)定位數(shù)據(jù)格式。圖6是不同目標(biāo)定位設(shè)備的數(shù)據(jù)格式與目標(biāo)定位設(shè)備選擇對(duì)話框，圖6(a)～圖6(c)分別對(duì)應(yīng)著手持式GPS、差分GPS、ADS-B設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，圖6(d)是目標(biāo)定位設(shè)備選擇對(duì)話框，如果采用的目標(biāo)定位設(shè)備是其他設(shè)備，可根據(jù)其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式要求自定義數(shù)據(jù)文件配置參數(shù)。對(duì)于高精度測(cè)量雷達(dá)來說，可以參照雷達(dá)數(shù)據(jù)文件的關(guān)鍵數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式按照配置參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)入。這里需要說明，對(duì)于ADS-B數(shù)據(jù)格式來說，由于其包含了多個(gè)民航飛機(jī)目標(biāo)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入時(shí)，首先根據(jù)圖5所示單擊GPS文件按鈕，選擇對(duì)應(yīng)的ADS-B數(shù)據(jù)文件，當(dāng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件后，系統(tǒng)會(huì)解析并顯示數(shù)據(jù)文件中所有記錄的航班ICAO識(shí)別碼，再根據(jù)需要評(píng)估的雷達(dá)批號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的航班ICAO識(shí)別碼。

(a)手持式GPS目標(biāo)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式

(b)差分GPS目標(biāo)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式

(c) ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式

(d)目標(biāo)定位設(shè)備選擇對(duì)話框圖6 目標(biāo)定位設(shè)備數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式和目標(biāo)定位設(shè)備選擇對(duì)話框

1.4 基于數(shù)據(jù)文件的精度分析方法

當(dāng)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件和定位設(shè)備數(shù)據(jù)文件均導(dǎo)入到雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)后，點(diǎn)擊圖5所示的精度分析按鈕，評(píng)估系統(tǒng)會(huì)遍歷統(tǒng)一格式后的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件，提取該文件每一組雷達(dá)數(shù)據(jù)包含的時(shí)間數(shù)據(jù)，再通過目標(biāo)定位數(shù)據(jù)文件查找出與該時(shí)間數(shù)據(jù)項(xiàng)最為接近的兩組目標(biāo)定位數(shù)據(jù)，并按時(shí)間關(guān)系對(duì)這兩組目標(biāo)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，得到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)真值數(shù)據(jù)，將該組雷達(dá)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的真值數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行存儲(chǔ)，按此方法遍歷雷達(dá)數(shù)據(jù)文件中全部數(shù)據(jù)，最終得到一個(gè)用于雷達(dá)精度評(píng)估的數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊圖5所示的精度分析按鈕，評(píng)估系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出雷達(dá)距離、方位、高度精度，并直觀顯示精度評(píng)估結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖7是本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)對(duì)某型號(hào)雷達(dá)在研制過程中的單個(gè)架次目標(biāo)距離精度分析結(jié)果，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集雷達(dá)終端航跡數(shù)據(jù)和ADS-B定位設(shè)備數(shù)據(jù)，當(dāng)樣本數(shù)滿足精度計(jì)算要求時(shí)，停止采集數(shù)據(jù)，形成對(duì)應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件和目標(biāo)定位數(shù)據(jù)文件，通過評(píng)估系統(tǒng)分別導(dǎo)入這兩組數(shù)據(jù)文件，如圖5所示，分別選擇某一批次目標(biāo)和對(duì)應(yīng)的航班ICAO識(shí)別碼，再點(diǎn)擊精度分析按鈕，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出本批目標(biāo)的精度分析結(jié)果，圖7是該型號(hào)雷達(dá)距離精度分析結(jié)果，雷達(dá)距離系統(tǒng)誤差為20.043 m，方差為60.093 m，方位和高度精度分析結(jié)果這里不再一一顯示。如果需要進(jìn)行多個(gè)架次目標(biāo)精度合成，可以保存每一架次的雷達(dá)精度分析結(jié)果，滿足架次樣本數(shù)要求后再進(jìn)行雷達(dá)精度合成計(jì)算。這里有兩點(diǎn)需要說明：第一，在單個(gè)批次雷達(dá)精度計(jì)算過程中，對(duì)于大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行野值剔除，不參與雷達(dá)精度計(jì)算；第二，對(duì)于差分GPS、手持式GPS定位設(shè)備由于其數(shù)據(jù)文件記錄的為單個(gè)批次目標(biāo)數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行單個(gè)批次的雷達(dá)精度分析，如果需要多個(gè)架次目標(biāo)精度合成，則需要多次重復(fù)有關(guān)試驗(yàn)過程。

圖7 雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)距離精度分析結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于目標(biāo)定位設(shè)備的雷達(dá)精度評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收雷達(dá)上報(bào)的多種標(biāo)準(zhǔn)格式航跡數(shù)據(jù)和ADS-B設(shè)備數(shù)據(jù)，采用了數(shù)據(jù)接口歸一化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入方式，方便了非標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)數(shù)據(jù)、手持式GPS、差分GPS以及高精度測(cè)量雷達(dá)等多種格式數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入，避免了繁瑣的數(shù)據(jù)預(yù)處理等重復(fù)性工作，有效地解決了非標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)數(shù)據(jù)和多種目標(biāo)定位數(shù)據(jù)的兼容性問題，具有顯示直觀、操作簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為今后地面雷達(dá)精度評(píng)定工作的開展和數(shù)據(jù)處理算法評(píng)價(jià)提供了可行的途徑與方法。

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