雷达目标大面积分裂快速检测的设计与实现——以利用Site Monitor 信号分析为例

□ 民航汕头空管站 曾培彬／文

当前的空管自动化系统采用了多雷达融合的监视源设计，可以解决单一雷达信号质量不稳定、覆盖范围有限的问题。但是如若空管自动化系统融合算法不科学、雷达基础数据配置异常、雷达天线功能异常、雷达接口单元异常、雷达接收机异常则容易造成雷达目标分裂。

雷达目标大面积分裂是常见空管自动化系统故障之一，究其原因，前两者基本出现在空管自动化系统投产时的测试和试运行，后三者主要是雷达站雷达源处理异常导致的，在实际运行中出现的概率较大。目前，全国各地空管单位都在相应的应急处置流程中明确，出现目标大面积分裂时必须快速排查出影响信号的雷达源并将其与空管自动化系统断开，而在运行中，技术保障人员基本上是通过空管自动化系统单路雷达信号逐一与系统融合信号的对比，找出造成分裂的雷达信号。这种方法虽然简单有效，但是如果接入的雷达信号较多，不可避免会花费较多的排故时间。

Site Monitor是一种二次雷达位置监控，现有在运行的空管二次雷达都会配备有Site Monitor，在日常维护保障中，其主要作为外部基准信号用于雷达监视性能评估，并且可以应用于正北校准、天线维修检测等维护工作中。本文从实际出发，提出一种基于Site Monitor信号分析的空管自动化雷达目标分裂快速检测方法，通过对雷达站Site Monitor信号进行分析，以其为基准实现对雷达目标位置偏移的快速检测并在软件设计上实现。软件可以在空管自动化系统出现目标大面积分裂时提供单雷达的数据处理情况参考，提高对空管自动化系统雷达目标分裂排故的效率。

雷达数据分裂下的Site Monitor信号

Site Monitor信号的数据异常变化的原因有：一是雷达数据处理异常，二是Site Monitor本身异常。如若Site Monitor本身信号处理有问题，此时的雷达可信度下降，无法评估雷达数据质量。前者是造成空管自动化系统目标大面积分裂的原因，后者则对空管自动化系统的真实运行并无大影响，并且实际工作中两者同时出现的概率较小。因此，在得知Site Monitor信号分裂去判断空管自动化系统是否会产生目标分裂显然比较复杂，但是空管自动化系统如若由于单雷达本身数据处理异常导致出现大面积目标分裂，该雷达所属的Site Monitor信号却大概率出现分裂（此处的目标大面积分裂还有可能是由于传输延迟导致，此种情况Site Monitor目标数据不会分裂，鉴于通信设备的较强稳定性暂时不考虑此类情况，有待进一步探讨），这也是方法研究的意义所在。

在空管自动化系统中，数据分裂并判别为两个目标需要综合考虑目标的高度、平面距离、SSR、地址码等主要因素。对于一个或者可数的多数个目标分裂，这些因素都必须同时考虑，而对于大面积雷达数据分裂而言平面距离超出阈值则是最为主要、常见的原因，因此方法主要考虑距离因素。以民航汕头空管站在用的南京莱斯空管自动化系统为例，在其他因素不变的情况下其定义参与融合的单雷达航迹与系统融合航迹之间的平面距离超过1.5km则将其判定为目标分裂。为了快速得出基于Site Monitor信号分析的参数，可以直接在空管自动化系统中进行作图测距，测出Site Monitor信号的正常范围参数。

以Thales雷达的Site Monitor为例，在南京莱斯自动化系统界面上测距操作如图1。由于雷达数据解析出来的方位角是目标相对雷达坐标的真北方位角，而由于管制运行需要，空管自动化系统测量显示的具体角度是磁北坐标，因此必须将测量数值转换为真北坐标。本地空管自动化系统中心点的磁偏为2°，因此所有测量的方位角必须减去2°才是相对真北坐标方位。Thales雷达的Site Monitor在自动化系统中相对自身雷达的距离为166km（89.632nmi），方位角为磁北坐标165°，因此真北方位角为163°。以Site Monitor坐标点为圆心作15km半径的圆，并从该雷达坐标引两个测量线与该圆相切，两个测量线之间的方位角范围即是该空管自动化系统不出现目标分裂时Site Monitor的正常偏移方位角范围。距离方面的范围则可以直接由Site Monitor相对雷达站的距离加上或减去分裂门限15km（8.099nmi）即可。

按照图1，Thales雷达的Site Monitor参数为：相对自身雷达的方位角为163°，正常距离范围为81.53nmi～97.73nmi，正常方位角范围为159°～169°。同理由图2可以得出本地Raytheon雷 达 的Site Monitor参数为： 相对自身雷达的方位角为1°，正常距离范围为143.09nmi～159.29nmi，正常方位角范围为0°～4° 和358°～360°。

实际工作中，Site Monitor信号数据在正常运行中会有细微的变化，并且根据现场实际的运行统计这些变化长期处于某个范围内。其中，距离的变化主要是由于Site Monitor自身的延时处理性能决定的，而方位变化则是雷达的方位处理决定的，都和现场部署的环境和机器的性能有关。因此在本文的检测方法中需要对上述得出的正常运行范围参数结合各个雷达实际投产测试正常运行后的Site Monitor信号变化范围的修正得出符合实际的正常参数范围。

