黃永堅(jiān)

【摘 要】設(shè)計(jì)一種空管二次雷達(dá)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有二次雷達(dá)配備的顯示系統(tǒng)應(yīng)有的功能，具備目標(biāo)點(diǎn)跡航跡顯示、雷達(dá)原始視頻顯示，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及系統(tǒng)性能監(jiān)視。系統(tǒng)通過(guò)基于分層開(kāi)放式模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟件總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)了消息控制機(jī)制以及包括AsterixR類(lèi)、Tag類(lèi)和顯示類(lèi)等多種類(lèi)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件資源簡(jiǎn)潔，性能較好。

【關(guān)鍵詞】空管；二次雷達(dá)顯示；C#；類(lèi)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）24-0017-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.008

【Abstract】a secondary radar display system for air traffic control is designed， which can realize the functions and functions of the existing secondary radar display system Punctuation track and radar original video display， and achieve the statistical analysis of target data and system performance monitoring. The system is opened based on layers In the same time， message control mechanism is designed， including Asterix R class and Tag Classes and display classes， etc. The system has simple hardware resources and good performance.

【Key words】Air traffic control； Secondary radar display； C #； Class design

0 引言

空管二次雷達(dá)是空中交通管制工作監(jiān)視的重要設(shè)備，可以為空管自動(dòng)化系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)源?？展芏卫走_(dá)的自身顯示也非常重要，其對(duì)于雷達(dá)頭數(shù)據(jù)質(zhì)量的判斷、空管自動(dòng)化及雷達(dá)性能分析及故障排查有關(guān)鍵性作用。對(duì)于空管技術(shù)保障人員，空管二次雷達(dá)的顯示是一種技術(shù)保障的工具也是學(xué)習(xí)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的重要平臺(tái)。通常國(guó)內(nèi)外雷達(dá)生產(chǎn)家都會(huì)配備一個(gè)以上的雷達(dá)本地終端顯示，但是對(duì)于實(shí)際空管現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行有不少不合實(shí)際的情況。本文從實(shí)際出發(fā)，研究設(shè)計(jì)一種雷達(dá)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)C#設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際中應(yīng)用性能較好，對(duì)設(shè)備維護(hù)人員理解相關(guān)數(shù)據(jù)處理和信號(hào)處理有一定的意義。

1 設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)及功能

本文的設(shè)計(jì)依照《MH/T 4010-2006空中交通管制空管二次雷達(dá)設(shè)備技術(shù)規(guī)范》以及《MHT 4008-2000空管雷達(dá)及管制中心設(shè)施間協(xié)調(diào)移交數(shù)據(jù)規(guī)范》，研究相應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式包括ASTERIX CAT001、CAT002、CAT034、CAT048以及CAT240多種歐控雷達(dá)格式。結(jié)合實(shí)際情況系統(tǒng)采用良好的人機(jī)交互界面，通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程部署及遠(yuǎn)程顯示能力，具備目標(biāo)點(diǎn)跡航跡顯示、雷達(dá)原始視頻顯示，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及系統(tǒng)性能監(jiān)視。

在數(shù)據(jù)接口上，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與二次雷達(dá)主機(jī)的數(shù)據(jù)交互，采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)、存儲(chǔ)及本地重演；PPI顯示則參照現(xiàn)有運(yùn)行系統(tǒng)，采用極坐標(biāo)形式顯示，以方位角正北為基準(zhǔn)，順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，距離通過(guò)顯示半徑計(jì)量，并且以當(dāng)前雷達(dá)站的經(jīng)緯度為坐標(biāo)原點(diǎn)。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括目標(biāo)的尾跡、符號(hào)、高度等顯示，地圖顯示以及視頻顯示（包括視頻回放、顯示的基本配置以及掃描方式選擇等等）；統(tǒng)計(jì)功能則通過(guò)列表形式顯示二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的幀數(shù)據(jù)及目標(biāo)信息統(tǒng)計(jì)，主要記錄統(tǒng)計(jì)的信息有：當(dāng)前幀航跡數(shù)、SSR/PSR配對(duì)航跡數(shù)、SSR總數(shù)、航跡總數(shù)、自動(dòng)航跡總數(shù)、人工航跡總數(shù)以及半自動(dòng)航跡總數(shù)等；目標(biāo)列表信息則體現(xiàn)當(dāng)前的重點(diǎn)參數(shù)表、航跡詳參表（航跡批號(hào)、方位、距離、高度、速度、航向等）、點(diǎn)跡詳參表等；主機(jī)控制功能，則主要實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)主機(jī)的控制包括對(duì)（發(fā)射狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)）和模式控制的切換（MA、MS以及MA/C）；回放控制則提供了類(lèi)似空管自動(dòng)化系統(tǒng)的回放重演功能，包括對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的回放速度選擇、回放數(shù)據(jù)選擇等。

