摘 ?要： 二次雷達(dá)是空中交通管理部門(mén)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)管制的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)保障飛行器飛行安全發(fā)揮了重要作用。本文根據(jù)二次雷達(dá)運(yùn)行保障實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了A/C模式二次雷達(dá)和S模式二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的記錄、顯示、回放等功能。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、效率高，可較好的滿(mǎn)足實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞： 二次雷達(dá);ASTERIX;顯示;回放

中圖分類(lèi)號(hào)： TP311.52 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.045

本文著錄格式：孫粲. 二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2020，41（06）：222224+232

【Abstract】： The secondary surveillance radar is the technical basis of radar control for air traffic management department， and plays an important role in flight safety. According to the actual needs of operation and maintenance， secondary surveillance radar data display and playback system is designed， which can record， display and playback the data of mode A/C and mode S secondary surveillance radar. Experiments show that the system is reliable and efficient， and can better meet actual needs.

【Key words】： Secondary surveillance radar; ASTERIX; Display; Playback

0 ?引言

隨著民航運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，空中交通流量不斷增加，二次雷達(dá)作為監(jiān)視飛行器的主要手段，在空中交通管理中發(fā)揮著重要作用。二次雷達(dá)通過(guò)對(duì)飛行器的詢(xún)問(wèn)與接收飛行器對(duì)詢(xún)問(wèn)的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的空間三維定位與數(shù)據(jù)通信，可為空中交通管理部門(mén)指揮飛行器飛行提供重要信息[1-3]。二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)是二次雷達(dá)重要的人機(jī)接口，也為技術(shù)人員分析雷達(dá)性能、排查故障、分析假目標(biāo)干擾等問(wèn)題提供重要參考信息。

本文根據(jù)空中交通管理二次雷達(dá)運(yùn)行保障實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了A/C模式二次雷達(dá)和S模式二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的顯示、回放等功能，可為二次雷達(dá)的安全運(yùn)行提供有力保障。

1 ?總體設(shè)計(jì)

二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)運(yùn)行于Ubuntu 19.04操作系統(tǒng)，使用Qt5.12.0開(kāi)發(fā)，編程語(yǔ)言為C++，基于Qt可跨平臺(tái)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)在Windows和其他Linux系統(tǒng)上對(duì)源代碼稍加修改，即可實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)運(yùn)行[4，5]。

二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)由顯示模塊和回放模塊兩部分組成。顯示模塊負(fù)責(zé)雷達(dá)數(shù)據(jù)的接收、地圖顯示并將其記錄于二進(jìn)制文件中，回放模塊讀取顯示模塊記錄的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件并在地圖上回放顯示，兩個(gè)模塊可同時(shí)運(yùn)行。二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)的運(yùn)行需繪制大量圖形，消耗大量系統(tǒng)資源，若采用單線(xiàn)程技術(shù)，將會(huì)造成主界面卡頓，因此，本設(shè)計(jì)顯示模塊和回放模塊均使用主線(xiàn)程和數(shù)據(jù)解析線(xiàn)程兩個(gè)線(xiàn)程，保證程序運(yùn)行流暢。主線(xiàn)程和數(shù)據(jù)解析線(xiàn)程的通信采用Qt特有的Signal/Slot機(jī)制。

2 ?詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 ?數(shù)據(jù)解析線(xiàn)程設(shè)計(jì)

