無人值守雷達組網(wǎng)及其關鍵技術

劉 峰， 毛德廣 ，趙 亮

（1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2.92919部隊司令部,浙江 寧波 315021）

從20世紀60年代開始，美國已展開無人值守雷達技術研究。國內無人值守設備在通信機房、變電所、監(jiān)測站等設施上已獲得廣泛應用。但在雷達方面，卻只有部分專家進行過可行性探索外。隨著電子對抗技術的發(fā)展，為了確保雷達的生存和性能的發(fā)揮，提高防空網(wǎng)的工作效率和自我防護能力，雷達不僅要無人值守，更要網(wǎng)絡化。本文首先討論無人值守雷達的組網(wǎng)方法，然后重點闡述無人值守雷達組網(wǎng)系統(tǒng)中的幾項關鍵技術。如圖1所示。

圖1 無人值守雷達組網(wǎng)系統(tǒng)結構

1 無人值守雷達與組網(wǎng)

1.1 無人值守雷達的特點

無人值守雷達[1-2]有著明顯的技術和實用優(yōu)勢，不僅可大幅度減少和平時期軍用裝備的值守人員和使用保障等費用開支，特別是架設在高山、海島的無人值守雷達，可大大減少值守部隊保障供給和保障設施建設的難度，從根本上解決高山、海島員以及生存條件惡劣地區(qū)雷達站駐守人員健康、安全、后勤保障等難題，具有很好的應用前景和發(fā)展優(yōu)勢。

1.2 無人值守雷達組網(wǎng)結構

無人值守雷達系統(tǒng)組網(wǎng)系統(tǒng)由無人值守雷達、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、遠端控制指揮中心和網(wǎng)顯臺5部分構成[3]，

雷達組網(wǎng)在國內已經(jīng)廣泛應用，但現(xiàn)階段參與組網(wǎng)的都還只是限于普通雷達，而無人值守雷達組網(wǎng)不僅具有普通雷達組網(wǎng)的優(yōu)點，還包含自身獨特優(yōu)勢。本系統(tǒng)的應用可以提高軍用雷達裝備的自動化程度，特別是在一些氣候惡劣的高山、海島雷達站，雷達值勤可以在條件相對寬松的中心指揮所內完成，從而實現(xiàn)雷達本地無人（或少人）值守。此外，指揮中心可以同時控制多部雷達，實時監(jiān)控整個空情，從而形成高級雷達組網(wǎng)系統(tǒng)，大大提升雷達的抗干擾能力，本地雷達的存活能力，雷達情報的探測性能，減少人員傷亡。為此，本文借助普通雷達組網(wǎng)思想，考慮到無人值守的特殊性，設計出一種無人值守雷達組網(wǎng)系統(tǒng)。

2 關鍵技術

無人值守與組網(wǎng)技術相結合，結構不同，功能上亦有其特殊優(yōu)勢，關鍵技術上既有與普通雷達組網(wǎng)相同之處，也有其獨特的技術要求。無人值守雷達組網(wǎng)除必須考慮共性技術如時空一致，數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)關聯(lián)等技術外，還需研究可靠性，可維修性等。雷達組網(wǎng)后，各部雷達已不是一個個孤立站，而是雷達網(wǎng)中的一個節(jié)點，要把這些節(jié)點有機地聯(lián)系起來協(xié)調工作，各部雷達就必須在時域、頻域、空域上有效協(xié)調一致工作，達到數(shù)據(jù)融合處理、資源共享的目的。要讓無人值守雷達實現(xiàn)組網(wǎng)功能，就需解決以下幾方面的關鍵技術問題。

2.1 可靠性、維修性要求

正是由于環(huán)境、技術等方面限制，國內前期投入使用的雷達站均為有人值守雷達站。在許多具有重要價值的高原地區(qū)由于無法解決人員長期駐守的保障問題而不得不放棄部署雷達。其中很大原因就是目前常規(guī)的可靠性設計技術已不能滿足高原無人值守情況下雷達的高可靠工作需求。

為滿足無人值守任務，要求設備能夠連續(xù)工作時間大于720 h，MTBF≥5 000 h，MTTR≤15 min， 故障檢測率≥98%，故障隔離率100%到可更換單元。

