二次雷達數據顯示回放系統設計

摘 ?要： 二次雷達是空中交通管理部門實現雷達管制的技術基礎，對保障飛行器飛行安全發揮了重要作用。本文根據二次雷達運行保障實際需求，設計了一種二次雷達數據顯示回放系統，實現了A/C模式二次雷達和S模式二次雷達數據的記錄、顯示、回放等功能。經測試，該系統運行可靠、效率高，可較好的滿足實際需求。

關鍵詞： 二次雷達;ASTERIX;顯示;回放

中圖分類號： TP311.52 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.045

本文著錄格式：孫粲. 二次雷達數據顯示回放系統設計[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

隨著民航運輸業的快速發展，空中交通流量不斷增加，二次雷達作為監視飛行器的主要手段，在空中交通管理中發揮著重要作用。二次雷達通過對飛行器的詢問與接收飛行器對詢問的應答實現對飛行器的空間三維定位與數據通信，可為空中交通管理部門指揮飛行器飛行提供重要信息[1-3]。二次雷達數據顯示回放系統是二次雷達重要的人機接口，也為技術人員分析雷達性能、排查故障、分析假目標干擾等問題提供重要參考信息。

本文根據空中交通管理二次雷達運行保障實際需求，設計了一種二次雷達數據顯示回放系統，實現了A/C模式二次雷達和S模式二次雷達數據的顯示、回放等功能，可為二次雷達的安全運行提供有力保障。

1 ?總體設計

二次雷達數據顯示回放系統運行于Ubuntu 19.04操作系統，使用Qt5.12.0開發，編程語言為C++，基于Qt可跨平臺的特點，本系統在Windows和其他Linux系統上對源代碼稍加修改，即可實現多操作系統運行[4，5]。

二次雷達數據顯示回放系統由顯示模塊和回放模塊兩部分組成。顯示模塊負責雷達數據的接收、地圖顯示并將其記錄于二進制文件中，回放模塊讀取顯示模塊記錄的雷達數據文件并在地圖上回放顯示，兩個模塊可同時運行。二次雷達數據顯示回放系統的運行需繪制大量圖形，消耗大量系統資源，若采用單線程技術，將會造成主界面卡頓，因此，本設計顯示模塊和回放模塊均使用主線程和數據解析線程兩個線程，保證程序運行流暢。主線程和數據解析線程的通信采用Qt特有的Signal/Slot機制。

2 ?詳細設計

2.1 ?數據解析線程設計

二次監視雷達數據通常采用歐控ASTERIX規范作為雷達信號輸出標準[6]，基于OSI模型的表示層和應用層制定，其中A/C模式雷達輸出Cat001雷達目標報告[8]和Cat002雷達服務報文[9]、S模式雷達輸出Cat034雷達服務報文[10]和Cat048雷達目標報告[11]。ASTERIX規范雷達數據格式如圖1所示。一條ASTERIX雷達數據包含一下內容：（1）Cat字段，ASTERIX雷達數據類別，如Cat001、Cat002，長度為1字節，即共定義256種Cat類別;（2）Len字段，表示該ASTERIX雷達數據的長度，長度為2字節;（3）FSPEC（Field Specification）字段，可變長度，該字段是對后續Record字段包含的數據項（Data Item）的定義，ASTERIX規范的每個Cat類別都定義了標準UAP（User Application Profile），其中定義了該Cat類別可能包含的所有數據項，可根據雷達目標特征輸出其中部分數據項，若此次包含某一數據項，則在FSPEC中對應的標志位置1否則置0;（4）Record字段，可變長度，該字段中依次排列了FSPEC字段定義的數據項的內容，該字段與FSPEC字段共同組成一條雷達目標報告或者雷達服務報文;每條ASTERIX雷達數據可包含一條或多條雷達目標報告或者雷達服務報文。

雷達數據通常采用同步串行HDLC協議或UDP協議傳輸。通常，計算機不能直接接收同步串行HDLC數據，若輸入顯示模塊的數據為HDLC協議數據，需加裝HDLC-UDP協議轉換器，將HDLC數據轉換為UDP數據后，輸入顯示模塊。