二次監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)通常采用歐控ASTERIX規(guī)范作為雷達(dá)信號(hào)輸出標(biāo)準(zhǔn)[6]，基于OSI模型的表示層和應(yīng)用層制定，其中A/C模式雷達(dá)輸出Cat001雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告[8]和Cat002雷達(dá)服務(wù)報(bào)文[9]、S模式雷達(dá)輸出Cat034雷達(dá)服務(wù)報(bào)文[10]和Cat048雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告[11]。ASTERIX規(guī)范雷達(dá)數(shù)據(jù)格式如圖1所示。一條ASTERIX雷達(dá)數(shù)據(jù)包含一下內(nèi)容：（1）Cat字段，ASTERIX雷達(dá)數(shù)據(jù)類(lèi)別，如Cat001、Cat002，長(zhǎng)度為1字節(jié)，即共定義256種Cat類(lèi)別;（2）Len字段，表示該ASTERIX雷達(dá)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為2字節(jié);（3）FSPEC（Field Specification）字段，可變長(zhǎng)度，該字段是對(duì)后續(xù)Record字段包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)（Data Item）的定義，ASTERIX規(guī)范的每個(gè)Cat類(lèi)別都定義了標(biāo)準(zhǔn)UAP（User Application Profile），其中定義了該Cat類(lèi)別可能包含的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)，可根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)特征輸出其中部分?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)，若此次包含某一數(shù)據(jù)項(xiàng)，則在FSPEC中對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位置1否則置0;（4）Record字段，可變長(zhǎng)度，該字段中依次排列了FSPEC字段定義的數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)容，該字段與FSPEC字段共同組成一條雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告或者雷達(dá)服務(wù)報(bào)文;每條ASTERIX雷達(dá)數(shù)據(jù)可包含一條或多條雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告或者雷達(dá)服務(wù)報(bào)文。

雷達(dá)數(shù)據(jù)通常采用同步串行HDLC協(xié)議或UDP協(xié)議傳輸。通常，計(jì)算機(jī)不能直接接收同步串行HDLC數(shù)據(jù)，若輸入顯示模塊的數(shù)據(jù)為HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)，需加裝HDLC-UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將HDLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為UDP數(shù)據(jù)后，輸入顯示模塊。

數(shù)據(jù)解析線(xiàn)程運(yùn)行于后臺(tái)，顯示模塊的數(shù)據(jù)解析線(xiàn)程通過(guò)UDP Socket讀取網(wǎng)絡(luò)上的雷達(dá)數(shù)據(jù)，并將其記錄在二進(jìn)制文件中;回放模塊的數(shù)據(jù)解析線(xiàn)程則從顯示模塊記錄的文件中讀取雷達(dá)數(shù)據(jù)。線(xiàn)程中譯碼器的性能直接關(guān)系到能否正確解析雷達(dá)目標(biāo)信息，在該線(xiàn)程中設(shè)計(jì)了Decoder001、002、034、048四個(gè)譯碼器，根據(jù)獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)的類(lèi)型選擇對(duì)應(yīng)的譯碼器解析雷達(dá)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了Target001、Message002、Message034、Target048四個(gè)類(lèi)，分別存儲(chǔ)解析后的Cat001、002、034、048報(bào)文內(nèi)容，通過(guò)Signal/Slot機(jī)制傳輸?shù)街骶€(xiàn)程處理。

2.2 ?主線(xiàn)程設(shè)計(jì)

主線(xiàn)程主要實(shí)現(xiàn)功能控制、背景地圖顯示、雷達(dá)目標(biāo)顯示、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、其他信息顯示等功能。

顯示模塊的功能控制包括雷達(dá)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)顯示的開(kāi)始、暫停、終止，數(shù)據(jù)顯示過(guò)濾等功能;回放模塊的功能控制還可設(shè)置回放時(shí)間段和回放 ?速度。

地圖顯示用于顯示數(shù)據(jù)解析線(xiàn)程解析的雷達(dá)數(shù)據(jù)和用戶(hù)自定義的背景地圖，如雷達(dá)站點(diǎn)、扇區(qū)、航路等。地圖顯示功能基于Qt圖形視圖框架實(shí)現(xiàn)。Qt圖形視圖框架由場(chǎng)景QGraphicsScene、視圖QGraphicsView、圖元QGraphicsItem組成[3，4]，相對(duì)于采用通用GIS API的方案，具有輕量化、效率高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)背景地圖、雷達(dá)目標(biāo)圖形化顯示的需求。構(gòu)造繼承自QGraphicsView的MapView類(lèi)和繼承自QGraphicsScene的MapScene類(lèi)，并實(shí)現(xiàn)地圖縮放、拖拽等功能。雷達(dá)站點(diǎn)、扇區(qū)、航路等信息以文本文件的形式存儲(chǔ)在本設(shè)計(jì)文件夾下，顯示/回放模塊讀取文本文件并將其以圓點(diǎn)、多邊形、折線(xiàn)的形式顯示在背景地圖上。

