基于定位設備的雷達精度評估系統設計

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(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.安徽國際商務職業學院， 安徽合肥 230051)

0 引言

隨著現代化戰爭對雷達裝備性能要求的不斷提高，雷達精度指標作為地面情報雷達的主要作戰指標，越來越受到部隊、雷達生產廠家的重視。目前，雷達精度評估工作作為雷達裝備定型工作的一部分，主要由部隊專門機構負責進行考核，主要是利用有人駕駛飛機雷達探測數據和高精度探測雷達數據來評估雷達精度，往往周期較長，組織實施不方便[1]；當雷達設計定型批產后，由于裝配工藝以及不同批次雷達性能上的差異，各雷達本身在精度上往往存在較大的差異，難以保證滿足精度指標要求，而且缺乏有效手段對批產雷達精度指標進行評估。

本文設計的雷達精度評估系統，利用當前主流的目標定位設備，如差分GPS、手持式GPS、ADS-B、高精度測量雷達等，通過對多種目標定位設備數據輸出接口歸一化處理，采用數據導入、數據篩選以及交互式查詢等文件處理方式，按照GJB 74A—1998規定的雷達精度等指標計算方法對雷達精度指標進行評估，并以比較直觀的方式顯示各雷達參數精度分析結果，有效地解決了雷達精度指標評估相關工作，為雷達精度試驗的開展提供了多種有效的方法和途徑。

1 雷達精度評估系統

雷達精度評估系統的主要功能是按照雷達上報輸出標準格式要求，實時采集雷達輸出的目標數據，并按照統一的雷達數據文件格式要求進行存儲，能夠對多種目標定位設備存儲的數據格式進行導入解析，歸一化成統一的數據文件格式，通過導入雷達數據文件和目標定位設備數據文件，采用數據篩選、交互式查詢等多種處理方式，對雷達數據文件中的每一組數據按照時間標簽要求在目標定位設備數據文件中進行插值處理，從而產生目標數據所對應的真值數據文件，再參照國軍標規定的精度指標計算方法對目標距離、方位、高度精度指標進行計算，最終得到各項參數精度指標以及比較直觀的顯示結果。

1.1 系統組成

雷達精度評估系統主要由目標定位設備、雷達終端(或雷達存儲數據)、精度評估軟件、筆記本電腦以及若干線纜組成。其中，目標定位設備主要包括差分GPS、手持式GPS、ADS-B、高精度測量雷達等，每一類型定位設備在正常使用后均能產生對應格式的數據文件，系統通過參數配置后能夠適應多種定位設備的數據接口要求，用戶可根據自身需求靈活配置；雷達終端的主要作用是向評估軟件發送雷達探測到的目標數據，可通過網絡或串口連接到評估系統，或通過對評估軟件進行數據接口配置，以數據文件方式導入到評估系統中；精度評估軟件是該系統的核心部分，能夠將雷達數據文件和目標定位設備數據文件進行配置、導入、篩選、比較、分析等操作，最終得到雷達精度評估結果；筆記本電腦是精度評估軟件運行的硬件平臺，只要安裝Windows操作系統即可，對其他配置沒有明顯要求；線纜主要包括網絡、串口等線纜，主要用于連接評估系統內各組成設備。雷達精度評估系統組成如圖1所示。