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足顯示范圍具有500Km顯示半徑，可同時(shí)顯示900批/幀的目標(biāo)，軟件的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間小于20ms。

在硬件部署上，此處采用HPZ400工作站作為主機(jī)處理，采用LP2400顯示器提供24寸的顯示大小及1600×1200的顯示效果，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為節(jié)約。

2 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件框架設(shè)計(jì)

軟件框架設(shè)計(jì)基于分層開(kāi)放式模塊設(shè)計(jì)，將主體系統(tǒng)功能分為三個(gè)層：一是業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層類(lèi)似網(wǎng)絡(luò)七層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層，具體面對(duì)數(shù)據(jù)處理，包括系統(tǒng)的目標(biāo)顯示、地圖顯示、統(tǒng)計(jì)分析、記錄回放以及功能配置等；二是數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層部署了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)文件，包括消息交互、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制以及數(shù)據(jù)的備份及日志記錄等；三是平臺(tái)層，主要處理基礎(chǔ)計(jì)算以及配置相應(yīng)的顯示組件等，其提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)、硬件以及操作系統(tǒng)的多種運(yùn)算，包括并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信以及其他跨系統(tǒng)跨平臺(tái)應(yīng)用。

2.2 軟件部件

軟件主要由后臺(tái)程序組成，包括雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示、列表統(tǒng)計(jì)計(jì)算以及系統(tǒng)操作等功能部件。其中，雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示包括軟件界面處理（UI約束及配置管理），PPI顯示，列表顯示等。這些顯示處理都是基于支持庫(kù)中的視頻庫(kù)以及模式控制的處理。在C#軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的消息服務(wù)可以采用客戶端-服務(wù)器端構(gòu)架，通過(guò)程序部件間的交互實(shí)現(xiàn)?；诨丨h(huán)地址的SOCKET交互可以實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互，通過(guò)對(duì)UDP消息進(jìn)行端口識(shí)別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需分發(fā)。服務(wù)器端在收到消息信息號(hào)時(shí)將主動(dòng)向客戶端發(fā)布一個(gè)消息副本從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，此過(guò)程系統(tǒng)軟件會(huì)對(duì)消息進(jìn)行等級(jí)劃分和優(yōu)先級(jí)排隊(duì)。

消息中心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)的處理控制。首先，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)從硬盤(pán)中讀取參數(shù)文件（軟件配置文件），讀取完畢初始化系統(tǒng)約束條件，根據(jù)流程進(jìn)行注冊(cè)消息的判斷，如若無(wú)需注冊(cè)消息則判斷心跳消息，心跳存在再進(jìn)行更新訂閱客戶數(shù)據(jù)。如若需要注冊(cè)則直接更新訂閱客戶最終形成現(xiàn)客戶消息訂閱隊(duì)列。

C#的良好封裝性給予軟件設(shè)計(jì)類(lèi)提供了可能，通過(guò)類(lèi)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，方便后續(xù)軟件升級(jí)及維護(hù)。對(duì)于消息中心的類(lèi)主要是IDReader類(lèi)和UdpCom類(lèi)，前者主要實(shí)現(xiàn)消息客戶端和服務(wù)端的信息讀取，用戶名及IP地址端口的信息。后者則實(shí)現(xiàn)信息交互和初始化，UdpSer和UdpCom派生類(lèi)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并保存相應(yīng)的配置文件msg.ini。

Udpsocket實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的接收，并將其推送到顯示界面處理模塊，主要涉及的是歐控?cái)?shù)據(jù)CAT001和CAT002，支持MHT4008格式。其中，Inter類(lèi)主要實(shí)現(xiàn)與外部的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，點(diǎn)航跡的處理及控制；AsterixR類(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)歐控?cái)?shù)據(jù)接收處理，MH類(lèi)則實(shí)現(xiàn)對(duì)MH4008格式的點(diǎn)航跡的處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則通過(guò)將服務(wù)器推送目標(biāo)信息和扇區(qū)消息保存到本地文件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的硬件，此處可以設(shè)計(jì)文件大小為1M以上，保存90天數(shù)據(jù)以及單文件數(shù)據(jù)記錄為1小時(shí)。數(shù)據(jù)的回放則通過(guò)程序主進(jìn)程實(shí)現(xiàn)外部重演及狀態(tài)實(shí)時(shí)回傳，軟件通過(guò)重演指令控制數(shù)據(jù)讀取進(jìn)程讀取本地?cái)?shù)據(jù)文件，控制數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程將讀取到的數(shù)據(jù)向顯示進(jìn)程推送，這個(gè)過(guò)程按照雷達(dá)的周期（4s或5s）進(jìn)行顯示周期的確認(rèn)。

