二次雷達探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法

余飛俠 王志鴻

摘要：二次雷達探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量性能參數(shù)分析采用計算機軟件對雷達輸出的目標報告數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以對雷達的性能進行評估。文中介紹了各性能參數(shù)的含義、測試步驟和分析方法。

關(guān)鍵詞：二次雷達，性能評估，數(shù)據(jù)質(zhì)量，測試方法

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0253-03

1 引言

近年來，航班流量呈現(xiàn)井噴式增長，高速發(fā)展的民航業(yè)對空管系統(tǒng)提出了更高要求。單脈沖二次監(jiān)視雷達由于探測距離遠、測量精度高、獲取信息多等優(yōu)點，成為空中交通管制首要的監(jiān)視數(shù)據(jù)源。二次雷達的探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量是包括管制員在內(nèi)的空管保障人員關(guān)心的重點，雷達探測性能下降將縮小空域管制的雷達管制間隔，對空域的利用率有極大的影響;雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量是技術(shù)保障人員必須關(guān)心的重要技術(shù)參數(shù)，將影響空管自動化的正常運行。在實際技術(shù)保障中，對雷達的探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量等性能參數(shù)進行在線測試分析，是提供連續(xù)可靠的監(jiān)視服務(wù)的關(guān)鍵。

2 探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量簡介

2.1 探測性能

雷達的探測性能是雷達最基本的和最重要的要求，雷達應(yīng)能探測到覆蓋范圍的所有目標并及時上報管制中心。二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)主要向管制中心提供以下信息：飛機位置（距離、方位）、飛機高度（模式C代碼）、飛機識別（或模式A代碼）、飛機垂直位置、特殊A代碼指示、地速、航跡狀態(tài)（一次航跡、二次航跡、融合航跡或外推航跡）等。其中，飛機距離、方位、高度、飛機識別（或模式A代碼）是關(guān)鍵的監(jiān)視數(shù)據(jù)。通常使用目標位置探測概率、代碼有效性和虛假目標率等性能參數(shù)來表示二次雷達的探測性能。

目標位置探測概率用來表示雷達對目標的捕獲和位置檢測性能。探測概率是指天線每轉(zhuǎn)一圈，目標上報位置數(shù)據(jù)的概率。探測概率是指目標報告數(shù)和期望目標報告數(shù)之間的比率，期望目標報告數(shù)由測試方法確定。

代碼檢測性能由總模式A代碼檢測概率和總模式C代碼檢測概率表示。模式A或模式C代碼檢測概率是指具有正確模式A或模式C代碼數(shù)據(jù)的目標報告數(shù)和期望目標報告數(shù)（即用于計算目標位置探測能力的目標報告數(shù)）之比。

虛假目標報告性能指標由總虛假目標報告率決定。虛假目標報告率是指虛假目標報告數(shù)和已探測到的目標報告數(shù)之比。由于同步干擾、異步干擾、二次環(huán)繞應(yīng)答產(chǎn)生的目標報告都是虛假目標報告。需要特別指出的是，一次監(jiān)視雷達使用平均每個掃描虛假目標數(shù)來表示虛假目標報告性能，二次監(jiān)視雷達使用總虛假目標報告率表示虛假目標報告性能。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量

雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量是構(gòu)建安全、高效空管系統(tǒng)的基本保障。通常使用目標位置精度、誤碼率和分辨力等性能參數(shù)來表示雷達數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

目標位置精度是指雷達上報的目標位置和目標被檢測到時的真實位置之間的誤差，使用系統(tǒng)誤差、隨機誤差和跳變率三類位置誤差項來表示。其中，系統(tǒng)誤差包括距離偏差、方位偏差和時間偏差。偏差誤差是固定值，距離和方位偏差是相對于平均隨機誤差的相對值，時間偏差是指用于給點跡打時間戳的時間系統(tǒng)和常用基準時間的時間誤差。隨機誤差是標準差，包括距離誤差標準差和方位誤差標準差。跳變是指目標報告位置與參考位置的方位差大于1°、距離差大于700米。

誤碼率是模式A或模式C代碼數(shù)據(jù)有效卻不正確的目標報告數(shù)和期望目標報告數(shù)（即用于計算目標位置探測能力的目標報告數(shù)）之比。

分辨力是雷達區(qū)分兩架相鄰飛機并產(chǎn)生正確目標報告的能力，二次雷達使目標位置探測概率和代碼有效性來表示分辨力性能，目標的相對位置區(qū)域劃分如圖1所示。當兩架飛機的距離差小于2海里、方位差小于2倍的3dB波束寬度，二次雷達的3dB波束寬度一般不大于2.45°，此處取2.45°。

3 性能參數(shù)測試步驟和分析方法

3.1 測試步驟

二次雷達性能測試分析是對雷達輸出的目標數(shù)據(jù)進行解析和統(tǒng)計，分析過程一般是由計算機完成的。整個測試分析過程分為測試準備、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析3個階段。

3.1.1 測試準備

在測試準備階段，進行雷達準備和環(huán)境測試工作。首先，明確數(shù)據(jù)收集時雷達的工作狀態(tài)和主要系統(tǒng)參數(shù)（天線轉(zhuǎn)速、詢問策略、詢問重復(fù)頻率、接收機靈敏度、錄取器工作參數(shù)/狀態(tài)等），確保在各性能參數(shù)測試分析之前，雷達的初始運行狀態(tài)一致。其次，雷達探測能力受地理環(huán)境和外部條件影響，應(yīng)識別外部條件（如干擾等）、特殊地理特征、空中交通繁忙程度和其他影響雷達性能的因素，以評估其對測試分析結(jié)果的影響。

