一種無人機載監視雷達模擬數據生成方法

王麗 趙浩然 蔡甫 李武旭

關鍵詞：無人機；監視雷達；航跡處理；模擬數據生成

0引言

無人機是一種有動力、可控制、可執行多種任務并能重復使用的無人駕駛航空器，具有技術集成度高、靈活性強、成本低等特點。近年來，無人機在人工影響天氣、應急產業、氣象監測、巡檢、安防監控、農林植保、測繪與地理信息等領域得以快速發展。無人機具備的全時全域監視能力、探測與避讓能力至關重要，使其在軍事和民用領域發揮重要作用，成為空域中的重要成員。

無人機載監視雷達作為無人機探測與避讓系統的非合作目標探測傳感器，通過空對空目標監視為無人機探測與避讓系統提供鄰近空域的監視信息，是大型、中型無人機的主要感知設備。無人機載監視雷達系統如圖1所示，它能夠連續工作，并且能在水平、俯仰兩個方向對入侵飛行目標進行探測，實現對非合作目標的距離、角度、速度等信息的提取并形成入侵目標航跡信息。

在無人機載監視雷達系統的研究過程中，需要有合適的探測數據源來檢驗該雷達系統的效能，然而外場調試成本太高，而且很容易受到其他因素影響，很難順利開展調試工作，此時，數據模擬器則起到了重要的作用。然而，目前針對數據模擬器的研究主要集中在采樣信號的數字模擬方面，直接檢測整個處理過程（信號處理和航跡處理）的效果，而針對航跡處理單元的原始目標數據模擬方法研究較少。為了單獨檢測航跡處理單元的處理效果，本文針對航跡處理單元需要的數據源提出一種模擬數據生成方法，用以加速航跡處理單元的調試進度，完善航跡處理單元的功能。

1模擬數據生成

1.1航跡處理單元作用

無人機載監視雷達航跡處理單元接收信號處理后的數據，包括觸發數據、原始目標數據，對數據進行處理，并將處理后的航跡信息上報。航跡處理的主要作用是對包含虛假目標的原始目標數據進行預處理、點航關聯、航跡更新等操作，得到準確的目標航跡，并進行航跡初始化、航跡外推，定期對航跡進行維護處理。

1.2數據生成方法

本文提到的模擬數據為無人機載監視雷達航跡處理單元提供合適的數據源，包括觸發數據、原始目標數據等。其數據生成過程如圖2所示，包括目標建模、模擬數據產生、模擬數據整合、模擬數據發送等部分。目標建模是根據無人機飛行環境建立雷達監視的目標運動狀態模型，目標運動狀態涉及的參數包括目標距離、角度、徑向速度、信號幅度等；模擬數據產生是按時間產生觸發數據、虛假目標數據、原始目標數據，并將數據按行存儲到文件中；模擬數據整合則是從數據文件中讀取數據，將觸發數據整合成觸發數據包格式，將虛假目標和真實目標整合成原始目標數據格式；模擬數據發送則是將整合好的數據發送至航跡處理單元需要的地址。

2模擬數據產生

2.1目標參數分析

根據無人機分類、無人機飛行管理要求，以及無人機載監視雷達運行要求，無人機載監視雷達模擬原始目標的參數包括模擬目標的距離、角度、分辨力、速度等。

2.1.1模擬目標的距離

模擬目標的最遠距離為雷達探測目標需要滿足跟蹤精度要求的最大距離的最小值（RDR），其大小取決于目標類別、速度、目標方位角（angle）等因素。模擬目標的最近距離為雷達探測目標滿足跟蹤精度要求的最小距離的最大值（RCPR）。參考RTCA/D0-366標準，應按以下情況設置模擬目標距離參數值。

（1）RDR設置如下：①晴空情況下，小型目標在迎面方向RDR應不小于10.1 km;②晴空情況下，中型目標在迎面方向RDR應不小于11.12km；③晴空情況下，大型目標在迎面方向RDR應不小于12.41km;④從其他方位角接近的目標，由RDR修正因子進行縮放，其修正因子如表1所示。（2）RCPR不應大于1219.2m。

