无人值守雷达组网及其关键技术

刘 峰， 毛德广 ，赵 亮

（1.海军工程大学，湖北 武汉 430033；2.92919部队司令部,浙江 宁波 315021）

从20世纪60年代开始，美国已展开无人值守雷达技术研究。国内无人值守设备在通信机房、变电所、监测站等设施上已获得广泛应用。但在雷达方面，却只有部分专家进行过可行性探索外。随着电子对抗技术的发展，为了确保雷达的生存和性能的发挥，提高防空网的工作效率和自我防护能力，雷达不仅要无人值守，更要网络化。本文首先讨论无人值守雷达的组网方法，然后重点阐述无人值守雷达组网系统中的几项关键技术。如图1所示。

图1 无人值守雷达组网系统结构

1 无人值守雷达与组网

1.1 无人值守雷达的特点

无人值守雷达[1-2]有着明显的技术和实用优势，不仅可大幅度减少和平时期军用装备的值守人员和使用保障等费用开支，特别是架设在高山、海岛的无人值守雷达，可大大减少值守部队保障供给和保障设施建设的难度，从根本上解决高山、海岛员以及生存条件恶劣地区雷达站驻守人员健康、安全、后勤保障等难题，具有很好的应用前景和发展优势。

1.2 无人值守雷达组网结构

无人值守雷达系统组网系统由无人值守雷达、网络传输系统、监控系统、远端控制指挥中心和网显台5部分构成[3]，

雷达组网在国内已经广泛应用，但现阶段参与组网的都还只是限于普通雷达，而无人值守雷达组网不仅具有普通雷达组网的优点，还包含自身独特优势。本系统的应用可以提高军用雷达装备的自动化程度，特别是在一些气候恶劣的高山、海岛雷达站，雷达值勤可以在条件相对宽松的中心指挥所内完成，从而实现雷达本地无人（或少人）值守。此外，指挥中心可以同时控制多部雷达，实时监控整个空情，从而形成高级雷达组网系统，大大提升雷达的抗干扰能力，本地雷达的存活能力，雷达情报的探测性能，减少人员伤亡。为此，本文借助普通雷达组网思想，考虑到无人值守的特殊性，设计出一种无人值守雷达组网系统。

2 关键技术

无人值守与组网技术相结合，结构不同，功能上亦有其特殊优势，关键技术上既有与普通雷达组网相同之处，也有其独特的技术要求。无人值守雷达组网除必须考虑共性技术如时空一致，数据融合，数据关联等技术外，还需研究可靠性，可维修性等。雷达组网后，各部雷达已不是一个个孤立站，而是雷达网中的一个节点，要把这些节点有机地联系起来协调工作，各部雷达就必须在时域、频域、空域上有效协调一致工作，达到数据融合处理、资源共享的目的。要让无人值守雷达实现组网功能，就需解决以下几方面的关键技术问题。

2.1 可靠性、维修性要求

正是由于环境、技术等方面限制，国内前期投入使用的雷达站均为有人值守雷达站。在许多具有重要价值的高原地区由于无法解决人员长期驻守的保障问题而不得不放弃部署雷达。其中很大原因就是目前常规的可靠性设计技术已不能满足高原无人值守情况下雷达的高可靠工作需求。

为满足无人值守任务，要求设备能够连续工作时间大于720 h，MTBF≥5 000 h，MTTR≤15 min， 故障检测率≥98%，故障隔离率100%到可更换单元。

要实现上述这些指标要求，就需要对性能、可靠性、维修性和保障性进行综合分析、设计和权衡，在其性能、可靠性要求合理确定的前提下,应对结构组成、可靠性冗余设置、基础更换单元的确定、预防性维修周期等进行综合优化设计，使系统的可靠性达到最优化。总之，需要针对海岛环境和无人值守特点的设计指导思想，加强可靠性设计、环境适应性设计、无人值守功能设计,来确保雷达在恶劣环境下长期可靠地工作[1]。

2.1.1 冗余设计

冗余设计一般应用在系统或设备完成任务起关键作用的地方，提供一种以上的功能通道或工作组件，以减少设备出现故障的概率。可以用低可靠的零件或器件，构成高可靠系统或设备。冗余设计技术主要类型有：并联冗余、混合冗余、表决冗余、非工作冗余等。对于不同的设备，要求的侧重面不同，冗余设计考虑的因素也不同。其目的是通过选择合适有效的冗余类型和方式提高产品的任务可靠性。即当一套系统出现故障时，保证有备用的系统或备用的电路来工作，从而使整个系统能完成正常功能。

