機場多普勒天氣雷達天線定位精度診斷系統(tǒng)

范大偉 祁珊 曹敦波

摘 ?要： 天線定位精度是天氣雷達的一個重要參數(shù)，根據(jù)要求每半年需要對該參數(shù)進行一次測試。但是目前例行測試方法存在一定的局限性，為解決此問題開發(fā)了一套天線定位精度診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)以天氣雷達體掃基數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過獲取每個徑向的仰角和方位角信息，進而得到雷達天線的運行軌跡和相關(guān)數(shù)據(jù)，利用這些信息可以幫助維護人員準確、快速的掌握雷達天線定位精度情況。

關(guān)鍵詞： 天線; 定位精度; 多普勒天氣雷達; 體掃模式

中圖分類號：TP311.1 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2019）10-05-03

Abstract： Antenna positioning accuracy is an important parameter of weather radar， which needs to be tested every six months according to the requirement. However， there are some limitations in the current routine test methods. To solve this problem， a diagnostic system for antenna positioning accuracy is developed. According to the volume scan data， by acquiring the elevation and azimuth information of each radial direction， the system can obtain the trajectory of the radar antenna and relevant data， which can help the maintenance personnel to accurately and quickly grasp the positioning accuracy of the radar antenna.

Key words： antenna; positioning accuracy; Doppler weather radar; volume scanning pattern

0 引言

機場多普勒天氣雷達（以下簡稱ADWR）是由安徽四創(chuàng)電子股份有限公司設(shè)計、開發(fā)的新一代大型C波段全相參脈沖多普勒天氣雷達。它是警戒強對流天氣、分析中小尺度天氣系統(tǒng)，是制作短時天氣預(yù)報的強有力的工具，同時也是管制人員指揮飛機進行雷雨繞飛的重要參考依據(jù)[1-2]。

天線定位精度是天氣雷達的一個重要參數(shù)，它的大小直接影響著雷達探測回波位置的準確性，回波位置是否準確直接影響飛行安全。根據(jù)規(guī)范[3]要求ADWR方位和俯仰的定位精度小于等于0.1°。根據(jù)本單位運行手冊要求，每半年需要對ADWR進行換季維護，維護的內(nèi)容之一就是對天線的定位精度進行測試。具體的測試方法如下：①方位定位精度：通過控制終端設(shè)置指定的方位角（0°到330°每隔30°取一個方位角），執(zhí)行后記錄終端顯示器上角度指示值，檢驗時以設(shè)置值與指示值的差值的均方根誤差表征方位定位精度;②俯仰定位精度：通過控制終端設(shè)置指定的仰角（0°到55°每隔5°取一個俯仰角），執(zhí)行后記錄終端顯示器上角度指示值，檢驗時以設(shè)置值與指示值的差值的均方根誤差來表征俯仰定位精度，具體的測試表格如表1所示。

該方法通過測試24個固定點，利用這些固定點的測試情況，表征天線的定位精度，這種測試方法存在一定的局限性。因為日常運行中ADWR都處于體掃模式，ADWR采用的是14個仰角的VCP11體掃模式，涉及到的點不少于6440個，換季維護中測得的仰角和方位角定位精度并不能完全表征體掃模式下的天線定位精度，因此非常有必要對體掃模式下的天線定位精度進行定量的測量，以確保為預(yù)報員和管制員提供可靠的產(chǎn)品?；谏鲜龇治霰疚拈_發(fā)了一套機場多普勒天氣雷達天線定位精度診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ADWR體掃基數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過獲取每個徑向的仰角和方位角信息，利用這些信息得到天線的運行軌跡（包括仰角和方位角）和相關(guān)數(shù)據(jù)，通過這些信息可以幫助維護人員準確、快速的掌握天線定位精度情況。

1 基數(shù)據(jù)解碼

ADWR的基數(shù)據(jù)文件由文件標識、頭文件和雷達數(shù)據(jù)記錄塊組成，其中文件標識和頭文件總計2060個字節(jié)，雷達數(shù)據(jù)記錄塊以徑向數(shù)據(jù)為單位，每個徑向數(shù)據(jù)占4011個字節(jié)。本系統(tǒng)所需的每個徑向的仰角和方位信息就存在徑向數(shù)據(jù)的前四個字節(jié)當中，第一和第二個字節(jié)代表仰角信息，第三和第四個字節(jié)代表方位角信息。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

該系統(tǒng)以基數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用MATLAB圖形界面設(shè)計思路來實現(xiàn)。MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的面向科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境[4]。MATLAB作為強大的科學計算軟件，提供了圖形用戶界面的設(shè)計和開發(fā)功能，圖形用戶界面的設(shè)計需要遵從一定的原則和步驟，具體可參考文獻[5]。本系統(tǒng)的設(shè)計步驟如下：

⑴ 在MATLAB命令窗口輸入guide命令，根據(jù)提示創(chuàng)建一個新的Blank GUI;

⑵ 在新界面中加入所需要的坐標、文本框、編輯框、按鈕等;

⑶ 通過Tools下的Toolbar Editer向新界面中添加放大功能鍵、縮小功能鍵和數(shù)據(jù)光標鍵;

