浅析场面监视雷达系统

刘元春　张炼

【摘要】随着我国航空业务的快速发展，飞机起降次数越来越多，从而给地面管制人员带来的工作负荷也越来越大。场面监视雷达系统能够对机场跑道上的目标进行定位、跟踪监视，让管制员实时掌握跑道上目标的态势信息，方便管制员对目标进行管控，提高机场运行率，减少地面冲突、确保地面安全。本文由三部分组成，第一部分讲述场面监视雷达系统工作原理；第二部分讲述场面监视雷达系统组成；第三部分讲述后端数据处理系统。

【关键字】场面监视雷达系统数据处理

1 场面监视雷达系统工作原理

场面监视雷达系统的工作原理等同于一次雷达。通过雷达天线系统发射电磁波，其中的一部分能量被目标接收，并且在各个方向上产生二次散射。雷达天线收集散射回来的能量并送至雷达头对回波信号进行处理，从而发现目标存在，将视频信号、触发信号、方位角信号等送数据处理分机处理，提取目标的距离和方位等信息，形成目标航迹。通过监控维护分机监视系统状态，设定系统参数，进行必要的设置和维护和显示雷达图像。系统工作示意如图1所示。

2 场面监视雷达系统组成

场面监视雷达系统由天线分机、雷达头、数据处理分机和监控维护分机组成。通过天线分机向空间发射电磁波，接收目标反射回来的回波信号，通过雷达头处理将射频信号转化为中频信号，进一步转化为视频信号、数字信号和方位角信号，送数据处理分机进行点迹提取、航迹生成跟踪和视频数据分发。通过监控维护分机进行雷达图像的显示和监视系统状态，设定系统参数，进行必要的设置和维护。系统组成如表1所示。系统组成和交联关系如图2所示。

3 数据处理功能

3.1 硬件架构

3.1.1 概述

场面监视雷达系统后端数据处理硬件架构组成包括数据处理分机和监控维护分机，数据处理分机配备在雷达站机房，监控维护分机配备在管制中心。数据处理分机接收雷达信息，并将处理的雷达数据上报到监控维护分机，监控维护分机接收雷达数据、ADS-B数据、气象数据、飞行计划等数据，在显控终端显示目标的态势信息，并对目标进行挂牌，实现对目标进行监控、管理和指挥。其中数据处理分机驻留雷达数据处理软件，监控维护分机驻留系统监控软件和综合显示软件。

3.1.2 数据处理分机

数据处理分机主要组成有：（1）服务器：采用商用主流服务器，支持19英寸机架安装，支持PCI扩展；（2）视频采集卡：雷达模拟视频采集与处理，支持PCI安装；（3）雷达数据处理软件。

3.1.3 监控维护分机

监控维护分机主要组成：（1）主机：采用商用主流台式工作站，可支持双显；（2）显示器：24寸液晶显示器，支持分辨率不低于1920×1280；（3）系统监控软件；（4）综合显示软件。

监控维护分机可配置为本地监控维护分机与远程监控维护分机，也可配置为监控分机（主要实现雷达状态监控）与维护分机（主要实现雷达视频与目标显示），主要功能主要有：（1）雷达头监视：与雷达头信号分配器网络数据交互，实现雷达头状态监视、以图形化实时展示设备故障状态，当设备故障时提供告警和日志记录，具备历史日志查询；（2）雷达头控制：与雷达头信号分配器网络数据交互，实现雷达头的工作状态、工作模式、主备切换、配置参数等控制；（3）雷达数据处理服务器监控：实现雷达数据处理服务器的状态监视、主备控制以及点航迹处理参数配置；（4）目标显示：实现雷达原始点迹、点迹、航迹显示，目标报告格式支持CAT010格式；具备目标数据记录与重演功能；具备目标数据查询与输出功能；（5）视频显示：实现雷达视频实时显示；（6）地图显示：实现监视区域类GIS地图显示（7）飞行计划处理：实现飞行计划的引接、处理并与目标报告关联；（8）用户管理：具备用户分级管理，实现调试员、管理员以及操作员的权限分配和用户管理；（9）具备多个监控维护分机协同工作能力。

