空管雷達(dá)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(xiàng)項(xiàng)目《雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量智能分析系統(tǒng)》為基礎(chǔ)，論述了雷達(dá)輸出信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的方法，通過采用C++面向?qū)ο缶幊谭椒?，采集雷達(dá)輸出的原始監(jiān)視數(shù)據(jù)，對(duì)報(bào)文的數(shù)據(jù)項(xiàng)自動(dòng)提取與分析，統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的正常率與完好率，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)報(bào)文質(zhì)量監(jiān)視的目的。對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)故障排除具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：模塊；數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)記錄

中圖分類號(hào)：TN965 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)民航業(yè)的高速成長(zhǎng)，全國(guó)各地新建大量監(jiān)視設(shè)備。大量監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)通過送入自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行融合而實(shí)現(xiàn)飛行器信息精確度提升的同時(shí)，也帶來了對(duì)這些監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的困難。任意一個(gè)監(jiān)視源的輸出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤都可能會(huì)直接導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)目標(biāo)丟失、分裂、位置和高度跳變和假目標(biāo)等嚴(yán)重影響管制指揮的事件發(fā)生，如何迅速判斷每一個(gè)監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號(hào)的質(zhì)量成為亟待解決的問題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量智能分析監(jiān)視系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入多個(gè)遠(yuǎn)端雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)以及雷達(dá)服務(wù)報(bào)文，報(bào)文采用ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)傳輸，數(shù)據(jù)連接方式為UDP。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)功能進(jìn)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(jī)交互模塊。各個(gè)模塊之間通過共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過消息響應(yīng)來進(jìn)行指令的交換。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 據(jù)接入模塊

數(shù)據(jù)接入模塊通過對(duì)Windows Socket類進(jìn)行封裝調(diào)用來實(shí)現(xiàn)UDP鏈接，數(shù)據(jù)接入模塊采用獨(dú)立線程來實(shí)現(xiàn)，線程始終處于等待狀態(tài)，當(dāng)外部輸入數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，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(dá)”消息。數(shù)據(jù)接入模塊會(huì)對(duì)接收到數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的有效性判斷，若數(shù)據(jù)沒有通過有效性判斷，則不會(huì)進(jìn)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(dú)立線程來實(shí)現(xiàn)，線程處于消息等待狀態(tài)，當(dāng)接收到來自數(shù)據(jù)接入模塊發(fā)送的“數(shù)據(jù)到達(dá)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(duì)雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)及雷達(dá)服務(wù)報(bào)文進(jìn)行解析，解析后的信息經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后歸一化為軟件內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并存入航跡數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫中。此模塊將會(huì)調(diào)用到數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)航跡數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的航跡數(shù)據(jù)的維護(hù)，包括新增航跡點(diǎn)的插入、過期航跡點(diǎn)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)。鏈表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)航班的全部信息（目標(biāo)地址、航班號(hào)、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(chǔ)，其主要功能為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理維護(hù)、航跡數(shù)據(jù)的查詢、增加、刪除、導(dǎo)出及回放。數(shù)據(jù)回放功能采用兩線程設(shè)計(jì)思路，一條線程負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)回放進(jìn)度的控制，在合適的時(shí)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(dá)消息”。

2 數(shù)據(jù)解析功能模塊設(shè)計(jì)

雷達(dá)信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的PSR、SSR雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)及雷達(dá)服務(wù)報(bào)文數(shù)據(jù)，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析獲得航班的航班號(hào)、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(dá)數(shù)據(jù)的傳輸和交換而制定的一套多用途結(jié)構(gòu)化雷達(dá)信息交換標(biāo)準(zhǔn)。ASTERIX支持雷達(dá)、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(biāo)準(zhǔn)的雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

