传输设备速率对于航管雷达融合处理的影响研究

奉泽昊+黄肖超

摘要： 该文结合民航航管业务的特点，分析传输设备性能对于航管雷达融合航迹的影响。通过采用通信原理演算出传输速率对雷达航迹输出的影响，并结合具体单部雷达的阶段性丢目标和丢扇区现象，深入研究该现象产生的原因，并给出了具体解决方案和建议。

关键词： 航管；传输速率；航迹融合；二次雷达

中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）01-0013-03

Abstract：In this paper， it applies the features of civil aviation management business to analysis the influence of transmission performance of equipment on air traffic control radar track fusion. It adopts the communication principle calculate on the transmission rates effect on track radar output， researches into the phase of the single radar target and lost the sector lost phenomenon， also give the cause and provides concrete solutions.

Key words： ATC； transmission rate； track fusion； secondary radar

1 引言

近年来随着民航业发展迅速，空管的业务量也是在成倍的增长，不仅是体现在管制飞行架次的增加，更体现在相关保障设备的负荷量的提升。民航传输网络作为空管的业务载体，所承载的业务包含甚高频（VHF）、管制移交电话、航管雷达、航空电报等空管核心业务。不同的业务对于传输网络的要求也不尽相同，对于传输设备的保障能力，直接影响空管业务的开展和航空安全。

航管雷达作为民航空中交通管制指挥的重用工具，被用于定位飞行目标在空中位置。按其探测目标的方式可以分为一次监视雷达和二次监视雷达。一次雷达的基本工作原理是雷达主动发射电磁波，通过计算电磁波在探测到目标后返回所需要的时间，来确定出目标的距离和方位。二次雷达的工作原理是雷达发出询问电磁波，飞行目标的机载应答机设备在接收到与其相关的询问电磁波后发出应答脉冲，雷达的地面接收设备通过接收到的应答信号来确定目标的距离和方位。

二次雷达为目前航管广泛采用的雷达类型，其数据信号由雷达站经各种传输设备将信号引接至管制中心，管制中心的雷达处理系统通过融合多部雷达的信号后，实时显示飞机的位置信息，从而为管制指挥提供技术支持。由于雷达站基本都位于边远台站，均需要通过传输网络将雷达信号引接至管制中心。因此传输网络的性能对于雷达信号的传输和雷达处理系统的融合具有重要的影响。

2 传输网络性能导致航管雷达信号融合的常见故障

2.1 高度跳变

根据民航管制的相关规定，监视设备探测的飞行目标在相邻周期内高度差超过90m，即认定为该飞行器发生了高度跳变，具体体现为目标的高度值在雷达融合处理系统的显示终端上面出现上下跳动现象。由于各部雷达所捕捉到的同一目标经过各种方式到达同一套雷达融合系统存在一定的延时，导致同一时刻多部雷达各自探测的目标高度值存在较大的差异，引起自动化系统融合算法和策略出错，以致目标出现高度跳变，这种现象严重影响空中交通管制的指挥判断。

2.2 目标丢失

目标丢失在自动化系统上主要表现为小范围或大面积的目标出现丢失的现象，雷达信号如果在传输过程中出现数据帧格式错误或遭到破坏，导致雷达融合处理系统不能解析和还原原始雷达数据，以致目标信息的丢失。

2.3 目标分裂

所谓目标分裂就是雷达融合处理系统在同一个时间周期内对于多部雷达送出的关于同一个目標的数据进行融合后，出现两个或多个目标的现象。雷达信号传输过程出现问题可能导致分裂现象，在传输过程中当雷达数据包出现丢失或误码等数据质量问题时，会导致出现目标分裂的情况。分裂的出现，不但影响调度人员的判断，增加他们的工作压力，严重时还可能导致航班流量控制或撞机事件。

目标分裂、丢失和高度跳变等都是严重影响管制指挥，必须尽力避免的安全事件。传输速率作为传输网络的一个重要性能指标，本文结合实例深入探讨其对于航管雷达融合的影响。

3 传输速率对雷达航迹输出的影响

3.1 二次雷达航迹输出过程

在每个重复周期内，信号处理系统将形成的目标应答报告放在CPCI 总线的I/O 口上，并以中断方式通知数据处理系统。数据处理系统的应答报告接收程序负责至I/O 地址读取目标应答报告数据；数据处理系统应答报告处理程序将处理完的应答报告顺序存放在应答报告缓存区。点迹处理程序对应答报告缓存区内的数据进行处理，完成应答群的起始、A/C 应答码与应答群相关；完成应答群凝聚、目标距离和方位计算；去除虚假目标（异步应答、弱应答及反射式应答）；按照配置的雷达数据格式向网络交换机和串口发送点迹数据。航迹处理程序接收点迹处理程序送来的原始目标报告，对其进行修正；航迹起始；航迹相关检测（距离、方位、代码、高度、速度）；航迹更新（平滑、外推）；计算目标的速度、航向；按照配置的雷达数据格式向网络交换机和串口发送航迹数据。二次雷达航迹输出过程如图1所示。

