航管雷达数据模拟生成的方法

摘要

本发明属计算机模拟。步骤是配置适应性数据：建立适应性地理数据与雷达数据模拟生成器显示平面的对应关系，将模拟区域的所有地标点、航线、机场、导航台等地理数据的经纬度，变换到显示平面的对应位置，建立显示平面与实际地理区域某点“一对一”的映射关系；设计航空器按照规定航线或任意飞行的运动轨迹模型，模拟形成航空器在飞行过程中的动态状态参数；根据航空器飞行中的状态参数，模拟生成所需要的不同航管雷达数据报文输出，对目标报进一步进行正常目标、反射虚假目标、窜扰目标和其他特殊情况雷达数据的模拟。弥补了实际中很难出现或出现后产生严重后果的情况，方便对管制自动化系统测试，对提高空管质量，降低管理成本和风险有积极作用。

权利要求

1.一种航管雷达数据模拟生成的方法，其特征在于：利用计算机操作系统，通过数据输出接口输出模拟雷达数据，首先，配置适应性数据，在计算机的开发环境下建立适应性地理数据与雷达数据模拟生成器显示平面的对应关系，即选定地理经纬度数据中的某点作为模拟区域的中心，显示平面中心与选定区域中心点为对应点，根据地球等效椭圆中经纬度的几何关系，将模拟区域的所有地标点、航线、机场、导航台地理数据的经纬度，变换到显示平面的对应位置，建立显示平面的每一点与实际地理区域某点“一对一”的映射关系；然后设计航空器按照规定航线或任意飞行的运动轨迹模型，模拟形成航空器在飞行过程中的动态状态参数，为生成航管雷达数据提供目标状态信息；最后根据航空器飞行中的状态参数，模拟生成所需要的不同航管雷达数据报文输出，包括航管雷达目标报、扇区报和正北报，对目标报，进一步进行目标的正常情况和特殊情况的雷达数据模拟。

2.如权利要求1所述的航管雷达数据模拟生成的方法，其特征在于：所述设计航空器按照规定航线或任意飞行的运动轨迹模型，包括按飞行计划模拟、根据测试特殊功能需要的模拟和控制区域内航空器数量的模拟方式；

按飞行计划模拟是通过民航系统使用的飞行计划，包括飞机机型、飞行航线、过点时刻以及飞行高度、飞行速度、起降机场信息，模拟航空器在正常飞行过程中的运动轨迹；

根据测试特殊功能需要的模拟方式，是任意设置航空器的运动轨迹和运动参数，包括飞行路线、飞行高度、飞行速度、爬升/下降速率、转弯半径，从而达到模拟航空器危险接近、接近障碍物、侵入禁区/限制区情况；

按照在控制区域内航空器数量的模拟方式，是在任意控制的一个区域范围内，逐次增加若干架航空器，方便获得所需要的任意数量的模拟目标。

3.如权利要求1所述的航管雷达数据模拟生成的方法，其特征在于：所述对目标报进一步进行目标雷达数据的模拟，包括正常情况的模拟和特殊情况的模拟，特殊情况的雷达数据模拟包括反射虚假目标的模拟、窜扰目标的模拟和其他特殊情况的模拟：反射虚假目标的模拟是当雷达波照射到雪山或其他具有反射能力的物体时，雷达波束发生反射，反射波探测到空中的飞行目标时，雷达将收到相应的应答信号，在反射方向形成的反射虚假；

窜扰目标的模拟是当位于相同距离、相同方位和不同高度的多架航空器，收到雷达站的询问信号后，分别给出各自的应答信息，当应答信息到达航管雷达接收机系统后，多个应答码相互交织，使询问机无法区分这些目标的应答，从而会产生目标窜扰现象；

其他特殊情况的模拟包括如劫机、通信故障、燃料紧急、SSR代码改变、测试目标、固定应答、特殊位置指示情况的模拟。

4.如权利要求1或3所述的航管雷达数据模拟生成的方法，其特征在于：所述雷达数据的模拟在生成模拟航管雷达数据时，按照如下规则和步骤生成：(1)设置航管雷达参数和属性，包括地理位置参数经度、纬度、标高，天线扫描周期，雷达探测范围，雷达数据类型；

(2)根据雷达天线扫描周期，按照指定雷达数据类型进行报文填写，其中包括：天线通过雷达站正北时，填写正北服务报，天线扫描经过每个扇区时，填写扇区服务报，当某一扇区内含有位于该雷达探测范围的目标时，在扇区报文之后，填写目标报；

