空管雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量智能分析系統(tǒng)的研制

裴方瑞

摘 要：本文以內(nèi)蒙古空管分局科技立項項目《雷達信號質(zhì)量智能分析系統(tǒng)》為基礎，論述了雷達輸出信號質(zhì)量監(jiān)測的方法，通過采用C++面向?qū)ο缶幊谭椒?，采集雷達輸出的原始監(jiān)視數(shù)據(jù)，對報文的數(shù)據(jù)項自動提取與分析，統(tǒng)計關鍵技術指標的正常率與完好率，實現(xiàn)對雷達報文質(zhì)量監(jiān)視的目的。對雷達系統(tǒng)故障排除具有重要的實際應用價值。

關鍵詞：模塊；數(shù)據(jù)幀結構；數(shù)據(jù)記錄

中圖分類號：TN965 文獻標志碼：A

0 引言

隨著國內(nèi)民航業(yè)的高速成長，全國各地新建大量監(jiān)視設備。大量監(jiān)視設備的數(shù)據(jù)通過送入自動化系統(tǒng)進行融合而實現(xiàn)飛行器信息精確度提升的同時，也帶來了對這些監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號質(zhì)量監(jiān)測的困難。任意一個監(jiān)視源的輸出數(shù)據(jù)錯誤都可能會直接導致自動化系統(tǒng)出現(xiàn)目標丟失、分裂、位置和高度跳變和假目標等嚴重影響管制指揮的事件發(fā)生，如何迅速判斷每一個監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號的質(zhì)量成為亟待解決的問題。

1 系統(tǒng)總體方案設計

雷達信號質(zhì)量智能分析監(jiān)視系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡設備接入多個遠端雷達監(jiān)視數(shù)據(jù)以及雷達服務報文，報文采用ASTERIX標準傳輸，數(shù)據(jù)連接方式為UDP。系統(tǒng)采用模塊化設計思想，對功能進行模塊化分割，包括有數(shù)據(jù)接入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、航跡管理模塊、數(shù)據(jù)記錄與回放模塊、地圖管理模塊、圖形繪制模塊及人機交互模塊。各個模塊之間通過共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來進行數(shù)據(jù)交換，通過消息響應來進行指令的交換。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

1.1 據(jù)接入模塊

數(shù)據(jù)接入模塊通過對Windows Socket類進行封裝調(diào)用來實現(xiàn)UDP鏈接，數(shù)據(jù)接入模塊采用獨立線程來實現(xiàn)，線程始終處于等待狀態(tài)，當外部輸入數(shù)據(jù)到達時，接收線程將被觸發(fā)，接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)后，向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送一條“數(shù)據(jù)到達”消息。數(shù)據(jù)接入模塊會對接收到數(shù)據(jù)做簡單的有效性判斷，若數(shù)據(jù)沒有通過有效性判斷，則不會進入一下處理階段。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊采用獨立線程來實現(xiàn)，線程處于消息等待狀態(tài)，當接收到來自數(shù)據(jù)接入模塊發(fā)送的“數(shù)據(jù)到達消息”后，線程被觸發(fā)，從數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)，并對雷達監(jiān)視數(shù)據(jù)及雷達服務報文進行解析，解析后的信息經(jīng)過坐標轉換、數(shù)據(jù)格式轉換后歸一化為軟件內(nèi)部標準數(shù)據(jù)結構，并存入航跡數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，同時存入數(shù)據(jù)庫中。此模塊將會調(diào)用到數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)轉換模塊、坐標轉換模塊及數(shù)據(jù)記錄與回放模塊。

1.3 航跡管理模塊

航跡管理模塊主要負責航跡數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的航跡數(shù)據(jù)的維護，包括新增航跡點的插入、過期航跡點的刪除、航跡狀態(tài)的更新等操作。航跡區(qū)采用list鏈表來進行實現(xiàn)。鏈表中每個節(jié)點包括一個航班的全部信息（目標地址、航班號、速度、高度、位置等）。

1.4 數(shù)據(jù)記錄與回放模塊

數(shù)據(jù)記錄與回放模塊接收來自數(shù)據(jù)處理模塊的航跡數(shù)據(jù)，并存入至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)記錄與回放模塊以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為基礎，其主要功能為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理維護、航跡數(shù)據(jù)的查詢、增加、刪除、導出及回放。數(shù)據(jù)回放功能采用兩線程設計思路，一條線程負責從數(shù)據(jù)庫中取出需要回放的數(shù)據(jù)，別一條線程則負責回放進度的控制，在合適的時間將回放數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中，并向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送“數(shù)據(jù)到達消息”。

2 數(shù)據(jù)解析功能模塊設計

雷達信號質(zhì)量智能分析監(jiān)視系統(tǒng)可接入符合ASTERIX CAT001、ASTERIX CAT002、ASTERIX CAT048、ASTERIX CAT034標準規(guī)范的PSR、SSR雷達監(jiān)視數(shù)據(jù)及雷達服務報文數(shù)據(jù)，并對報文進行解析獲得航班的航班號、二次代碼、位置、高度、速度及其他狀態(tài)信息。

2.1 ASTERIX

ASTERIX（All Purpose Structured Eurocontrol Rodar Information Exchange ），是歐控（Eurocontrol）組織為雷達數(shù)據(jù)的傳輸和交換而制定的一套多用途結構化雷達信息交換標準。ASTERIX支持雷達、ADS-B、綜合航跡、氣象、告警信息等數(shù)據(jù)的傳輸和交換。ASTERIX共定義了256種數(shù)據(jù)類型，其中CAT001～CAT127數(shù)據(jù)格式用于軍航和民航標準的雷達數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 數(shù)據(jù)幀結構

