劉元春　張煉

【摘要】隨著我國(guó)航空業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，飛機(jī)起降次數(shù)越來越多，從而給地面管制人員帶來的工作負(fù)荷也越來越大。場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)場(chǎng)跑道上的目標(biāo)進(jìn)行定位、跟蹤監(jiān)視，讓管制員實(shí)時(shí)掌握跑道上目標(biāo)的態(tài)勢(shì)信息，方便管制員對(duì)目標(biāo)進(jìn)行管控，提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行率，減少地面沖突、確保地面安全。本文由三部分組成，第一部分講述場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)工作原理；第二部分講述場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)組成；第三部分講述后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

【關(guān)鍵字】場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

1 場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理等同于一次雷達(dá)。通過雷達(dá)天線系統(tǒng)發(fā)射電磁波，其中的一部分能量被目標(biāo)接收，并且在各個(gè)方向上產(chǎn)生二次散射。雷達(dá)天線收集散射回來的能量并送至雷達(dá)頭對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)存在，將視頻信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)、方位角信號(hào)等送數(shù)據(jù)處理分機(jī)處理，提取目標(biāo)的距離和方位等信息，形成目標(biāo)航跡。通過監(jiān)控維護(hù)分機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行必要的設(shè)置和維護(hù)和顯示雷達(dá)圖像。系統(tǒng)工作示意如圖1所示。

2 場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)組成

場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)由天線分機(jī)、雷達(dá)頭、數(shù)據(jù)處理分機(jī)和監(jiān)控維護(hù)分機(jī)組成。通過天線分機(jī)向空間發(fā)射電磁波，接收目標(biāo)反射回來的回波信號(hào)，通過雷達(dá)頭處理將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為中頻信號(hào)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和方位角信號(hào)，送數(shù)據(jù)處理分機(jī)進(jìn)行點(diǎn)跡提取、航跡生成跟蹤和視頻數(shù)據(jù)分發(fā)。通過監(jiān)控維護(hù)分機(jī)進(jìn)行雷達(dá)圖像的顯示和監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行必要的設(shè)置和維護(hù)。系統(tǒng)組成如表1所示。系統(tǒng)組成和交聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)處理功能

3.1 硬件架構(gòu)

3.1.1 概述

場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)處理硬件架構(gòu)組成包括數(shù)據(jù)處理分機(jī)和監(jiān)控維護(hù)分機(jī)，數(shù)據(jù)處理分機(jī)配備在雷達(dá)站機(jī)房，監(jiān)控維護(hù)分機(jī)配備在管制中心。數(shù)據(jù)處理分機(jī)接收雷達(dá)信息，并將處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)上報(bào)到監(jiān)控維護(hù)分機(jī)，監(jiān)控維護(hù)分機(jī)接收雷達(dá)數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃等數(shù)據(jù)，在顯控終端顯示目標(biāo)的態(tài)勢(shì)信息，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掛牌，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控、管理和指揮。其中數(shù)據(jù)處理分機(jī)駐留雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，監(jiān)控維護(hù)分機(jī)駐留系統(tǒng)監(jiān)控軟件和綜合顯示軟件。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理分機(jī)

數(shù)據(jù)處理分機(jī)主要組成有：（1）服務(wù)器：采用商用主流服務(wù)器，支持19英寸機(jī)架安裝，支持PCI擴(kuò)展；（2）視頻采集卡：雷達(dá)模擬視頻采集與處理，支持PCI安裝；（3）雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件。

3.1.3 監(jiān)控維護(hù)分機(jī)

監(jiān)控維護(hù)分機(jī)主要組成：（1）主機(jī)：采用商用主流臺(tái)式工作站，可支持雙顯；（2）顯示器：24寸液晶顯示器，支持分辨率不低于1920×1280；（3）系統(tǒng)監(jiān)控軟件；（4）綜合顯示軟件。

