淺析區管THALES自動化系統升級前后雷達數據處理機制

毛艷華

摘要：本文首先介紹了自2004年投入使用的THALES V6.7.2自動化系統采用雷達前置處理RFP服務器和雷達數據處理RDP服務器完成的雷達馬賽克數據處理機制。隨后著重研究了目前剛剛升級投入使用的THALES V5自動化系統采用的多探測器航跡處理功能MSTS服務器完成的雷達數據處理機制，并分析了新的雷達數據處理機制的先進性。

關鍵詞：雷達數據處理；雷達前置數據處理；多探測器航跡處理；IMM濾波器

中圖分類號：TN957.51 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0059-03

北京區管中心使用的主用THALES自動化系統于2003年開始建設安裝，于2004年建成投入使用。2008年4月，北京區管THALES自動化主用系統中接入了北京終端區（BTA）、天津空管分局（TCU）自動化系統，三地自動化系統一起共享北京區管THALES自動化系統的飛行數據處理（FDP）功能。北京區管、北京終端區和天津進近THALES自動化系統形成了集成一體化的大系統運行模式。

由于華北區域高空接管空域擴大，雷達引接數量增加和飛行量的不斷增加，THALES自動化系統也逐漸出現硬件老化等問題，因此從2011年啟動了三大區管的THALES自動化系統的軟硬件升級項目。此次軟硬件升級項目實際是在不影響目前THALES V6.7.2自動化系統運行的前提下，新建了一套THALES V5自動化系統，THALES V5自動化系統的雷達信號仍從THALES V6.7.2的SPLITER接入。

THALES V5自動化系統和原有的THALES V6.7.2無論從軟件上還是硬件上都有很大不同。服務器采用了性能更好的HP380和HP Z420；而從網絡結構上，一樓設備機房和二樓管制大廳之間也改為光纖傳輸，并且二樓的管制大廳的交換機采用了堆疊技術。V5新系統也不再基于UNIX操作系統，而是基于LINUX操作系統，而新舊兩套系統的雷達數據處理機制也有很大不同。

1 RDP雷達數據處理

北京區管升級前的THALES V6.7.2自動化系統采用的是雷達馬賽克的處理方式，通過RFP和RDP服務器完成原有THALES V6.7.2自動化系統的雷達信號從SPLITER分配器出來，送到uline（前24部）或pline（后8部），將雷達信號進行格式轉換后進入雷達子網SUBLINE，通過SUBLINE送給RFP服務器。

1.1 雷達前置數據處理功能（RFP）

北京ACC THALES V6.7.2自動化系統配置了雙機冗余的RFP服務器，處理接入系統的32部雷達數據，使用貝葉斯方法和卡爾曼自適應濾波器，通過收到的雷達原始數據，創建并更新系統單雷達航跡數據；完成QNH校正及坐標轉換。

RFP服務器獲取到單雷達航跡后進行關聯處理，檢查C模式高度的正確性，并把經處理的單雷達航跡數據發送到多雷達航跡處理RDP服務器。

1.2 雷達數據處理功能（RDP）

北京ACC THALES V6.7.2 自動化系統配置了雙機冗余的RDP服務器，處理RFP生成的單雷達航跡數據，使用雷達馬賽克算法，基于所選各單雷達航跡權值，融合生成系統航跡數據；處理各種雷達數據告警（包括最低安全高度告警MSAW、短期沖突告警STCA等）；處理范圍為2600×3000NM，處理系統航跡最大值為1500個。RDP服務器完成如下功能：（1）負責根據就近雷達覆蓋組合計算和提供連續的航跡探測從而完成多雷達航跡處理的目的，使用多雷達重疊覆蓋的方法確定并顯示出航空器在空域中最接近實際目標的位置；（2）負責處理使用特定條件產生的單雷達航跡以顯示系統航跡，并根據管制選擇，或在多雷達處理的降級模式下仍然可以顯示單雷達航跡；（3）負責處理A模式雷達接收機的2位或4位代碼，以及C模式雷達接收機的信息，后者被轉換并顯示出飛行高度或飛行高度層；（4）負責雷達航跡與飛行計劃數據的相關，并顯示為相應的標牌和航跡符號；（5）負責為EUROCAT-X 2000系統的告警功能提供信息；（6）雷達數據處理功能可以處理A/C模式雷達、S模式雷達報告和ADS-B報告。

RDP服務器可以接收從RFP服務器發來的很多單雷達航跡，對每個單雷達航跡進行分析、過濾，每個單雷達航跡是放在定義的雷達馬賽克單元中被選擇的。

（1）每個單元：16海里 x 16 海里；

（2）每個單元最多接收5部雷達的數據；

（3）RDP服務器選擇該單元中質量最好的航跡，但最多為3個。

2 MSTS雷達數據處理

目前，北京ACC THALES V5自動化系統用雙機冗余MSTS服務器替代了原來的RFP和RDP服務器，不再采用雷達馬賽克算法生成系統航跡數據，而是采用多探測器跟蹤處理功能Multi-Sensor Tracking Function對雷達報告進行計算處理，融合生成系統航跡。

