王　強(qiáng)**，喻　波，王愛國，李　濤

(1.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000；2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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二次監(jiān)視雷達(dá)跟蹤近程目標(biāo)的新方法*

王強(qiáng)**1，喻波2，王愛國1，李濤1

(1.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000；2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

針對近程目標(biāo)的機(jī)動特性以及在近距離詢問信號飽和使應(yīng)答機(jī)抑制等因素造成二次監(jiān)視雷達(dá)不能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的現(xiàn)象，提出了一種新的跟蹤方法，采用詢問編排、功率控制等措施讓應(yīng)答機(jī)能有效應(yīng)答，并通過近程跟蹤濾波、航跡融合來實現(xiàn)對近程目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。該方法提高了系統(tǒng)的跟蹤效能，近程目標(biāo)的應(yīng)答率提高到了80%左右，適合于二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)對近距離目標(biāo)跟蹤要求嚴(yán)苛的場合。該方法已在實際工程中成功應(yīng)用。

二次監(jiān)視雷達(dá)；近程跟蹤；相控陣天線；詢問編排；功率控制；航跡融合

1　引　言

二次監(jiān)視雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar,SSR)是提供空中飛行情報及態(tài)勢的主要信息來源，不僅是民航的必配設(shè)備，還廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在某些特殊應(yīng)用場合，由于目標(biāo)機(jī)動飛行復(fù)雜，不僅速度快，而且轉(zhuǎn)彎半徑小，對二次監(jiān)視雷達(dá)的跟蹤性能提出了更高的要求。特別是在近距離，機(jī)動目標(biāo)運(yùn)動軌跡的不規(guī)則性會進(jìn)一步放大，并且由于逐步靠近架設(shè)場地，由場地環(huán)境引起的電磁環(huán)境干擾也變得嚴(yán)重，這都給二次監(jiān)視雷達(dá)的后端處理帶來一定的困難。

目前對二次監(jiān)視雷達(dá)跟蹤近程目標(biāo)的研究還相對較少。文獻(xiàn)[1]從詢問控制、波束調(diào)度等方面對二次監(jiān)視雷達(dá)跟蹤近程目標(biāo)作出了研究，而本文側(cè)重于近程目標(biāo)特性分析、跟蹤算法以及工程應(yīng)用。

本文首先分析了由于態(tài)勢變化大以及應(yīng)答抑制等因素造成近程目標(biāo)容易丟失的原因，提出在相控陣體制下，利用波束的靈活性將波束瞬時定向到近程目標(biāo)所在區(qū)域，然后給和通道、控制通道分配預(yù)設(shè)的功率控制值對目標(biāo)進(jìn)行詢問，獲取目標(biāo)的應(yīng)答信息后再利用獨立的跟蹤濾波器來穩(wěn)定連續(xù)地捕獲目標(biāo)。

2　近程目標(biāo)特性分析

2.1運(yùn)動特性

民航飛機(jī)通常飛行比較平穩(wěn)，姿態(tài)變化緩慢，而軍機(jī)常常做各種機(jī)動飛行，姿態(tài)變化劇烈，有時還會出現(xiàn)應(yīng)答天線被機(jī)身遮擋，從而影響詢問機(jī)的探測。

從機(jī)動目標(biāo)的運(yùn)動軌跡看，可分解為鉛垂面內(nèi)和水平面內(nèi)的機(jī)動飛行。在鉛垂面內(nèi)，平飛加減速是在距離上變化大而方位和高度則變化小，俯沖、躍升、筋斗是在高度上變化大而方位和距離變化小；在水平面內(nèi)，典型的機(jī)動飛行動作是盤旋，即方位變化大而距離和高度變化小。對詢問機(jī)來說，機(jī)動目標(biāo)在距離、方位上的突變會超出點跡報告和航跡關(guān)聯(lián)時的區(qū)域尺寸，在高度上的突變則會導(dǎo)致目標(biāo)報告與航跡進(jìn)行C模式測試時失敗[2]。

