多雷达数据融合的测试平台的设计与实现

Ａｐｒ．２００６　ＶＯＩ．１７　Ｎｏ．３　中国民航飞行学院学报　Ｊｏｕｍｆｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉ￣ｉｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　多雷　数据融舍的　试平台的设针与寥现　张元忠　（电子科技大学计算机学院摘　关键左志宏　四川成都６１００４１）　要：分析了我国主要在用的多种航管雷达的特性，针对多雷达数据融合处理的测　词：多雷达数据融合空管系统　测试平台　试需求，开发了适用于空管系统开发的实时测试平台。　中图分类号：Ｖ３５５　文献标识码：Ａ　ｌ引言　、　而有的全国性的管制系统要求能同时处理３　０００　随着我国经济的快速增长，航空事业得到迅　猛发展，航空器数量不断增加，空中交通日益繁　忙，我国正加大力度进行空管自动化建设，因此　近几年我国的空中交通管制设备的研究也取得了　较大的进展，但主要还是国外的设备占统治地　位。影响空管自动化系统竞争力的主要因素是系　统的可靠性、稳定性，因此开发过程中的充分测　试就成为一个不可缺少的环节。空管系统的核心　是空管雷达数据的处理，所以搭建一个多雷达数　据融合的测试平台是一件事半功倍的工作。　２设计目的　２．１定性地对系统进行测试　架飞机。对于这些量的指标，以往从未能实现过　测试，而多雷达模拟软件就能满足这种测试需　求。　２．３针对不同的雷达特性生成相应的雷达数据　由于我国的航管雷达主要依靠国外引进，雷　达种类很多，有日本的东芝和ＮＥＣ、意大利的　ＡＬＥＮＩＡ、法国的汤姆逊雷达、德国的西门子、　美国的雷神和西屋等等，每种雷达的特性和数据　规范都不相同，软件中就需要对不同的雷达作相　应的特别处理，为了测试软件是否能正确地处理　这些雷达数据，就需要模拟生成不同种类的雷达　数据加以测试。　空管自动化系统的各种告警能力，在实际环　２．４加快产品的研发进度　境中几乎是无法得到充分测试的，如飞机冲突告　警的测试就不可能让两架飞机真正造成飞行冲突　来测试系统。以往要做这种测试，只有将告警的　有了模拟系统就可以较方便地根据国际空管　自动化系统发展的最新情况及时地更新软件，使　研发的软件跟上最新的技术发展。如现在基于卫　星的飞机导航已经在开始投入实际运用中（穿越　四川西部的Ｌ８８８航线就是采用基于ＧＰＳ技术的　卫星导航），在收集到相应的资料后就可以使开　发的软件加入这些功能，并且使用模拟的数据进　行充分的测试。　条件放宽后，出现告警即算测试通过，但这种测　试方法是不可靠的。而在模拟的测试平台中，可　以对任何一种告警环境进行模拟，如飞机的相向　飞行，追赶飞行，交叉飞行，以及低空条件下的　告警，高空条件下的告警标准等。　２．２定量地对系统处理能力进行分析　对于空管系统的各种量的指标，往往不能得　３系统结构　多雷达数据处理，是将各异地雷达航迹数据　从不同的时一空坐标参考系统变换、对准到管制　中心统一的时一空坐标参考系统，即航迹数据的　到准确的测试，如系统的最大处理能力，有的机　场管制中心系统要求最大能处理２５６架飞机，有　的区域性的管制中心系统要求处理５１２架飞机，　时一空对准。在多雷达数据融合的经典算法中，　维普资讯 http://www.cqvip.com