雷達前置處理功能（RADAR-FP）。在THALES V5自動化系統中，不再有RFP服務器，雷達前置處理功能是由MSTS服務器的雷達前置處理功能（RADAR-FP）完成的。

雷達前置處理功能（RADAR-FP）是用來接收和自動處理從近程和遠程雷達送來的一次、二次或一二次合成雷達的航跡，點跡或點航跡。這是MSTS的有效組成部分。

雷達前置處理執行以下功能：

（1）雷達數據處理：從不同雷達探測器接收的數據信息有各種不同格式，不同的雷達格式是由雷達制造商決定的。雷達前置處理功能可以對接收到的各種輸入格式的雷達信息進行解碼處理。

RADAR-FP解碼接收和處理來自不同的雷達探測器的航跡、點航跡、點跡數據和氣象數據并傳送到系統中，這些雷達提供一次、二次或一二次合并數據。

（2）雷達數據發布：雷達前置處理功能將經過處理的雷達數據傳送給所有需要雷達數據的EUROCAT-X中的其他功能模塊。

（3）氣象雷達數據管理：雷達前置處理功能執行坐標轉換和計算生成雷達氣象數據。

（4）氣象雷達數據發布：雷達前置處理功能將經過處理的氣象數據處理傳送到EUROCAT-X中的其他所需功能模塊。

2.1 多探測器航跡處理功能MSTS

MSTS（Multi Sensor Tracking Function）多探測器航跡處理功能，這里的多探測器是指MSTS不僅可以接收和處理來自雷達探測器的點跡和點航跡報告，還可以接收處理來自ADS-B地面站ADS-B報告和來自WAM探測器的WAM報告 ，這種多數據源融合系統航跡的創建保持了真實飛機與監視航跡的一致性；并且減小雷達距離和方位測量偏差。

（1）新一代監視航跡處理系統接收來自多個數據源的數據，包括：1）一、二次雷達數據（傳統監視數據）；2）S模式雷達數據；3）ADS-B報告數據；4）WAM報告數據。

這些數據通過多探測器跟蹤處理功能融合在一起，綜合計算出飛機的物理位置，生成系統航跡。融合需要解決以下問題：1）各種來源數據的更新率；2）位置數據的完整性；3）下行相關飛機參數（DAPS）。

（2）多探測器變量更新。多探測器跟蹤處理功能使用了一個基于交互多模型（IMM）的卡爾曼濾波器的變量更新技術，它提供了高質量的算法使得多雷達探測器航跡處理的準確性、一致性和響應時間都得到了提高。三個擴展卡爾曼濾波器（EKF）組成多探測器IMM濾波器。

IMM濾波器可以模擬三種模式的轉變：1）直線運動與勻速飛行運動（EKF1）；2）不斷改變飛機運動速度（EKF2）；3）恒定的縱向加速度運動（EKF3）。

在探測器更新時， IMM濾波器根據這三個模型計算的飛機軌跡更新使用航跡狀態。這個IMM濾波器接受多種數據的探測計算：1）來自于A / C模式、S模式雷達的一次、二次或一二次聯合報告的計算；2）ADS-B報告的計算；3）WAM 報告的計算。

這個多探測器變量更新概念是一旦收到任何一個探測器的數據會立即被處理投遞（異步或變量更新），使整個飛行過程連續更新。由于處理是連續的，數據依賴更新速度。因為基本報告測量數據和精度（噪音對各類型探測器的報告影響和雷達探測器的偏差）被納入其中，這就使得多探測器變量更新的結果更加快速和準確。

多探測器初始化功能也是基于這一變量更新技術，為了充分利用多探測器的這一優勢。它采用所有探測器的報告進行計算，一起提供一個快速初始化時間。

對于合作航空器，數據由的航空器下傳參數（DAPS）提供。ADS-B報告、S模式雷達數據和WAM報告是依靠有S模式雷達技術和ASTERIX標準的機載設備獲得。DAP數據也被存儲在輸出信息中。

2.2 MSTS多探測器航跡處理功能

MSTS多探測器航跡處理功能包括Pre-Correlation 預相關功能、Correlation相關功能、Association 關聯功能、Track Update航跡更新功能和Initiation 初始化功能。 MSTS多探測器航跡處理功能流程如圖1所示。

MSTS對探測器送來的ADS-B報告，WAM報告，雷達點跡和航跡和S模式雷達等用進行預處理。雷達預處理是對在機場、非自動初始化（NAI）和仲裁區域等相關的范圍的雷達報告進行檢查，雷達預處理功能檢查緩沖扇區輸入的雷達報告的完整性。雷達預處理是基于IMM濾波器功能，目的是檢查系統航跡和雷達報告的一致性

