基于定位设备的雷达精度评估系统设计

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(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.安徽国际商务职业学院， 安徽合肥 230051)

0 引言

随着现代化战争对雷达装备性能要求的不断提高，雷达精度指标作为地面情报雷达的主要作战指标，越来越受到部队、雷达生产厂家的重视。目前，雷达精度评估工作作为雷达装备定型工作的一部分，主要由部队专门机构负责进行考核，主要是利用有人驾驶飞机雷达探测数据和高精度探测雷达数据来评估雷达精度，往往周期较长，组织实施不方便[1]；当雷达设计定型批产后，由于装配工艺以及不同批次雷达性能上的差异，各雷达本身在精度上往往存在较大的差异，难以保证满足精度指标要求，而且缺乏有效手段对批产雷达精度指标进行评估。

本文设计的雷达精度评估系统，利用当前主流的目标定位设备，如差分GPS、手持式GPS、ADS-B、高精度测量雷达等，通过对多种目标定位设备数据输出接口归一化处理，采用数据导入、数据筛选以及交互式查询等文件处理方式，按照GJB 74A—1998规定的雷达精度等指标计算方法对雷达精度指标进行评估，并以比较直观的方式显示各雷达参数精度分析结果，有效地解决了雷达精度指标评估相关工作，为雷达精度试验的开展提供了多种有效的方法和途径。

1 雷达精度评估系统

雷达精度评估系统的主要功能是按照雷达上报输出标准格式要求，实时采集雷达输出的目标数据，并按照统一的雷达数据文件格式要求进行存储，能够对多种目标定位设备存储的数据格式进行导入解析，归一化成统一的数据文件格式，通过导入雷达数据文件和目标定位设备数据文件，采用数据筛选、交互式查询等多种处理方式，对雷达数据文件中的每一组数据按照时间标签要求在目标定位设备数据文件中进行插值处理，从而产生目标数据所对应的真值数据文件，再参照国军标规定的精度指标计算方法对目标距离、方位、高度精度指标进行计算，最终得到各项参数精度指标以及比较直观的显示结果。

1.1 系统组成

雷达精度评估系统主要由目标定位设备、雷达终端(或雷达存储数据)、精度评估软件、笔记本电脑以及若干线缆组成。其中，目标定位设备主要包括差分GPS、手持式GPS、ADS-B、高精度测量雷达等，每一类型定位设备在正常使用后均能产生对应格式的数据文件，系统通过参数配置后能够适应多种定位设备的数据接口要求，用户可根据自身需求灵活配置；雷达终端的主要作用是向评估软件发送雷达探测到的目标数据，可通过网络或串口连接到评估系统，或通过对评估软件进行数据接口配置，以数据文件方式导入到评估系统中；精度评估软件是该系统的核心部分，能够将雷达数据文件和目标定位设备数据文件进行配置、导入、筛选、比较、分析等操作，最终得到雷达精度评估结果；笔记本电脑是精度评估软件运行的硬件平台，只要安装Windows操作系统即可，对其他配置没有明显要求；线缆主要包括网络、串口等线缆，主要用于连接评估系统内各组成设备。雷达精度评估系统组成如图1所示。