要實現(xiàn)上述這些指標要求，就需要對性能、可靠性、維修性和保障性進行綜合分析、設計和權衡，在其性能、可靠性要求合理確定的前提下,應對結構組成、可靠性冗余設置、基礎更換單元的確定、預防性維修周期等進行綜合優(yōu)化設計，使系統(tǒng)的可靠性達到最優(yōu)化?？傊?，需要針對海島環(huán)境和無人值守特點的設計指導思想，加強可靠性設計、環(huán)境適應性設計、無人值守功能設計,來確保雷達在惡劣環(huán)境下長期可靠地工作[1]。

2.1.1 冗余設計

冗余設計一般應用在系統(tǒng)或設備完成任務起關鍵作用的地方，提供一種以上的功能通道或工作組件，以減少設備出現(xiàn)故障的概率?？梢杂玫涂煽康牧慵蚱骷?，構成高可靠系統(tǒng)或設備。冗余設計技術主要類型有：并聯(lián)冗余、混合冗余、表決冗余、非工作冗余等。對于不同的設備，要求的側重面不同，冗余設計考慮的因素也不同。其目的是通過選擇合適有效的冗余類型和方式提高產(chǎn)品的任務可靠性。即當一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，保證有備用的系統(tǒng)或備用的電路來工作，從而使整個系統(tǒng)能完成正常功能。

為了提高無人值守系統(tǒng)的可靠性，通常對設備必須實施各類冗余設計，但是冗余設計意味著增加系統(tǒng)或設備的復雜性，同時要考慮到體積、重量及成本的約束，因此冗余必須全面考慮協(xié)調多重工作模式需要。根據(jù)系統(tǒng)任務可靠性的需要，又要滿足基本可靠性指標要求的前提下，可對可靠性薄弱環(huán)節(jié)進行冗余設計，但是需要合理設置冗余數(shù)量使冗余設計的資源耗費最少、系統(tǒng)可靠性最大。

2.1.2 器件的可靠性

1）設備元器件須具有很好的抗腐蝕性 海島上的雨水充足，風浪大，臺風氣候多，裝備會長期與含鹽量很高的水汽接觸，這就對器件的工藝和原材料選取有很高要求。

2）設備的元器件須有耐高溫性 海島天氣決定設備長期處于高溫環(huán)境下，在工藝的防護設計上針對長期高溫會引起線纜保護層加速老化、絕緣損壞、開裂等情況，改進戶外方艙、天線等設備表面涂料面漆，提高耐高溫性。車外電纜等加金屬箔防護層，以防止和減少紫外線的侵害。運輸車、方艙等大型設備設置在工作或儲存建筑物內。

3）器件質量的穩(wěn)定性 無人值守站長期處于高溫下時空調效果會很有限，而天線等設備本身就安裝在露天環(huán)境。這就要求這些設備在溫度、濕度變化劇烈或持續(xù)高溫多雨的條件下仍能正常工作。元器件的容忍性要好，否則指標偏移、質量不穩(wěn)、設備機盤損壞，給維護工作帶來麻煩。

4）機械設計的可靠性 在機械結構設計上針對天線轉臺潤滑劑粘度增大、運動部件機械強度降低、運動部件磨損加劇等原因，減速箱、大軸承選用低溫潤滑油潤滑，解決傳動系統(tǒng)低溫潤滑問題。

2.2 時間同步問題

時間同步[4]是把不同傳感器在不同測量時間對同一目標的測量數(shù)據(jù)轉換成融合時刻為基準的時標數(shù)據(jù)。無論是共站異步工作的多個傳感器，或者異地異步傳送的報告，從傳感器測量到平臺融合，或從平臺融合到中心融合，都存在一個時間差，所以要根據(jù)傳感器測量時刻目標的運動參數(shù)推算融合時刻目標的位置。如果不能很好的處理時空統(tǒng)一，使數(shù)據(jù)標準化，將導致雷達數(shù)據(jù)處理精度大大下降，極大影響后繼信息處理的可信度，降低跟蹤精度。

