二次监视雷达跟踪近程目标的新方法*

王　强**，喻　波，王爱国，李　涛

(1.四川九洲空管科技有限责任公司，四川 绵阳 621000；2.中国西南电子技术研究所，成都 610036)



二次监视雷达跟踪近程目标的新方法*

王强**1，喻波2，王爱国1，李涛1

(1.四川九洲空管科技有限责任公司，四川 绵阳 621000；2.中国西南电子技术研究所，成都 610036)

针对近程目标的机动特性以及在近距离询问信号饱和使应答机抑制等因素造成二次监视雷达不能稳定跟踪目标的现象，提出了一种新的跟踪方法，采用询问编排、功率控制等措施让应答机能有效应答，并通过近程跟踪滤波、航迹融合来实现对近程目标的稳定跟踪。该方法提高了系统的跟踪效能，近程目标的应答率提高到了80%左右，适合于二次监视雷达系统对近距离目标跟踪要求严苛的场合。该方法已在实际工程中成功应用。

二次监视雷达；近程跟踪；相控阵天线；询问编排；功率控制；航迹融合

1　引　言

二次监视雷达(Secondary Surveillance Radar,SSR)是提供空中飞行情报及态势的主要信息来源，不仅是民航的必配设备，还广泛应用于军事领域。在某些特殊应用场合，由于目标机动飞行复杂，不仅速度快，而且转弯半径小，对二次监视雷达的跟踪性能提出了更高的要求。特别是在近距离，机动目标运动轨迹的不规则性会进一步放大，并且由于逐步靠近架设场地，由场地环境引起的电磁环境干扰也变得严重，这都给二次监视雷达的后端处理带来一定的困难。

目前对二次监视雷达跟踪近程目标的研究还相对较少。文献[1]从询问控制、波束调度等方面对二次监视雷达跟踪近程目标作出了研究，而本文侧重于近程目标特性分析、跟踪算法以及工程应用。

本文首先分析了由于态势变化大以及应答抑制等因素造成近程目标容易丢失的原因，提出在相控阵体制下，利用波束的灵活性将波束瞬时定向到近程目标所在区域，然后给和通道、控制通道分配预设的功率控制值对目标进行询问，获取目标的应答信息后再利用独立的跟踪滤波器来稳定连续地捕获目标。

2　近程目标特性分析

2.1运动特性

民航飞机通常飞行比较平稳，姿态变化缓慢，而军机常常做各种机动飞行，姿态变化剧烈，有时还会出现应答天线被机身遮挡，从而影响询问机的探测。

从机动目标的运动轨迹看，可分解为铅垂面内和水平面内的机动飞行。在铅垂面内，平飞加减速是在距离上变化大而方位和高度则变化小，俯冲、跃升、筋斗是在高度上变化大而方位和距离变化小；在水平面内，典型的机动飞行动作是盘旋，即方位变化大而距离和高度变化小。对询问机来说，机动目标在距离、方位上的突变会超出点迹报告和航迹关联时的区域尺寸，在高度上的突变则会导致目标报告与航迹进行C模式测试时失败[2]。

2.2应答特性

当飞机靠近询问站点时，由于询问机发射功率过大，会导致应答机接收的询问脉冲饱和、抑制脉冲幅度增加，导致应答机不能应答。对于民航机场来说，通常部署航路二次监视雷达和终端区二次监视雷达。航路二次监视雷达主要关注中远程目标，发射功率大，作用距离远；终端区二次监视雷达只关注近程目标，发射功率小，作用距离近，这样就不会造成在近距离应答机饱和。而对于某些特殊应用平台，要求二次监视雷达既要监视远距离目标，又要对近程目标进行稳定跟踪，这样就会带来上述问题。同时，在近距离时询问信号太强也会引起反射干扰，导致虚假目标的产生。

