机场多普勒天气雷达天线定位精度诊断系统

范大伟 祁珊 曹敦波

摘  要： 天线定位精度是天气雷达的一个重要参数，根据要求每半年需要对该参数进行一次测试。但是目前例行测试方法存在一定的局限性，为解决此问题开发了一套天线定位精度诊断系统。该系统以天气雷达体扫基数据为基础，通过获取每个径向的仰角和方位角信息，进而得到雷达天线的运行轨迹和相关数据，利用这些信息可以帮助维护人员准确、快速的掌握雷达天线定位精度情况。

关键词： 天线; 定位精度; 多普勒天气雷达; 体扫模式

中图分类号：TP311.1          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）10-05-03

Abstract： Antenna positioning accuracy is an important parameter of weather radar， which needs to be tested every six months according to the requirement. However， there are some limitations in the current routine test methods. To solve this problem， a diagnostic system for antenna positioning accuracy is developed. According to the volume scan data， by acquiring the elevation and azimuth information of each radial direction， the system can obtain the trajectory of the radar antenna and relevant data， which can help the maintenance personnel to accurately and quickly grasp the positioning accuracy of the radar antenna.

Key words： antenna; positioning accuracy; Doppler weather radar; volume scanning pattern

0 引言

機场多普勒天气雷达（以下简称ADWR）是由安徽四创电子股份有限公司设计、开发的新一代大型C波段全相参脉冲多普勒天气雷达。它是警戒强对流天气、分析中小尺度天气系统，是制作短时天气预报的强有力的工具，同时也是管制人员指挥飞机进行雷雨绕飞的重要参考依据[1-2]。

天线定位精度是天气雷达的一个重要参数，它的大小直接影响着雷达探测回波位置的准确性，回波位置是否准确直接影响飞行安全。根据规范[3]要求ADWR方位和俯仰的定位精度小于等于0.1°。根据本单位运行手册要求，每半年需要对ADWR进行换季维护，维护的内容之一就是对天线的定位精度进行测试。具体的测试方法如下：①方位定位精度：通过控制终端设置指定的方位角（0°到330°每隔30°取一个方位角），执行后记录终端显示器上角度指示值，检验时以设置值与指示值的差值的均方根误差表征方位定位精度;②俯仰定位精度：通过控制终端设置指定的仰角（0°到55°每隔5°取一个俯仰角），执行后记录终端显示器上角度指示值，检验时以设置值与指示值的差值的均方根误差来表征俯仰定位精度，具体的测试表格如表1所示。

该方法通过测试24个固定点，利用这些固定点的测试情况，表征天线的定位精度，这种测试方法存在一定的局限性。因为日常运行中ADWR都处于体扫模式，ADWR采用的是14个仰角的VCP11体扫模式，涉及到的点不少于6440个，换季维护中测得的仰角和方位角定位精度并不能完全表征体扫模式下的天线定位精度，因此非常有必要对体扫模式下的天线定位精度进行定量的测量，以确保为预报员和管制员提供可靠的产品。基于上述分析本文开发了一套机场多普勒天气雷达天线定位精度诊断系统，该系统以ADWR体扫基数据为基础，通过获取每个径向的仰角和方位角信息，利用这些信息得到天线的运行轨迹（包括仰角和方位角）和相关数据，通过这些信息可以帮助维护人员准确、快速的掌握天线定位精度情况。

1 基数据解码

ADWR的基数据文件由文件标识、头文件和雷达数据记录块组成，其中文件标识和头文件总计2060个字节，雷达数据记录块以径向数据为单位，每个径向数据占4011个字节。本系统所需的每个径向的仰角和方位信息就存在径向数据的前四个字节当中，第一和第二个字节代表仰角信息，第三和第四个字节代表方位角信息。

2 系统的设计

该系统以基数据为基础，利用MATLAB图形界面设计思路来实现。MATLAB是由美国Mathworks公司发布的面向科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境[4]。MATLAB作为强大的科学计算软件，提供了图形用户界面的设计和开发功能，图形用户界面的设计需要遵从一定的原则和步骤，具体可参考文献[5]。本系统的设计步骤如下：

⑴ 在MATLAB命令窗口输入guide命令，根据提示创建一个新的Blank GUI;

⑵ 在新界面中加入所需要的坐标、文本框、编辑框、按钮等;

⑶ 通过Tools下的Toolbar Editer向新界面中添加放大功能键、缩小功能键和数据光标键;