2.3 PPI顯示

PPI顯示主要由目標(biāo)顯示、GIS背景地圖顯示及視頻顯示組成。目標(biāo)顯示主要通過(guò)C#定義相應(yīng)的Tag目標(biāo)類(lèi)，通過(guò)Tag系統(tǒng)定義了相應(yīng)目標(biāo)的組成元素，包括目標(biāo)SSR、高度、速度、以及其他必須顯示的目標(biāo)信息，上述的Inter類(lèi)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)入到AsterixR類(lèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，將數(shù)據(jù)包中的必選項(xiàng)解析處理，并生成一個(gè)Tag類(lèi)對(duì)象，填入到顯示模塊的數(shù)據(jù)鏈表中形成新目標(biāo)。當(dāng)然，此過(guò)程存在航跡點(diǎn)跡相關(guān)過(guò)程，具體實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)判斷距離、SSR、高度等多種約束條件實(shí)現(xiàn)航跡點(diǎn)跡的相關(guān)。航跡點(diǎn)跡的跟蹤處理則直接通過(guò)Follow類(lèi)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)ollow類(lèi)定義了相應(yīng)的跟蹤條件及外推約束，為系統(tǒng)航跡點(diǎn)跡處理實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

基于Qt的Gaphics view框架定義一個(gè)QGLwidget窗體以承載圖形元素顯示，此處也進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。一是用戶作圖層，提供類(lèi)似空管自動(dòng)化的在線地圖繪制能力；二是目標(biāo)信息顯示層，主要處理上述目標(biāo)的信息顯示；三是雷達(dá)視頻處理；四是GIS地圖繪制及處理。圖層具有私有屬性和共有屬性的定義，這些處理及顯示統(tǒng)一規(guī)劃在QGraphicsScene容器中。而在QGraphicsItem中主要有線型和顏色的變化、響應(yīng)事件的控制以及樣式的選擇配置的設(shè)計(jì)。另外，GIS配置文件存放在本地的“APPRADAR/shapes”文件中，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)900批容量的目標(biāo)顯示容量。C#添加GIS應(yīng)用需要代碼如下：

mapGIS.Visible=false；

layoutMain.Visible=true；

toolGIS.SetBuddyControl（layoutMain）；

CopyMapFromMaptoPageLayout（）；

視頻回放顯示功能則有：首先，通過(guò)初始化，系統(tǒng)等待相應(yīng)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)入，通過(guò)數(shù)據(jù)解碼，實(shí)現(xiàn)CPU前期處理；其次，將數(shù)據(jù)填入緩存中并等待緩存填滿數(shù)據(jù)；再次，軟件自動(dòng)拷貝數(shù)據(jù)到GPU緩存，啟動(dòng)內(nèi)核進(jìn)行GPU處理和視頻繪制。顯示庫(kù)在此過(guò)程中會(huì)將CUDA程序編譯成軟件本地靜態(tài)連接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)與主控制程序的數(shù)據(jù)交互。

2.4 界面功能設(shè)計(jì)

參考當(dāng)前在用二次雷達(dá)顯示系統(tǒng)，本系統(tǒng)提供的界面功能有：（1）用戶數(shù)據(jù)維護(hù)接口，主要提供對(duì)雷達(dá)主機(jī)處理的相關(guān)配置信息，包括IP地址、端口號(hào)，主機(jī)名稱、目標(biāo)顯示標(biāo)牌配置、GPS時(shí)鐘接入配置、數(shù)據(jù)文件的初始化設(shè)計(jì)及維護(hù)等；（2）地圖的相關(guān)功能，包括地址添加、航路點(diǎn)維護(hù)、導(dǎo)航臺(tái)點(diǎn)設(shè)置、雷達(dá)站點(diǎn)維護(hù)以及其他包括管制扇區(qū)顯示的添加等；（3）系統(tǒng)顯示配置功能，包括標(biāo)尺使用、地圖放大縮小、經(jīng)緯度同時(shí)顯示等；（4）對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行定制操作，包括確定航跡的標(biāo)識(shí)跟蹤、確定航跡對(duì)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、確定航跡點(diǎn)的未來(lái)預(yù)測(cè)等；（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與顯示。在前臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，包括統(tǒng)計(jì)信息的顯示、簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析及流量監(jiān)測(cè)、重要可變參數(shù)的更新操作等。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，基于C#設(shè)計(jì)一種空管二次雷達(dá)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了消息控制機(jī)制的制定以及數(shù)據(jù)流類(lèi)設(shè)計(jì)，并對(duì)軟件的總體架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體的可維護(hù)水平較高、硬件需求較為簡(jiǎn)潔、應(yīng)用性能較好。參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)同時(shí)，系統(tǒng)可以為空管二次雷達(dá)的質(zhì)量探測(cè)以及二次雷達(dá)的雷達(dá)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)提供手段，也為相關(guān)研究提供一種實(shí)踐參考。

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