S模式二次雷達目標(biāo)速度跳變研究

摘要：S模式二次雷達作為民航雷達設(shè)備的發(fā)展方向，關(guān)注S模式二次雷達設(shè)備的運行和使用狀況，對安全生產(chǎn)有重要作用。文章以南京祿口國際機場所使用的INDRA公司生產(chǎn)的IRS-20MP/L型號S模式二次雷達設(shè)備為例，介紹了S模式二次雷達的使用情況，通過對2017年影響目標(biāo)速度跳變的情況統(tǒng)計，分析S模式二次雷達目標(biāo)速度跳變的原因，進一步提出目標(biāo)航跡加權(quán)平均處理的多雷達數(shù)據(jù)融合方法，為S模式二次雷達目標(biāo)速度跳變的相關(guān)研究提供可借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：S模式二次雷達；速度跳變；多雷達數(shù)據(jù)融合

隨著民航行業(yè)的飛速發(fā)展，航班量不斷增加，民航空管管制人員對二次雷達設(shè)備的依賴性日漸增強，二次雷達的重要性凸顯?？v觀民用二次雷達的發(fā)展史，由早期的常規(guī)二次雷達到單脈沖二次雷達，再到后來的全固態(tài)二次雷達，直至當(dāng)今的S模式二次雷達，功能日漸增強，信息量越來越大，安全性越來越高。進入21世紀(jì)，S模式二次雷達設(shè)備陸續(xù)在國內(nèi)開始使用，成了二次雷達設(shè)備更新?lián)Q代的趨勢。以南京祿口國際機場為例，目前有一套S模式二次雷達設(shè)備在開放使用，預(yù)計未來南京機場將全部采用S模式二次雷達設(shè)備供空管管制部門使用。因此，關(guān)注S模式二次雷達設(shè)備在使用過程中所暴露出來的問題，并對其進行研究分析，對保障航空安全具有廣泛且深遠的意義[1]。

本文以南京目前在開放使用的西班牙INDRA廠家生產(chǎn)的IRS-20MP/L型號S模式二次雷達設(shè)備為例，對其產(chǎn)生的目標(biāo)速度跳變問題進行研究和分析，希望能對相關(guān)技術(shù)人員有所啟發(fā)。

1 目標(biāo)速度跳變原因

速度跳變通常是指目標(biāo)在移動過程中，速度發(fā)生抖動，突然產(chǎn)生速度升高或者降低的現(xiàn)象。管制人員通過自動化顯示屏幕指揮飛機，目標(biāo)的速度數(shù)據(jù)是由二次雷達設(shè)備給出，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，經(jīng)過自動化設(shè)備，最終顯示在管制終端。因此，管制人員所看到的目標(biāo)的速度跳變，有可能是飛機真實的速度變化，也有可能是網(wǎng)絡(luò)傳輸或者雷達和自動化設(shè)備所引起的。下面我們主要討論由二次雷達設(shè)備所引起的目標(biāo)速度跳變情況。在空中交通管制中，目標(biāo)產(chǎn)生速度跳變，如果情況頻發(fā)或者較為嚴(yán)重，會直接影響管制部門對飛機的正常指揮，嚴(yán)重情況可能會直接導(dǎo)致飛機避讓或者復(fù)飛的不安全事件[2]。

1.1 目標(biāo)的航跡抖動

當(dāng)雷達獲得目標(biāo)前一次的點跡數(shù)據(jù)與后一次的點跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較差，或者說兩次數(shù)據(jù)解析出的位置信息相差超過正常范圍，便會產(chǎn)生航跡抖動，直接反映在管制自動化屏幕上便是目標(biāo)移動出現(xiàn)異常，移動距離突然變大或者變小，這會直接導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)生速度跳變[3]。2017年南京INDRA S模式二次雷達航跡抖動統(tǒng)計如表1所示。

回放錄像，目標(biāo)此時都處在大幅度轉(zhuǎn)向或者直角拐彎的時間段里，姿態(tài)變化非常大。

1.2 目標(biāo)的高度跳變

高度跳變是指雷達針對同一目標(biāo)，接連兩次解析出來的高度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較低，產(chǎn)生高度變化異常，如果高度變化非常大，就有可能導(dǎo)致目標(biāo)的速度跳變。2017年南京INDRA S模式二次雷達高度跳變統(tǒng)計如表2所示。

經(jīng)過回放錄像，分析認為：（1）目標(biāo)在下降過程中產(chǎn)生的高度跳變有可能是由于目標(biāo)所處周圍環(huán)境的氣壓產(chǎn)生變化所致，因為雷達地面站所獲得的高度數(shù)據(jù)通常都是解析飛機上的氣壓高度表給出的數(shù)據(jù)而來。（2）根據(jù)資料，INDRA S模式二次雷達解析出來的高度數(shù)據(jù)會有7 m左右的誤差，屬于正常范圍，一般不會導(dǎo)致目標(biāo)出現(xiàn)速度跳變。