中国民航飞行学院学报　２６　Ａｐｒ．２００６　ＶＯ１．１７　Ｎ０．３　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　考虑综合的目标运动学参数，如位置坐标、速度　矢量等，必须是目标被各台雷达在同一空间位置　和同一时刻探测得到的数值。由于航管雷达通常　都处于异步扫描状态，基本上不可能由多台雷达　在同一时刻照射同一目标。因此，一般都需要进　行单雷达航迹的内插、外推，折合到同一时刻、　同一空间位置后，才能实现正确的数据综合。而　在进行这种折合之前，首先必须统一时一空坐标　系，这是因为各雷达都是本雷达所在地理位置作　为参考点探测目标运动学参数的，没有统一的空　间、时间参考点和统一的参考坐标系。　整个系统从满足多雷达融合的处理需求，分　为雷达、飞行器、地图三大要素，这三大要素既　相互关联，相互制约，又相对独立，可划分为雷　达探测子系统、飞行器管理子系统、雷达数据生　成子系统、数据输出子系统、地图管理子系统、　飞行计划管理子系统等六个子系统。　４主要子系统功能　４．１雷达探测系统　系统根据用户设置的雷达参数将多个雷达组　成一个联网雷达系统，在这个系统中每个雷达自　我独立，不受其他雷达的任何影响，保证单雷达　的完全独立性。当前需测试的航管数据一般有以　下几类：一类是基于扇区的航管雷达，如成都双　流机场的ＲＡＹＴＨＥＮ和ＴＨＯＭＳＯＮ雷达等，目标　的送出时机是当雷达天线的扫描角度跨越扇区　时，该扇区内的所有目标数据送出：第二类是基　于目标的航管雷达，如贵阳龙洞堡机场的西屋雷　达，即当目标处于天线扫描角度时，该目标的信　息被送出；第三类是基于通信的目标，如ＧＰＳ导　航和西部航线使用的ＡＤＳ导航，通过空地通信获　取目标的信息；第四类是综合雷达信息，即管制　中心多雷达融合后的系统雷达数据，这种数据的　送出时机是基于周期的，即当一个周期开始时，　一次性地把该系统探测到的目标送出。对于第三　类数据，由于通讯的随机性，所以可以同第四类　数据一样，进行周期性的输出，具体算法是：当　一个周期开始时，遍历所有飞行器，计算飞行器　和雷达的相对位置，如果距离在雷达探测范围　内，则从该雷达通道输出该飞行器的数据。对于　第一、第二类数据，由于雷达天线的转速一般是　固定不变的，所以系统定时地获取当前时间，并　根据时间计算当前各雷达的天线角度。这里有两　种不同的方法来选择输出目标数据的时机，一种　是天线角度穿越扇区时，遍历所有飞行器，计算　飞行器与雷达的相对位置，根据飞行器与雷达的　距离判断是否在雷达探测范围内，再根据角度判　断是否在当前扇区内，如果条件满足则输出，这　种方法的优点是实时性较强，缺点是计算量较　大，如雷达的扇区数据是３２扇区，则每周期需要　遍历３２次，而且具体实现时还要考虑目标在两个　扇区的间隔时间内穿越扇区的可能性；另一种算　法是在雷达天线新的扫描周期开始时（一般是天　线经过正北时），遍历所有飞行器，将雷达探测　范围内的所有飞行器的ＩＤ记录到每个扇区的探测　目标列表中，当天线跨越某一扇区时，根据该扇　区的目标列表，计算目标的信息，直接输出。这　样所有的目标最多只计算了两次，对于３２扇区的　雷达来说，计算量比第一种方法减少了３０倍，这　种方法的缺点是目标的送出时机可能不正确（如　目标在４扇区时或在５扇区才送出），但分析实　际的雷达数据后发现，真实的雷达也存在着没有　严格按目标所处的扇区来送出的情况。　４．２飞行器管理系统　模拟飞行器的管理实际就是对飞行器的四维　空间的管理，即根据时间来变换飞行器的空间位　置。这种变换分两个方面来实现，一个是根据飞　机的航速来进行水平位置的变换，即根据速度和　航向以及偏移时间求出水平位移，根据垂直爬升　率来得到高度变化值。　飞行器的飞行一般是按航段飞行，系统内飞　行器的飞行路线也是按航段存贮的，飞机在航段　内为直飞，在航段快结束时，进入转弯状态，以　相切的方式进入下一航段，直至飞行结束。　本系统在直飞阶段采取以当前航段起点为坐　标中心点，构造一个坐标转换系，通过计算得到　飞机在此航段上的偏移长度，通过斜距方位角变　换为地理坐标，如果偏移长度加上为实现弧形转　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ａｐｒ．２００６　Ｖ０Ｉ－１７　Ｎｏ．３　中国民航飞行学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　２７　弯所需的长度大于本航段的长度，则进入转弯状　态。　