为了保证应答处理与点迹/航迹处理的实时性，雷达将这两种处理设计成独立运行方式。应答处理的实时性主要针对一个询问重复周期内，目标的应答随机性很大，应答处理电路只能对应答脉冲信息进行整合，来不及进行更多处理，每个重复周期内应答处理最多产生64 个应答报告送给数据处理系统；数据处理的实时性可以在一个扇区内，将存入存贮器的应答报告数据读出，以数据块的形式对应答群信息进行整合，输出目标的点迹报告和航迹报告，目标处理容量为80批/11.25°扇区。点/航迹处理和应答处理的数据通讯采用中断处理方式，先进先出栈及环形缓冲的设计保证了系统数据传输的正确可靠，同时减小了系统开销。

3.2 FIFO （First In First Out）及环形缓冲

先入先出FIFO（First In First Out），即先被写入到FIFO的数据将会先被读出。它是一片用来缓存数据的存储单元，可以把需要处理的数据先暂存在这片存储单元中，在数据量达到一定数量时再集中处理，以提高系统性能。FIFO可以集成在芯片中，而当系统需要的缓冲区较大时，也可以用单独的RAM实现。FIFO是数据传输系统中极其重要的一环，特别是在2个处于不同时钟域的系统接口部分，FIFO的合理使用，不但能使接口处数据传输的输入输出速率进行有效的匹配，不使数据发生复写、丢失和读入无效数据的情况，而且还会有效地提高系统中数据的传输效率。

环形缓冲区是一种先进先出的循环缓冲区，从逻辑上理解，它是一段首尾相接的RAM单元；从内存结构理解，它是一段连续的RAM单元。在实时性要求较高的实际应用场合（如嵌入式系统高速数据传输和处理过程），要在极短时间内获取大数据量，且不允许数据丢失，那么采用环形缓冲区是一种理想的方法。

为保证雷达信号处理系统与数据处理系统的大量应答报告数据的实时交换，及雷达设备对点迹信号的实时处理，雷达在应答处理程序、应答报告接收/处理程序、点/航迹处理程序在这三者的数据交换中采用了高速的FIFO栈及环形缓冲存取的算法，来实现高速的数据流读取和数据处理的同步。

3.3 传输速率与扇区处理能力的关系

雷达数据处理系统输出目标航迹信号有两种方式，一种是通过以太网口输出航迹信号给交换机，供显控终端显示；一种是通过串口服务器向MDOEM、PCM、FA16 SRX板、卫星等雷达信号传输设备输出基于HDLC协议的雷达数据，供雷达航迹融合系统使用。为了保证雷达信号传输的实时性，空管系统通常采用同步通信的方式传送雷达信号。

雷达输出的HDLC目标航迹数据包长度为29Byte，输出的雷达服务（正北/扇区）信息数据包长度为11 Byte。雷达把空域按扇区划分，以一定的周期重复扫描空域并发送不同的报文如正北报，扇区报和目标报。雷达信号将监视环境划分为32个扇区，以4秒为周期重复扫描空域，雷达天线跨过扇区边界的时候发出1个目标消息类型的扇区跨越包，跨过正北方向时发出1个雷达服务消息类型的正北标记包，在天线扫描每个扇区对应的角度360°/32=11.25°时发送一次对应的目标数据包，如图2所示。二次雷达的转速是15转/分，每个扇区经过的时间则为4/32=0.125秒，假设当前扇区系统应答处理完成了n个目标，串口输出速率为C1 bit/s，则当前扇区的串口信息量输出能力为C1*0.125 bit，串口输出速率C1和扇区内航迹目标数n的关系为：

当C1为9600 bps时，根据上述公式n=4.79，即传输速率为9600bps时，串口能够传输的雷达航迹信息量为150Byte，由于目标数目一定是整数，则单扇区在该速率下最多可输出4个目标的航迹信息。