3　近程跟踪设计

3.1系统设计

根据上述近程目标特性分析，要稳定跟踪近程目标，应采取以下措施：

(1)提高扫描速率，在近程目标的各种机动飞行中弥补探测掉点、盲点，以增加捕获几率；

(2)进行功率控制，避免应答机抑制及反射干扰；

(3)为近程目标构建独立的航迹跟踪模型，以匹配近程目标态势瞬时变化所产生的新关联门限。

本文提出的近程跟踪系统设计框图如图1所示。系统以正常速率顺序扫描探测目标，航迹处理模块送出稳定航迹，同时航迹送往近程跟踪阈值检测器；近程跟踪阈值检测器将每个目标与预设阈值进行比较，判断是否满足近程条件，是否为近程目标要根据不同平台对系统的需求而定(本系统以50 km作为近程阈值)，如果满足则触发跟踪定时器；跟踪定时器根据设置的跟踪频率来触发跟踪询问，直至该目标超出近程跟踪空域(本系统1 s对目标跟踪1次)，对空域内的每个近程目标都设置独立的跟踪定时器；系统收到跟踪定时器的触发后，暂停当前扫描，保护现场数据(当前扫描方位、功率控制参数等)，重新设置近程功率控制参数，然后将波束瞬时定向到近程目标所在方位进行询问；在每次近程跟踪询问期间，接收到的目标报告都打上近程跟踪标记，便于后端航迹处理对近程目标进行单独的跟踪处理；近程跟踪询问完成后，恢复正常扫描功率控制参数，将波束定向到扫描中断方位，启动正常扫描。

图1近程跟踪系统设计框图

Fig.1 Design diagram of short-range tracking system

在系统设计时，跟踪目标的批数应与系统的刷新率进行匹配。采取跟踪后会增加系统时间开销，过多的跟踪可能影响正常扫描探测，当满足跟踪条件的目标数量超出时间容限时，应以关注的目标作为首先跟踪对象，或以距离、方位作为选取的优先条件。

3.2询问编排

在每次跟踪过程中期望通过增加询问次数来提高探测率，但是过高的询问率也会导致应答机抑制，如民航对应答机的应答率规定为至少每秒回答1 200次[3]，即最低询问间隔应大于1/1 200 s才能触发应答机应答。因此，应根据应答机特征以及实际情况进行合适的选取近程跟踪询问间隔[1]。

3.3功率控制

一部二次监视雷达的询问波束发射功率为PΣ，控制波束发射功率为PΩ，在距离R处，应答机接收到的询问信号和控制信号幅度为

(1)

图2询问信号和询问旁瓣抑制信号空间关系

Fig.2 The space relationship between interrogation signal and interrogation sidelobe suppression signal

从图2中可看出询问信号已经饱和，而询问旁瓣抑制信号已进入应答或抑制区[4]，这样会导致询问机失去对应答机的捕获机会。因此，近程跟踪时功率控制值应满足

PΣ-Cp-LR≤P″Σ。

(2)

式中：P″Σ为应答机能接收的最大询问信号；Cp为功率控制值。在本例中，系统功率至少应控制8 dB。功率控制时，询问波束与控制波束的功率控制值应保持一致，使询问波束与控制波束的增益始终保持最佳匹配，满足二次监视雷达系统要求[4]。

3.4近程跟踪航迹处理

近程跟踪航迹处理要进行单独处理，然后再与正常扫描航迹进行融合。其处理流程与正常扫描航迹处理流程一样[5]，处理时需注意：点迹报告和航迹的配准是以航迹预测位置为中心的几个联合区域，在近程跟踪时要适当加大各区域的尺寸；C模式测试时，要放宽C模式容限值，太严格会影响俯冲或跃升目标的探测；为迅速捕获高机动目标，航迹应快速起批，当点迹质量稳健、数据置信度高，可将三点起批调整为两点起批。下面着重介绍近程跟踪滤波方法和远近程航迹融合处理。

3.4.1近程跟踪滤波

近程目标机动性强，难以建立清晰的目标运动模型。同时，选取何种滤波方法来对目标进行稳定跟踪，使得既要防止将机动趋势当成测量误差滤除，又要防止将测量误差当成机动趋势处理。本系统采用一种基于对数压缩的自适应目标跟踪方法[6]。

首先将目标从柱坐标系转换到笛卡尔坐标系，在x、y、z每个方向进行跟踪滤波，完成后再将3个滤波值进行空间运动合成，最终转换回柱坐标系。在单个方向上按以下多项式进行展开：

(3)