現(xiàn)在運用的方法主要有單向和雙向兩種時間同步法。單向同步法是中心站把同步校正信號單方向傳送到被校正的各從站，該方法設備簡單，但誤差相對較大，同步精度大部分只能達到微秒級別；而雙向同步是主從站互向對方發(fā)信號，原理上可以消除共同傳播路徑誤差，大部分時刻同步精度可達納秒級，實現(xiàn)高精度的時間同步，但設備復雜，成本較高，尤其是主站，要同時與多個從站同步，其工作量大,可靠性差。

按照雷達組網(wǎng)的性能要求，單純用單向時間同步無法滿足時間同步精度的需求，而雙向同步建站過于復雜且昂貴。在研究雷達組網(wǎng)精度的需求后發(fā)現(xiàn)，在單向時間同步系統(tǒng)中引入GPS后能較好解決這一問題。GPS不但可用于精密定位，還可用于精密定時，其精度可達 10－12～10－13量級，所以可使用GPS校正地面低成本的銣原子頻標，使其校正到同等量級，這樣的精度在許多實際應用中都能達到要求。而且，GPS可以全球性全天候發(fā)送GPS信號，從而達到雷達組網(wǎng)要求。

2.3 數(shù)據(jù)融合問題

過去多個雷達數(shù)據(jù)處理采用綜合而不是融合，多個雷達數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)處理中心，選擇性能良好的雷達作為主站的辦法獲取數(shù)據(jù)，各個雷達責任范圍數(shù)據(jù)的相互交接是采用拼接方法，其缺點是數(shù)據(jù)在責任范圍間的交接容易出錯，對隱身目標來說更易丟失信息。

圖2 數(shù)據(jù)融合結構

根據(jù)無人值守雷達自身的特點分析，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合[5-7]可分成兩個層次：每個接收站構成的平臺級融合和中心站的系統(tǒng)級融合。組網(wǎng)雷達的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結構如圖2所示，這種結構不僅具有局部獨立跟蹤能力，還有全局監(jiān)視和評估特征的能力，最大限度利用了各個接收站的原始接收數(shù)據(jù)進行決策，而且充分考慮多個接收站數(shù)據(jù)信息之間的互補，融合速度快，通信負擔輕，不會因為某個接收站的功能影響整個系統(tǒng)的工作，因而具有較高的可靠性和容錯性。

目前被廣泛采用的體系結構大致分為3類：集中式、分布式和混合式。比較而言，集中式可以實現(xiàn)實時融合，其數(shù)據(jù)處理的精度高，解法靈活，但是對處理器的要求高，通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，較難實現(xiàn)。分布式處理，系統(tǒng)方法簡單、可靠、可擴充容量，可本地操作，只需有限的計算資源，但處理精度較集中式低?；旌鲜绞菍煞N方法的某種組合。

考慮到無人值守雷達組網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)實條件，采用分布式結構較為合適，因為集中式通信帶寬需求太大，尤其計算機負載過大，較難滿足實時性的要求；如何更有效利用現(xiàn)有系統(tǒng)資源，是雷達數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)需要很好地考慮的問題。分布式系統(tǒng)結構可用較低的費用獲得較高的可靠性和可用性；減少數(shù)據(jù)處理要求；當一個雷達降級工作，其觀測結果對整個數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能和結果的影響很小；易于增加融合站的數(shù)量，而無需修改融合系統(tǒng)的軟件，還能使系統(tǒng)結構適應融合和操作要求。

2.4 航跡關聯(lián)

雷達航跡關聯(lián)[8]是把各個雷達信息源報來的雷達航跡關聯(lián)為一個共同的系統(tǒng)航跡，這個系統(tǒng)航跡應和空中目標數(shù)量一致、坐標一致，它是各條雷達航跡的集合。

在數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，航跡關聯(lián)是最為關鍵的一步，所耗費的時間也比其他的處理過程要多。無論采取哪種關聯(lián)方法，當匹配區(qū)域中的航跡與回波點的數(shù)目增大時，計算量都會急劇增大，處理的時間也會隨之增多。