⑷ 编写回调函数，回调函数的主要功能为读取基数据中的仰角和方位角信息，并利用这些信息画出天线的运行轨迹，同时计算得出相关数据。

3 系统组成及对比分析

表2为2017年10月12日ADWR换季维护时天线定位精度的测试数据，从表中可以得出天线的定位精度比较好，所有的差值都比较小，经过计算方位角均方根误差为0.045，仰角均方根误差为0.044，均在标准0.1°以内，利用这些数据可以推断天线定位精度比较准确，满足规范要求。

图1机为机场勒天气雷达天线定位精度诊断系统界面，该系统主要由图形显示区域、数据显示区域和工具栏三部分组成，所使用的数据为2017年10月8日11时25分ADWR基数据。

图型显示区域，横坐标代表径向数（体扫第一个仰角的第一个径向数据为0，以此类推），纵坐标代表度数（°）。红色曲线代表天线仰角的运行轨迹;黑色曲线代表天线方位运行轨迹，方位范围0°-360°，为了便于将方位运行轨迹与俯仰运行轨迹放在同一个坐标下进行显示，這里所有的方位数值都缩小100倍;蓝色曲线代表当前径向的方位角与上一个径向的方位角的差值。

数据显示区主要有四列数据：第一列为标准仰角数据;第二列为实测仰角数据;第三列为每一个仰角层中包含的径向个数，这里需要说明每层的径向个数不一样是正常的;第四列为每个仰角层中前后两个方位角差值超过1.4°的个数。

工具栏包括三个工具，放大、缩小和数据光标，这三个工具主要用于图形的放大、缩小以及显示图像上具体点的具体数值。

从俯仰轨迹可以看出，每一个仰角的初始阶段都存在一定的抖动情况，这是因为天线在完成一个仰角的扫描后往上提升时存在一定的过冲，伺服系统为了防止天线运行中出现过大的过冲，通常都有控制校正。从图中可以看出过冲控制的比较好，运行轨迹比较平稳，但是从实测仰角（实测仰角计算中已将过冲部分的数据去除）可以看出有些仰角的数值与标准值相比有一定的差距，最大的已经超过了0.2°，这在一定程度上反映俯仰齿轮已经存在间隙大的问题。

方位差值轨迹理论上是一条纵坐标为0.78°左右的直线，这是因为每个仰角的径向数据基本上是在460个左右，而且方位角的范围是0°到360°，[360460≈0.78]。但是通过方位差值轨迹可以发现，还是存在一些“毛刺”（明显偏离0.78的点），这些“毛刺”的存在，涉及到终端软件系统、伺服控制系统和信号处理系统，说明这些分系统在产生、传输和处理角码过程可能存在一定的问题，比如丢帧情况，但是由于“毛刺”所占的比例不足1%，而且都是孤立存在，对产品的影响可以忽略不计。

利用该系统得出的数据可以看出目前ADWR的俯仰定位精度存在一定的偏差，最大差值已经超过0.2°，接近0.3°，一旦超过0.3°，探测数据将会丢失，因此目前存在一定的安全隐患;方位定位精度比较准确，尽管存在“毛刺”现象，但是“毛刺”所占的比例不足1%，在可接受的范围内。相比于换季进行的天线定位精度测试，该系统实现了对体扫模式下天线定位精度的测量，而且更容易发现问题，比如利用该系统发现俯仰定位精度变差的问题（2017年10月厂家巡检时证实存在此问题）。

4 结束语

该系统实现了对ADWR体扫模式下天线定位精度的诊断，通过该系统可以得到天线的运行轨迹以及相关数据，利用这些信息可以帮助维护人会员更加准确、快速定量地分析天线的定位精度，确保雷达提供产品的准确性。经测试，该系统可作为ADWR天线定位精度例行测试方法的有效补充。目前该系统已成功用于民航新疆空管局气象中心多普勒天气雷达换季维护中，使用效果良好。

参考文献（References）：

[1] 胡忠文. ADWR雷达速调管故障分析处理[J]. 气象水文海洋仪器，2012.1：87-91

[2] 范大伟，张利平，张茜，等. 机场多普勒天气雷达三维显示系统[J]. 气象水文海洋仪器，2018.35（3）：55-60

[3] 中国民用航空局空管办. 民用机场多普勒天气雷达系统技术规范，2012：11

[4] 张涛，齐永奇. MATLAB图像处理编程与应用[M].机械工业出版社，2014.

[5] 周品. MATLAB图像处理与图形用户界面设计[M].清华大学出版社，2013.