3.1.2 數(shù)據(jù)收集

在數(shù)據(jù)收集階段，應(yīng)確保紀錄包含足夠數(shù)量和質(zhì)量的數(shù)據(jù)以進行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)的記錄要求見下表。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析階段，采用計算機軟件對紀錄的雷達輸出數(shù)據(jù)根據(jù)測試目的分別進行統(tǒng)計分析，如相關(guān)和航跡重構(gòu)，評估雷達性能參數(shù)。

3.2 探測性能參數(shù)分析

對于探測概率和代碼有效性分析，采樣數(shù)據(jù)應(yīng)是互不接近的目標（目標距離間隔>2海里，方位間隔>4.9°），外推目標報告不在計算范圍內(nèi)。

3.2.1 目標位置探測概率

在對記錄數(shù)據(jù)的技術(shù)性能分析中，將測試覆蓋范圍按基本的三維單元（距離、方位、高度）劃分，估算每個單元的探測概率。基本三維單元的大小取決于測試精度要求和單元內(nèi)實際的期望目標報告數(shù)。單元內(nèi)的目標位置探測概率應(yīng)使用下面公式計算：

P_d=探測目標數(shù)量/預(yù)測目標數(shù)量

“預(yù)測目標數(shù)量”是指第一次探測到目標至最后一次探測到目標的掃描數(shù)。在特殊測試飛行中，期望目標報告數(shù)等于飛機在雷達波束中出現(xiàn)的次數(shù)。“探測目標數(shù)量”是指雷達實際捕獲的目標數(shù)量，不包括外推目標報告、虛假目標報告和多徑目標報告。對于測試飛機或個別飛機，應(yīng)計算每個航跡點的探測概率和平均概率。

3.2.2代碼有效性

代碼有效性評估只采用目標位置探測概率計算使用的目標報告，因此只考慮形成飛機航跡的目標報告。

目標的A 碼和C碼代碼有效性應(yīng)使用如下公式計算：

P_{cd Mode A}=有效和正確的模式A目標數(shù)/形成有效航跡的目標數(shù)

Pc_{d Mode C}=有效和正確的模式C目標數(shù)/形成有效航跡的目標數(shù)

注：

1） A碼或C碼代碼是否有效是雷達根據(jù)應(yīng)答信號處理結(jié)果對應(yīng)答中的A碼或C碼進行的正確性標記。

2） A碼或C碼代碼正確表示A碼或C碼值和相關(guān)航跡的當前正確值相同。其中，正確值由分析系統(tǒng)決定和維護。

3.2.3 虛假目標報告率

使用已相關(guān)的目標報告來分析虛假目標報告率。

P_Fal/Mul=虛假或重復(fù)的目標數(shù)/探測目標總數(shù)

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量參數(shù)分析

3.3.1目標位置精度

位置精度是根據(jù)雷達報告的目標位置和目標探測時刻的真實位置差進行計算分析的。把目標的真實位置當做參考位置，這個參考位置可從測試過程中雷達不同輸入/輸出接口記錄的數(shù)據(jù)中錄取（如：單脈沖接收機和單脈沖信號處理器之間的I/O，或雷達和雷達數(shù)據(jù)處理中心的I/O），或飛機的GPS位置數(shù)據(jù)。參考位置的精度至少要比雷達輸出端目標報告的測算位置精度高一個量級。

位置精度參數(shù)的分類和計算如下所示：

a） 系統(tǒng)誤差

c） 跳變率

跳變率按如下公式計算：

R_J=總跳變數(shù)量/探測目標數(shù)量

3.3.2 誤碼率

目標的A碼和C碼代碼有效的概率應(yīng)按如下公式計算：

P_{cv Mode A/C}=有效的模式A和C的目標數(shù)/形成有效航跡的目標數(shù)

代碼有效卻不正確的概率，即誤碼率為：

P_cv=P_cv-P_cd

3.3.3 分辨力

分辨力是雷達識別兩架相鄰飛機并產(chǎn)生正確目標報告的能力，并給出位置探測概率和代碼有效性。

圖1中區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3的位置探測概率和代碼有效性按如下公式計算：

P_d=相鄰區(qū)域探測的目標數(shù)/相鄰區(qū)域預(yù)測目標總數(shù)

P_{cd Mode A}=有效且正確的模式A目標數(shù)/相鄰區(qū)域形成有效航跡的目標數(shù)

P_{cd Mode C}=有效且正確的模式C目標數(shù)/相鄰區(qū)域形成有效航跡的目標數(shù)

4 結(jié)束語

本文分別介紹了二次雷達探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要性能參數(shù)及其含義，并給出了各性能參數(shù)的測試步驟和分析方法。使用計算機終端軟件對雷達數(shù)據(jù)進行記錄和統(tǒng)計分析，能夠更直觀的展示測試結(jié)果，便于雷達站一線技術(shù)保障分析。通過在線監(jiān)測關(guān)鍵雷達性能參數(shù)實現(xiàn)對空管二次雷達的性能評估，為后期空域設(shè)計以及設(shè)備技術(shù)保障提供一種參考。

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