的长除法要快得多。　４．４数据输出子系统　飞机在实际飞行中，速度和高度以及方向是　有所波动的，因此在系统中我们对此加入了速度　系统产生的雷达数据可以用三种方式输出。　第一种方式是同步卡输出，由于雷达数据一般是　采取同步传输方式，所以管制系统必须要有接收　同步数据的能力，此种输出方式可用于测试系统　和高度的一些波动干扰。　此外，为了达到测试目的，我们可以动态修　正飞机的ＳＳＲ码以及测试、告警等信息，同时也　可直接改变飞机的高度和速度等。　４．３雷达数据生成系统　不同的雷达有不同的数据格式，为了测试空　管系统处理各种不同雷达数据的能力，本系统实　现了西屋、ＡＬＥＮＩＡ、ＲＡＹ删、ＴＨＯＭＳＯＮ、　ＴＯＳＨＩＢＡ、军用标准、民用标准、西部航线ＡＤＳ　数据的模拟。　雷达的报文主要分三种，一种是正北报，即　雷达通过正北时发出的，一种是扇区报，即把雷　达扫描的３６０度分为若干个扇区，当雷达扫描变　换扇区时送出，另一种就是目标报，即反映目标　的位置的报文。雷达的正北报和扇区报的发送没　有什么变化，同种雷达的扇区报和正北报格式相　对固定。　目标报的变化较多，一般有一次点迹，一次　航迹，二次点迹，二次航迹几种，主要根据雷达　的相应设置生成不同格式的数据。　由于模拟产生的目标的位置和高度信息是从　飞行器的参数中得到，所以精确度是很高的，但　实际的雷达扫描是有误差的，判断一个多雷达融　合算法的好坏，往往是看它对于雷达误差的处理　如何，所以系统中增加的误差生成设置，系统可　以根据需要设置雷达的测距误差，测角误差，以　及高度误差，数据丢失等实际数据中可能有的误　差，这些误差是在数据生成时，根据设置的误差　范围，随机产生。　在数据生成中，还有就是校验码的生成，不　同的雷达可能有不同的数据检验方式，但同一种　雷达的校验方式相对固定，其生成多项式是一定　的，所以本系统采用查表法生成ＣＲＣ码，这种方　法是在程序初始化时就生成对应的余数表，在产　生数据时按字节查询余数，这种方法比按位计算　的硬件处理能力，但这种方式的缺点是同步通讯　卡的价格较高。第二种方式是直接输出至异步串　口，要多路输出则可使用较成熟的多串口卡，这　种方式需要跳过管制系统的同步数据转异步的设　备。第三种方式是输出至数据文件，数据文件可　以用于分析处理中出现的问题，也可以用于系统　的重复调试，弥补实时数据不确定的缺点。一般　的管制系统测试主要有串口输出和文件输出这两　种方式。　４．５地图管理系统　对于空管系统的测试系统来说，还必须具有　显示空管地图的能力，这样在模拟程序中的飞行　器的飞行轨迹才能很好地与管制系统中的飞行轨　迹相对应。本系统关于地图的处理主要分地图文　件的加载，图层的管理，地图的操作，以及地图　的截取几大功能。地图的加载主要分点、线、面　三种图元类型进行加载，显示也是按这三种方式　进行显示。系统将地图数据按不同的用途分为机　场、导航台、地标点，航路航线、空域等不同的　图层，用户可根据需要进行相应的选择，由于地　图的显示往往所耗ＣＰＵ资源较多，因此本系统在　处理此问题时采用了地标点分级显示、静态地图　显示和动态目标显示分开处理的技术，这样使地　图的显示所耗费的资源达到最小化。　４．６飞行计划管理系统　系统还应该具有让飞行器按计划飞行的功　能，这样才能定性地测试空管系统的一些功能。　对目标的飞行计划的管理主要有三种方式：一是　实时用鼠标点击得到飞行器的计划飞行路线，确　定后飞行器自动开始飞行；二是按照一定的计划　格式编辑文本的飞行计划文件，可随时加载这类　飞行计划文件，飞行器将按照文件中设定的时间　和路线开始飞行；三是通过系统（下转第３０页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

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