低空监视雷达网在通用航空监管中的应用

2017-10-31康美玲

制导与引信 2017年4期

高龙，康美玲

（上海航天技术研究院，上海201109）

0 引言

近年来，低空空域目标监视将面临目标飞行高度低、雷达散射截面（RCS）小、速度慢等情况，监管需求越来越高。低空监视雷达网是一种以低空雷达为主体的主动式监视体系。随着通用航空产业的发展，作为航空运行管理和服务保障基础设施的低空监视雷达网的建设得到了广泛的关注。针对航空系统对低空空域监视管理的需求，提出低空监视雷达网涉及的创新技术和关键问题，给出有效解决途径，探讨了应用前景。

1 低空监视雷达网的技术创新点

低空监视雷达网将多部雷达按一定的配置方法进行部署，不同的雷达分别对合作/非合作目标进行探测和跟踪。各雷达获得的目标信息采用通信技术实时互通，完成“网状”收集和传递，并由中心站处理、控制，从而形成一个有机的整体。利用网内各雷达站的信息（原始视频、点迹、航迹等），建立起比单部雷达质量更好的航迹，得到雷达覆盖范围内的低空空情和通用航空飞行态势，还可以利用融合数据向航空用户提供重大活动监控指挥、飞行导航、突发事件预警、抢险救灾空中救援、通用航空飞行培训及娱乐等服务。

低空监测雷达网具备以下创新点。

（1）通用航空开放空域低空目标监视

针对通用航空开放空域（1 km～3 km低空）内“低小慢”目标进行主动式探测。采用自适应动目标检测、三维杂波图和超杂波检测技术，结合雷达工作模式优化和资源管理，获得城市地理环境下优良的目标检测能力，填补城市低空空域监视空白。

（2）提供多类信息服务

在目标监视雷达设备上，增加气象信号处理功能，解决目标监视与气象探测的系统资源矛盾，实现退距离模糊设计和高斯模型自适应处理地物杂波抑制。提供通用航空监视和气象预警、航线规划、紧急救助、城市反恐、威胁判断等多类服务，具有较强的经济性和配置能力。

（3）高系统可靠性及低成本设计

通过结构优化、热优化和关键器件优化，使系统可靠性达到5 000 h。系统成本远低于二维电扫相控阵雷达，具有市场竞争力。

（4）地理信息系统（GIS）叠加定位

与城市地理信息系统（GIS）相叠加，对目标位置、飞行趋势精准判断，实现空地一体化显示。

（5）与现有民航空管系统数据共享

与民航空中交通管理系统数据统一接口，两者相辅相成。针对用户需求提供城市飞行监视管理解决方案，实现空管自动化系统的综合空情显示和指挥控制。

（6）电磁辐射控制技术设计

该系统雷达辐射功率低，适应城市工作环境。

2 关键技术及解决途径

对应于技术创新点，低空监视雷达网通常要考虑解决如下关键问题：

a）雷达的配置和优化布站；

b）实时数据分发技术；

c）多源数据的关联和融合[1]。

2.1 雷达的配置和优化布站

低空监视雷达网的主要任务就是对航路和管制区进行多层覆盖，扩大探测区域，减少探测盲区，实现本地或异地雷达信号的双向传输和信息共享，保障空中交通安全，改善空中交通服务质量。为此，雷达组网必须满足空域覆盖原则：

a）保证雷达管辖区的全空域覆盖；

b）一部雷达的顶空盲区必须被另外至少一部雷达的探测范围覆盖；

c）空域覆盖要有一定的冗余；

d）不仅要考虑水平面覆盖，还要考虑高度维的覆盖；

e）保证对低空目标的探测[2]。

为了充分利用雷达网的优势，雷达站布置必须保证对航路的覆盖和对重点繁忙机场的多重覆盖。以下是常用的空管雷达两种布置方案。

图1是通用航空航路的布站情况，即将航路雷达放在两个机场中间。

图2 是机场终端监视的布站情况，将机场监视雷达放在机场附近。

由图1、图2可知，它们都是分散式体系结构。在这种体系结构中，各传感器对获得的原始数据先进行局部处理，包括预处理、分类及提取特征信息，并根据各自的决策准则分别做出决策，然后将结果送入融合中心，以获得最终的决策。分布式结构以较低的费用获得较高的可靠性和实用性，可减少数据总线的频宽和降低处理要求。当一个传感器降级时，其观测结果不会损害整个多传感器数据融合功能和特性。

2.2 实时数据分发技术

复杂网络环境下的实时高效通信，是低空监视雷达网数据通信必须面对的问题。低空监视雷达组网系统运行过程中，探测雷达产生大量探测数据和状态数据，这些数据以流的形式实时传送到融合中心进行处理，如图3所示。

融合中心处理后形成的综合空情数据也需要的实时的分发到各用户，以支持空域管理、资源管理。数据传输的实时性，是雷达组网系统的根本需求，也是提高组网系统整体实时性的重要手段。