⑷ 編寫回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)的主要功能為讀取基數(shù)據(jù)中的仰角和方位角信息，并利用這些信息畫出天線的運行軌跡，同時計算得出相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)組成及對比分析

表2為2017年10月12日ADWR換季維護時天線定位精度的測試數(shù)據(jù)，從表中可以得出天線的定位精度比較好，所有的差值都比較小，經(jīng)過計算方位角均方根誤差為0.045，仰角均方根誤差為0.044，均在標準0.1°以內(nèi)，利用這些數(shù)據(jù)可以推斷天線定位精度比較準確，滿足規(guī)范要求。

圖1機為機場勒天氣雷達天線定位精度診斷系統(tǒng)界面，該系統(tǒng)主要由圖形顯示區(qū)域、數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和工具欄三部分組成，所使用的數(shù)據(jù)為2017年10月8日11時25分ADWR基數(shù)據(jù)。

圖型顯示區(qū)域，橫坐標代表徑向數(shù)（體掃第一個仰角的第一個徑向數(shù)據(jù)為0，以此類推），縱坐標代表度數(shù)（°）。紅色曲線代表天線仰角的運行軌跡;黑色曲線代表天線方位運行軌跡，方位范圍0°-360°，為了便于將方位運行軌跡與俯仰運行軌跡放在同一個坐標下進行顯示，這里所有的方位數(shù)值都縮小100倍;藍色曲線代表當前徑向的方位角與上一個徑向的方位角的差值。

數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要有四列數(shù)據(jù)：第一列為標準仰角數(shù)據(jù);第二列為實測仰角數(shù)據(jù);第三列為每一個仰角層中包含的徑向個數(shù)，這里需要說明每層的徑向個數(shù)不一樣是正常的;第四列為每個仰角層中前后兩個方位角差值超過1.4°的個數(shù)。

工具欄包括三個工具，放大、縮小和數(shù)據(jù)光標，這三個工具主要用于圖形的放大、縮小以及顯示圖像上具體點的具體數(shù)值。

從俯仰軌跡可以看出，每一個仰角的初始階段都存在一定的抖動情況，這是因為天線在完成一個仰角的掃描后往上提升時存在一定的過沖，伺服系統(tǒng)為了防止天線運行中出現(xiàn)過大的過沖，通常都有控制校正。從圖中可以看出過沖控制的比較好，運行軌跡比較平穩(wěn)，但是從實測仰角（實測仰角計算中已將過沖部分的數(shù)據(jù)去除）可以看出有些仰角的數(shù)值與標準值相比有一定的差距，最大的已經(jīng)超過了0.2°，這在一定程度上反映俯仰齒輪已經(jīng)存在間隙大的問題。

方位差值軌跡理論上是一條縱坐標為0.78°左右的直線，這是因為每個仰角的徑向數(shù)據(jù)基本上是在460個左右，而且方位角的范圍是0°到360°，[360460≈0.78]。但是通過方位差值軌跡可以發(fā)現(xiàn)，還是存在一些“毛刺”（明顯偏離0.78的點），這些“毛刺”的存在，涉及到終端軟件系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，說明這些分系統(tǒng)在產(chǎn)生、傳輸和處理角碼過程可能存在一定的問題，比如丟幀情況，但是由于“毛刺”所占的比例不足1%，而且都是孤立存在，對產(chǎn)品的影響可以忽略不計。

利用該系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)可以看出目前ADWR的俯仰定位精度存在一定的偏差，最大差值已經(jīng)超過0.2°，接近0.3°，一旦超過0.3°，探測數(shù)據(jù)將會丟失，因此目前存在一定的安全隱患;方位定位精度比較準確，盡管存在“毛刺”現(xiàn)象，但是“毛刺”所占的比例不足1%，在可接受的范圍內(nèi)。相比于換季進行的天線定位精度測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對體掃模式下天線定位精度的測量，而且更容易發(fā)現(xiàn)問題，比如利用該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)俯仰定位精度變差的問題（2017年10月廠家巡檢時證實存在此問題）。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對ADWR體掃模式下天線定位精度的診斷，通過該系統(tǒng)可以得到天線的運行軌跡以及相關(guān)數(shù)據(jù)，利用這些信息可以幫助維護人會員更加準確、快速定量地分析天線的定位精度，確保雷達提供產(chǎn)品的準確性。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可作為ADWR天線定位精度例行測試方法的有效補充。目前該系統(tǒng)已成功用于民航新疆空管局氣象中心多普勒天氣雷達換季維護中，使用效果良好。

參考文獻（References）：

[1] 胡忠文. ADWR雷達速調(diào)管故障分析處理[J]. 氣象水文海洋儀器，2012.1：87-91

[2] 范大偉，張利平，張茜，等. 機場多普勒天氣雷達三維顯示系統(tǒng)[J]. 氣象水文海洋儀器，2018.35（3）：55-60

[3] 中國民用航空局空管辦. 民用機場多普勒天氣雷達系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，2012：11

[4] 張濤，齊永奇. MATLAB圖像處理編程與應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2014.

[5] 周品. MATLAB圖像處理與圖形用戶界面設(shè)計[M].清華大學出版社，2013.