一種無人機載監(jiān)視雷達模擬數(shù)據(jù)生成方法

王麗 趙浩然 蔡甫 李武旭

關(guān)鍵詞：無人機；監(jiān)視雷達；航跡處理；模擬數(shù)據(jù)生成

0引言

無人機是一種有動力、可控制、可執(zhí)行多種任務并能重復使用的無人駕駛航空器，具有技術(shù)集成度高、靈活性強、成本低等特點。近年來，無人機在人工影響天氣、應急產(chǎn)業(yè)、氣象監(jiān)測、巡檢、安防監(jiān)控、農(nóng)林植保、測繪與地理信息等領(lǐng)域得以快速發(fā)展。無人機具備的全時全域監(jiān)視能力、探測與避讓能力至關(guān)重要，使其在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為空域中的重要成員。

無人機載監(jiān)視雷達作為無人機探測與避讓系統(tǒng)的非合作目標探測傳感器，通過空對空目標監(jiān)視為無人機探測與避讓系統(tǒng)提供鄰近空域的監(jiān)視信息，是大型、中型無人機的主要感知設備。無人機載監(jiān)視雷達系統(tǒng)如圖1所示，它能夠連續(xù)工作，并且能在水平、俯仰兩個方向?qū)θ肭诛w行目標進行探測，實現(xiàn)對非合作目標的距離、角度、速度等信息的提取并形成入侵目標航跡信息。

在無人機載監(jiān)視雷達系統(tǒng)的研究過程中，需要有合適的探測數(shù)據(jù)源來檢驗該雷達系統(tǒng)的效能，然而外場調(diào)試成本太高，而且很容易受到其他因素影響，很難順利開展調(diào)試工作，此時，數(shù)據(jù)模擬器則起到了重要的作用。然而，目前針對數(shù)據(jù)模擬器的研究主要集中在采樣信號的數(shù)字模擬方面，直接檢測整個處理過程（信號處理和航跡處理）的效果，而針對航跡處理單元的原始目標數(shù)據(jù)模擬方法研究較少。為了單獨檢測航跡處理單元的處理效果，本文針對航跡處理單元需要的數(shù)據(jù)源提出一種模擬數(shù)據(jù)生成方法，用以加速航跡處理單元的調(diào)試進度，完善航跡處理單元的功能。

1模擬數(shù)據(jù)生成

1.1航跡處理單元作用

無人機載監(jiān)視雷達航跡處理單元接收信號處理后的數(shù)據(jù)，包括觸發(fā)數(shù)據(jù)、原始目標數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的航跡信息上報。航跡處理的主要作用是對包含虛假目標的原始目標數(shù)據(jù)進行預處理、點航關(guān)聯(lián)、航跡更新等操作，得到準確的目標航跡，并進行航跡初始化、航跡外推，定期對航跡進行維護處理。

1.2數(shù)據(jù)生成方法

本文提到的模擬數(shù)據(jù)為無人機載監(jiān)視雷達航跡處理單元提供合適的數(shù)據(jù)源，包括觸發(fā)數(shù)據(jù)、原始目標數(shù)據(jù)等。其數(shù)據(jù)生成過程如圖2所示，包括目標建模、模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生、模擬數(shù)據(jù)整合、模擬數(shù)據(jù)發(fā)送等部分。目標建模是根據(jù)無人機飛行環(huán)境建立雷達監(jiān)視的目標運動狀態(tài)模型，目標運動狀態(tài)涉及的參數(shù)包括目標距離、角度、徑向速度、信號幅度等；模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生是按時間產(chǎn)生觸發(fā)數(shù)據(jù)、虛假目標數(shù)據(jù)、原始目標數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按行存儲到文件中；模擬數(shù)據(jù)整合則是從數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù)，將觸發(fā)數(shù)據(jù)整合成觸發(fā)數(shù)據(jù)包格式，將虛假目標和真實目標整合成原始目標數(shù)據(jù)格式；模擬數(shù)據(jù)發(fā)送則是將整合好的數(shù)據(jù)發(fā)送至航跡處理單元需要的地址。

2模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生

2.1目標參數(shù)分析

根據(jù)無人機分類、無人機飛行管理要求，以及無人機載監(jiān)視雷達運行要求，無人機載監(jiān)視雷達模擬原始目標的參數(shù)包括模擬目標的距離、角度、分辨力、速度等。

2.1.1模擬目標的距離

模擬目標的最遠距離為雷達探測目標需要滿足跟蹤精度要求的最大距離的最小值（RDR），其大小取決于目標類別、速度、目標方位角（angle）等因素。模擬目標的最近距離為雷達探測目標滿足跟蹤精度要求的最小距離的最大值（RCPR）。參考RTCA/D0-366標準，應按以下情況設置模擬目標距離參數(shù)值。

（1）RDR設置如下：①晴空情況下，小型目標在迎面方向RDR應不小于10.1 km;②晴空情況下，中型目標在迎面方向RDR應不小于11.12km；③晴空情況下，大型目標在迎面方向RDR應不小于12.41km;④從其他方位角接近的目標，由RDR修正因子進行縮放，其修正因子如表1所示。（2）RCPR不應大于1219.2m。

