【摘 要】本文分析了空管自動化系統(tǒng)的多雷數(shù)據(jù)處理的方式和特點，對多雷達數(shù)據(jù)處理的時空對準、正北校正、坐標變換以及多雷達航跡相關融合跟蹤的方法。

【關鍵詞】時空對準 正北校正 航跡相關融合

空管自動化系統(tǒng)是一個以計算機技術為基礎的復雜的分布式處理系統(tǒng)，它接收和處理來自各個雷達頭和飛行計劃的數(shù)據(jù)，通過人機界面給空中交通管制員提供對整個管制區(qū)內(nèi)飛行活動的監(jiān)視、預測和告警信息，協(xié)助管制員對空中交通進行安全有序的管理。目前我國航空運輸業(yè)高速發(fā)展，對空中交通管制系統(tǒng)提出了許多新要求，而其中多雷達數(shù)據(jù)處理任務是空中交通管制系統(tǒng)中的一個關鍵技術。本文作者根據(jù)多年工作經(jīng)驗對目前主流的空管自動化系統(tǒng)的多雷達數(shù)據(jù)處理流程進行歸納總結。

一、多雷達數(shù)據(jù)處理概述

多雷達數(shù)據(jù)處理是指多分布在不同位置的雷達發(fā)現(xiàn)的空中同一目標經(jīng)過數(shù)據(jù)融合和跟蹤后，在系統(tǒng)內(nèi)形成唯一的系統(tǒng)目標航跡，在管制席的系統(tǒng)綜合模式下，目標在顯示是唯一的，且狀態(tài)最佳的。多雷達綜合航跡信息是整個管制系統(tǒng)的基礎信息。供給告警計算、計劃相關處理、管制扇區(qū)移交等各個子模塊使用。空管自動化系統(tǒng)能接收多部雷達數(shù)據(jù)，對那些參加處理的單雷達航跡，經(jīng)過判別后，確定這些航跡信息是否屬于同一個目標，如屬同一目標則時空對準后采用適當方法進行融合，選出最能表達實際情況的目標態(tài)勢描述，最終生成新航跡或更新舊航跡，并盡可能保證系統(tǒng)航跡的連續(xù)平滑。

多雷達數(shù)據(jù)處理主要完成的工作包括：實時搜集各部雷達送來的點跡或航跡數(shù)據(jù)，把它們的時空參考坐標系變換到一個統(tǒng)一的時空參考坐標系并同時進行必要的系統(tǒng)誤差補償；在統(tǒng)一參考坐標系中進行相關比較，搜索并確認由同一目標通過不同雷達形成的數(shù)據(jù)；對這些數(shù)據(jù)用加權求和或進行綜合濾波的方式實現(xiàn)優(yōu)化合并即數(shù)據(jù)融合，并在此基礎上建立、維護每個目標的多雷達系統(tǒng)航跡。通過對多部異地雷達共同觀測或監(jiān)視同一目標所得到的位置或/和速度等運動學參數(shù)的多重數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，不僅可以擴大監(jiān)視空域范圍，增加結果數(shù)據(jù)的可靠性，而且可以達到提高測量精確度的效果。

二、多雷達數(shù)據(jù)處理中的時空對準

由于各單雷達的數(shù)據(jù)更新頻率不一樣，時間延遲不一樣，導致多雷達處理模塊以異步方式接收單雷達航跡信息。為提高雷達數(shù)據(jù)處理精度，滿足多雷達跟蹤數(shù)據(jù)處理精度要求，各雷達所探測的同一航跡必須推算到系統(tǒng)定義的時間刻度上，取得同一時刻的航跡空間位置，統(tǒng)一各雷達站使用的空間、時間參考點和統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)。