表1：现场Site Monitor 信号数据统计

以现场Thales雷达和Raytheon雷达的Site Monitor信号某一天每2小时的数据统计为例（经实际统计近5年的数据，每天数据类似），如表1。由表可以看出在距离的解析上，数据的变化较为稳定，变化范围基本处于0.01nmi（大约55m）内，波动较小。而角度则波动较大，并且不同雷达的波动范围差异性较大，系统可以对上述告警范围参数进行修正如下：

Thales雷达Site Monitor参数为：空管自动化系统测量方位角为163°，实际波动范围在163.60°～163.77°之间，都大于163°，最小波动幅度为0.6，最大波动幅度为0.77°。因此，正常方位角范围修正为：159.6°～169.77°。在距离处理上，由于各个自动化系统的界面图形测量是经过不同的坐标转换、投影转换和单位换算而得出的测量数值，与实际的数值有一定的误差，自动化系统测量距离为89.63nmi，实际雷达数据解析的数值却为89.97nmi。因此方法以实际测量为准，在波动范围内考虑自动化系统分裂判别阈值15km（8.099nmi）即可。因此，正常距离范围为81.87nmi～98.08nmi。

Raytheon雷达Site Monitor参数为：空管自动化系统测量方位角为1°，实际波动范围在1°左 右（0.99°～1.08°），向下幅度0.01°， 向上幅度0.08°。因此，正常方位角范围修正为：357.99°~365°，0°～4.08°。同理，正常距离范围为142.67nmi~158.88nmi。

方法的实现与验证

（一）硬件接入

实际工作中，雷达站的雷达数据通过通信链路送到航管中心的雷达数据分配器，雷达数据分配器可以将雷达站的雷达数据一路分为多路，分别接入不同的系统。当前空管自动化系统采用雷达协议转换器将雷达数据分配器的雷达数据从RS232同步信号转换为UDP网络信号，一台雷达协议转换器可以接入多个雷达站的雷达数据，最终协议转换器通过不同的网络端口识别不同雷达源数据（具体对应串口的UDP端口号在协议转换器的配置上可以设置）。本方法设计的软件系统采用同样的模式，利用现有的雷达协议转换器将各个雷达站的雷达数据转换为UDP网络数据接入到网络中供系统运行PC机使用。雷达协议转换器可以采用北京空管技术装备公司生产的MPCS802多通道协议转换服务器，其可以提供8路同步雷达信号转换为100M或10M的UDP数据。PC机则可以简单采用惠普HPZ440工控机即可，硬件接入实现结构如图3。

（二）软件实现

软件主要通过C#设计，分为UDP接收模块和Site Monitor信号数据解析模块。UDP接收模块采用C#中UdpClient类的“Receive”方法即可快速接收数据，采用多线程设计，并在多线程中进行控件操作。“Recivce”是一个可以传入具体端口号变量的接收函数，实际应用中该端口号与MPCS802多通道协议转换器配置的各个单路雷达的UDP端口数字字符串对应，换言之，系统可以直接建立一个8线程的数据处理过程，每个线程对应一个端口数据处理，每个端口数据处理可处理一路单雷达数据。最终实现多个雷达台站的Site Monitor的数据集中处理。

Site Monitor信号数据解析模块主要将不同通道的雷达数据字符串进行解析，并根据各个雷达站Site Monitor设置的SSR将Site Monitor信号数据筛选出来进行距离和方位角的分析。当前A/C模式雷达数据目标信息主要是基于ASTERIX CAT001（如若是S模式雷达则是CAT048），因此可以采用CAT001对A/C模式的Site Monitor信号数据解析。当然，雷达数据是基于HDLC（高级数据链路控制协议）的传输，经过协议转换器后的数据需要去除相应的标志码、地址码、控制码和校验位，只对其信息帧处理。HDLC的报头报尾标识为“01111110”，地址码和控制码分别是报头后续的两个字节，而信息帧作为ASTERIX数据块是一个可变长、最长可为256字节的数据段，校验位则紧跟在信息帧后，为2个字节。通过C#中string类的字符串处理方法即可最终得出具体的信息帧。信息帧的处理只需要按照ASTERIX CAT001数据项格式进行处理即可，方法与上述获取信息帧类似，此处不赘述。对于本设计而言，系统只需要考虑目标报告描述符（CAT001中的数据项I001/020）筛选具体的Site Monitor信息帧，并在具体的帧内解析对应的极坐标测量位置的数据，不用关注其他多余的数据项。CAT001的极坐标位置由数据项I001/040描述，实际数据为4位16进制，其中前两位表示距离，后两位表示角度，通过该数据项可以直接得出Site Monitor相对雷达站实时的具体距离和方位角，与上述设定好的正常范围参数进行比较，如若超过该参数则软件界面发出声光告警。

实际工作中，Site Monitor信号也有可能由于设备的断电或者故障导致无显示，此时数据分析没有相应的距离和方位角，如若累计达到一定的时间门限软件当即给予用户提醒，显示该雷达数据可信度降低。另一方面，如若传输设备出现时钟滑步，空管自动化系统也会出现目标大面积分裂，而此时Site Monitor目标信号依然没有分裂。该类情况虽然无法直接通过本软件定位具体异常雷达，但是却可以推测出是通信链路问题，结合本地通信链路配置和相关通信设备的告警信息也可以快速定位故障。