ASTERIX的數(shù)據(jù)幀的結構如圖2所示。

CAT用來表示ASTERIX數(shù)據(jù)的類型，占用1個字節(jié)。例如CAT=21時，表示此ASTERIX數(shù)據(jù)為ADS-B航跡數(shù)據(jù)。LEN表示ASTERIX數(shù)據(jù)幀的總長度，占用兩個字節(jié)。LEN的計算方法為：數(shù)據(jù)長度 = 數(shù)據(jù)種類字段（1字節(jié)）+ 數(shù)據(jù)塊長度標識字段（兩個字節(jié)）+ 所有數(shù)據(jù)字段長度之和。FSPEC英文全稱為Field Specification是對UAP（User Application Profile）的描述，當FSPEC的第n位（不計算FSPEC每個字節(jié)的第8位）為1時，則表明在UAP中對應索引號（FRN）的數(shù)據(jù)項是存在的。同樣當FSPEC的第n位為0時，則說明在UAP中對應索引號的數(shù)據(jù)項是不存在的。FSPEC長度可變，為整數(shù)個字節(jié)，每個字節(jié)的第8個比特位有特殊作用，它是一個稱為FX的標志位，F(xiàn)X是域拓展標志位。如果FX為1，則說明FSPEC還沒有結束，后面至少還有一個字節(jié)的擴展。如果FX為0，則FSPEC結束。Data Record是航跡信息，包括如目標的位置、速度、高度、航向、二次代碼等信息。

2.3 處理流程

數(shù)據(jù)解析模塊由類CDeodeAtx實現(xiàn)，此類中的getCAT（）函數(shù)用于提取ASTERIX數(shù)據(jù)幀的類型字段；getLEN（）函數(shù)實現(xiàn)對ASTERIX數(shù)據(jù)幀中的長度字段的提??；decodeAtx（）函數(shù)實現(xiàn)ASTERIX數(shù)據(jù)的解析。

數(shù)據(jù)解析模流程：首先調(diào)用getCAT（）函數(shù)提取ASTERIX數(shù)據(jù)幀的類型字段；然后調(diào)用getLEN（）函數(shù)實現(xiàn)對ASTERIX數(shù)據(jù)幀中的長度字段；最后，根據(jù)getCAT（）獲得的數(shù)據(jù)類型是CAT001、CAT002、CAT034或CAT048，分別調(diào)用decode001、decode002_1a0、decode034_1_26、decode048_1_20或decode048_1_14解碼模塊，以FSPEC為依據(jù)，對ASTERIX數(shù)據(jù)幀中存在的數(shù)據(jù)項進行逐一解析，得到航跡信息，并對解析出的航跡數(shù)據(jù)進行坐標轉換，將英制單位換算為公制單位。

3 二維圖形繪制功能模塊設計

繪圖功能模塊實現(xiàn)系統(tǒng)中所有二維圖形對象的繪制，包括地理信息的顯示、航跡的繪制顯示、飛行器標牌的繪制及顯示、目標列表的繪制及顯示等。繪圖功能采用消息驅(qū)動機制來實現(xiàn)，由消息IOM_DRAW_MSG觸發(fā)繪制事件，并在其對應的消息響應函數(shù)OnDrawProc（）中實現(xiàn)圖形的繪制工作。消息IOM_DRAW_MSG下有多個子消息，每一種子消息對應不同的繪圖事件及繪圖對象。

繪圖功能模采用消息觸發(fā)機制，當接收到來自其他模塊或定時器的繪圖消息后，首先區(qū)分域類型，如果是一般繪圖對象更新消息，則直接重繪所有繪圖對象，包括背景地圖、目標航跡、目標尾跡、目標列表等。若是定時飛行動態(tài)刷新消息SDD_DRAW_TAR則先對航跡緩沖區(qū)進行維護，包括對刪除過期目標、更新目標尾跡點、更新目標高度過濾狀態(tài)等。然后再執(zhí)行屏幕內(nèi)繪圖對象重繪操作。

航班顯示模塊在進制航班的繪制時，首先會對目標位置信息做經(jīng)坐標投影轉換，將目標位置信息由WGS-84大地坐標轉換為屏幕坐標；然后判斷此航班是否在屏幕可見區(qū)域內(nèi)，若航班位于屏幕范圍之外，則不對此航班進行繪制，直接進制下一個航班的繪制操作；若航班位于屏幕范圍內(nèi)，則依次繪制航班的標識、標牌及方向矢量的元素，這些顯示元素均由CDraw類中的繪圖函數(shù)來實現(xiàn)。

結語

隨著空管系統(tǒng)各類監(jiān)視設備的大量應用，研發(fā)新技術同時完成對大量設備性能的自動監(jiān)測已迫在眉睫。雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量智能監(jiān)測系統(tǒng)能以圖形界面的方式直觀顯示雷達輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，同時能夠?qū)桔E數(shù)據(jù)報文信息進行分析，并完成記錄回放。對于協(xié)助雷達工程師迅速定位雷達數(shù)據(jù)源故障提供了有力的技術手段，對保障航班安全發(fā)揮出重要作用。

參考文獻

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