目前前我國航管雷達的時基還未使用統(tǒng)一的 GPS 時鐘，各異地雷達的時間基準還不統(tǒng)一，這些時間基準之間形成基本固定的時基鐘差，給多雷達航跡關聯(lián)及數(shù)據(jù)融合帶來很大麻煩，因此這是時間軸對準的首要問題，而同時在異地雷達到管制中心的遠距離數(shù)據(jù)傳輸過程中，存在隨機的通訊延遲，也將影響時間對準。內(nèi)插或外推的過程稱為時空對準，即時間軸對準和雷達頭數(shù)據(jù)處理延時補償。時間對準包括時間軸對準和雷達頭數(shù)據(jù)處理延時補償。由于雷達沒有使用統(tǒng)一的時間基準，所以首先使用 GPS 時鐘作為統(tǒng)一的時間基準，在每一個雷達的出口給雷達數(shù)據(jù)加上 GPS 時間印記，這樣在進行處理時可以得到雷達數(shù)據(jù)的準確輸出時間，因而只需要考慮雷達頭數(shù)據(jù)處理的延時補償。各雷達頭的信號處理，數(shù)據(jù)錄取和單雷達航跡跟蹤都有各不相同的處理延時，使得航跡數(shù)據(jù)輸出的時刻相對于雷達天線波束照射到目標的時刻而言，具有不同的延時，需要進行校正。

GPS 時鐘可以有效地修正各部雷達因傳輸鏈路造成的延遲時差和系統(tǒng)時間基數(shù)之間的時差。但是 GPS 時間印記無法處理雷達頭延時問題，即從雷達天線波束照射目標時刻到雷達數(shù)據(jù)錄取器輸出目標探測數(shù)據(jù)時刻的時間差。對于探測到的目標來說，經(jīng)過統(tǒng)一修正空間坐標之后，如果兩部雷達探測該目標的時間相同或者經(jīng)過內(nèi)插，外推折合到同一時間，仍然會因為不同雷達的參考時鐘的鐘差，造成目標航跡軌跡上產(chǎn)生不同航向上的位置差，其數(shù)值等于目標的飛行速度乘時間差。因此可以利用這個特點檢測并校正各部雷達之間的時差。雷達頭的處理延時和延時誤差可分為恒定部分和隨機漂移部分。其中，延時誤差恒定部分與鐘差性質(zhì)相同，只需要一次性或定期離線補償，而不需要進行實時補償；隨機誤差不可能找到充分有效的方法來精確補償，只能依賴于在多雷達數(shù)據(jù)處理過程中通過數(shù)據(jù)融合得到一定程度的抑制。如果這些隨機分量造成的位置誤差遠小于雷達探測誤差，則可以忽略不計。若發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)緩慢漂移分量，則有必要采用自動檢測和自動補償?shù)姆椒▉斫鉀Q。在空管自動化系統(tǒng)中，把時空對準偏差控制到比單雷達測量誤差小到一定比例就能夠滿足實際的需求?？紤]到民航飛機的飛行數(shù)度一般不會超過 300 米/秒，時間軸的對準精度應至少達到 50 毫秒。

三、正北校正和坐標變換

雷達所標稱的正北一般不同于地理的正北，那么在將雷達航跡送至系統(tǒng)融合中心的時候需要對雷達標稱正北和地理正北的差值做一個補償，該值是一個固定的常數(shù)，因此在進行系統(tǒng)融合之前需要對其進行一次性補償，以滿足融合的要求。雷達所存在的固定誤差主要源于雷達在測量距離和測量角度時的精度。在空間測量中，地心直角坐標系常作為轉換的中間變量。因此在融合中涉及站心極坐標系和大地坐標系之間的轉換。通常，首先將雷達站心極坐標系轉換為站心直角坐標系，再轉換為地心直角坐標系，最后再將地心直角坐標系轉換為地心大地坐標系。這樣就實現(xiàn)了站心極坐標向地心大地坐標的轉換。

四、多雷達航跡相關、融合與跟蹤的方法

1、加權系數(shù)平均法

加權平均法是指對接入系統(tǒng)的每個單雷達都分配不同的權重系數(shù)， 收到各個雷達更新的單雷達航跡信息后，按系統(tǒng)分配的權系數(shù)比重對系統(tǒng)航跡進行更新 。