为了提高无人值守系统的可靠性，通常对设备必须实施各类冗余设计，但是冗余设计意味着增加系统或设备的复杂性，同时要考虑到体积、重量及成本的约束，因此冗余必须全面考虑协调多重工作模式需要。根据系统任务可靠性的需要，又要满足基本可靠性指标要求的前提下，可对可靠性薄弱环节进行冗余设计，但是需要合理设置冗余数量使冗余设计的资源耗费最少、系统可靠性最大。

2.1.2 器件的可靠性

1）设备元器件须具有很好的抗腐蚀性 海岛上的雨水充足，风浪大，台风气候多，装备会长期与含盐量很高的水汽接触，这就对器件的工艺和原材料选取有很高要求。

2）设备的元器件须有耐高温性 海岛天气决定设备长期处于高温环境下，在工艺的防护设计上针对长期高温会引起线缆保护层加速老化、绝缘损坏、开裂等情况，改进户外方舱、天线等设备表面涂料面漆，提高耐高温性。车外电缆等加金属箔防护层，以防止和减少紫外线的侵害。运输车、方舱等大型设备设置在工作或储存建筑物内。

3）器件质量的稳定性 无人值守站长期处于高温下时空调效果会很有限，而天线等设备本身就安装在露天环境。这就要求这些设备在温度、湿度变化剧烈或持续高温多雨的条件下仍能正常工作。元器件的容忍性要好，否则指标偏移、质量不稳、设备机盘损坏，给维护工作带来麻烦。

4）机械设计的可靠性 在机械结构设计上针对天线转台润滑剂粘度增大、运动部件机械强度降低、运动部件磨损加剧等原因，减速箱、大轴承选用低温润滑油润滑，解决传动系统低温润滑问题。

2.2 时间同步问题

时间同步[4]是把不同传感器在不同测量时间对同一目标的测量数据转换成融合时刻为基准的时标数据。无论是共站异步工作的多个传感器，或者异地异步传送的报告，从传感器测量到平台融合，或从平台融合到中心融合，都存在一个时间差，所以要根据传感器测量时刻目标的运动参数推算融合时刻目标的位置。如果不能很好的处理时空统一，使数据标准化，将导致雷达数据处理精度大大下降，极大影响后继信息处理的可信度，降低跟踪精度。

现在运用的方法主要有单向和双向两种时间同步法。单向同步法是中心站把同步校正信号单方向传送到被校正的各从站，该方法设备简单，但误差相对较大，同步精度大部分只能达到微秒级别；而双向同步是主从站互向对方发信号，原理上可以消除共同传播路径误差，大部分时刻同步精度可达纳秒级，实现高精度的时间同步，但设备复杂，成本较高，尤其是主站，要同时与多个从站同步，其工作量大,可靠性差。

按照雷达组网的性能要求，单纯用单向时间同步无法满足时间同步精度的需求，而双向同步建站过于复杂且昂贵。在研究雷达组网精度的需求后发现，在单向时间同步系统中引入GPS后能较好解决这一问题。GPS不但可用于精密定位，还可用于精密定时，其精度可达 10－12～10－13量级，所以可使用GPS校正地面低成本的铷原子频标，使其校正到同等量级，这样的精度在许多实际应用中都能达到要求。而且，GPS可以全球性全天候发送GPS信号，从而达到雷达组网要求。

2.3 数据融合问题

过去多个雷达数据处理采用综合而不是融合，多个雷达数据进入数据处理中心，选择性能良好的雷达作为主站的办法获取数据，各个雷达责任范围数据的相互交接是采用拼接方法，其缺点是数据在责任范围间的交接容易出错，对隐身目标来说更易丢失信息。

图2 数据融合结构

根据无人值守雷达自身的特点分析，该系统数据融合[5-7]可分成两个层次：每个接收站构成的平台级融合和中心站的系统级融合。组网雷达的数据融合系统结构如图2所示，这种结构不仅具有局部独立跟踪能力，还有全局监视和评估特征的能力，最大限度利用了各个接收站的原始接收数据进行决策，而且充分考虑多个接收站数据信息之间的互补，融合速度快，通信负担轻，不会因为某个接收站的功能影响整个系统的工作，因而具有较高的可靠性和容错性。