2.2應(yīng)答特性

當(dāng)飛機(jī)靠近詢問站點時，由于詢問機(jī)發(fā)射功率過大，會導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)接收的詢問脈沖飽和、抑制脈沖幅度增加，導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)不能應(yīng)答。對于民航機(jī)場來說，通常部署航路二次監(jiān)視雷達(dá)和終端區(qū)二次監(jiān)視雷達(dá)。航路二次監(jiān)視雷達(dá)主要關(guān)注中遠(yuǎn)程目標(biāo)，發(fā)射功率大，作用距離遠(yuǎn)；終端區(qū)二次監(jiān)視雷達(dá)只關(guān)注近程目標(biāo)，發(fā)射功率小，作用距離近，這樣就不會造成在近距離應(yīng)答機(jī)飽和。而對于某些特殊應(yīng)用平臺，要求二次監(jiān)視雷達(dá)既要監(jiān)視遠(yuǎn)距離目標(biāo)，又要對近程目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，這樣就會帶來上述問題。同時，在近距離時詢問信號太強(qiáng)也會引起反射干擾，導(dǎo)致虛假目標(biāo)的產(chǎn)生。

3　近程跟蹤設(shè)計

3.1系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述近程目標(biāo)特性分析，要穩(wěn)定跟蹤近程目標(biāo)，應(yīng)采取以下措施：

(1)提高掃描速率，在近程目標(biāo)的各種機(jī)動飛行中彌補(bǔ)探測掉點、盲點，以增加捕獲幾率；

(2)進(jìn)行功率控制，避免應(yīng)答機(jī)抑制及反射干擾；

(3)為近程目標(biāo)構(gòu)建獨立的航跡跟蹤模型，以匹配近程目標(biāo)態(tài)勢瞬時變化所產(chǎn)生的新關(guān)聯(lián)門限。

本文提出的近程跟蹤系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。系統(tǒng)以正常速率順序掃描探測目標(biāo)，航跡處理模塊送出穩(wěn)定航跡，同時航跡送往近程跟蹤閾值檢測器；近程跟蹤閾值檢測器將每個目標(biāo)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，判斷是否滿足近程條件，是否為近程目標(biāo)要根據(jù)不同平臺對系統(tǒng)的需求而定(本系統(tǒng)以50 km作為近程閾值)，如果滿足則觸發(fā)跟蹤定時器；跟蹤定時器根據(jù)設(shè)置的跟蹤頻率來觸發(fā)跟蹤詢問，直至該目標(biāo)超出近程跟蹤空域(本系統(tǒng)1 s對目標(biāo)跟蹤1次)，對空域內(nèi)的每個近程目標(biāo)都設(shè)置獨立的跟蹤定時器；系統(tǒng)收到跟蹤定時器的觸發(fā)后，暫停當(dāng)前掃描，保護(hù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)(當(dāng)前掃描方位、功率控制參數(shù)等)，重新設(shè)置近程功率控制參數(shù)，然后將波束瞬時定向到近程目標(biāo)所在方位進(jìn)行詢問；在每次近程跟蹤詢問期間，接收到的目標(biāo)報告都打上近程跟蹤標(biāo)記，便于后端航跡處理對近程目標(biāo)進(jìn)行單獨的跟蹤處理；近程跟蹤詢問完成后，恢復(fù)正常掃描功率控制參數(shù)，將波束定向到掃描中斷方位，啟動正常掃描。

圖1近程跟蹤系統(tǒng)設(shè)計框圖

Fig.1 Design diagram of short-range tracking system

在系統(tǒng)設(shè)計時，跟蹤目標(biāo)的批數(shù)應(yīng)與系統(tǒng)的刷新率進(jìn)行匹配。采取跟蹤后會增加系統(tǒng)時間開銷，過多的跟蹤可能影響正常掃描探測，當(dāng)滿足跟蹤條件的目標(biāo)數(shù)量超出時間容限時，應(yīng)以關(guān)注的目標(biāo)作為首先跟蹤對象，或以距離、方位作為選取的優(yōu)先條件。