監(jiān)控維護(hù)分機(jī)可配置為本地監(jiān)控維護(hù)分機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)分機(jī)，也可配置為監(jiān)控分機(jī)（主要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控）與維護(hù)分機(jī)（主要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻與目標(biāo)顯示），主要功能主要有：（1）雷達(dá)頭監(jiān)視：與雷達(dá)頭信號(hào)分配器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)頭狀態(tài)監(jiān)視、以圖形化實(shí)時(shí)展示設(shè)備故障狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)提供告警和日志記錄，具備歷史日志查詢；（2）雷達(dá)頭控制：與雷達(dá)頭信號(hào)分配器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)頭的工作狀態(tài)、工作模式、主備切換、配置參數(shù)等控制；（3）雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的狀態(tài)監(jiān)視、主備控制以及點(diǎn)航跡處理參數(shù)配置；（4）目標(biāo)顯示：實(shí)現(xiàn)雷達(dá)原始點(diǎn)跡、點(diǎn)跡、航跡顯示，目標(biāo)報(bào)告格式支持CAT010格式；具備目標(biāo)數(shù)據(jù)記錄與重演功能；具備目標(biāo)數(shù)據(jù)查詢與輸出功能；（5）視頻顯示：實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻實(shí)時(shí)顯示；（6）地圖顯示：實(shí)現(xiàn)監(jiān)視區(qū)域類GIS地圖顯示（7）飛行計(jì)劃處理：實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃的引接、處理并與目標(biāo)報(bào)告關(guān)聯(lián)；（8）用戶管理：具備用戶分級(jí)管理，實(shí)現(xiàn)調(diào)試員、管理員以及操作員的權(quán)限分配和用戶管理；（9）具備多個(gè)監(jiān)控維護(hù)分機(jī)協(xié)同工作能力。

4 軟件架構(gòu)

4.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件

4.1.1 功能介紹

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)功能有：（1）視頻處理：實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻采集與存儲(chǔ)；可輸出經(jīng)過處理后的雷達(dá)視頻報(bào)文，支持CAT240格式；具備雷達(dá)視頻重演功能；（2）目標(biāo)處理：實(shí)現(xiàn)雷達(dá)原始點(diǎn)跡凝聚、錄取與輸出；完成點(diǎn)航跡關(guān)聯(lián)、跟蹤、濾波、平滑、外推處理，輸出經(jīng)過平滑后的航跡；航跡處理支持特殊區(qū)域處理（包括消隱區(qū)、雜波區(qū)、草坪區(qū)等）；點(diǎn)航跡格式支持CAT010格式。（3）配置管理：具備自動(dòng)主備切換和監(jiān)控維護(hù)終端手動(dòng)主備切換功能；具備本服務(wù)器狀態(tài)監(jiān)視、告警與輸出。

4.2 軟件處理

4.2.1 視頻處理

雷達(dá)視頻處理實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻信號(hào)的采集、壓縮、分發(fā)、存儲(chǔ)、重演功能，通過標(biāo)準(zhǔn)的支持庫實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）采集板卡接口；（2）扇區(qū)掃描，支持隨機(jī)掃描；（3）雷達(dá)接口緩沖區(qū)；（4）壓縮和解壓縮；（5）網(wǎng)絡(luò)分發(fā)；（6）測(cè)試信號(hào)發(fā)生器；（7）情景模擬發(fā)生器；（8）記錄和回放；（9）導(dǎo)航數(shù)據(jù)接口（NMEA）；（10）ASTERIX CAT240輸出。

4.2.2 目標(biāo)處理

目標(biāo)處理主要實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）消隱區(qū)處理；（2）點(diǎn)跡錄取；（3）預(yù)處理；（4）點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)；（5）航跡管理；（6）航跡跟蹤濾波；（7）航跡檢測(cè)；（8）航跡質(zhì)量評(píng)估；

4.2.3 配置管理

配置管理主要通過標(biāo)準(zhǔn)的API采集主機(jī)的配置參數(shù)（主頻、內(nèi)存以及相關(guān)利用率），結(jié)合軟件自身狀態(tài)組包輸出；同時(shí)連接監(jiān)控維護(hù)分機(jī)的主備切換控制實(shí)現(xiàn)通道主備切換。

