組網雷達情報交互格式設計與轉換*

韓文彬 李曉燕 王華兵 郭金良

(中國洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)

組網雷達情報交互格式設計與轉換*

韓文彬 李曉燕 王華兵 郭金良

(中國洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)

隨著雷達網絡化、數字化、信息化技術不斷發展,組網雷達情報交互一致性需求日顯突出。面向組網雷達情報共享需求,分析了雷達情報交互結構及關鍵要素,分析并明確了各個情報要素的不同格式定義及差異,研究了情報要素格式選擇方法和轉換技術,能夠支撐組網雷達情報傳遞、轉換和處理設備的設計和實現。

組網雷達; 指揮控制; 情報交互; 情報格式

ClassNumberTN95

1 引言

信息化戰場條件下,軍用雷達作戰運用方式將從單體作戰向網絡化、數字化、信息化的組網作戰轉變。雷達組網,是指通過將多部不同體制、不同頻段、不同模式、不同極化雷達適當布站,借助于通信手段鏈接成網,由中心站統一調配從而形成一個有機整體。網內各雷達的信息(原始信號、點跡、航跡等)由中心站收集,綜合處理后形成雷達網覆蓋范圍內的情報信息,并按照戰爭態勢的變化自適應地調整網內各雷達在工作范圍內的探測、定位和跟蹤。

為了實現組網雷達之間情報共享,必須進行規范、合理的情報交互設計,使得雷達情報在網內語義明確、基準一致,并且確保在信息傳遞、轉換和處理過程中的正確表達與理解。

2 情報交互結構及關鍵要素

圖1 情報交互結構

組網條件下,將所有雷達情報納入到以信息為中心的網絡化管理框架下,實行統一管理和統一運用。組網雷達情報采集與融合處理,是組網雷達指揮控制系統的重要組成部分。根據組網雷達指揮控制結構[1～4],得到圖1所示的組網雷達情報交互結構。其中,雷達為網內情報源,通過探測形成點跡情報或航跡情報;情報中心為情報采集和處理單元,對所有雷達情報進行融合,產生融合情報并進行上報和網內共享;指揮中心和網內雷達為情報使用單元,指揮中心利用融合情報支撐指揮決策,網內雷達利用融合情報進行引導搜索或組網抗干擾等。

在組網雷達指控交互的所有信息中,雷達情報是交互最頻繁、數據量最大的信息,也是直接支持組網應用的關鍵信息。因而,情報交互格式設計時應考慮各項要求,主要包括準確傳輸雷達情報而不降低精度,數據量盡量小以降低通信負荷,語意明確而不會被誤用等。

雷達情報要素主要包含批號、敵我屬性、機型、目標位置及時戳(錄取時間)等。其中,目標位置和時戳的表示格式較多,對于融合情報質量影響最大;批號、敵我屬性、機型等要素語義簡單,易于網內統一。另外,組網情報融合是基于相同的參考坐標系進行的,需將不同雷達情報轉換到相同坐標系,因而情報融合質量也會受到雷達定位和定北信息的影響。因此,本文將目標位置、時戳、定位、定北等信息作為雷達情報交互關鍵要素進行分析。

3 目標位置格式

雷達上報目標位置常用的坐標系主要有雷達站球坐標系、雷達站直角坐標系、地心空間直角坐標系等。

3.1 坐標系選擇

雷達站球坐標系定義:以雷達天線中心為原點,R為目標斜距離,A為目標視線在原點法平面投影與正北夾角(以北偏東為正),E為目標視線與原點法平面夾角(以向上為正)。

· 雷達站直角坐標系定義[5]:又稱為地理坐標系,以雷達天線中心為原點,Xr軸在原點法平面內指向正東,Yr軸在原點法平面內指向正北,Zr軸按照右手法則確定,即所謂東北天坐標系。

· 地心空間直角坐標系定義:以地球質心為原點,Xe軸指向本初子午線與赤道交點,Ze軸沿地球自轉軸指向北極,Ye軸以右手系確定。

此外,許多對空情報雷達可直接上報高度,因此會采用混合坐標(距離R、方位A、高度H)。

雷達站球坐標是點跡原始坐標格式,各維探測精度確知且相互獨立,因而能夠分別設計量化單元和取值范圍。雷達站直角坐標值由球坐標值轉換而來,各維探測精度不固定,且取值范圍都較大,只有量化單元小于距離精度,才能不破壞雷達原有精度。空間直角坐標與雷達站直角坐標類似,但由于以地心為原點,使得各維數值非常大,大大增加了量化范圍。因此,在不失精度條件下,雷達站球坐標格式信息冗余最小,所需數據量最小;空間直角坐標格式所需數據量最大。