(3)将填写好的报文，封装成为符合HDLC/BSC通信协议的同步信号后，实时输出给管制自动化系统；

5.如权利要求1所述的航管雷达数据模拟生成的方法，其特征在于：计算机的操作系统：Windows2000/XP；开发环境：Visual C++ 6.0。

说明书

航管雷达数据模拟生成的方法

所属技术领域

[0001] 本发明属计算机模拟数字处理范畴，涉及雷达数据模拟生成的方法，特别涉及空管自动化系统测试时，需要的通常情况下不出现或试验时危险性较高的航管雷达数据的生成方法。

背景技术

[0002] 目前在空管自动化领域，主要采用一部或多部地基航管监视雷达实现对其责任区域内的航空器的监视。民航系统目前使用的航管雷达主要是单脉冲二次监视雷达。地基航管雷达通过其天线系统、发射系统、接收系统和信号检测系统等实现对空监视的功能，并将监视到的航空器的信息通过特定的数据格式和传输协议输入到管制中心自动化系统中，即管制中心自动化系统收到的均是通常飞行情况下的航管雷达数据。而国内外空管自动化系统厂商多数使用真实记录数据进行测试，很难对特殊情况进行充分测试。通常情况下不出现或校飞试验时危险性较高的航管雷达数据测试实际上处于空白状态，这对空中交通的发展和新型飞行器的试飞十分不利。

发明内容

[0003] 本发明旨在根据航空器的运动学参数和雷达探测原理，模拟生成目前民航管制系统所使用的各种航管雷达数据，使得可以利用模拟数据测试管制自动化系统所需要的各种情况，包括：航空器正常飞行、盘旋、危险接近、雷达信号窜扰、环境反射虚假目标等。

[0004] 本发明的目的是这样达到的：一种航管雷达数据模拟生成的方法，其特征在于：利用计算机操作系统，通过数据输出接口输出模拟雷达数据，首先，配置适应性数据：在计算机的开发环境下建立适应性地理数据与雷达数据模拟生成器显示平面的对应关系，即选定地理经纬度数据中的某点作为模拟区域的中心，显示平面中心与选定区域中心点为对应点；根据地球等效椭圆中经纬度的几何关系，将模拟区域的所有地标点、航线、机场、导航台等地理数据的经纬度，变换到显示平面的对应位置，建立显示平面的每一点与实际地理区域某点“一对一”的映射关系；然后设计航空器按照规定航线或任意飞行的运动轨迹模型，模拟形成航空器在飞行过程中的动态状态参数，为生成航管雷达数据提供目标状态信息；
最后根据航空器飞行中的状态参数，模拟生成所需要的不同航管雷达数据报文输出，包括航管雷达目标报、扇区报和正北报，对目标报，进一步进行目标的正常情况和特殊情况的雷达数据模拟。

[0005] 所述设计航空器按照规定航线或任意飞行的运动轨迹模型，包括按飞行计划模拟、根据测试特殊功能需要的模拟和控制区域内航空器数量的模拟方式；

[0006] 按飞行计划模拟是通过民航系统使用的飞行计划，包括飞机机型、飞行航线、过点时刻以及飞行高度、飞行速度、起降机场等信息，模拟航空器在正常飞行过程中的运动轨迹；

[0007] 根据测试特殊功能需要的模拟方式，是任意设置航空器的运动轨迹和运动参数，包括飞行路线、飞行高度、飞行速度、爬升/下降速率、转弯半径等，从而达到模拟航空器危险接近、接近障碍物、侵入禁区/限制区等情况；

[0008] 按照在控制区域内航空器数量的模拟方式，是在任意控制的一个区域范围内，逐次增加若干架航空器，方便获得所需要的任意数量的模拟目标。

[0009] 所述对目标报进一步进行目标雷达数据的模拟，包括正常情况的模拟和特殊情况的模拟，特殊情况的雷达数据模拟包括反射虚假目标的模拟、窜扰目标的模拟和其他特殊情况的模拟：

[0010] 反射虚假目标的模拟是当雷达波照射到雪山或其他具有反射能力的物体时，雷达波束发生反射，反射波探测到空中的飞行目标时，雷达将收到相应的应答信号，在反射方向形成的反射虚假；

[0011] 窜扰目标的模拟是当位于相同距离、相同方位和不同高度的多架航空器，收到雷达站的询问信号后，分别给出各自的应答信息，当应答信息到达航管雷达接收机系统后，多个应答码相互交织，使询问机无法区分这些目标的应答，从而会产生目标窜扰现象；

[0012] 其他特殊情况的模拟包括如劫机、通信故障、燃料紧急、SSR代码改变、测试目标、固定应答、特殊位置指示等情况的模拟。

[0013] 所述雷达数据的模拟在生成模拟航管雷达数据时，按照如下规则和步骤生成：

[0014] (1)设置航管雷达参数和属性，包括地理位置参数经度、纬度、标高，天线扫描周期，雷达探测范围，雷达数据类型等；

[0015] (2)根据雷达天线扫描周期，按照指定雷达数据类型进行报文填写，其中包括：天线通过雷达站正北时，填写正北服务报，天线扫描经过每个扇区时，填写扇区服务报，当某一扇区内含有位于该雷达探测范围的目标时，在扇区报文之后，填写目标报；