雷達(dá)目標(biāo)在地圖上的顯示至少需要包含目標(biāo)的當(dāng)前位置、歷史點(diǎn)、標(biāo)牌、當(dāng)前位置與標(biāo)牌連線(xiàn)等元素，因此，構(gòu)造一個(gè)TargetItem類(lèi)用于將單個(gè)目標(biāo)顯示在地圖上，其中包含：構(gòu)造的當(dāng)前位置圖元、歷史點(diǎn)圖元、標(biāo)牌圖元、當(dāng)前位置與標(biāo)牌連線(xiàn)圖元等成員變量。該類(lèi)添加如下方法：鼠標(biāo)雙擊目標(biāo)的當(dāng)前位置可彈出窗口顯示當(dāng)前目標(biāo)的詳細(xì)信息;目標(biāo)的標(biāo)牌可以被拖動(dòng)到其他位置;設(shè)置顯示終止門(mén)限參數(shù)n，連續(xù)n個(gè)雷達(dá)探測(cè)周期未能探測(cè)到該目標(biāo)時(shí)，認(rèn)為該目標(biāo)未在雷達(dá)探測(cè)范圍，將其從地圖上刪除。主線(xiàn)程將接收到的Target001、Target048轉(zhuǎn)換為T(mén)argetItem，將其顯示在地圖中，并在后續(xù)周期不斷更新其信息。

雷達(dá)目標(biāo)的坐標(biāo)通常用三維極坐標(biāo)（斜距ρ、方位θ、高度h，ρ-θ-h）表示，背景地圖元素（雷達(dá)站點(diǎn)、航路、扇區(qū)），坐標(biāo)通常用WGS84坐標(biāo)表示，要在Qt圖形視圖框架中顯示上述信息均需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將以雷達(dá)為中心的目標(biāo)三維極坐標(biāo)投影到平面，轉(zhuǎn)換為以雷達(dá)為中心的平面極坐標(biāo)（r-θ），再將該平面極坐標(biāo)通過(guò)Vincenty公式轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo);將雷達(dá)目標(biāo)和背景地圖元素的WGS84坐標(biāo)映射為QGraphicsView坐標(biāo)系統(tǒng)即可顯示在地圖上。

圖2為二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)顯示模塊界面，回放模塊界面與顯示模塊基本相同。Display選項(xiàng)卡中，左邊區(qū)域?yàn)楣δ芸刂?、目?biāo)顯示過(guò)濾、雷達(dá)目標(biāo)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)和當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間等內(nèi)容;右邊區(qū)域?yàn)榘ū尘暗貓D、雷達(dá)目標(biāo)等內(nèi)容的地圖顯示。

圖3為雷達(dá)目標(biāo)詳細(xì)信息的窗口顯示，包含了當(dāng)前周期雷達(dá)探測(cè)輸出的該目標(biāo)所有特征信息，所有信息均來(lái)自于當(dāng)前雷達(dá)周期譯碼器對(duì)Cat001或Cat048雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告的解析。

圖4位顯示模塊System Status選項(xiàng)卡界面，顯示的當(dāng)前周期雷達(dá)的狀態(tài)顯示，所有信息均來(lái)自于當(dāng)前雷達(dá)周期譯碼器對(duì)Cat002或Cat034雷達(dá)服務(wù)報(bào)文的解析。

3 ?結(jié)論

二次雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示回放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空管二次監(jiān)視雷達(dá)輸出的ASTERIX Cat001、048格式雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告和Cat002、Cat034格式雷達(dá)服務(wù)報(bào)文的接收、記錄、顯示、回放等功能，具有顯示雷達(dá)目標(biāo)詳細(xì)信息、雷達(dá)詳細(xì)信息、目標(biāo)統(tǒng)計(jì)信息、雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)信息等功能，可用于分析雷達(dá)性能、排查故障和干擾等。本設(shè)計(jì)基于Ubuntu Linux操作系統(tǒng)，使用Qt開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C++，圖形界面友好，運(yùn)行效率高。經(jīng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)可較好的滿(mǎn)足二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的接收、記錄顯示和回放需求。

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