ASTERIX的數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

CAT用來表示ASTERIX數(shù)據(jù)的類型，占用1個(gè)字節(jié)。例如CAT=21時(shí)，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(zhǎng)度，占用兩個(gè)字節(jié)。LEN的計(jì)算方法為：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 = 數(shù)據(jù)種類字段（1字節(jié)）+ 數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)字段（兩個(gè)字節(jié)）+ 所有數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度之和。FSPEC英文全稱為Field Specification是對(duì)UAP（User Application Profile）的描述，當(dāng)FSPEC的第n位（不計(jì)算FSPEC每個(gè)字節(jié)的第8位）為1時(shí)，則表明在UAP中對(duì)應(yīng)索引號(hào)（FRN）的數(shù)據(jù)項(xiàng)是存在的。同樣當(dāng)FSPEC的第n位為0時(shí)，則說明在UAP中對(duì)應(yīng)索引號(hào)的數(shù)據(jù)項(xiàng)是不存在的。FSPEC長(zhǎng)度可變，為整數(shù)個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)的第8個(gè)比特位有特殊作用，它是一個(gè)稱為FX的標(biāo)志位，F(xiàn)X是域拓展標(biāo)志位。如果FX為1，則說明FSPEC還沒有結(jié)束，后面至少還有一個(gè)字節(jié)的擴(kuò)展。如果FX為0，則FSPEC結(jié)束。Data Record是航跡信息，包括如目標(biāo)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)ASTERIX數(shù)據(jù)幀中的長(zhǎng)度字段的提??；decodeAtx（）函數(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)ASTERIX數(shù)據(jù)幀中的長(zhǎng)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(duì)ASTERIX數(shù)據(jù)幀中存在的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行逐一解析，得到航跡信息，并對(duì)解析出的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

繪圖功能模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有二維圖形對(duì)象的繪制，包括地理信息的顯示、航跡的繪制顯示、飛行器標(biāo)牌的繪制及顯示、目標(biāo)列表的繪制及顯示等。繪圖功能采用消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，由消息IOM_DRAW_MSG觸發(fā)繪制事件，并在其對(duì)應(yīng)的消息響應(yīng)函數(shù)OnDrawProc（）中實(shí)現(xiàn)圖形的繪制工作。消息IOM_DRAW_MSG下有多個(gè)子消息，每一種子消息對(duì)應(yīng)不同的繪圖事件及繪圖對(duì)象。

繪圖功能模采用消息觸發(fā)機(jī)制，當(dāng)接收到來自其他模塊或定時(shí)器的繪圖消息后，首先區(qū)分域類型，如果是一般繪圖對(duì)象更新消息，則直接重繪所有繪圖對(duì)象，包括背景地圖、目標(biāo)航跡、目標(biāo)尾跡、目標(biāo)列表等。若是定時(shí)飛行動(dòng)態(tài)刷新消息SDD_DRAW_TAR則先對(duì)航跡緩沖區(qū)進(jìn)行維護(hù)，包括對(duì)刪除過期目標(biāo)、更新目標(biāo)尾跡點(diǎn)、更新目標(biāo)高度過濾狀態(tài)等。然后再執(zhí)行屏幕內(nèi)繪圖對(duì)象重繪操作。

航班顯示模塊在進(jìn)制航班的繪制時(shí)，首先會(huì)對(duì)目標(biāo)位置信息做經(jīng)坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，將目標(biāo)位置信息由WGS-84大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)；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(duì)此航班進(jìn)行繪制，直接進(jìn)制下一個(gè)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(biāo)識(shí)、標(biāo)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(shí)現(xiàn)。

結(jié)語

隨著空管系統(tǒng)各類監(jiān)視設(shè)備的大量應(yīng)用，研發(fā)新技術(shù)同時(shí)完成對(duì)大量設(shè)備性能的自動(dòng)監(jiān)測(cè)已迫在眉睫。雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能以圖形界面的方式直觀顯示雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，同時(shí)能夠?qū)桔E數(shù)據(jù)報(bào)文信息進(jìn)行分析，并完成記錄回放。對(duì)于協(xié)助雷達(dá)工程師迅速定位雷達(dá)數(shù)據(jù)源故障提供了有力的技術(shù)手段，對(duì)保障航班安全發(fā)揮出重要作用。

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