奉澤昊+黃肖超

摘要： 該文結合民航航管業(yè)務的特點，分析傳輸設備性能對于航管雷達融合航跡的影響。通過采用通信原理演算出傳輸速率對雷達航跡輸出的影響，并結合具體單部雷達的階段性丟目標和丟扇區(qū)現象，深入研究該現象產生的原因，并給出了具體解決方案和建議。

關鍵詞： 航管；傳輸速率；航跡融合；二次雷達

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）01-0013-03

Abstract：In this paper， it applies the features of civil aviation management business to analysis the influence of transmission performance of equipment on air traffic control radar track fusion. It adopts the communication principle calculate on the transmission rates effect on track radar output， researches into the phase of the single radar target and lost the sector lost phenomenon， also give the cause and provides concrete solutions.

Key words： ATC； transmission rate； track fusion； secondary radar

1 引言

近年來隨著民航業(yè)發(fā)展迅速，空管的業(yè)務量也是在成倍的增長，不僅是體現在管制飛行架次的增加，更體現在相關保障設備的負荷量的提升。民航傳輸網絡作為空管的業(yè)務載體，所承載的業(yè)務包含甚高頻（VHF）、管制移交電話、航管雷達、航空電報等空管核心業(yè)務。不同的業(yè)務對于傳輸網絡的要求也不盡相同，對于傳輸設備的保障能力，直接影響空管業(yè)務的開展和航空安全。

航管雷達作為民航空中交通管制指揮的重用工具，被用于定位飛行目標在空中位置。按其探測目標的方式可以分為一次監(jiān)視雷達和二次監(jiān)視雷達。一次雷達的基本工作原理是雷達主動發(fā)射電磁波，通過計算電磁波在探測到目標后返回所需要的時間，來確定出目標的距離和方位。二次雷達的工作原理是雷達發(fā)出詢問電磁波，飛行目標的機載應答機設備在接收到與其相關的詢問電磁波后發(fā)出應答脈沖，雷達的地面接收設備通過接收到的應答信號來確定目標的距離和方位。

二次雷達為目前航管廣泛采用的雷達類型，其數據信號由雷達站經各種傳輸設備將信號引接至管制中心，管制中心的雷達處理系統通過融合多部雷達的信號后，實時顯示飛機的位置信息，從而為管制指揮提供技術支持。由于雷達站基本都位于邊遠臺站，均需要通過傳輸網絡將雷達信號引接至管制中心。因此傳輸網絡的性能對于雷達信號的傳輸和雷達處理系統的融合具有重要的影響。

2 傳輸網絡性能導致航管雷達信號融合的常見故障

2.1 高度跳變

根據民航管制的相關規(guī)定，監(jiān)視設備探測的飛行目標在相鄰周期內高度差超過90m，即認定為該飛行器發(fā)生了高度跳變，具體體現為目標的高度值在雷達融合處理系統的顯示終端上面出現上下跳動現象。由于各部雷達所捕捉到的同一目標經過各種方式到達同一套雷達融合系統存在一定的延時，導致同一時刻多部雷達各自探測的目標高度值存在較大的差異，引起自動化系統融合算法和策略出錯，以致目標出現高度跳變，這種現象嚴重影響空中交通管制的指揮判斷。

2.2 目標丟失

目標丟失在自動化系統上主要表現為小范圍或大面積的目標出現丟失的現象，雷達信號如果在傳輸過程中出現數據幀格式錯誤或遭到破壞，導致雷達融合處理系統不能解析和還原原始雷達數據，以致目標信息的丟失。

2.3 目標分裂

所謂目標分裂就是雷達融合處理系統在同一個時間周期內對于多部雷達送出的關于同一個目標的數據進行融合后，出現兩個或多個目標的現象。雷達信號傳輸過程出現問題可能導致分裂現象，在傳輸過程中當雷達數據包出現丟失或誤碼等數據質量問題時，會導致出現目標分裂的情況。分裂的出現，不但影響調度人員的判斷，增加他們的工作壓力，嚴重時還可能導致航班流量控制或撞機事件。