图1 雷达精度评估系统组成

1.2 工作原理

雷达精度评估系统通过网络或串口实时采集雷达输出的情报数据，并自动转换成统一的标准数据格式，当雷达输出格式不是标准格式时，能够通过对评估系统进行雷达参数配置后，将雷达终端存储数据导入到评估系统；对于ADS-B设备，评估软件能够通过网络实时接收民航目标飞行数据，主要包括飞机的经度、纬度、高度、时间、类别信息、位置导航精确度等[2-3]，并将这些数据进行存储；对于差分GPS、手持式GPS设备，可根据设备使用要求，将设备搭载在需要探测的目标设备上，通过事后数据导入到笔记本中，通过配置定位设备参数将其导入到评估软件中；对于高精度测量雷达，可以根据其数据存储格式要求对评估软件进行配置，保证高精度测量雷达数据能够导入到评估系统中。在雷达数据和定位设备数据均导入至评估系统后，系统根据雷达数据自动统计出当前数据包含的目标数量以及对应的目标批号列表，选择需要进行精度评估的目标批号，则系统会将包含该批号的雷达数据筛选并分离出来，再根据目标定位数据类型，配置对应的目标定位数据参数。当定位数据为ADS-B数据时，导入ADS-B数据后，系统会自动统计出当前数据包含的所有民航ICAO识别码，可根据需要选择对应的识别码，系统会进行数据筛选并自动转成对应的极坐标数据；当定位数据为差分GPS、手持式GPS设备时，导入数据文件后系统自动生成极坐标数据；当定位数据为高精度测量雷达时，需要指定对应的配置参数，当数据导入后会根据配置参数查找对应的数据项，并自动生成极坐标数据。当雷达数据与定位设备数据均成功导入并分离出待评估的数据后，采用数据筛选、交互式查询等多种处理方式对分离后的雷达数据文件中每一组数据按照时间标签在目标定位设备数据文件中进行插值处理，从而产生目标数据所对应的真值数据文件，最终计算出雷达各参数精度，并直观显示评估结果。精度评估主要流程如图2所示。

图2 雷达精度评估流程图

1.3 数据接口归一化设计

由于定位设备数据和雷达数据格式的多样性，在进行雷达装备精度评估时，往往需要针对这些数据做许多数据预处理工作，当待处理的文件数量比较多时，不仅处理过程比较繁琐，而且重复性工作较多，大大降低了工作效率。本文设计的雷达精度评估系统充分考虑了各定位设备数据与雷达数据格式的多样性，采用了数据接口归一化设计，将多种格式、多种类型的数据按照系统配置的参数自动进行数据预处理，并转换成统一的雷达数据格式，再进行后续雷达精度评估工作。通过数据接口归一化设计，减少了大量数据的预处理重复过程，提高了雷达精度评估工作效率，有效地解决了系统对各类设备的兼容性问题。

对于雷达目标数据的归一化设计，首先要定义关键数据项及其量纲，所谓关键数据项是指雷达精度评估系统在进行雷达精度计算时需要用到的数据项，如数据文件总列数、时间、方位、距离、高度等。通过参数配置把关键数据项在数据文件中的位置指定后，系统在进行雷达数据文件导入时，首先把目标批号提取出来，由用户来选择需要进行精度评估的目标批号，当目标批号确定后，就能从数据文件中快速导入和筛选出与当前批号相关的关键数据项，从而形成了统一的雷达数据格式。雷达精度评估关键数据项在数据文件中对应的列参数在不重复的情况下可以任意指定，其对应关系如图3所示，大大方便了雷达数据文件导入到雷达精度评估系统中。图4是评估系统雷达数据文件参数设置对话框，选择标准数据文件格式复选框，各关键数据项所对应的参数能够自动生成，标准数据文件格式能够根据实际情况进行修改，增强了系统在使用过程中的灵活性。图5是评估系统在雷达数据文件导入后的批号选择框。

图3 雷达精度评估关键数据项与数据文件中的位置关系

图4 关键数据项在雷达数据文件中的参数设置对话框

图5 评估系统目标批号选择与ADS-B数据航班ICAO识别码选择框

目标定位设备主要依托于GPS定位，它是一种全天候的全球导航定位系统，能为用户提供连续、实时的三维位置信息，其在测量、导航、测速等方面已经得到了广泛的应用[4]，随着人们对GPS认识的不断加深，其应用的领域也在不断扩大。本文针对目前市场上主流的目标定位设备，如手持式GPS、差分GPS、ADS-B等，采用数据接口归一化设计，通过对应的软件解析模块把对应格式的数据文件导入到雷达评估系统内，提取出必要的数据项，并将大地坐标转换成极坐标[5]，形成统一的目标定位数据格式。图6是不同目标定位设备的数据格式与目标定位设备选择对话框，图6(a)～图6(c)分别对应着手持式GPS、差分GPS、ADS-B设备的数据存储格式，图6(d)是目标定位设备选择对话框，如果采用的目标定位设备是其他设备，可根据其数据存储格式要求自定义数据文件配置参数。对于高精度测量雷达来说，可以参照雷达数据文件的关键数据导入方式按照配置参数进行导入。这里需要说明，对于ADS-B数据格式来说，由于其包含了多个民航飞机目标数据，在进行数据文件导入时，首先根据图5所示单击GPS文件按钮，选择对应的ADS-B数据文件，当导入数据文件后，系统会解析并显示数据文件中所有记录的航班ICAO识别码，再根据需要评估的雷达批号选择对应的航班ICAO识别码。