3.2詢問編排

在每次跟蹤過程中期望通過增加詢問次數(shù)來提高探測率，但是過高的詢問率也會導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)抑制，如民航對應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答率規(guī)定為至少每秒回答1 200次[3]，即最低詢問間隔應(yīng)大于1/1 200 s才能觸發(fā)應(yīng)答機(jī)應(yīng)答。因此，應(yīng)根據(jù)應(yīng)答機(jī)特征以及實際情況進(jìn)行合適的選取近程跟蹤詢問間隔[1]。

3.3功率控制

一部二次監(jiān)視雷達(dá)的詢問波束發(fā)射功率為PΣ，控制波束發(fā)射功率為PΩ，在距離R處，應(yīng)答機(jī)接收到的詢問信號和控制信號幅度為

(1)

圖2詢問信號和詢問旁瓣抑制信號空間關(guān)系

Fig.2 The space relationship between interrogation signal and interrogation sidelobe suppression signal

從圖2中可看出詢問信號已經(jīng)飽和，而詢問旁瓣抑制信號已進(jìn)入應(yīng)答或抑制區(qū)[4]，這樣會導(dǎo)致詢問機(jī)失去對應(yīng)答機(jī)的捕獲機(jī)會。因此，近程跟蹤時功率控制值應(yīng)滿足

PΣ-Cp-LR≤P″Σ。

(2)

式中：P″Σ為應(yīng)答機(jī)能接收的最大詢問信號；Cp為功率控制值。在本例中，系統(tǒng)功率至少應(yīng)控制8 dB。功率控制時，詢問波束與控制波束的功率控制值應(yīng)保持一致，使詢問波束與控制波束的增益始終保持最佳匹配，滿足二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)要求[4]。

3.4近程跟蹤航跡處理

近程跟蹤航跡處理要進(jìn)行單獨處理，然后再與正常掃描航跡進(jìn)行融合。其處理流程與正常掃描航跡處理流程一樣[5]，處理時需注意：點跡報告和航跡的配準(zhǔn)是以航跡預(yù)測位置為中心的幾個聯(lián)合區(qū)域，在近程跟蹤時要適當(dāng)加大各區(qū)域的尺寸；C模式測試時，要放寬C模式容限值，太嚴(yán)格會影響俯沖或躍升目標(biāo)的探測；為迅速捕獲高機(jī)動目標(biāo)，航跡應(yīng)快速起批，當(dāng)點跡質(zhì)量穩(wěn)健、數(shù)據(jù)置信度高，可將三點起批調(diào)整為兩點起批。下面著重介紹近程跟蹤濾波方法和遠(yuǎn)近程航跡融合處理。

3.4.1近程跟蹤濾波

近程目標(biāo)機(jī)動性強(qiáng)，難以建立清晰的目標(biāo)運(yùn)動模型。同時，選取何種濾波方法來對目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，使得既要防止將機(jī)動趨勢當(dāng)成測量誤差濾除，又要防止將測量誤差當(dāng)成機(jī)動趨勢處理。本系統(tǒng)采用一種基于對數(shù)壓縮的自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤方法[6]。

首先將目標(biāo)從柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系，在x、y、z每個方向進(jìn)行跟蹤濾波，完成后再將3個濾波值進(jìn)行空間運(yùn)動合成，最終轉(zhuǎn)換回柱坐標(biāo)系。在單個方向上按以下多項式進(jìn)行展開：

(3)

式中：p(x)表示任一連續(xù)曲線；a為多項式系數(shù)；n≥0。由于在短時間內(nèi)可認(rèn)為目標(biāo)的運(yùn)動是勻速直線運(yùn)動和勻加速直線運(yùn)動的合成，因此，3階(含)以上分量所占比重可以忽略，只截取多項式的2階、1階和常數(shù)項就可以表征目標(biāo)在單方向上的直線運(yùn)動。再用最小二乘法曲線擬合對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行1階和2階擬合，擬合公式如下：

(4)

式中：xi代表時間；yi表示需要擬合的數(shù)據(jù)；m為歷史數(shù)據(jù)個數(shù)；n為擬合階數(shù)。擬合后按以下公式計算單個方向上(以x軸為例)歷史數(shù)據(jù)的一次差：

(5)

xyc=P1·I1·K+P2·I2·(1-K) 。

(6)