如果雷达天线在该扇区正好跨过正北方向时，还需加上一个正北标记包的数据大小，即

当C1为9600 bps时，根据上述公式n=4.41，同理，覆盖正北方向的扇区在9600 bps传输速率下最多仍然只能输出4个目标的航迹信息。

由于某雷达最大目标处理能力为80批/扇区，则系统最大处理能力时对串口输出速率C1的要求为：

根据上述公式C1=149184 bit/s。

通过上述分析，我们可以知道系统每扇区时间周期内航迹目标处理产生的最大数据量不能超过串口的能力，当航迹处理程序输出的航迹目标数据流速率大于串口数据输出流速率时，串口缓冲区可能会溢出，导致数据的丢失。根据文献[9]的研究，输入流速率与输出流速率的差值越大，所需要的缓冲区容量就越大。但是雷达数据处理具备实时性要求高的特点，如果缓冲区容量设的过大，下一扇区数据到来之前没有完成本次扇区的数据输出，则雷达输出的数据信息将滞后于实际的飞行情况，影响到管制人员的工作，给飞行安全带来危险。所以当扇区内目标处理产生的数据输入速率大于串口输出能力且串口缓冲区写满时，为了保证雷达信号的实时性，系统采取下一扇区新的数据覆盖上一扇区未能传输完的最老的数据的机制。

通常传输设备的端口速率和串口通信速率设为一致，以当前扇区正好覆盖正北方向为例，扇区时间内航迹处理产生的最大可传输航迹数目n和传输速率C的关系为：

其中n只能取整数，C为2400的倍数关系。按常用的几种传输速率计算得表1。

3.4 实例分析

春运期间，湖南空域航班流量较大，某雷达在雷达融合处理系统中出现阶段性丢目标和丢高度的现象。借助监视数据质量分析系统，发现在流量高峰期，该雷达输出的航迹信号有较为明显的扇区丢失，4秒周期航迹数统计为112-130个，扇区丢失数为1-4个；同期对比雷达本地显控终端统计信息为航迹数141个，点迹150个左右。当时雷达串口输出速率和传输设备的端口速率均配置为9600 bps。由表1可知，的传输速率无法满足扇区内目标数大于4的情形，当扇区内航迹处理目標数大于4，9600bps传输速率必然导致数据丢失；而雷达本地显控终端由于使用10/100Mbps交换机连接，不存在带宽限制瓶颈，故雷达本地航迹统计数大于雷达融合处理系统统计的航迹数。将雷达串口输出速率和传输设备端口速率调整至后，再也没有出现过扇区丢失的情况。

由此可见，雷达传输速率大小的设置必须跟当地航班流量大小相匹配，速率设置太小会引起扇区丢失、高度丢失等网络阻塞和丢包现象，而提高传输速率要以消耗更多的传输资源为代价，因此，雷达信号传输速率的设置必须因地制宜，并非越大越好。由于雷达信号传输通常使用子速率传输，即小于64k bps的速率，现有串口雷达传输方案在传输该雷达数据时，不能满足该雷达最大目标处理能力对传输的要求。

4 结束语

本文从雷达数据的特点和传输网络对于航管雷达融合航迹的影响为基础，采用通信原理演算出传输速率对雷达航迹输出的影响，并结合某雷达站阶段性丢目标和丢扇区现象，分析了该现象产生的原因，提出了具体解决方案。实践证明，该方法可以有效解决雷达信号因传输速率影响而航迹不连续的问题，对该雷达大规模推广应用具有重要的借鉴意义。同时，其他格式的雷达信号所需传输速率也可同样参考此方法进行分析，调整最合适的传输速率，从而改善雷达信号传输质量。

参考文献：

[1] 王屹峰，牛磊.雷神雷达数据格式浅析[J].Air Traffic Management ，2008（3）：14-17.

[2] 刘宇.雷达数据处理中的航迹相关[D].成都：四川大学，2003.

[3] 张宝忠.空管雷达组网数据传输时延的研究[J].信息与电脑，2010（05）.

[4] 关朝晖.多雷达系统数据包抓取与分析算法的设计[J].信息与电子工程，2011（1）：7-9.

[5] 朱勇，陈刚，周禄华.空管系统中雷达数据引接技术的研究和应用[J].电子质量，2015（7）：23-26.

[6] 韩晓峰.雷达数据处理及其实时性的研究与应用[D].成都：四川大学，2006.

[7] 刘俊杰.邬秋香.民航空管雷达航迹模拟技术的设计与实现[J].空中交通，2014（2）：22-25.

[8] 邹津.权太范.雷达航迹处理研究[J].无线电工程.1992（4）：22，20-27.

[9] 刘晓文.基于CAN网络的嵌入式软PLC系统环形缓冲研究[J].工矿自动化，2015（4）：94-98.

[10] 魏永清.具有软件模拟FIFO缓冲区的串口通信模块设计[J].嵌入式软件应用，2006（7）：64-66.