(a)手持式GPS目标数据储存格式

(b)差分GPS目标数据储存格式

(c) ADS-B目标数据储存格式

(d)目标定位设备选择对话框图6 目标定位设备数据储存格式和目标定位设备选择对话框

1.4 基于数据文件的精度分析方法

当雷达数据文件和定位设备数据文件均导入到雷达精度评估系统后，点击图5所示的精度分析按钮，评估系统会遍历统一格式后的雷达数据文件，提取该文件每一组雷达数据包含的时间数据，再通过目标定位数据文件查找出与该时间数据项最为接近的两组目标定位数据，并按时间关系对这两组目标定位数据进行插值处理，得到对应的目标真值数据，将该组雷达数据与对应的真值数据按要求进行存储，按此方法遍历雷达数据文件中全部数据，最终得到一个用于雷达精度评估的数据文件，点击图5所示的精度分析按钮，评估系统自动计算出雷达距离、方位、高度精度，并直观显示精度评估结果。

2 试验结果

图7是本文设计的雷达精度评估系统对某型号雷达在研制过程中的单个架次目标距离精度分析结果，该系统实时采集雷达终端航迹数据和ADS-B定位设备数据，当样本数满足精度计算要求时，停止采集数据，形成对应的雷达数据文件和目标定位数据文件，通过评估系统分别导入这两组数据文件，如图5所示，分别选择某一批次目标和对应的航班ICAO识别码，再点击精度分析按钮，系统就会自动统计出本批目标的精度分析结果，图7是该型号雷达距离精度分析结果，雷达距离系统误差为20.043 m，方差为60.093 m，方位和高度精度分析结果这里不再一一显示。如果需要进行多个架次目标精度合成，可以保存每一架次的雷达精度分析结果，满足架次样本数要求后再进行雷达精度合成计算。这里有两点需要说明：第一，在单个批次雷达精度计算过程中，对于大于3倍标准差的数据需要进行野值剔除，不参与雷达精度计算；第二，对于差分GPS、手持式GPS定位设备由于其数据文件记录的为单个批次目标数据，只能进行单个批次的雷达精度分析，如果需要多个架次目标精度合成，则需要多次重复有关试验过程。

图7 雷达精度评估系统距离精度分析结果

3 结束语

本文设计了一种基于目标定位设备的雷达精度评估系统，该系统能够实时接收雷达上报的多种标准格式航迹数据和ADS-B设备数据，采用了数据接口归一化设计和数据文件导入方式，方便了非标准雷达数据、手持式GPS、差分GPS以及高精度测量雷达等多种格式数据文件的导入，避免了繁琐的数据预处理等重复性工作，有效地解决了非标准雷达数据和多种目标定位数据的兼容性问题，具有显示直观、操作简单、灵活性强等优点，为今后地面雷达精度评定工作的开展和数据处理算法评价提供了可行的途径与方法。

[1] 刘冬利,张驿,庞海滨,等. 利用无人机标定雷达精度的新方法[J]. 电讯技术, 2015, 55(2):146-150.

[2] 杨蓓蓓,张洪川. 一种基于ADS-B的雷达性能测试方法[J]. 雷达与对抗, 2015, 35(2):12-14, 51.

[3] 童卫勇,朱佳丽,薛锋. 基于设计模式的ADS-B终端软件设计与实现[J]. 雷达与对抗, 2015, 35(2):56-59, 68.

[4] 赵永奎. GPS组合系统在民用航空中的应用[J]. 航空电子技术, 1996(2):37-42.

[5] 熊毅,张承志,汪在华. 基于无人机GPS系统的雷达精度分析方法研究[J]. 雷达与对抗, 2012, 32(2):21-23, 39.