目標分裂、丟失和高度跳變等都是嚴重影響管制指揮，必須盡力避免的安全事件。傳輸速率作為傳輸網絡的一個重要性能指標，本文結合實例深入探討其對于航管雷達融合的影響。

3 傳輸速率對雷達航跡輸出的影響

3.1 二次雷達航跡輸出過程

在每個重復周期內，信號處理系統將形成的目標應答報告放在CPCI 總線的I/O 口上，并以中斷方式通知數據處理系統。數據處理系統的應答報告接收程序負責至I/O 地址讀取目標應答報告數據；數據處理系統應答報告處理程序將處理完的應答報告順序存放在應答報告緩存區(qū)。點跡處理程序對應答報告緩存區(qū)內的數據進行處理，完成應答群的起始、A/C 應答碼與應答群相關；完成應答群凝聚、目標距離和方位計算；去除虛假目標（異步應答、弱應答及反射式應答）；按照配置的雷達數據格式向網絡交換機和串口發(fā)送點跡數據。航跡處理程序接收點跡處理程序送來的原始目標報告，對其進行修正；航跡起始；航跡相關檢測（距離、方位、代碼、高度、速度）；航跡更新（平滑、外推）；計算目標的速度、航向；按照配置的雷達數據格式向網絡交換機和串口發(fā)送航跡數據。二次雷達航跡輸出過程如圖1所示。

為了保證應答處理與點跡/航跡處理的實時性，雷達將這兩種處理設計成獨立運行方式。應答處理的實時性主要針對一個詢問重復周期內，目標的應答隨機性很大，應答處理電路只能對應答脈沖信息進行整合，來不及進行更多處理，每個重復周期內應答處理最多產生64 個應答報告送給數據處理系統；數據處理的實時性可以在一個扇區(qū)內，將存入存貯器的應答報告數據讀出，以數據塊的形式對應答群信息進行整合，輸出目標的點跡報告和航跡報告，目標處理容量為80批/11.25°扇區(qū)。點/航跡處理和應答處理的數據通訊采用中斷處理方式，先進先出棧及環(huán)形緩沖的設計保證了系統數據傳輸的正確可靠，同時減小了系統開銷。

3.2 FIFO （First In First Out）及環(huán)形緩沖

先入先出FIFO（First In First Out），即先被寫入到FIFO的數據將會先被讀出。它是一片用來緩存數據的存儲單元，可以把需要處理的數據先暫存在這片存儲單元中，在數據量達到一定數量時再集中處理，以提高系統性能。FIFO可以集成在芯片中，而當系統需要的緩沖區(qū)較大時，也可以用單獨的RAM實現。FIFO是數據傳輸系統中極其重要的一環(huán)，特別是在2個處于不同時鐘域的系統接口部分，FIFO的合理使用，不但能使接口處數據傳輸的輸入輸出速率進行有效的匹配，不使數據發(fā)生復寫、丟失和讀入無效數據的情況，而且還會有效地提高系統中數據的傳輸效率。

環(huán)形緩沖區(qū)是一種先進先出的循環(huán)緩沖區(qū)，從邏輯上理解，它是一段首尾相接的RAM單元；從內存結構理解，它是一段連續(xù)的RAM單元。在實時性要求較高的實際應用場合（如嵌入式系統高速數據傳輸和處理過程），要在極短時間內獲取大數據量，且不允許數據丟失，那么采用環(huán)形緩沖區(qū)是一種理想的方法。

為保證雷達信號處理系統與數據處理系統的大量應答報告數據的實時交換，及雷達設備對點跡信號的實時處理，雷達在應答處理程序、應答報告接收/處理程序、點/航跡處理程序在這三者的數據交換中采用了高速的FIFO棧及環(huán)形緩沖存取的算法，來實現高速的數據流讀取和數據處理的同步。

3.3 傳輸速率與扇區(qū)處理能力的關系

雷達數據處理系統輸出目標航跡信號有兩種方式，一種是通過以太網口輸出航跡信號給交換機，供顯控終端顯示；一種是通過串口服務器向MDOEM、PCM、FA16 SRX板、衛(wèi)星等雷達信號傳輸設備輸出基于HDLC協議的雷達數據，供雷達航跡融合系統使用。為了保證雷達信號傳輸的實時性，空管系統通常采用同步通信的方式傳送雷達信號。

雷達輸出的HDLC目標航跡數據包長度為29Byte，輸出的雷達服務（正北/扇區(qū)）信息數據包長度為11 Byte。雷達把空域按扇區(qū)劃分，以一定的周期重復掃描空域并發(fā)送不同的報文如正北報，扇區(qū)報和目標報。雷達信號將監(jiān)視環(huán)境劃分為32個扇區(qū)，以4秒為周期重復掃描空域，雷達天線跨過扇區(qū)邊界的時候發(fā)出1個目標消息類型的扇區(qū)跨越包，跨過正北方向時發(fā)出1個雷達服務消息類型的正北標記包，在天線掃描每個扇區(qū)對應的角度360°/32=11.25°時發(fā)送一次對應的目標數據包，如圖2所示。二次雷達的轉速是15轉/分，每個扇區(qū)經過的時間則為4/32=0.125秒，假設當前扇區(qū)系統應答處理完成了n個目標，串口輸出速率為C1 bit/s，則當前扇區(qū)的串口信息量輸出能力為C1*0.125 bit，串口輸出速率C1和扇區(qū)內航跡目標數n的關系為：