2、馬塞克方法

馬塞克方法將整個監(jiān)視區(qū)域分成許多矩形方格，每個方格都定義了能覆蓋到本方格區(qū)域的所有雷達的輸出優(yōu)先順序，這一順序可以各個方格都不相同，在當前方格內(nèi)，多雷達綜合處理模塊可以簡單地選擇最高優(yōu)先級的單雷達航跡作為綜合雷達航跡的輸出。

3、卡爾曼濾波

卡爾曼濾波方法是六十年代初在現(xiàn)代控制理論的發(fā)展過程中產(chǎn)生的一種濾波方法。在航天、航空和航海等許多技術領域都廣泛的應用，在雷達數(shù)據(jù)處理技術領域中也引入了這種濾波技術，用來實現(xiàn)雷達對單個和多個目標的平滑跟蹤，處理單部或多部雷達提供的目標數(shù)據(jù)等任務。 空管自動化系統(tǒng)使用卡爾曼濾波方法對多雷達融合信息的目標位置進行平滑跟蹤處理，其他方面如高度、速度及航向等，直接采用所有能發(fā)現(xiàn)此目標的雷達中質(zhì)量相對比較好的那路單雷達的報告。這是由于濾波平滑方法意味著利用歷史值來修正當前值，使之不出現(xiàn)明顯跳變，這正好適合用來處理飛機位置上的變化（高速移動時的慣性因素不可避免）；與之情況不同的是高度、速度和航向方面的變化，這些都可能在某一數(shù)值上停留很久后突然改變，引入濾波平滑后將不可避免帶來反應慢、報告給管制員的數(shù)值跟不上實際變化的問題。

五、異常信息的特殊處理

空管自動化系統(tǒng)在對單路雷達報來的C模式高度進行分析的過程中，若出現(xiàn)無效或太高、變化太劇烈、混淆、扭曲等異常情況，系統(tǒng)將連續(xù)確認兩個周期后才更新，在此期間維持原高度不變。對系統(tǒng)綜合航跡高度的處理考慮其它單雷達的C模式高度報告數(shù)值（綜合航跡的高度拒絕使用和大多數(shù)雷達報告的高度差異較大的雷達報告的高度）和目標的高度更新穩(wěn)定性以及未來的飛行狀態(tài)，使得系統(tǒng)綜合航跡的高度更新做到連續(xù)和穩(wěn)定。當目標單路雷達的A模式代碼出現(xiàn)無效或異常變化時，該路單雷達航跡對A模式代碼的處理方式與高度處理類似：暫時保留原先的A模式代碼，兩個周期后仍沒有恢復正常則更新；若有多路雷達覆蓋該目標時，系統(tǒng)綜合航跡使用正常的、穩(wěn)定性最好的單路雷達信息的A模式代碼。當某雷達報告A模式代碼出現(xiàn)無效或異常變化時，系統(tǒng)參考其他雷達，如果至少有兩路雷達認為其代碼沒有變化，則綜合航跡不更新。這種特殊處理，確保了單雷達代碼的跳變和無效不影響系統(tǒng)航跡的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

結束語

隨著空中流量的不斷上升，管制人員的任務越來越重，對空管自動化系統(tǒng)的依賴也越來越強。由此可見，多雷達數(shù)據(jù)融合部分是自動化系統(tǒng)核心部分，研究多雷達數(shù)據(jù)融合對于自動化系的統(tǒng)升級改造具有重要意義。本文詳細論述了多雷達數(shù)據(jù)處理中所用的坐標系及它們之間的坐標變換，總結了多雷達數(shù)據(jù)融合跟蹤的常見方式，分析了變換所帶來了誤差。分析了異常信息處理的A、C模式應答編碼的幾種處理模式和方法，希望對空管自動化系統(tǒng)的對設備維護工作起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]敬喜 《卡爾曼濾波器及其應用基礎》北京國防工業(yè)出版社。

[2]彭丁聰 《卡爾曼濾波的基本原理及應用》

[3]吳憲 《空管自動化系統(tǒng)若干關鍵技術的研究》

作者簡介：

劉鵬男 37歲 工程師 主要從事民航空管機務工作.