得到當(dāng)前預(yù)測值后，判斷當(dāng)前預(yù)測值與當(dāng)前最新測量值差值的絕對值是否大于一次差的2倍，如果大于按照以下公式壓縮當(dāng)前測量值：

xi=xyc+G(xi) 。

(7)

式中：G(xi)為對殘差進(jìn)行對數(shù)壓縮的函數(shù)。壓縮完成后，再按照公式(3)和公式(4)進(jìn)行1階2階擬合。然后，分別計算當(dāng)前時間映射到1階和2階擬合曲線上的值并與當(dāng)前實測值進(jìn)行融合，得到單方向上的跟蹤濾波值。

3.4.2航跡融合

二次監(jiān)視雷達(dá)的數(shù)據(jù)更新時間一般為4～10 s[4]，而近程跟蹤頻率為1 s，因此需將近程跟蹤航跡融合到掃描航跡，以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新時間要求。并且只要應(yīng)答機(jī)不飽和，正常掃描波束掠過近程目標(biāo)時也能探測到該目標(biāo)，這樣就也需將掃描航跡與近程跟蹤航跡融合。近程跟蹤航跡與掃描航跡融合原理如圖3所示。

圖3航跡融合原理圖

Fig.3 Diagram of track fusion

圖3中，以4 s數(shù)據(jù)更新時間為例。設(shè)S1(t1)、S2(t2)、S3(t3)、S4(t4)分別為數(shù)據(jù)更新周期內(nèi)每秒產(chǎn)生的近程跟蹤航跡位置，Sy(ty)為數(shù)據(jù)更新周期內(nèi)產(chǎn)生的掃描航跡位置。將前3點近程跟蹤航跡位置進(jìn)行卡爾曼濾波，得到近程跟蹤外推航跡位置：

Sj(tj)=fkalman(S1(t1),S2(t2),S3(t3))。

(8)

式中：fkalman(x)為卡爾曼濾波函數(shù)。然后再將Sj(tj)、S4(t4)、Sy(ty)用平均加權(quán)法進(jìn)行位置融合，得到上報的目標(biāo)航跡位置：

S(t)=A(W·K1·Sj(tj),W·K2·S4(t4),W·K3·Sy(ty))。

(9)

式中：A(x)為位置平均加權(quán)函數(shù)；W為加權(quán)系數(shù)，W∈(0,1]；K1、K2、K3分別為3個位置的存在系數(shù)，取值為0或1。因為在實際的探測過程中可能存在以下幾種情況：

(1)有近程目標(biāo)時可能沒有探測到該目標(biāo)的掃描報文，那么K3=0；

(2)在數(shù)據(jù)更新周期內(nèi)，第4個近程跟蹤點可能丟失或損害，那么K2=0；

(3)對于遠(yuǎn)程目標(biāo)，K1=0，K2=0，K3=1。

4　試驗及結(jié)果

本文所描述的近程跟蹤方法已用于工程實踐。表1為采取近程跟蹤前后目標(biāo)的應(yīng)答率對比，該統(tǒng)計數(shù)據(jù)選自于目標(biāo)機(jī)動轉(zhuǎn)彎階段，通過該表可看出跟蹤后目標(biāo)應(yīng)答率大大提高。

表1跟蹤前后目標(biāo)應(yīng)答率對比

Tab.1 Comparison of reply rate before and after tracking

序號應(yīng)答率/%采取近程跟蹤前采取近程跟蹤后目標(biāo)11782目標(biāo)21481目標(biāo)32083目標(biāo)41178目標(biāo)51381

圖4和圖5為用Matlab繪制的工程試驗數(shù)據(jù)。從圖4可看出，不采取近程跟蹤時，目標(biāo)在轉(zhuǎn)彎過程中容易丟失，探測的點跡較少，導(dǎo)致航跡出現(xiàn)偏差、斷點。從圖5可看出，由于提高了掃描率以及采取了功率控制，目標(biāo)點跡明顯增多;同時，采取近程跟蹤航跡處理措施后，航跡也比較連續(xù)，并能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖4不采取近程跟蹤時的點跡和航跡圖