數據解析線程運行于后臺，顯示模塊的數據解析線程通過UDP Socket讀取網絡上的雷達數據，并將其記錄在二進制文件中;回放模塊的數據解析線程則從顯示模塊記錄的文件中讀取雷達數據。線程中譯碼器的性能直接關系到能否正確解析雷達目標信息，在該線程中設計了Decoder001、002、034、048四個譯碼器，根據獲取的雷達數據的類型選擇對應的譯碼器解析雷達數據，設計了Target001、Message002、Message034、Target048四個類，分別存儲解析后的Cat001、002、034、048報文內容，通過Signal/Slot機制傳輸到主線程處理。

2.2 ?主線程設計

主線程主要實現功能控制、背景地圖顯示、雷達目標顯示、坐標轉換、其他信息顯示等功能。

顯示模塊的功能控制包括雷達參數設置，數據顯示的開始、暫停、終止，數據顯示過濾等功能;回放模塊的功能控制還可設置回放時間段和回放 ?速度。

地圖顯示用于顯示數據解析線程解析的雷達數據和用戶自定義的背景地圖，如雷達站點、扇區、航路等。地圖顯示功能基于Qt圖形視圖框架實現。Qt圖形視圖框架由場景QGraphicsScene、視圖QGraphicsView、圖元QGraphicsItem組成[3，4]，相對于采用通用GIS API的方案，具有輕量化、效率高的特點，可實現本設計背景地圖、雷達目標圖形化顯示的需求。構造繼承自QGraphicsView的MapView類和繼承自QGraphicsScene的MapScene類，并實現地圖縮放、拖拽等功能。雷達站點、扇區、航路等信息以文本文件的形式存儲在本設計文件夾下，顯示/回放模塊讀取文本文件并將其以圓點、多邊形、折線的形式顯示在背景地圖上。

雷達目標在地圖上的顯示至少需要包含目標的當前位置、歷史點、標牌、當前位置與標牌連線等元素，因此，構造一個TargetItem類用于將單個目標顯示在地圖上，其中包含：構造的當前位置圖元、歷史點圖元、標牌圖元、當前位置與標牌連線圖元等成員變量。該類添加如下方法：鼠標雙擊目標的當前位置可彈出窗口顯示當前目標的詳細信息;目標的標牌可以被拖動到其他位置;設置顯示終止門限參數n，連續n個雷達探測周期未能探測到該目標時，認為該目標未在雷達探測范圍，將其從地圖上刪除。主線程將接收到的Target001、Target048轉換為TargetItem，將其顯示在地圖中，并在后續周期不斷更新其信息。

雷達目標的坐標通常用三維極坐標（斜距ρ、方位θ、高度h，ρ-θ-h）表示，背景地圖元素（雷達站點、航路、扇區），坐標通常用WGS84坐標表示，要在Qt圖形視圖框架中顯示上述信息均需要進行坐標轉換。將以雷達為中心的目標三維極坐標投影到平面，轉換為以雷達為中心的平面極坐標（r-θ），再將該平面極坐標通過Vincenty公式轉換為WGS84坐標;將雷達目標和背景地圖元素的WGS84坐標映射為QGraphicsView坐標系統即可顯示在地圖上。

圖2為二次雷達數據顯示回放系統顯示模塊界面，回放模塊界面與顯示模塊基本相同。Display選項卡中，左邊區域為功能控制、目標顯示過濾、雷達目標分類統計和當前系統時間等內容;右邊區域為包括背景地圖、雷達目標等內容的地圖顯示。

圖3為雷達目標詳細信息的窗口顯示，包含了當前周期雷達探測輸出的該目標所有特征信息，所有信息均來自于當前雷達周期譯碼器對Cat001或Cat048雷達目標報告的解析。

圖4位顯示模塊System Status選項卡界面，顯示的當前周期雷達的狀態顯示，所有信息均來自于當前雷達周期譯碼器對Cat002或Cat034雷達服務報文的解析。

3 ?結論

二次雷達數據顯示回放系統實現了空管二次監視雷達輸出的ASTERIX Cat001、048格式雷達目標報告和Cat002、Cat034格式雷達服務報文的接收、記錄、顯示、回放等功能，具有顯示雷達目標詳細信息、雷達詳細信息、目標統計信息、雷達系統狀態信息等功能，可用于分析雷達性能、排查故障和干擾等。本設計基于Ubuntu Linux操作系統，使用Qt開發，開發語言為C++，圖形界面友好，運行效率高。經測試，該設計可較好的滿足二次雷達數據的接收、記錄顯示和回放需求。

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