ADS - B預處理專門對接收的ADS - B的報告進行錯誤檢測，檢查ADS-B報告的完整性。WAM預處理專門對接收的WAM報告進行完整性檢查。DAPs預處理是根據卡爾曼濾波器計算的航跡狀態向量檢查S模式雷達點跡報告下行數據。

（1）Pre-Correlation 預相關功能。預相關功能使用簡單的條件使每個選定的監視航跡可以對應到一組預相關探測報告，并且每個所選探測報告可以對應到的一組預相關監視航跡。如果沒有滿足預相關的條件，這些設置可能是空的。

預相關功能的目的是為了避免IMM濾波器的無用計算，盡可能使滿足條件的探測報告和航跡的關聯在一起。

對于雷達報告，預相關的預選取條件是雷達點跡的地理位置坐標和SSR代碼兼容性或飛機24位地址兼容性。此功能對于每個選定的監視航跡， 建立一個以航跡為中心的一個volume ，預相關會將在這個volume中的點跡考慮進去，過濾掉探測器送來的無關航跡報告，如圖2所示。

注意：雷達預相關功能會考慮在volume（球坐標：D范圍，D方位，D海拔）內監視航跡的雷達噪聲和協方差矩陣的最大標準的飛機加速能力。

（2）Correlation相關功能。對于雷達報告，相關功能是用來拒絕預關聯功能送來的不能用于更新監視航跡的雷達點跡，同時也拒絕監視航跡不能相關的雷達點跡。另外， ADS-B和WAM報告單獨處理，這個功能是用來拒絕預相關功能送來的不能相關到這個報告監視航跡。

相關功能對于每個可能點跡--航跡進行配對可能性計算。這個值評估監視航跡對應雷達報告的可能性?？赡苄耘鋵τ嬎愀鶕欘A測每個完成預相關點跡時間、用貝葉斯理論和卡爾曼濾波器特性計算距離和3/A模式兼容性（航跡/報告）來完成的，如圖3所示。

（3）Association 關聯功能。對于雷達處理，關聯功能是使正確的點跡和正確的航跡相結合，解決相關功能處理后出現的多對一或一對多的相關沖突。例如一個雷達點跡對幾個監視航跡和一個航跡對幾個雷達點跡，通過關聯功能將一個點跡最多與一個監視航跡關聯或一個監視航跡最多和一個點跡關聯，如圖4所示。

對于雷達數據處理，一個點跡與監視航跡關聯基于監視航跡和點跡之間的最佳匹配。在關聯過程結束時，一些監視航跡可能仍沒有一個關聯的點跡或者一些點跡可能仍然沒有一個相關的監視航跡。如果報告沒有和任何航跡關聯，它會立即被發送初始化處理。

（4）Track Update航跡更新功能。更新航跡狀態是預測航跡狀態加上獲得修正數據進行數據融合得到的。它采用了多個航跡的平均和多點跡變量更新技術。

航跡更新功能在飛行中一旦收到探測器報告執行航跡更新。減少了更新期間多雷達配置提高了航跡參數判斷的準確性。此外， 具有不同類型和品質探測器送來的數據可以被進行相同的處理并按照設定時間間隔定時以廣播的方式輸出最新的監視航跡報告。

（5）Initiation 初始化功能。多探測器初始化功能是創建和確認初步監視航跡。沒有關聯監視航跡的探測器報告將被此功能進行初始化處理。多探測器初始化功能的算法與已有相關、關聯的航跡算法相同，使用了貝葉斯方法來計算初步監視航跡可能性數值，并確定是否保留或舍棄初步監視航跡。

3 結語

新一代的THALES V5自動化系統的MSTS服務器和THALES V6.7.2系統的RDP服務器不論是在硬件性能上還是在軟件功能劃分上都有了很大的變化，MSTS不再負責原來RDP負責的飛行計劃相關和各種告警功能計算，此功能由SNMAP完成。MSTS不但能處理傳統的一、二次雷達報告，還能處理ADS-B、WAM和S模式雷達報告，由于目前北京ACC使用的自動化系統并沒有引接ADS-B和WAM，所以本文重點介紹了MSTS對雷達報告的處理。

MSTS利用變量更新技術，通過初始化、預相關、相關、關聯環節，選取從各個雷達探測器送來的關于同一飛行器的軌跡中最好的與監視航跡關聯生成系統航跡，并排除掉影響雷達航跡的其他不好的雷達軌跡。這種雷達信號處理方法比RDP的雷達馬賽克法生成的系統航跡更加快速準確，降低了質量不好的雷達信號對系統航跡的影響，減少了因某部雷達的假信號和丟信號等情況造成系統航跡出現假信號和信號分裂的幾率，大大提升了系統的穩定性。

參考文獻

[1]NESACC EUROCAT-X System/Segment Specification [J]. Thales，Revision： A 10 December 2015.