由于情報融合通常是在以融合中心為原點的直角坐標系進行,因此需進行情報格式轉換。雷達站直角坐標格式轉換,在融合中心與雷達站相距較近情況下可近似為坐標平移,因此計算量較小;雷達站球坐標與空間直角坐標格式的轉換,則必須經過非線性計算,因此計算量較大。

總之,坐標系選擇需對數據量和計算量進行綜合考慮,在融合中心計算量足夠時可應采用雷達站球坐標或混合坐標格式,在通信帶寬足夠時可采用雷達站直角坐標格式。

3.2 高度定義與轉換

根據雷達工程實踐的不同,雷達情報中的目標高度存在不同的定義,容易導致雷達站球坐標系與直角坐標系之間轉換的高度誤用。常規的坐標系轉換方法[5～6]已經很成熟,本文不再贅述,以下重點分析不同高度定義的影響。

根據高度基準不同,目標高度可分為絕對高度和相對高度。絕對高度是指目標所在位置的大地高或者海拔高,高度基準是地平面或水平面;相對高度是指以雷達站高為零折算得到的目標所在位置高度,即絕對高度與雷達站高之差。

根據有無大氣折射修正,目標高度可分為實際高度和視在高度。大氣折射效應使得電磁波傳播路徑發生彎曲,目標視在高度是指雷達按照波束指向循直線確定的目標高度,包含了大氣折射引入的高度偏差;實際高度則是目標相對于高度基準的實際值,與大氣折射無關。

圖2 目標高度計算示意圖

通過大氣折射效應修正,可由視在高度求解出實際高度。如圖2所示,a為地球半徑,R為目標距離測量值,為目標仰角測量值,Hradar為雷達站高度,則目標高度測量值為[7]

Htarget≈Rsinθ+R2/2a+Hradar

(1)

式中,若a取平均地球半徑a0,則Htarget為視在高度;若a取為等效地球半徑ae=ka0(k=4/3)則Htarget為實際高度;若Hradar取0(實際不為0),則Htarget為相對高度,否則為絕對高度。

下面分析雷達站球坐標(R,A,E)或混合坐標(R,A,H)與雷達站直角坐標(Xr,Yr,Zr)之間的轉換方法。

若H為相對實際高度,則

Zr=H-R2/2a0

(2)

若H為相對視在高度,則

Zr=H+R2/2ae-R2/a0

(3)

若H為絕對實際高度,則

Zr=H-R2/2a0-Hradar

(4)

若H為絕對視在高度,則

Zr=H+R2/2ae-R2/a0-Hradar

(5)

雷達站直角坐標系下目標Xr與Yr值為

(6)

4 時戳格式

雷達情報時戳,表征了雷達探測到當前點跡的準確時刻,是融合點跡時間對準的最直接依據。雷達時戳來自于系統內時統設備,通常采用外部授時與內部守時相結合的機制。外部授時利用衛星授時系統或其它授時基站對雷達時統設備進行同步,內部守時利用時統設備進行同步間隔內的高精度守時。

雷達情報時戳具有相對時戳和絕對時戳兩種形式。相對時戳在約定時間段內采用計數器形式表示,關鍵在于保證計數器時間范圍無模糊且計數時間粒度滿足要求,例如0～10000;絕對時戳采用標準時間格式表示,形式簡單但數據量較大,例如9:10:25.125。通常情況下,經過合理設計的相對時戳是準確而高效的。

(7)

時戳無模糊范圍主要考慮情報傳輸時間和融合時長。其中,情報傳輸時延是指情報從雷達錄取設備到情報中心的傳輸時間,通常不大于1s;融合時長是指情報中心進行情報融合時選取的時間片長度,根據設備不同可能為數秒至數分鐘量級。因此,時戳無模糊范圍通常只需參考融合時長設計,若融合時長為ΔTfuse,則時戳計數范圍應滿足

N≥ΔTfuse/ΔT

(8)

