空管自動(dòng)化系統(tǒng)的多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與融合

朱博

摘要 作為空中交通指揮的一個(gè)首要依據(jù)，雷達(dá)數(shù)據(jù)其準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性及要求其無縫多重覆蓋等性能就成為保障飛行安全的重要指標(biāo)。本文將著重從三個(gè)步驟研究自動(dòng)化系統(tǒng)中的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與信息融合。

【關(guān)鍵詞】空管自動(dòng)化系統(tǒng) 雷達(dá)數(shù)據(jù)格式 交互式多模型算法 航跡 點(diǎn)跡

1 目的和意義

隨著我國民航事業(yè)的高速發(fā)展，航空器的數(shù)量不斷增加，擁擠的空中交通已經(jīng)成為常態(tài)，對(duì)民用航空中交通管制的要求愈發(fā)提高同時(shí)也提升了管制員對(duì)空管自動(dòng)化的依賴。民航空管自動(dòng)化系統(tǒng)通過處理雷達(dá)數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)、ADS數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)等各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為空中交通管制提供保障。隨著空管設(shè)備的更新?lián)Q代，國產(chǎn)的空管自動(dòng)化系統(tǒng)也逐步的由應(yīng)急系統(tǒng)，向備份系統(tǒng)乃至主用系統(tǒng)過度，逐漸奪回了部分國內(nèi)的空管自動(dòng)化使用市場(chǎng)。而作為空中交通指揮的一個(gè)首要依據(jù)，雷達(dá)數(shù)據(jù)其準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性及要求其無縫多重覆蓋等性能就成為保障飛行安全的重要指標(biāo)。多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是將各地雷達(dá)組網(wǎng)，將多部雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，增加整套系統(tǒng)的有效覆蓋范圍，并實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)的多重覆蓋和區(qū)域間的完美交接。

因此討論國產(chǎn)民航空管自動(dòng)化系統(tǒng)多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與融合算法，結(jié)合工作中遇到的問題，設(shè)計(jì)符合自己現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)權(quán)重配比，從而提高自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定準(zhǔn)確程度，保證民航空管安全生產(chǎn)有現(xiàn)實(shí)意義。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)前端處理部分

雷達(dá)數(shù)據(jù)前端處理部分，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，要將各種不同型號(hào)雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)接入自動(dòng)化系統(tǒng)中，將雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為內(nèi)部統(tǒng)一格式，國內(nèi)雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸采用OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，采用同步HDLC協(xié)議傳輸?shù)睦走_(dá)數(shù)據(jù)格式。將雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式后，解析出數(shù)據(jù)中的二次代碼、位置、高度等信息。由于雷達(dá)數(shù)據(jù)中以極坐標(biāo)的方式來表示目標(biāo)位置，還需要對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行修正，并進(jìn)行坐標(biāo)變換，使其能直觀顯示到雷達(dá)屏幕上。

2.2 單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理部分

單部雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊，如果雷達(dá)輸出的是點(diǎn)跡，將單雷達(dá)探測(cè)出的點(diǎn)跡信息與數(shù)據(jù)庫中的航跡信息進(jìn)行相關(guān)，使用交互式多模型算（Interacting Multiple Model，IMM）對(duì)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行濾波處理，根據(jù)交互多模型算法的特點(diǎn)，利用模型間的互協(xié)方差陣更新各模型概率。處理后的數(shù)據(jù)通過比較二次代碼、位置、高度、速度、航向等信息，將相鄰周期的目標(biāo)關(guān)聯(lián)起來，賦予相應(yīng)的航跡號(hào)，點(diǎn)跡生成航跡需要連續(xù)3個(gè)周期內(nèi)有同一目標(biāo)數(shù)據(jù)，期間若中斷則需要重新計(jì)算。

卡爾曼濾波利用目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息，設(shè)法去掉噪聲的影響，得到一個(gè)關(guān)于目標(biāo)位置的估計(jì)。這個(gè)估計(jì)可以是對(duì)當(dāng)前目標(biāo)未知的估計(jì)（濾波），也可以是對(duì)于將來未知的估計(jì)（預(yù)測(cè)），也可以是對(duì)過去位置的估計(jì)（平滑）。