4.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

4.3.1 功能介紹

系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的功能框圖如圖3所示。

4.4 軟件處理

4.4.1 權(quán)限管理

權(quán)限管理包括本機(jī)用戶管理和協(xié)同管理，具體實(shí)現(xiàn)：（1）本機(jī)用戶管理包括登錄管理和用戶配管。登錄通過用戶名與密碼認(rèn)證方式登陸，軟件自動(dòng)配置與其權(quán)限匹配的界面；用戶配管包括添加、編輯、刪除用戶信息，用戶分組包括設(shè)計(jì)員、管理員、操作員，其中管理員與操作員面向最終用戶開放，設(shè)計(jì)員僅面向工廠研發(fā)、調(diào)試人員；操作員具備個(gè)人資料管理、設(shè)備的模式、狀態(tài)控制、主備機(jī)切換、故障日志查詢、態(tài)勢(shì)界面形配置等功能，管理員除具備操作員的操作外，還可具備用戶管理、雷達(dá)參數(shù)配置的功能。（2）協(xié)同管理主要實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端的主備管理，終端采用“誰用誰申請(qǐng)”的原則，管理系統(tǒng)終端主控權(quán)限，在系統(tǒng)中任意時(shí)刻有且僅有一個(gè)終端具有控制權(quán)限，可通過申請(qǐng)并由當(dāng)前主控批準(zhǔn)后獲得主控權(quán)限。

4.4.2 日志管理

日志管理主要包括故障狀態(tài)日志的存儲(chǔ)、查詢、導(dǎo)出、刪除等操作，要求：

（1）日志存儲(chǔ)：按照標(biāo)準(zhǔn)的格式進(jìn)行文件存儲(chǔ)或數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，可記錄存儲(chǔ)時(shí)間可根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)置，一般以天為單位；（2）日志查詢：歷史日志的條件查詢，包括時(shí)間、類型等條件；（3）日志導(dǎo)出：歷史日志的文件導(dǎo)出或打印輸出；（4）日志刪除：自動(dòng)刪除超過用戶設(shè)定天數(shù)的歷史日志，同時(shí)可手動(dòng)刪除；（5）統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)故障分布、故障時(shí)間等信息。

4.4.3 天線分機(jī)監(jiān)控

天線分機(jī)監(jiān)控通過與收發(fā)控制器交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)、天線的狀態(tài)監(jiān)視和控制。主要監(jiān)控的內(nèi)容宜包括：（1）控制器鏈路；（2）轉(zhuǎn)臺(tái)工作狀態(tài)；（3）轉(zhuǎn)速；（4）方位信號(hào)、正北信號(hào)；（5）轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)狀態(tài)；（6）轉(zhuǎn)臺(tái)其他自檢。

4.4.4 雷達(dá)頭監(jiān)控

雷達(dá)頭監(jiān)控包括：

（1）雷達(dá)頭設(shè)備監(jiān)控：雷達(dá)設(shè)備監(jiān)控主要完成主機(jī)的工作狀態(tài)與模式監(jiān)控、雷達(dá)頭的主備通道切換控制；（2）軟件狀態(tài)監(jiān)控：軟件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視部件通過圖表直觀、動(dòng)態(tài)的展示雷達(dá)主機(jī)的內(nèi)部軟件配置項(xiàng)的運(yùn)行狀態(tài) ；（3）硬件狀態(tài)監(jiān)控：硬件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視部件通過分層結(jié)構(gòu)圖形直觀、動(dòng)態(tài)的展示雷達(dá)主機(jī)的硬件運(yùn)行狀態(tài)。

4.4.5 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控主要包括雷達(dá)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理分機(jī)的軟硬件狀態(tài)監(jiān)視和主備機(jī)狀態(tài)監(jiān)控；其中軟件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控內(nèi)容同雷達(dá)頭軟件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

4.4.6 系統(tǒng)參數(shù)配置

系統(tǒng)參數(shù)配置主要完成以下功能：（1）雷達(dá)頭各模塊參數(shù)配置；（2）雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分機(jī)參數(shù)配置；（3）其他參數(shù)配置。