4 软件架构

4.1 雷达数据处理软件

4.1.1 功能介绍

雷达数据处理软件实现功能有：（1）视频处理：实现雷达视频采集与存储；可输出经过处理后的雷达视频报文，支持CAT240格式；具备雷达视频重演功能；（2）目标处理：实现雷达原始点迹凝聚、录取与输出；完成点航迹关联、跟踪、滤波、平滑、外推处理，输出经过平滑后的航迹；航迹处理支持特殊区域处理（包括消隐区、杂波区、草坪区等）；点航迹格式支持CAT010格式。（3）配置管理：具备自动主备切换和监控维护终端手动主备切换功能；具备本服务器状态监视、告警与输出。

4.2 软件处理

4.2.1 视频处理

雷达视频处理实现雷达视频信号的采集、压缩、分发、存储、重演功能，通过标准的支持库实现如下功能：（1）采集板卡接口；（2）扇区扫描，支持随机扫描；（3）雷达接口缓冲区；（4）压缩和解压缩；（5）网络分发；（6）测试信号发生器；（7）情景模拟发生器；（8）记录和回放；（9）导航数据接口（NMEA）；（10）ASTERIX CAT240输出。

4.2.2 目标处理

目标处理主要实现如下功能：（1）消隐区处理；（2）点迹录取；（3）预处理；（4）点迹关联；（5）航迹管理；（6）航迹跟踪滤波；（7）航迹检测；（8）航迹质量评估；

4.2.3 配置管理

配置管理主要通过标准的API采集主机的配置参数（主频、内存以及相关利用率），结合软件自身状态组包输出；同时连接监控维护分机的主备切换控制实现通道主备切换。

4.3 系统监控软件

4.3.1 功能介绍

系统监控实现的功能框图如图3所示。

4.4 软件处理

4.4.1 权限管理

权限管理包括本机用户管理和协同管理，具体实现：（1）本机用户管理包括登录管理和用户配管。登录通过用户名与密码认证方式登陆，软件自动配置与其权限匹配的界面；用户配管包括添加、编辑、删除用户信息，用户分组包括设计员、管理员、操作员，其中管理员与操作员面向最终用户开放，设计员仅面向工厂研发、调试人员；操作员具备个人资料管理、设备的模式、状态控制、主备机切换、故障日志查询、态势界面形配置等功能，管理员除具备操作员的操作外，还可具备用户管理、雷达参数配置的功能。（2）协同管理主要实现多个终端的主备管理，终端采用“谁用谁申请”的原则，管理系统终端主控权限，在系统中任意时刻有且仅有一个终端具有控制权限，可通过申请并由当前主控批准后获得主控权限。

4.4.2 日志管理

日志管理主要包括故障状态日志的存储、查询、导出、删除等操作，要求：

（1）日志存储：按照标准的格式进行文件存储或数据库存储，可记录存储时间可根据用户需求进行设置，一般以天为单位；（2）日志查询：历史日志的条件查询，包括时间、类型等条件；（3）日志导出：历史日志的文件导出或打印输出；（4）日志删除：自动删除超过用户设定天数的历史日志，同时可手动删除；（5）统计分析：根据历史数据统计故障分布、故障时间等信息。

4.4.3 天线分机监控

天线分机监控通过与收发控制器交联，实现雷达转台、天线的状态监视和控制。主要监控的内容宜包括：（1）控制器链路；（2）转台工作状态；（3）转速；（4）方位信号、正北信号；（5）转台电机状态；（6）转台其他自检。

4.4.4 雷达头监控

雷达头监控包括：

（1）雷达头设备监控：雷达设备监控主要完成主机的工作状态与模式监控、雷达头的主备通道切换控制；（2）软件状态监控：软件运行状态监视部件通过图表直观、动态的展示雷达主机的内部软件配置项的运行状态 ；（3）硬件状态监控：硬件运行状态监视部件通过分层结构图形直观、动态的展示雷达主机的硬件运行状态。