式中：p(x)表示任一连续曲线；a为多项式系数；n≥0。由于在短时间内可认为目标的运动是匀速直线运动和匀加速直线运动的合成，因此，3阶(含)以上分量所占比重可以忽略，只截取多项式的2阶、1阶和常数项就可以表征目标在单方向上的直线运动。再用最小二乘法曲线拟合对测量数据进行1阶和2阶拟合，拟合公式如下：

(4)

式中：xi代表时间；yi表示需要拟合的数据；m为历史数据个数；n为拟合阶数。拟合后按以下公式计算单个方向上(以x轴为例)历史数据的一次差：

(5)

xyc=P1·I1·K+P2·I2·(1-K) 。

(6)

得到当前预测值后，判断当前预测值与当前最新测量值差值的绝对值是否大于一次差的2倍，如果大于按照以下公式压缩当前测量值：

xi=xyc+G(xi) 。

(7)

式中：G(xi)为对残差进行对数压缩的函数。压缩完成后，再按照公式(3)和公式(4)进行1阶2阶拟合。然后，分别计算当前时间映射到1阶和2阶拟合曲线上的值并与当前实测值进行融合，得到单方向上的跟踪滤波值。

3.4.2航迹融合

二次监视雷达的数据更新时间一般为4～10 s[4]，而近程跟踪频率为1 s，因此需将近程跟踪航迹融合到扫描航迹，以满足系统数据更新时间要求。并且只要应答机不饱和，正常扫描波束掠过近程目标时也能探测到该目标，这样就也需将扫描航迹与近程跟踪航迹融合。近程跟踪航迹与扫描航迹融合原理如图3所示。

图3航迹融合原理图

Fig.3 Diagram of track fusion

图3中，以4 s数据更新时间为例。设S1(t1)、S2(t2)、S3(t3)、S4(t4)分别为数据更新周期内每秒产生的近程跟踪航迹位置，Sy(ty)为数据更新周期内产生的扫描航迹位置。将前3点近程跟踪航迹位置进行卡尔曼滤波，得到近程跟踪外推航迹位置：

Sj(tj)=fkalman(S1(t1),S2(t2),S3(t3))。

(8)

式中：fkalman(x)为卡尔曼滤波函数。然后再将Sj(tj)、S4(t4)、Sy(ty)用平均加权法进行位置融合，得到上报的目标航迹位置：

S(t)=A(W·K1·Sj(tj),W·K2·S4(t4),W·K3·Sy(ty))。

(9)

式中：A(x)为位置平均加权函数；W为加权系数，W∈(0,1]；K1、K2、K3分别为3个位置的存在系数，取值为0或1。因为在实际的探测过程中可能存在以下几种情况：

(1)有近程目标时可能没有探测到该目标的扫描报文，那么K3=0；

(2)在数据更新周期内，第4个近程跟踪点可能丢失或损害，那么K2=0；

(3)对于远程目标，K1=0，K2=0，K3=1。

4　试验及结果

本文所描述的近程跟踪方法已用于工程实践。表1为采取近程跟踪前后目标的应答率对比，该统计数据选自于目标机动转弯阶段，通过该表可看出跟踪后目标应答率大大提高。

表1跟踪前后目标应答率对比

Tab.1 Comparison of reply rate before and after tracking

序号应答率/%采取近程跟踪前采取近程跟踪后目标11782目标21481目标32083目标41178目标51381

图4和图5为用Matlab绘制的工程试验数据。从图4可看出，不采取近程跟踪时，目标在转弯过程中容易丢失，探测的点迹较少，导致航迹出现偏差、断点。从图5可看出，由于提高了扫描率以及采取了功率控制，目标点迹明显增多;同时，采取近程跟踪航迹处理措施后，航迹也比较连续，并能稳定跟踪目标。

图4不采取近程跟踪时的点迹和航迹图

Fig.4 Diagram of plot and track before tracking

图5采取近程跟踪后的点迹和航迹图

Fig.5 Diagram of plot and track after tracking

5　结束语

本文提出的近程跟踪新方法采用近程询问编排、功率控制等措施使近程目标的应答率提高到了80%左右，同时采用近程跟踪滤波和航迹融合等技术改善了目标报告掉点、不连续的现象。本文所提出的方法通过理论分析以及结合工程设计，解决了某些特殊平台加装二次监视雷达系统遇到的一些关键问题。如何进一步提高近程目标的应答率将在下一步工作中研究。

[1]邓欣.提高航管二次雷达近程目标跟踪稳定性的方法[J].电讯技术，2016,56(2)：190-194.