預(yù)測(cè)方程：

X（k|k-l）= φ（k，k-l）X（k-l|k-l） （1）

卡爾曼濾器的誤差協(xié)方差陣：

P（k）=[I一K（k，H（k）].P（k|k-l） （2）

它反應(yīng)了當(dāng)前航跡跟蹤的跟蹤質(zhì)量，它是關(guān)于航跡跟蹤質(zhì)量的一個(gè)合理的估計(jì)。

它反映了當(dāng)前測(cè)量值與估計(jì)值之差，其大小反應(yīng)了這種估計(jì)的準(zhǔn)確程度。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，新生量變化很小時(shí)，即測(cè)量值與估計(jì)值相差較小，則誤差協(xié)方差陣也較小，表明當(dāng)前航跡跟蹤質(zhì)量較高;而檔測(cè)量值與估計(jì)值相差較大是，則誤差協(xié)方差陣較大，表明當(dāng)前航跡跟蹤質(zhì)量較差，不僅如此航跡跟蹤質(zhì)量將是決定一部雷達(dá)權(quán)重的一個(gè)重要因素。

2.3 多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊

多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊，列舉目前空管自動(dòng)化系統(tǒng)中的使用的幾種常用技術(shù)：馬賽克多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法、加權(quán)融合多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法、可變更新多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法。分析各種多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.3.1 馬賽克多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

又稱為多雷達(dá)數(shù)據(jù)選擇處理方法，在處理過程中，將整個(gè)系統(tǒng)的處理空域范圍劃分為多個(gè)馬賽克單元，每個(gè)單元指定覆蓋該單元的雷達(dá)，并確定其對(duì)單元內(nèi)目標(biāo)探測(cè)效果的優(yōu)先順序，當(dāng)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)入該馬賽克單元時(shí)，就用馬賽克單元優(yōu)先級(jí)最高的雷達(dá)航跡去更行系統(tǒng)航跡。當(dāng)優(yōu)先級(jí)最高的雷達(dá)航跡丟失或者質(zhì)量降低時(shí)，就改用次優(yōu)先級(jí)的雷達(dá)航跡去更新系統(tǒng)航跡。該算法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，但是它沒有充分利用雷達(dá)提供的全部信息。

2.3.2 加權(quán)融合多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

加權(quán)平均法（又稱重心法或最小二乘估計(jì)法），傳統(tǒng)的加權(quán)融合多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法是根據(jù)一定的規(guī)則對(duì)每一步雷達(dá)預(yù)先設(shè)定一個(gè)融合權(quán)值。系統(tǒng)按照處理周期處理多部雷達(dá)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定雷達(dá)融合權(quán)值對(duì)多部不雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，從而獲得系統(tǒng)航跡。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出了動(dòng)態(tài)權(quán)重參與計(jì)算，系統(tǒng)給予每個(gè)參與融合的本地航跡一個(gè)權(quán)重系數(shù)，各本地航跡根據(jù)權(quán)重系數(shù)參與系統(tǒng)航跡的更新處理。加權(quán)平均的權(quán)重系數(shù)表示參加融合的各本地航跡的數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)質(zhì)量越高加權(quán)系數(shù)越大，質(zhì)量越低加權(quán)系數(shù)越小，甚至該值取O，即不參加融合。

2.3.3 可變周期更新多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

這種多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法常用于有ADS數(shù)據(jù)融合的自動(dòng)化系統(tǒng)中，隨著廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)的發(fā)展，其ADS數(shù)據(jù)可以達(dá)到每秒1次的報(bào)告更新率，且定位精度和數(shù)據(jù)更新率均優(yōu)于傳統(tǒng)一、二次雷達(dá)。與傳統(tǒng)的以覆蓋地域?yàn)榉治鰧?duì)象的雷達(dá)航跡融合不同，該方法以目標(biāo)航跡作為分析對(duì)象，根據(jù)每個(gè)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)的連續(xù)性、報(bào)告周期比率和信息精度，分階段采用不同的融合策略進(jìn)行航跡數(shù)據(jù)的加權(quán)平均，以求達(dá)到目標(biāo)精度與航跡平滑之間的最佳平滑，使融合后的航跡能夠充分體現(xiàn)不同探測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)。

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