王麗 趙浩然 蔡甫 李武旭

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

0引言

無人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、可執(zhí)行多種任務(wù)并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器，具有技術(shù)集成度高、靈活性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。近年來，無人機(jī)在人工影響天氣、應(yīng)急產(chǎn)業(yè)、氣象監(jiān)測(cè)、巡檢、安防監(jiān)控、農(nóng)林植保、測(cè)繪與地理信息等領(lǐng)域得以快速發(fā)展。無人機(jī)具備的全時(shí)全域監(jiān)視能力、探測(cè)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(jī)載監(jiān)視雷達(dá)作為無人機(jī)探測(cè)與避讓系統(tǒng)的非合作目標(biāo)探測(cè)傳感器，通過空對(duì)空目標(biāo)監(jiān)視為無人機(jī)探測(cè)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(jī)的主要感知設(shè)備。無人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)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(gè)方向?qū)θ肭诛w行目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)的距離、角度、速度等信息的提取并形成入侵目標(biāo)航跡信息。

在無人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的研究過程中，需要有合適的探測(cè)數(shù)據(jù)源來檢驗(yàn)該雷達(dá)系統(tǒng)的效能，然而外場(chǎng)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(shí)，數(shù)據(jù)模擬器則起到了重要的作用。然而，目前針對(duì)數(shù)據(jù)模擬器的研究主要集中在采樣信號(hào)的數(shù)字模擬方面，直接檢測(cè)整個(gè)處理過程（信號(hào)處理和航跡處理）的效果，而針對(duì)航跡處理單元的原始目標(biāo)數(shù)據(jù)模擬方法研究較少。為了單獨(dú)檢測(cè)航跡處理單元的處理效果，本文針對(duì)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(jìn)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(jī)載監(jiān)視雷達(dá)航跡處理單元接收信號(hào)處理后的數(shù)據(jù)，包括觸發(fā)數(shù)據(jù)、原始目標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的航跡信息上報(bào)。航跡處理的主要作用是對(duì)包含虛假目標(biāo)的原始目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、點(diǎn)航關(guān)聯(lián)、航跡更新等操作，得到準(zhǔn)確的目標(biāo)航跡，并進(jìn)行航跡初始化、航跡外推，定期對(duì)航跡進(jìn)行維護(hù)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(jī)載監(jiān)視雷達(dá)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(biāo)數(shù)據(jù)等。其數(shù)據(jù)生成過程如圖2所示，包括目標(biāo)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(biāo)建模是根據(jù)無人機(jī)飛行環(huán)境建立雷達(dá)監(jiān)視的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)涉及的參數(shù)包括目標(biāo)距離、角度、徑向速度、信號(hào)幅度等；模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生是按時(shí)間產(chǎn)生觸發(fā)數(shù)據(jù)、虛假目標(biāo)數(shù)據(jù)、原始目標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按行存儲(chǔ)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(biāo)和真實(shí)目標(biāo)整合成原始目標(biāo)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(biāo)參數(shù)分析

根據(jù)無人機(jī)分類、無人機(jī)飛行管理要求，以及無人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)運(yùn)行要求，無人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)模擬原始目標(biāo)的參數(shù)包括模擬目標(biāo)的距離、角度、分辨力、速度等。

2.1.1模擬目標(biāo)的距離

模擬目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離為雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)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(biāo)類別、速度、目標(biāo)方位角（angle）等因素。模擬目標(biāo)的最近距離為雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)滿足跟蹤精度要求的最小距離的最大值（RCPR）。參考RTCA/D0-366標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按以下情況設(shè)置模擬目標(biāo)距離參數(shù)值。

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

2.1.2模擬目標(biāo)的角度

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

2.1.3模擬目標(biāo)的分辨力

分辨力應(yīng)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(biāo)飛機(jī)。

2.1.4模擬目標(biāo)的速度

無人機(jī)類型及速度典型值如表2所示，因此模擬目標(biāo)的速度應(yīng)參照表2設(shè)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)、虛假目標(biāo)數(shù)據(jù)。本文采用MATLAB軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行建模，產(chǎn)生目標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)數(shù)據(jù)等，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)文件進(jìn)行保存。

模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如下：①設(shè)置掃描周期總數(shù)；②隨機(jī)生成虛假目標(biāo)數(shù)據(jù)，并放入虛假目標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組；③將觸發(fā)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)、虛假目標(biāo)數(shù)據(jù)幾個(gè)數(shù)組的數(shù)值依據(jù)相干處理間隔（coherentprocessing interval，CPI）計(jì)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(shè)置掃描周期總數(shù)、每個(gè)周期掃描波束個(gè)數(shù)；②初始化觸發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)組；③每個(gè)波束中CPI值自動(dòng)計(jì)數(shù)，時(shí)間標(biāo)簽按CPI值計(jì)數(shù)加1；④按掃描波束分配計(jì)算每個(gè)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(biāo)識(shí)，生成觸發(fā)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到觸發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)組。

根據(jù)模擬目標(biāo)參數(shù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行建模，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)均應(yīng)滿足上述參數(shù)值范圍。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)可分為勻速和勻加速等不同情況，其運(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如下：①設(shè)置運(yùn)動(dòng)目標(biāo)個(gè)數(shù)；②設(shè)置每個(gè)目標(biāo)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(shè)置每個(gè)目標(biāo)的起始時(shí)間、目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，以及雷達(dá)掃描周期時(shí)間等初始值；④初始化運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)存儲(chǔ)數(shù)組和掃描周期總數(shù)；⑤按運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模型計(jì)算當(dāng)前掃描周期中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度、距離、角度、距離分量、速度分量、時(shí)間等參數(shù)；⑥按目標(biāo)所在波束計(jì)算生成當(dāng)前掃描周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所在的波束CPI值；⑦隨機(jī)生成當(dāng)前掃描周期中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波幅度值；⑧添加目標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，將每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的參數(shù)值存儲(chǔ)到目標(biāo)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(biāo)數(shù)據(jù)按定義的接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行組包，并發(fā)送至設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)地址，其實(shí)現(xiàn)方式為Qt Creator（一款輕量級(jí)集成開發(fā)環(huán)境）。其整合過程包括兩個(gè)線程：一個(gè)為數(shù)據(jù)文件讀取、數(shù)據(jù)組包線程；另一個(gè)為數(shù)據(jù)發(fā)送線程，線程間通過共享隊(duì)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(biāo)識(shí)區(qū)分觸發(fā)數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)，分別按相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀組包；④將組包好的數(shù)據(jù)放入隊(duì)列；⑤數(shù)據(jù)發(fā)送線程從隊(duì)列中取出每條數(shù)據(jù)；⑥區(qū)分觸發(fā)數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(yàn)和3個(gè)部分，不同點(diǎn)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(jì)數(shù)、水平方位中心、俯仰方位中心3項(xiàng)掃描信息；目標(biāo)數(shù)據(jù)的消息體則包含了更多的目標(biāo)信息，如目標(biāo)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(duì)無人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模擬器的研究主要集中在信號(hào)模擬方面，鮮有針對(duì)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(jī)載監(jiān)視雷達(dá)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(jī)載監(jiān)視雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的參數(shù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行建模，并說明了整個(gè)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(yàn)航跡處理效果的數(shù)據(jù)源，以此作為測(cè)試手段，提高系統(tǒng)調(diào)試效率，降低調(diào)試成本。