（3）目標(biāo)在落地過程中，低于雷達天線的水平高度時，會導(dǎo)致雷達設(shè)備在低俯仰角條件下，波束開裂，與天線的俯仰角有關(guān)，也可歸屬為天線性能問題[4]。

1.3 目標(biāo)航跡丟失

在雷達探測目標(biāo)的過程中，有時會出現(xiàn)目標(biāo)航跡丟失情況，也會引起目標(biāo)的速度跳變。2017年南京INDRA S模式二次雷達目標(biāo)航跡丟失統(tǒng)計如表3所示。

將目標(biāo)航跡丟失的情況進行總結(jié)：（1）雷達設(shè)備本身屬性有關(guān)，例如穿越雷達的頂空盲區(qū)、目標(biāo)處在雷達的威力范圍邊緣等情況。（2）雷達設(shè)備故障，例如監(jiān)控軟件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致第一次詢問航跡丟失，下一次詢問出現(xiàn)兩個航跡。（3）目標(biāo)周圍環(huán)境有關(guān)，例如跑道上目標(biāo)被遮擋。（4）機載設(shè)備問題，引起多雷達航跡丟失。

2 預(yù)防措施和解決方法

單雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，監(jiān)視范圍有限，精度不高，易出現(xiàn)目標(biāo)航跡抖動、航跡丟失和高度跳變等問題，為了提供連續(xù)的空中交通狀況，確保飛行安全的最好方法就是采用多雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過多雷達聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，可以大大提高監(jiān)視目標(biāo)的質(zhì)量，減少目標(biāo)速度跳變情況的發(fā)生。雷達數(shù)據(jù)處理中的多目標(biāo)跟蹤方法可分為兩類：（1）最大似然法，包括人工標(biāo)圖法、航跡分義發(fā)，聯(lián)合似然算法、0-1整數(shù)規(guī)劃法、廣義相關(guān)法等。（2）貝葉斯方法，包括概率數(shù)據(jù)互聯(lián)算法、聯(lián)合概率數(shù)據(jù)互聯(lián)算法，最近鄰域法、最優(yōu)貝葉斯算法，多假設(shè)法等[5]。加權(quán)平均法是一種典型的數(shù)據(jù)融合算法，主要根據(jù)雷達的測量精度對其設(shè)置權(quán)值，精度高的權(quán)值大，精度低的權(quán)值小。權(quán)值可以在系統(tǒng)運行時根據(jù)需要進行靈活設(shè)置。Pow1?powN是各雷達對應(yīng)的權(quán)限，para1?paraN是各雷達的目標(biāo)航跡參數(shù)，para是加權(quán)后的目標(biāo)航跡參數(shù)，有：

上式對目標(biāo)航跡的位置、高度和速度的融合處理都合適。最后，把加權(quán)融合后的航跡用來更新對應(yīng)的目標(biāo)系統(tǒng)航跡。目標(biāo)航跡加權(quán)處理流程如圖1所示。加權(quán)平均法形式簡單、運算量小，其融合精度要低于精度高的單站，但比精度低的單站效果好，是空管自動化系統(tǒng)易于實現(xiàn)的較為實用的數(shù)據(jù)融合方法。使用該方法，最好采用精度相近的雷達數(shù)據(jù)進行融合，否則有可能會引入其他的目標(biāo)速度跳變情況[6]。

另外，航路航線設(shè)計避開雷達的頂空盲區(qū)，加強雷達設(shè)備維護，適當(dāng)調(diào)整雷達天線的俯仰角以及加強與航空公司溝通等方法也可以有效地預(yù)防和解決問題。

3 結(jié)語

文中通過參考相關(guān)技術(shù)資料，以南京機場為例，對2017年INDRA S模式二次雷達所發(fā)生的目標(biāo)速度跳變情況進行統(tǒng)計，并分析引起目標(biāo)速度跳變的原因，包括航跡抖動、航跡丟失和高度跳變等情況，針對S模式二次雷達目標(biāo)跳變的原因，給出“多雷達加權(quán)融合”的解決方法，該方法實用性強，使用簡單，可作為自動化進行雷達信號融合的參考方法之一。

[參考文獻]

[1]蘇志剛.二次雷達設(shè)備[M].北京：中國民航學(xué)院出版社，1998.

[2]劉偉，胡明華.空管多雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究[J].江蘇航空，2005（3）：17-19.

[3]丁鷺飛.雷達原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[4]孫擎宇.淺談ALENIA單脈沖二次雷達對數(shù)中放組件維修[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（5）：66-68.

[5]李曉峰.通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[6]張尉.二次雷達原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.