4.5 綜合顯示軟件

4.5.1 功能介紹

綜合顯示軟件功能框圖如圖4所示。

4.6 軟件處理

4.6.1 軟件框架

雷達(dá)數(shù)據(jù)綜合顯示軟件采用圖形化視圖（Graphic View）框架，包含視圖（View）、場(chǎng)景（Scene）和圖元（Item）三個(gè)組成部分。視圖為用戶定制的二維圖元進(jìn)行管理與交互提供一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)為圖元的可視化提供視圖窗口。場(chǎng)景為圖元的容器，提供顯示平臺(tái)，傳播事件到場(chǎng)景中每個(gè)圖元。圖元是圖形顯示的單元，可以將基本圖形如線、矩形、圓周等作為一個(gè)圖元，也可以將多個(gè)基本圖形組合成一個(gè)復(fù)雜圖形作為一個(gè)圖元。圖形化視圖采用二元空間分割（BSP）樹方式提供圖元快速搜索，因此可以使包含高達(dá)上百萬個(gè)圖元的大場(chǎng)景能夠?qū)崟r(shí)可視化。圖形化視圖提供一種基于圖元的方式進(jìn)行模型/視圖編程，在實(shí)際應(yīng)用中可以將GIS、目標(biāo)實(shí)例化成不同的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型可以包含多個(gè)具體的圖元，包含區(qū)域、點(diǎn)、文字、線條等符號(hào)。

4.6.2 視頻顯示

視頻顯示主要實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）數(shù)據(jù)接收：接收并解析標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)進(jìn)行存儲(chǔ)；（2）圖元實(shí)例化：根據(jù)實(shí)際讀取的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行圖元封裝，在基礎(chǔ)圖元類上派生為場(chǎng)景可用的圖元類型，并將相應(yīng)的屬性完善。（3）顯示屬性控制：提供用戶根據(jù)需要配置各類圖元的顯示屬性界面，可動(dòng)態(tài)載入或存儲(chǔ)配置方案；（4）態(tài)勢(shì)顯示：將各實(shí)例化的圖元添加到系統(tǒng)的場(chǎng)景中，完善在場(chǎng)景視圖變換（縮放、漫游等）時(shí)適應(yīng)性調(diào)整，根據(jù)屬性控制器對(duì)各圖元的配置，在態(tài)勢(shì)界面中顯示。

4.6.3 目標(biāo)態(tài)勢(shì)顯示

目標(biāo)態(tài)勢(shì)顯示主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）目標(biāo)數(shù)據(jù)接收：從網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)數(shù)據(jù)端口獲取到有效的目標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)有效判別、格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理后送往后端； （2）目標(biāo)數(shù)據(jù)處理：根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)提取目標(biāo)唯一的數(shù)據(jù)索引，根據(jù)索引查找目標(biāo)鏈表，索引到有效目標(biāo)鏈表的情況下直接將目標(biāo)數(shù)據(jù)插入鏈表，并更新鏈表相關(guān)屬性，未查找到時(shí)，利用目標(biāo)數(shù)據(jù)新建一個(gè)鏈表；當(dāng)在目標(biāo)鏈表更新超時(shí)情況下，將目標(biāo)鏈表刪除；（3）圖元實(shí)例化：根據(jù)實(shí)際讀取的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行圖元封裝，在基礎(chǔ)圖元類上派生為場(chǎng)景可用的圖元類型，并將相應(yīng)的屬性完善；（4）雷達(dá)可顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：高度、距離、速度、航向、以及S模式地址等相關(guān)信息；（5）顯示屬性控制：提供用戶對(duì)目標(biāo)圖元顯示參數(shù)配置管理，可動(dòng)態(tài)載入或存儲(chǔ)配置方案，可配置圖元相關(guān)參數(shù)；（6）態(tài)勢(shì)顯示：將各實(shí)例化的圖元添加到系統(tǒng)的場(chǎng)景中，完善在場(chǎng)景視圖變換（縮放、漫游等）時(shí)適應(yīng)性調(diào)整，根據(jù)屬性控制器對(duì)各圖元的配置，在態(tài)勢(shì)界面中顯示。

5 結(jié)語

本文闡述了場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成以及系統(tǒng)功能等方面。目前國(guó)內(nèi)大型機(jī)場(chǎng)都是采購國(guó)外的場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備，通過本文，希望能對(duì)研制出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)提供幫助，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。

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