此外,還要確定計數器0的定義,方法比較靈活。若以整點為計數零點,則時戳轉換方式為

n=(M·6000+S·1000+m)mod(N)

(9)

其中,n為時戳計數,M為絕對時間“分”,S為絕對時間“秒”,m為絕對時間“毫秒”,N為時戳計數范圍。

例如,某警戒雷達網參數為v=500m/s,ΔR=50m,k=5,ΔT=30ms,ΔTfuse=60s,則ΔT≤40ms,N≥1500。若取ΔT=30ms,N=3000,即時戳值為0～2999。若絕對時間為9:10:25.361,則時戳為n=1361。

5 定位格式

5.1 大地坐標系

目前,雷達定位采用的大地坐標系主要有WGS-84、BJS-54、CGCS-2000等。通常,定位設備輸出格式為經L、緯B、高H,而雷達情報轉換使用地心空間直角坐標(Xe,Ye,Ze),因此需進行格式轉換,即

(10)

其中,a和b為大地坐標系采用的參考橢球長半軸和短半軸,其取值如表1所示。

表1 大地坐標系橢球參數表

由表1可見,CGCS-2000和WGS-84橢球參數相差很小,同一點的坐標差值小于1mm,因此工程上可忽略[8];BJS-54橢球參數差異較大,在情報格式轉換時要選用正確參數[9]。

5.2 高程格式

根據定位設備的不同,定位輸出數據采用的高程定義有所不同。高程定義包括正高、正常高和大地高,正高是地面某點通過該點鉛垂線至大地水準面的距離,是個確定的物理量但無法精確求定;正常高以似大地水準面代替大地水準面,數值極接近正高,也成為“海拔高”;大地高是以參考橢球面為基準面的高程,與坐標系相關。大地高與正常高的差值為異常高程ξ,本質上為似大地水準面與參考橢球面之間的高差,可以分地域預先測定[10]。大地高H、正常高h和高程異常ξ三者之間的關系為

h=H+ξ

(11)

總之,無論采用何種大地坐標系,其推算出的正常高數值應是理論上相同,工程上相近的。在大地坐標系與地心空間直角坐標系轉換中,應采用大地高,而避免誤用正常高。

6 定北格式

雷達定北方法很多,例如基準目標校準、磁羅盤、陀螺羅盤等,不同設備輸出的“北”有著磁北和真北的差別,工程上應該注意區分。

磁北是以大地磁場為基準的,為過地球上一點指向地球磁北極的方向。真北,又稱正北,為過地球上一點指向地球地理北極的方向。地磁極與地理極相接近,但并不完全重合,通常用“磁偏角”來表示磁北和真北夾角。磁偏角在全球各地是不同的,其變化范圍常常有幾分到幾度不等;即使在同一天內的同一地方,也常常會有幾分的變化量。我國磁偏角一般情況下為2°～3°,最大可達6°。顯然,磁偏角大小與雷達方位波束寬度相接近,定北得到的方位基準不同會嚴重破壞情報一致性。因此,組網雷達最好采用相同的定北設備,或者采取手段將目標情報方位校正到相同基準。

7 結語

組網雷達系統是以信息為中心的體系,其交互情報的正確表示和傳輸是很重要的。本文面向組網雷達情報共享需求,提出了雷達情報交互關鍵要素包括目標位置、時戳、定位、定北等,針對不同要素研究了不同格式差異及轉換方法,能夠直接指導組網雷達情報傳遞、轉換和處理系統的設計和實現。

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DesignandTransformationofIntelligenceExchangeFormatinRadarNet

HAN Wenbin LI Xiaoyan WANG Huabing GUO Jinliang

(Luoyang Electronic Equipment Testing Center, Luoyang 471003)

As the technologies of network, digitalization, informationization in radar develop continuously, the coherence of intelligence exchange in radar net is outstanding. Focusing on the intelligence share in radar net, the intelligence exchange frame is analyzed with the key elements, of which the different format definitions differentiate, and then the methods to select and transform the element format of every element are researched. The outcome can support to design and realize the equipments for intelligence transfer, transformation, process in radar net.

radar net, command and control, intelligence exchange, intelligence format

2013年10月12日,

:2013年11月25日

韓文彬,男,碩士,助理研究員,研究方向:雷達電子戰仿真、試驗與評估。

TN95DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.033