目前被广泛采用的体系结构大致分为3类：集中式、分布式和混合式。比较而言，集中式可以实现实时融合，其数据处理的精度高，解法灵活，但是对处理器的要求高，通讯传输的数据量大，较难实现。分布式处理，系统方法简单、可靠、可扩充容量，可本地操作，只需有限的计算资源，但处理精度较集中式低。混合式是对两种方法的某种组合。

考虑到无人值守雷达组网系统的现实条件，采用分布式结构较为合适，因为集中式通信带宽需求太大，尤其计算机负载过大，较难满足实时性的要求；如何更有效利用现有系统资源，是雷达数据融合系统需要很好地考虑的问题。分布式系统结构可用较低的费用获得较高的可靠性和可用性；减少数据处理要求；当一个雷达降级工作，其观测结果对整个数据融合系统的性能和结果的影响很小；易于增加融合站的数量，而无需修改融合系统的软件，还能使系统结构适应融合和操作要求。

2.4 航迹关联

雷达航迹关联[8]是把各个雷达信息源报来的雷达航迹关联为一个共同的系统航迹，这个系统航迹应和空中目标数量一致、坐标一致，它是各条雷达航迹的集合。

在数据融合系统中，航迹关联是最为关键的一步，所耗费的时间也比其他的处理过程要多。无论采取哪种关联方法，当匹配区域中的航迹与回波点的数目增大时，计算量都会急剧增大，处理的时间也会随之增多。

为更好地利用雷达传送来的数据，可以将接收的数据进行全面的航迹关联处理，并能很快将计算结果送系统显示。这就要求系统必须首先将数据进行一定的分区处理，减少明显的无关数据。而传统的算法只适用于互相相隔很远，且在波门内部只存在一个点迹的航迹情况。但现实中由于噪声的影响，点迹和航迹的位置次序发生了一定的变化，就有可能发生错误的关联。当点迹和航迹的位置发生变化后，原先设置的波门位置的合适程度将直接决定关联的正确性。对一部雷达而言，接收的数据量巨大，通常1秒钟需要处理几十批的航迹信息。这使得所花费的处理时间与系统的实时性要求产生矛盾。而动态分区技术的出现则很好解决了这个问题，它在减少计算量的同时，满足解决多目标同时跟踪的要求，从而提高数据处理的效率。

图3 动态分区图

动态分区就是将可能关联上的回波点与航迹放在同一个区中进行数据关联，从而将一些明显无关的点迹（回波点与航迹）不在本分区中进行数据关联，以此减小数据关联的计算量。如图3所示，可以将3 60 0方位内有目标回波的地方分出4个部分，数据关联过程分为4部分，分别在这4个扇区中进行。划分扇区的过程可大致认为是一个系统粗关联的部分，是人为地对数据进行分析，把明显不可能关联上的点隔离开，即放入别的扇区进行考虑，以此提高数据处理效率。

动态分区的准则是根据航迹的特点总结出来的，并不固定，而是根据具体情况发生变化，动态分区原则上分得越小越好，但实际上为了保证关联的准确性，会降低这个要求，所以必须在两者之间权衡考虑。动态分区越好，则程序运行效率越高。经过动态分区数据处理，可减少数据关联的时间。

3 结束语

首次提出用无人值守雷达进行组网，并分析它与普通雷达组网的区别，之后，给出无人值守雷达的组网方法，重点分析该系统中的几项关键技术。由于无人值守对可靠性、可维修性的苛刻需求，在关键技术上，选取相关领域上比较成熟稳定的方式，并根据无人值守 的具体要求做出相应改进。该系统的实现不仅能解决我国生存条件恶劣地区的雷达布站问题，而且能够大幅度提高我雷达的生存能力、探测能力，还能促使雷达软件化、网络化、战术战略化水平的提高。按照本文开发的无人值守雷达组网系统正处于实验室验证阶段。

[1]周 虹.基于高原型无人值守雷达的可靠性设计[J].质量与可靠性，2008（5）：17-20.

[2]谭剑波.无人值守雷达系统的遥控遥测[J].雷达科学与技术，2003（8）：74-79.

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[4]贺洪兵.基于GPS的高精度时间同步系统的研究设计[D].成都：四川大学，2005.

[5]丁 锋，姜秋喜，李明亮.网络雷达及其数据融合问题研究[J].中国电子科学研究院学报，2008（3）：285-292.

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[7]王中许，李银伢，张学彪.雷达组网仿真研究与实现[J].南京理工大学学报，2006（3）：292-296.

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