Fig.4 Diagram of plot and track before tracking

圖5采取近程跟蹤后的點跡和航跡圖

Fig.5 Diagram of plot and track after tracking

5　結(jié)束語

本文提出的近程跟蹤新方法采用近程詢問編排、功率控制等措施使近程目標(biāo)的應(yīng)答率提高到了80%左右，同時采用近程跟蹤濾波和航跡融合等技術(shù)改善了目標(biāo)報告掉點、不連續(xù)的現(xiàn)象。本文所提出的方法通過理論分析以及結(jié)合工程設(shè)計，解決了某些特殊平臺加裝二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)遇到的一些關(guān)鍵問題。如何進(jìn)一步提高近程目標(biāo)的應(yīng)答率將在下一步工作中研究。

[1]鄧欣.提高航管二次雷達(dá)近程目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定性的方法[J].電訊技術(shù)，2016,56(2)：190-194.

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[2]張蔚.二次雷達(dá)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

ZHANG Wei.The theory of secondary surveillance radar[M].Beijing: National Defense Industry Press,2009.(in Chinese)

[3]ICAO.Surveillance and collision avoidance systems:ICAO Annex 10 Volume IV[S].Montreal,Canada:ICAO,2007:1-56.

[4]中國民用航空總局.空中交通管制二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備技術(shù)規(guī)范:MH/T 4010-2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006:1-47.

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[5]賈坤.航管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理[J].電訊技術(shù)，2011,51(6)：78-81.

JIA Kun.Data processing of secondary surveillance radar for air traffic control[J].Telecommunication Engineering,2011,51(6):78-81.(in Chinese)

[6]王耀興,劉永剛,李濤.一種航跡濾波的方法：CN201310143949.2[P].2013-08-07.WANG Yaoxing,LIU Yonggang,LI Tao.A method of track filtering:China，CN201310143949.2[P].2013-08-07.

王強(qiáng)(1982—)，男，四川渠縣人，2007年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達(dá)；

WANG Qiang was born in Quxian,Sichuan Province，in 1982.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:wangqiang_uestc@163.com

喻波(1980—)，男，四川仁壽人，2003年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達(dá)；

YU Bo was born in Renshou,Sichuan Province，in 1980.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2003.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:nidejia@163.com

王愛國(1979—)，男，山東海陽人，2002年于武漢理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達(dá)；

WANG Aiguo was born in Haiyang,Shandong Province，in 1979.He received the B.S. degree from Wuhan University of Technology in 2002.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:my_wag@163.com

李濤(1987—)，男，四川合江人，2009年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為二次監(jiān)視雷達(dá)。

LI Tao was born in Hejiang,Sichuan Province，in 1987.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.He is now an engineer.His research direction is secondary surveillance radar.

Email:474997647@qq.com

A New Short-range Target Tracking Method for Secondary Surveillance Radars

WANG Qiang1,YU Bo2,WANG Aiguo1,LI Tao1

(1.Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.,Ltd.,Mianyang 621000,China;2.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

In view of the tracking problem caused by short-range maneuver flight target and transponder suppressed due to strong interrogation signal in secondary surveillance radar(SSR) system,a new tracking method is proposed.In the method,interrogation arrangement,power control and other measure are used to strigger transponder reply and realize stable tracking of short-range targets by short-range tracing filter and track fusion.The proposed method can improve the tracking system performance，the reply rate of short-range targets is improved to around 80%,and it is suitable for application in complex short-range target tracking with SSR system.The method has been successfully applied in an engineering project.

secondary surveillance radar;short-range tracking;phased array antenna;interrogation arrangement;power control;track fusion

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.016

2016-01-29；

2016-05-04Received date:2016-01-29；Revised date：2016-05-04

TN958.96

A

1001-893X(2016)09-1039-05

引用格式：王強(qiáng)，喻波，王愛國,等.二次監(jiān)視雷達(dá)跟蹤近程目標(biāo)的新方法[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):1039-1043.[WANG Qiang,YU Bo,WANG Aiguo,et al.A new short-range target tracking method for secondary surveillance radars[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1039-1043.]

**通信作者：wangqiang_uestc@163.comCorresponding author：wangqiang_uestc@163.com