2.1.2模擬目標的角度

模擬目標的角度分為水平方位和俯仰方位，其參數(shù)設置如下：①無人機載監(jiān)視雷達探測俯仰角（垂直參考無人機飛行軌跡）范圍為-15°～+15°，僅限于304.8m地面高度以上的目標；②無人機載監(jiān)視雷達探測水平角（相對于無人機縱軸）范圍為-110°～+110°。

2.1.3模擬目標的分辨力

分辨力應在RDR的范圍內(nèi)，以至少90%的概率分辨垂直或水平至少相隔609.6m的兩架目標飛機。

2.1.4模擬目標的速度

無人機類型及速度典型值如表2所示，因此模擬目標的速度應參照表2設定。

2.2模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程

航跡處理單元需要的模擬數(shù)據(jù)包括觸發(fā)數(shù)據(jù)、運動目標數(shù)據(jù)、虛假目標數(shù)據(jù)。本文采用MATLAB軟件對運動目標進行建模，產(chǎn)生目標數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生觸發(fā)數(shù)據(jù)等，將這些數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)文件進行保存。

模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如下：①設置掃描周期總數(shù)；②隨機生成虛假目標數(shù)據(jù)，并放入虛假目標數(shù)據(jù)數(shù)組；③將觸發(fā)數(shù)據(jù)、運動目標數(shù)據(jù)、虛假目標數(shù)據(jù)幾個數(shù)組的數(shù)值依據(jù)相干處理間隔（coherentprocessing interval，CPI）計數(shù)按順序依次寫入數(shù)據(jù)文件。

觸發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如下：①設置掃描周期總數(shù)、每個周期掃描波束個數(shù)；②初始化觸發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)組；③每個波束中CPI值自動計數(shù)，時間標簽按CPI值計數(shù)加1；④按掃描波束分配計算每個波束的水平方位角和俯仰方位角；⑤添加觸發(fā)數(shù)據(jù)標識，生成觸發(fā)數(shù)據(jù)，并存儲到觸發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)組。

根據(jù)模擬目標參數(shù)，對運動目標進行建模，運動目標的相關(guān)參數(shù)均應滿足上述參數(shù)值范圍。運動目標的狀態(tài)可分為勻速和勻加速等不同情況，其運動目標數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如下：①設置運動目標個數(shù)；②設置每個目標的起始、終止位置，包括徑向距離、水平方位角、俯仰方位角；⑧設置每個目標的起始時間、目標檢測點個數(shù)，以及雷達掃描周期時間等初始值；④初始化運動目標參數(shù)存儲數(shù)組和掃描周期總數(shù)；⑤按運動目標模型計算當前掃描周期中運動目標的速度、距離、角度、距離分量、速度分量、時間等參數(shù)；⑥按目標所在波束計算生成當前掃描周期運動目標所在的波束CPI值；⑦隨機生成當前掃描周期中運動目標的回波幅度值；⑧添加目標數(shù)據(jù)標識，將每個周期運動目標的參數(shù)值存儲到目標數(shù)據(jù)數(shù)組。

3模擬數(shù)據(jù)整合

3.1整合過程

模擬數(shù)據(jù)整合的目的是將觸發(fā)數(shù)據(jù)和目標數(shù)據(jù)按定義的接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別進行組包，并發(fā)送至設置的網(wǎng)絡地址，其實現(xiàn)方式為Qt Creator（一款輕量級集成開發(fā)環(huán)境）。其整合過程包括兩個線程：一個為數(shù)據(jù)文件讀取、數(shù)據(jù)組包線程；另一個為數(shù)據(jù)發(fā)送線程，線程間通過共享隊列傳遞數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)整合線程的過程如下：①選擇數(shù)據(jù)讀取的文件；②打開文件，按行讀取數(shù)據(jù)并放入list（列表）；⑧通過標識區(qū)分觸發(fā)數(shù)據(jù)和目標數(shù)據(jù)，分別按相應數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)幀組包；④將組包好的數(shù)據(jù)放入隊列；⑤數(shù)據(jù)發(fā)送線程從隊列中取出每條數(shù)據(jù)；⑥區(qū)分觸發(fā)數(shù)據(jù)和目標數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至相應的網(wǎng)絡地址。

3.2接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

接口數(shù)據(jù)包括觸發(fā)數(shù)據(jù)和目標數(shù)據(jù)兩種，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均包括消息頭、消息體、校驗和3個部分，不同點在于消息體內(nèi)容。觸發(fā)數(shù)據(jù)的消息體中只包含了CPI計數(shù)、水平方位中心、俯仰方位中心3項掃描信息；目標數(shù)據(jù)的消息體則包含了更多的目標信息，如目標水平方位、俯仰方位、方位精度、距離、距離精度、徑向速度、速度精度、幅度等。觸發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

4結(jié)語

目前針對無人機載監(jiān)視雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)模擬器的研究主要集中在信號模擬方面，鮮有針對航跡處理單元的數(shù)據(jù)模擬方法研究。本文專門為無人機載監(jiān)視雷達系統(tǒng)中的航跡處理單元提供一種模擬數(shù)據(jù)生成方法，通過分析無人機載監(jiān)視雷達探測目標的參數(shù)，對運動目標進行建模，并說明了整個模擬數(shù)據(jù)生成過程。通過此方法生成的模擬數(shù)據(jù)，可作為檢驗航跡處理效果的數(shù)據(jù)源，以此作為測試手段，提高系統(tǒng)調(diào)試效率，降低調(diào)試成本。