DENG Xin. A method for improving secondary surveillance radar system′s short-range targets tracking stability[J].Telecommunication Engineering,2016,56(2):190-194.(in Chinese)

[2]张蔚.二次雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

ZHANG Wei.The theory of secondary surveillance radar[M].Beijing: National Defense Industry Press,2009.(in Chinese)

[3]ICAO.Surveillance and collision avoidance systems:ICAO Annex 10 Volume IV[S].Montreal,Canada:ICAO,2007:1-56.

[4]中国民用航空总局.空中交通管制二次监视雷达设备技术规范:MH/T 4010-2006[S].北京：中国标准出版社，2006:1-47.

CAAC.Technical standards for ATC secondary surveillance radar:MH/T 4010-2006[S].Beijing:Standards Press of China,2006:1-47.(in Chinese)

[5]贾坤.航管二次雷达数据处理[J].电讯技术，2011,51(6)：78-81.

JIA Kun.Data processing of secondary surveillance radar for air traffic control[J].Telecommunication Engineering,2011,51(6):78-81.(in Chinese)

[6]王耀兴,刘永刚,李涛.一种航迹滤波的方法：CN201310143949.2[P].2013-08-07.WANG Yaoxing,LIU Yonggang,LI Tao.A method of track filtering:China，CN201310143949.2[P].2013-08-07.

王强(1982—)，男，四川渠县人，2007年于电子科技大学获学士学位，现为工程师，主要研究方向为二次监视雷达；

WANG Qiang was born in Quxian,Sichuan Province，in 1982.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:wangqiang_uestc@163.com

喻波(1980—)，男，四川仁寿人，2003年于电子科技大学获学士学位，现为工程师，主要研究方向为二次监视雷达；

YU Bo was born in Renshou,Sichuan Province，in 1980.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2003.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:nidejia@163.com

王爱国(1979—)，男，山东海阳人，2002年于武汉理工大学获学士学位，现为工程师，主要研究方向为二次监视雷达；

WANG Aiguo was born in Haiyang,Shandong Province，in 1979.He received the B.S. degree from Wuhan University of Technology in 2002.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:my_wag@163.com

李涛(1987—)，男，四川合江人，2009年于电子科技大学获学士学位，现为工程师，主要研究方向为二次监视雷达。

LI Tao was born in Hejiang,Sichuan Province，in 1987.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:474997647@qq.com

A New Short-range Target Tracking Method for Secondary Surveillance Radars

WANG Qiang1,YU Bo2,WANG Aiguo1,LI Tao1

(1.Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.,Ltd.,Mianyang 621000,China;2.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

In view of the tracking problem caused by short-range maneuver flight target and transponder suppressed due to strong interrogation signal in secondary surveillance radar(SSR) system,a new tracking method is proposed.In the method,interrogation arrangement,power control and other measure are used to strigger transponder reply and realize stable tracking of short-range targets by short-range tracing filter and track fusion.The proposed method can improve the tracking system performance，the reply rate of short-range targets is improved to around 80%,and it is suitable for application in complex short-range target tracking with SSR system.The method has been successfully applied in an engineering project.

secondary surveillance radar;short-range tracking;phased array antenna;interrogation arrangement;power control;track fusion

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.016

2016-01-29；

2016-05-04Received date:2016-01-29；Revised date：2016-05-04

TN958.96

A

1001-893X(2016)09-1039-05

引用格式：王强，喻波，王爱国,等.二次监视雷达跟踪近程目标的新方法[J].电讯技术，2016,56(9):1039-1043.[WANG Qiang,YU Bo,WANG Aiguo,et al.A new short-range target tracking method for secondary surveillance radars[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1039-1043.]

**通信作者：wangqiang_uestc@163.comCorresponding author：wangqiang_uestc@163.com