為更好地利用雷達傳送來的數(shù)據(jù)，可以將接收的數(shù)據(jù)進行全面的航跡關聯(lián)處理，并能很快將計算結果送系統(tǒng)顯示。這就要求系統(tǒng)必須首先將數(shù)據(jù)進行一定的分區(qū)處理，減少明顯的無關數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的算法只適用于互相相隔很遠，且在波門內部只存在一個點跡的航跡情況。但現(xiàn)實中由于噪聲的影響，點跡和航跡的位置次序發(fā)生了一定的變化，就有可能發(fā)生錯誤的關聯(lián)。當點跡和航跡的位置發(fā)生變化后，原先設置的波門位置的合適程度將直接決定關聯(lián)的正確性。對一部雷達而言，接收的數(shù)據(jù)量巨大，通常1秒鐘需要處理幾十批的航跡信息。這使得所花費的處理時間與系統(tǒng)的實時性要求產(chǎn)生矛盾。而動態(tài)分區(qū)技術的出現(xiàn)則很好解決了這個問題，它在減少計算量的同時，滿足解決多目標同時跟蹤的要求，從而提高數(shù)據(jù)處理的效率。

圖3 動態(tài)分區(qū)圖

動態(tài)分區(qū)就是將可能關聯(lián)上的回波點與航跡放在同一個區(qū)中進行數(shù)據(jù)關聯(lián)，從而將一些明顯無關的點跡（回波點與航跡）不在本分區(qū)中進行數(shù)據(jù)關聯(lián)，以此減小數(shù)據(jù)關聯(lián)的計算量。如圖3所示，可以將3 60 0方位內有目標回波的地方分出4個部分，數(shù)據(jù)關聯(lián)過程分為4部分，分別在這4個扇區(qū)中進行。劃分扇區(qū)的過程可大致認為是一個系統(tǒng)粗關聯(lián)的部分，是人為地對數(shù)據(jù)進行分析，把明顯不可能關聯(lián)上的點隔離開，即放入別的扇區(qū)進行考慮，以此提高數(shù)據(jù)處理效率。

動態(tài)分區(qū)的準則是根據(jù)航跡的特點總結出來的，并不固定，而是根據(jù)具體情況發(fā)生變化，動態(tài)分區(qū)原則上分得越小越好，但實際上為了保證關聯(lián)的準確性，會降低這個要求，所以必須在兩者之間權衡考慮。動態(tài)分區(qū)越好，則程序運行效率越高。經(jīng)過動態(tài)分區(qū)數(shù)據(jù)處理，可減少數(shù)據(jù)關聯(lián)的時間。

3 結束語

首次提出用無人值守雷達進行組網(wǎng)，并分析它與普通雷達組網(wǎng)的區(qū)別，之后，給出無人值守雷達的組網(wǎng)方法，重點分析該系統(tǒng)中的幾項關鍵技術。由于無人值守對可靠性、可維修性的苛刻需求，在關鍵技術上，選取相關領域上比較成熟穩(wěn)定的方式，并根據(jù)無人值守 的具體要求做出相應改進。該系統(tǒng)的實現(xiàn)不僅能解決我國生存條件惡劣地區(qū)的雷達布站問題，而且能夠大幅度提高我雷達的生存能力、探測能力，還能促使雷達軟件化、網(wǎng)絡化、戰(zhàn)術戰(zhàn)略化水平的提高。按照本文開發(fā)的無人值守雷達組網(wǎng)系統(tǒng)正處于實驗室驗證階段。

[1]周 虹.基于高原型無人值守雷達的可靠性設計[J].質量與可靠性，2008（5）：17-20.

[2]譚劍波.無人值守雷達系統(tǒng)的遙控遙測[J].雷達科學與技術，2003（8）：74-79.

[3]李 清.基于PCI總線的雷達視頻采集方案[J].電子技術應用，2004，30（11）：39-45.

[4]賀洪兵.基于GPS的高精度時間同步系統(tǒng)的研究設計[D].成都：四川大學，2005.

[5]丁 鋒，姜秋喜，李明亮.網(wǎng)絡雷達及其數(shù)據(jù)融合問題研究[J].中國電子科學研究院學報，2008（3）：285-292.

[6]張華生.一種體系作戰(zhàn)雷達網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)融合[J].現(xiàn)代雷達，2004（1）：1-4.

[7]王中許，李銀伢，張學彪.雷達組網(wǎng)仿真研究與實現(xiàn)[J].南京理工大學學報，2006（3）：292-296.

[8]魯曉倩.組網(wǎng)雷達航跡干擾研究[D].成都：電子科技大學，2004.