提高数据传输的实时性可以从硬件、协议、软件等诸方面入手。

在硬件方面，可以通过更新网络设备，增加网络带宽等措施提高数据物理传输速度和质量。在网络传输协议方面，可以通过选择实时性较好的链路层/网络层/传输层协议或者对协议进行实时性改造[3]、开发新的实时传输协议、采用新的流量控制、拥塞控制和信道管理算法[4]、根据数据时间属性进行QOS管理、在现有协议和网络交互模式中增加时间测定能力等手段[5]，提升数据在网络传输过程中的实时性。

在软件方面，可以在网络层或传输层协议基础上，增加实时数据分发中间件，提高数据分发的实时性，这种方式一般是在现有的通用网络通信协议基础上实施，不涉及对底层的通信协议的改动。网络传输协议方面的改进需要相应的硬件设备的改造，会造成与现有网络设备、操作系统不兼容的问题，而中间件的方式则可以有效避免兼容性问题，是在现有基于TCP/IP网络互联背景下提高数据传输实时性的有效方式。

2.3 多源数据的关联和融合

在应用背景为低空空域环境下，低空飞行器种类多样，目标密集，目标机动性较强，探测环境复杂。此外，系统本身也包含有较大的传感器校准、转换和延迟误差。如图4所示，当三部雷达同时探测一个目标时，在融合中心将出现航迹冗余和混乱的情况。

针对低空监视雷达网低空空域探测的需求背景和应用环境，本项目将通过多源信息融合建模，并利用模式识别理论中的模糊相似性和模糊聚类思想进行数据处理，对多传感器的测量数据进行数据关联和融合，以区分源于不同目标的测量数据，实现数据的正确关联和融合。

混合式信息融合模型如图5所示。先在雷达站进行部分数据处理，然后发给中心处理进行数据融合，可减轻通信和处理负担。混合式信息融合模型对数据处理中心性能、通信带宽、系统时延、融合精度和探测概率的要求获得到较好的折中，比较合理。

信息融合是一个过程，它把来自雷达网内不同传感器和信息源的数据和信息加以联合、相关和组织，获得探测目标的精确的状态和属性估计，以及对整体空情态势进行适时的综合评估。它主要包括两大部分：数据关联和融合处理。

模糊聚类算法是一种新的模糊数学方法，它利用观测数据的不确定性（即模糊性）把某一时刻t得到的n个测量数据分配给m个航迹。从模糊聚类的观点看，如果在某一时刻能把各传感器的测量数据进行正确的聚类，就可以知道在该时刻该观测空间出现的目标数，从而进行数据融合。

本方案应用模式识别理论中的模糊相似性和模糊聚类思想，对多传感器测量数据聚类，以区分源于不同目标的测量数据，实现数据的正确关联和融合。采用Rij表示探测目标的属性，其中i=1，2；j=1，2。现在的问题是判断R11，R12，R21，R22是否有属于同一目标的航迹。将这个问题作为对两个传感器的二值假设检验问题来考虑：用H1代表两条航迹是同一目标航迹，H0代表两条航迹是不同目标的航迹，即

定义两条航迹的统计距离为

利用模糊聚类算法确定最佳｛dij｝（i，j=1，2）元素之间的相似度矩阵

其中：

式中：m为权重因子，通常取值范围为1～5。

关联决策Dij通常根据最小精度传感器决定。即

式中：Dij=1表示两条航迹隶属于同一探测目标；Dij=0表示两条航迹隶属于不同目标。

对于隶属于同一目标的两条航迹，可以进行航迹融合，得到精度更高的新航迹：式中：ksup=Maxk｛ukk｝，k=k1，k2，…，ks。

应用上面的算法流程，进行仿真实验。采用三个不同类型的异型传感器，观测两个交叉直线航路目标。进行200次蒙特卡洛后，得到仿真结果如图6所示。

由图6可见，经数据融合后的三个目标融合为一个目标，且目标位置和速度误差，均小于三个雷达中的最小误差，说明经融合后的系统探测精度优于单传感器探测精度。

3 低空监视雷达网在通用航空监管中的应用

低空监视雷达网在通用航空监视管理中的应用非常广泛，如空中交通监管、通航机场着陆导航等[6]。不同的应用领域和不同的应用场合对导航系统和雷达监视设备的要求也不尽相同，但都应保证飞行的安全性和高效性。

3.1 通航空中交通管理系统

随着通用航空低空空域的逐步开放，需要掌握低空空域监视的有效手段，加强空中交通管理。很多中小型民航机场没有监视设备，缺乏有效地监视手段，其他辅助探测手段稀少，情报综合效率较低，覆盖范围有限，给飞行安全带来严重的隐患。

将北斗卫星导航系统和低空监视雷达设备相结合，在通航监管中，建立一体化的通航空中交通管理系统，利用导航系统提供的位置与速度信息，提高对通用航空合作飞行目标的监视与识别能力。通过低空监视雷达网对通用航空非合作飞行目标进行探测和监视，不仅能够解决以上监管需求，而且能够打破GPS定位的技术垄断，形成一个开放的集查询、监视、控制、管理、决策于一体的综合交通管理系统，提高空中交通管理系统容量、效率和安全。