圖1 雷達精度評估系統組成

1.2 工作原理

雷達精度評估系統通過網絡或串口實時采集雷達輸出的情報數據，并自動轉換成統一的標準數據格式，當雷達輸出格式不是標準格式時，能夠通過對評估系統進行雷達參數配置后，將雷達終端存儲數據導入到評估系統；對于ADS-B設備，評估軟件能夠通過網絡實時接收民航目標飛行數據，主要包括飛機的經度、緯度、高度、時間、類別信息、位置導航精確度等[2-3]，并將這些數據進行存儲；對于差分GPS、手持式GPS設備，可根據設備使用要求，將設備搭載在需要探測的目標設備上，通過事后數據導入到筆記本中，通過配置定位設備參數將其導入到評估軟件中；對于高精度測量雷達，可以根據其數據存儲格式要求對評估軟件進行配置，保證高精度測量雷達數據能夠導入到評估系統中。在雷達數據和定位設備數據均導入至評估系統后，系統根據雷達數據自動統計出當前數據包含的目標數量以及對應的目標批號列表，選擇需要進行精度評估的目標批號，則系統會將包含該批號的雷達數據篩選并分離出來，再根據目標定位數據類型，配置對應的目標定位數據參數。當定位數據為ADS-B數據時，導入ADS-B數據后，系統會自動統計出當前數據包含的所有民航ICAO識別碼，可根據需要選擇對應的識別碼，系統會進行數據篩選并自動轉成對應的極坐標數據；當定位數據為差分GPS、手持式GPS設備時，導入數據文件后系統自動生成極坐標數據；當定位數據為高精度測量雷達時，需要指定對應的配置參數，當數據導入后會根據配置參數查找對應的數據項，并自動生成極坐標數據。當雷達數據與定位設備數據均成功導入并分離出待評估的數據后，采用數據篩選、交互式查詢等多種處理方式對分離后的雷達數據文件中每一組數據按照時間標簽在目標定位設備數據文件中進行插值處理，從而產生目標數據所對應的真值數據文件，最終計算出雷達各參數精度，并直觀顯示評估結果。精度評估主要流程如圖2所示。

圖2 雷達精度評估流程圖

1.3 數據接口歸一化設計

由于定位設備數據和雷達數據格式的多樣性，在進行雷達裝備精度評估時，往往需要針對這些數據做許多數據預處理工作，當待處理的文件數量比較多時，不僅處理過程比較繁瑣，而且重復性工作較多，大大降低了工作效率。本文設計的雷達精度評估系統充分考慮了各定位設備數據與雷達數據格式的多樣性，采用了數據接口歸一化設計，將多種格式、多種類型的數據按照系統配置的參數自動進行數據預處理，并轉換成統一的雷達數據格式，再進行后續雷達精度評估工作。通過數據接口歸一化設計，減少了大量數據的預處理重復過程，提高了雷達精度評估工作效率，有效地解決了系統對各類設備的兼容性問題。

對于雷達目標數據的歸一化設計，首先要定義關鍵數據項及其量綱，所謂關鍵數據項是指雷達精度評估系統在進行雷達精度計算時需要用到的數據項，如數據文件總列數、時間、方位、距離、高度等。通過參數配置把關鍵數據項在數據文件中的位置指定后，系統在進行雷達數據文件導入時，首先把目標批號提取出來，由用戶來選擇需要進行精度評估的目標批號，當目標批號確定后，就能從數據文件中快速導入和篩選出與當前批號相關的關鍵數據項，從而形成了統一的雷達數據格式。雷達精度評估關鍵數據項在數據文件中對應的列參數在不重復的情況下可以任意指定，其對應關系如圖3所示，大大方便了雷達數據文件導入到雷達精度評估系統中。圖4是評估系統雷達數據文件參數設置對話框，選擇標準數據文件格式復選框，各關鍵數據項所對應的參數能夠自動生成，標準數據文件格式能夠根據實際情況進行修改，增強了系統在使用過程中的靈活性。圖5是評估系統在雷達數據文件導入后的批號選擇框。

圖3 雷達精度評估關鍵數據項與數據文件中的位置關系

圖4 關鍵數據項在雷達數據文件中的參數設置對話框

圖5 評估系統目標批號選擇與ADS-B數據航班ICAO識別碼選擇框

目標定位設備主要依托于GPS定位，它是一種全天候的全球導航定位系統，能為用戶提供連續、實時的三維位置信息，其在測量、導航、測速等方面已經得到了廣泛的應用[4]，隨著人們對GPS認識的不斷加深，其應用的領域也在不斷擴大。本文針對目前市場上主流的目標定位設備，如手持式GPS、差分GPS、ADS-B等，采用數據接口歸一化設計，通過對應的軟件解析模塊把對應格式的數據文件導入到雷達評估系統內，提取出必要的數據項，并將大地坐標轉換成極坐標[5]，形成統一的目標定位數據格式。圖6是不同目標定位設備的數據格式與目標定位設備選擇對話框，圖6(a)～圖6(c)分別對應著手持式GPS、差分GPS、ADS-B設備的數據存儲格式，圖6(d)是目標定位設備選擇對話框，如果采用的目標定位設備是其他設備，可根據其數據存儲格式要求自定義數據文件配置參數。對于高精度測量雷達來說，可以參照雷達數據文件的關鍵數據導入方式按照配置參數進行導入。這里需要說明，對于ADS-B數據格式來說，由于其包含了多個民航飛機目標數據，在進行數據文件導入時，首先根據圖5所示單擊GPS文件按鈕，選擇對應的ADS-B數據文件，當導入數據文件后，系統會解析并顯示數據文件中所有記錄的航班ICAO識別碼，再根據需要評估的雷達批號選擇對應的航班ICAO識別碼。