2.1.2模擬目標的角度

模擬目標的角度分為水平方位和俯仰方位，其參數設置如下：①無人機載監視雷達探測俯仰角（垂直參考無人機飛行軌跡）范圍為-15°～+15°，僅限于304.8m地面高度以上的目標；②無人機載監視雷達探測水平角（相對于無人機縱軸）范圍為-110°～+110°。

2.1.3模擬目標的分辨力

分辨力應在RDR的范圍內，以至少90%的概率分辨垂直或水平至少相隔609.6m的兩架目標飛機。

2.1.4模擬目標的速度

無人機類型及速度典型值如表2所示，因此模擬目標的速度應參照表2設定。

2.2模擬數據產生過程

航跡處理單元需要的模擬數據包括觸發數據、運動目標數據、虛假目標數據。本文采用MATLAB軟件對運動目標進行建模，產生目標數據，同時產生觸發數據等，將這些數據存儲到數據文件進行保存。

模擬數據產生過程如下：①設置掃描周期總數；②隨機生成虛假目標數據，并放入虛假目標數據數組；③將觸發數據、運動目標數據、虛假目標數據幾個數組的數值依據相干處理間隔（coherentprocessing interval，CPI）計數按順序依次寫入數據文件。

觸發數據產生過程如下：①設置掃描周期總數、每個周期掃描波束個數；②初始化觸發數據數組；③每個波束中CPI值自動計數，時間標簽按CPI值計數加1；④按掃描波束分配計算每個波束的水平方位角和俯仰方位角；⑤添加觸發數據標識，生成觸發數據，并存儲到觸發數據數組。

根據模擬目標參數，對運動目標進行建模，運動目標的相關參數均應滿足上述參數值范圍。運動目標的狀態可分為勻速和勻加速等不同情況，其運動目標數據產生過程如下：①設置運動目標個數；②設置每個目標的起始、終止位置，包括徑向距離、水平方位角、俯仰方位角；⑧設置每個目標的起始時間、目標檢測點個數，以及雷達掃描周期時間等初始值；④初始化運動目標參數存儲數組和掃描周期總數；⑤按運動目標模型計算當前掃描周期中運動目標的速度、距離、角度、距離分量、速度分量、時間等參數；⑥按目標所在波束計算生成當前掃描周期運動目標所在的波束CPI值；⑦隨機生成當前掃描周期中運動目標的回波幅度值；⑧添加目標數據標識，將每個周期運動目標的參數值存儲到目標數據數組。

3模擬數據整合

3.1整合過程

模擬數據整合的目的是將觸發數據和目標數據按定義的接口數據結構分別進行組包，并發送至設置的網絡地址，其實現方式為Qt Creator（一款輕量級集成開發環境）。其整合過程包括兩個線程：一個為數據文件讀取、數據組包線程；另一個為數據發送線程，線程間通過共享隊列傳遞數據。

數據整合線程的過程如下：①選擇數據讀取的文件；②打開文件，按行讀取數據并放入list（列表）；⑧通過標識區分觸發數據和目標數據，分別按相應數據進行數據幀組包；④將組包好的數據放入隊列；⑤數據發送線程從隊列中取出每條數據；⑥區分觸發數據和目標數據，并將數據發送至相應的網絡地址。

3.2接口數據結構

接口數據包括觸發數據和目標數據兩種，其數據結構均包括消息頭、消息體、校驗和3個部分，不同點在于消息體內容。觸發數據的消息體中只包含了CPI計數、水平方位中心、俯仰方位中心3項掃描信息；目標數據的消息體則包含了更多的目標信息，如目標水平方位、俯仰方位、方位精度、距離、距離精度、徑向速度、速度精度、幅度等。觸發數據結構如表3所示。

4結語

目前針對無人機載監視雷達系統數據模擬器的研究主要集中在信號模擬方面，鮮有針對航跡處理單元的數據模擬方法研究。本文專門為無人機載監視雷達系統中的航跡處理單元提供一種模擬數據生成方法，通過分析無人機載監視雷達探測目標的參數，對運動目標進行建模，并說明了整個模擬數據生成過程。通過此方法生成的模擬數據，可作為檢驗航跡處理效果的數據源，以此作為測試手段，提高系統調試效率，降低調試成本。