當C1為9600 bps時，根據上述公式n=4.79，即傳輸速率為9600bps時，串口能夠傳輸的雷達航跡信息量為150Byte，由于目標數目一定是整數，則單扇區(qū)在該速率下最多可輸出4個目標的航跡信息。

如果雷達天線在該扇區(qū)正好跨過正北方向時，還需加上一個正北標記包的數據大小，即

當C1為9600 bps時，根據上述公式n=4.41，同理，覆蓋正北方向的扇區(qū)在9600 bps傳輸速率下最多仍然只能輸出4個目標的航跡信息。

由于某雷達最大目標處理能力為80批/扇區(qū)，則系統最大處理能力時對串口輸出速率C1的要求為：

根據上述公式C1=149184 bit/s。

通過上述分析，我們可以知道系統每扇區(qū)時間周期內航跡目標處理產生的最大數據量不能超過串口的能力，當航跡處理程序輸出的航跡目標數據流速率大于串口數據輸出流速率時，串口緩沖區(qū)可能會溢出，導致數據的丟失。根據文獻[9]的研究，輸入流速率與輸出流速率的差值越大，所需要的緩沖區(qū)容量就越大。但是雷達數據處理具備實時性要求高的特點，如果緩沖區(qū)容量設的過大，下一扇區(qū)數據到來之前沒有完成本次扇區(qū)的數據輸出，則雷達輸出的數據信息將滯后于實際的飛行情況，影響到管制人員的工作，給飛行安全帶來危險。所以當扇區(qū)內目標處理產生的數據輸入速率大于串口輸出能力且串口緩沖區(qū)寫滿時，為了保證雷達信號的實時性，系統采取下一扇區(qū)新的數據覆蓋上一扇區(qū)未能傳輸完的最老的數據的機制。

通常傳輸設備的端口速率和串口通信速率設為一致，以當前扇區(qū)正好覆蓋正北方向為例，扇區(qū)時間內航跡處理產生的最大可傳輸航跡數目n和傳輸速率C的關系為：

其中n只能取整數，C為2400的倍數關系。按常用的幾種傳輸速率計算得表1。

3.4 實例分析

春運期間，湖南空域航班流量較大，某雷達在雷達融合處理系統中出現階段性丟目標和丟高度的現象。借助監(jiān)視數據質量分析系統，發(fā)現在流量高峰期，該雷達輸出的航跡信號有較為明顯的扇區(qū)丟失，4秒周期航跡數統計為112-130個，扇區(qū)丟失數為1-4個；同期對比雷達本地顯控終端統計信息為航跡數141個，點跡150個左右。當時雷達串口輸出速率和傳輸設備的端口速率均配置為9600 bps。由表1可知，的傳輸速率無法滿足扇區(qū)內目標數大于4的情形，當扇區(qū)內航跡處理目標數大于4，9600bps傳輸速率必然導致數據丟失；而雷達本地顯控終端由于使用10/100Mbps交換機連接，不存在帶寬限制瓶頸，故雷達本地航跡統計數大于雷達融合處理系統統計的航跡數。將雷達串口輸出速率和傳輸設備端口速率調整至后，再也沒有出現過扇區(qū)丟失的情況。

由此可見，雷達傳輸速率大小的設置必須跟當地航班流量大小相匹配，速率設置太小會引起扇區(qū)丟失、高度丟失等網絡阻塞和丟包現象，而提高傳輸速率要以消耗更多的傳輸資源為代價，因此，雷達信號傳輸速率的設置必須因地制宜，并非越大越好。由于雷達信號傳輸通常使用子速率傳輸，即小于64k bps的速率，現有串口雷達傳輸方案在傳輸該雷達數據時，不能滿足該雷達最大目標處理能力對傳輸的要求。

4 結束語

本文從雷達數據的特點和傳輸網絡對于航管雷達融合航跡的影響為基礎，采用通信原理演算出傳輸速率對雷達航跡輸出的影響，并結合某雷達站階段性丟目標和丟扇區(qū)現象，分析了該現象產生的原因，提出了具體解決方案。實踐證明，該方法可以有效解決雷達信號因傳輸速率影響而航跡不連續(xù)的問題，對該雷達大規(guī)模推廣應用具有重要的借鑒意義。同時，其他格式的雷達信號所需傳輸速率也可同樣參考此方法進行分析，調整最合適的傳輸速率，從而改善雷達信號傳輸質量。

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