4.4.5 雷达数据处理监控

雷达数据处理监控主要包括雷达数据数据处理分机的软硬件状态监视和主备机状态监控；其中软件运行状态监控内容同雷达头软件运行状态监控。

4.4.6 系统参数配置

系统参数配置主要完成以下功能：（1）雷达头各模块参数配置；（2）雷达数据处理分机参数配置；（3）其他参数配置。

4.5 综合显示软件

4.5.1 功能介绍

综合显示软件功能框图如图4所示。

4.6 软件处理

4.6.1 软件框架

雷达数据综合显示软件采用图形化视图（Graphic View）框架，包含视图（View）、场景（Scene）和图元（Item）三个组成部分。视图为用户定制的二维图元进行管理与交互提供一个平台，同时为图元的可视化提供视图窗口。场景为图元的容器，提供显示平台，传播事件到场景中每个图元。图元是图形显示的单元，可以将基本图形如线、矩形、圆周等作为一个图元，也可以将多个基本图形组合成一个复杂图形作为一个图元。图形化视图采用二元空间分割（BSP）树方式提供图元快速搜索，因此可以使包含高达上百万个图元的大场景能够实时可视化。图形化视图提供一种基于图元的方式进行模型/视图编程，在实际应用中可以将GIS、目标实例化成不同的数据模型，数据模型可以包含多个具体的图元，包含区域、点、文字、线条等符号。

4.6.2 视频显示

视频显示主要实现如下功能：（1）数据接收：接收并解析标准报文数据，存储进行存储；（2）图元实例化：根据实际读取的数据模型进行图元封装，在基础图元类上派生为场景可用的图元类型，并将相应的属性完善。（3）显示属性控制：提供用户根据需要配置各类图元的显示属性界面，可动态载入或存储配置方案；（4）态势显示：将各实例化的图元添加到系统的场景中，完善在场景视图变换（缩放、漫游等）时适应性调整，根据属性控制器对各图元的配置，在态势界面中显示。

4.6.3 目标态势显示

目标态势显示主要实现以下功能：（1）目标数据接收：从网络目标数据端口获取到有效的目标数据，经过数据有效判别、格式转换等预处理后送往后端； （2）目标数据处理：根据目标数据提取目标唯一的数据索引，根据索引查找目标链表，索引到有效目标链表的情况下直接将目标数据插入链表，并更新链表相关属性，未查找到时，利用目标数据新建一个链表；当在目标链表更新超时情况下，将目标链表删除；（3）图元实例化：根据实际读取的数据模型进行图元封装，在基础图元类上派生为场景可用的图元类型，并将相应的属性完善；（4）雷达可显示的数据内容包括：高度、距离、速度、航向、以及S模式地址等相关信息；（5）显示属性控制：提供用户对目标图元显示参数配置管理，可动态载入或存储配置方案，可配置图元相关参数；（6）态势显示：将各实例化的图元添加到系统的场景中，完善在场景视图变换（缩放、漫游等）时适应性调整，根据属性控制器对各图元的配置，在态势界面中显示。

5 结语

本文阐述了场面监视雷达系统的工作原理、系统组成以及系统功能等方面。目前国内大型机场都是采购国外的场面监视雷达设备，通过本文，希望能对研制出具有独立知识产权的场面监视雷达系统提供帮助，实现场面监视雷达系统的国产化。

参考文献：

[1] ED-116《MOPS for Surface Movement Radar Sensor Systems for Use in A-SMGCS》，2004版

[2] 陈亮.场面监视雷达系统显示与控制软件和数据处理[J].电子科技大学学位论文，2007（5）.

[3] 刘大成.场面监视雷达终端显示器的关键技术[J].电子科技大学学位论文，2005（6）.

[4] 赵铃铃.场面监视雷达数据处理与软件实现[J].电子科技大学学位论文，2008（3）.