(a)手持式GPS目標數據儲存格式

(b)差分GPS目標數據儲存格式

(c) ADS-B目標數據儲存格式

(d)目標定位設備選擇對話框圖6 目標定位設備數據儲存格式和目標定位設備選擇對話框

1.4 基于數據文件的精度分析方法

當雷達數據文件和定位設備數據文件均導入到雷達精度評估系統后，點擊圖5所示的精度分析按鈕，評估系統會遍歷統一格式后的雷達數據文件，提取該文件每一組雷達數據包含的時間數據，再通過目標定位數據文件查找出與該時間數據項最為接近的兩組目標定位數據，并按時間關系對這兩組目標定位數據進行插值處理，得到對應的目標真值數據，將該組雷達數據與對應的真值數據按要求進行存儲，按此方法遍歷雷達數據文件中全部數據，最終得到一個用于雷達精度評估的數據文件，點擊圖5所示的精度分析按鈕，評估系統自動計算出雷達距離、方位、高度精度，并直觀顯示精度評估結果。

2 試驗結果

圖7是本文設計的雷達精度評估系統對某型號雷達在研制過程中的單個架次目標距離精度分析結果，該系統實時采集雷達終端航跡數據和ADS-B定位設備數據，當樣本數滿足精度計算要求時，停止采集數據，形成對應的雷達數據文件和目標定位數據文件，通過評估系統分別導入這兩組數據文件，如圖5所示，分別選擇某一批次目標和對應的航班ICAO識別碼，再點擊精度分析按鈕，系統就會自動統計出本批目標的精度分析結果，圖7是該型號雷達距離精度分析結果，雷達距離系統誤差為20.043 m，方差為60.093 m，方位和高度精度分析結果這里不再一一顯示。如果需要進行多個架次目標精度合成，可以保存每一架次的雷達精度分析結果，滿足架次樣本數要求后再進行雷達精度合成計算。這里有兩點需要說明：第一，在單個批次雷達精度計算過程中，對于大于3倍標準差的數據需要進行野值剔除，不參與雷達精度計算；第二，對于差分GPS、手持式GPS定位設備由于其數據文件記錄的為單個批次目標數據，只能進行單個批次的雷達精度分析，如果需要多個架次目標精度合成，則需要多次重復有關試驗過程。

圖7 雷達精度評估系統距離精度分析結果

3 結束語

本文設計了一種基于目標定位設備的雷達精度評估系統，該系統能夠實時接收雷達上報的多種標準格式航跡數據和ADS-B設備數據，采用了數據接口歸一化設計和數據文件導入方式，方便了非標準雷達數據、手持式GPS、差分GPS以及高精度測量雷達等多種格式數據文件的導入，避免了繁瑣的數據預處理等重復性工作，有效地解決了非標準雷達數據和多種目標定位數據的兼容性問題，具有顯示直觀、操作簡單、靈活性強等優點，為今后地面雷達精度評定工作的開展和數據處理算法評價提供了可行的途徑與方法。

[1] 劉冬利,張驛,龐海濱,等. 利用無人機標定雷達精度的新方法[J]. 電訊技術, 2015, 55(2):146-150.

[2] 楊蓓蓓,張洪川. 一種基于ADS-B的雷達性能測試方法[J]. 雷達與對抗, 2015, 35(2):12-14, 51.

[3] 童衛勇,朱佳麗,薛鋒. 基于設計模式的ADS-B終端軟件設計與實現[J]. 雷達與對抗, 2015, 35(2):56-59, 68.

[4] 趙永奎. GPS組合系統在民用航空中的應用[J]. 航空電子技術, 1996(2):37-42.

[5] 熊毅,張承志,汪在華. 基于無人機GPS系統的雷達精度分析方法研究[J]. 雷達與對抗, 2012, 32(2):21-23, 39.