[0016] (3)将填写好的报文，封装成为符合HDLC/BSC通信协议的同步信号后，实时输出给管制自动化系统；

[0017] 方法采用的计算机操作系统：Windows2000/XP；开发环境：Visual C++6.0。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 实现了对航管雷达数据模拟生成，能够方便快捷的模拟各种飞行情况，弥补了实际中很难出现或出现后产生严重后果的情况，如冲突、低高、侵入等，并能模拟由于航管雷达的反射干扰、窜扰等情况，很方便的完成对管制自动化系统的系统测试。作为空管自动化系统功能测试的有益工具，对提高空管质量，降低管理成本和风险有积极作用，具有较大的应用前景和使用价值。

附图说明

[0020] 图1是正常雷达数据模拟流程图。

[0021] 图2是反射虚假目标的形成原理图，其中，A是地面监视雷达，B是反射体，C是真实目标，D是虚假目标，BE是反射法线。

具体实施方式

[0022] 本发明在Windows操作系统平台上，采用Visual C++6.0开发实现的。

[0023] 下面根据模拟步骤，对本方法的要点进行描述。

[0024] 1、配置适应性数据：

[0025] 首先选定地理数据的区域中心位置(Long，Lat)，选择雷达数据模拟生成器的显示平面中心为模拟系统的坐标原点(X＝0，Y＝0)，并建立两者“一对一”的映射。

[0026] 将地理数据中所有目标的经纬度映射到显示平面坐标系，并根据雷达站、地标点、导航台、区域管制边界、飞行情报区边界、航线、航路、监视点、国境线等地理信息的位置，按照不同的颜色标注在模拟生成器上。

[0027] 2、建立航空器运动轨迹的模拟生成方式：为了便于测试管制自动化系统的各项功能，在模拟航空器运动轨迹时，设计成飞行计划模拟、根据测试特殊功能需要的模拟和控制区域内航空器数量的模拟三种生成方式。其目的是在模拟真实情况下航空器运动轨迹的同时，模拟真实情况以外的飞行态势，如航空器相互危险接近、航空器超低空飞行接近障碍物、航空器侵入禁区/限制区等。

[0028] 对已知航空器的飞行计划时，从飞行计划中读取航空器途径的所有地标点位置、起飞时刻、飞行速度、飞行高度等信息。对每一航段，计算计划中两个端点的高度差ΔH、速度差ΔV、时间差ΔT，则在该航段中任意时刻t，模拟航空器的状态为：

[0029] H(t)＝H0+(t-T0)*ΔH/ΔT，T0≤t＜(T0+ΔT) (1)

[0030] V(t)＝V0+(t-T0)*ΔV/ΔT，T0≤t＜(T0+ΔT) (2)

[0031] P(t)＝P0+(t-T0)*V(t)，T0≤t＜(T0+ΔT) (3)

[0032] 其中H0、V0、P0、T0分别为航段起始点的高度、速度、位置和时刻。

[0033] 对其他两种方式，采用类似的动力学方程，计算航空器即时的状态参数。

[0034] 在根据航空器的运动方程，如式(1～3)得到任意时刻t的状态参数后，还要计算与雷达站的相互位置关系。由于通常航管雷达报告是以雷达站为中心的极坐标系，因此必须计算目标在以雷达站为中心的极坐标系下的位置：

[0035] Rho＝|P(t)|＝sqrt(Px*Px+Py*Py) (4)

[0036] Theta＝arctg(Px/Py) (5)

[0037] 其中Rho为斜距，Theta为相对于正北方向的夹角，Px、Py为t时刻目标位置P(t)在X、Y坐标分量。

[0038] 3、航管雷达数据的模拟；包括正常目标雷达数据的模拟、反射虚假目标雷达数据的模拟、窜扰目标雷达数据的模拟和其他特殊情况雷达数据的模拟

[0039] (1)正常目标雷达数据的模拟包括下属的两个步骤：

[0040] A、获取雷达站的离线参数

[0041] 读取雷达站参数和属性，根据雷达站的地理位置参数，将其标注在模拟生成器显示坐标系对应位置；根据雷达探测范围，建立有效的监视区域，只有进入该区域的航空器，才能够被该雷达发现并输出；根据雷达类型标志，作为后续模拟生成不同的雷达数据类型的依据。

[0042] B、雷达数据模拟

[0043] 以时间为驱动，每间隔一个雷达天线扫描周期时，按照不同雷达数据类型，填写并输出一次该雷达类型的正北数据报文；每间隔一个雷达天线扫描扇区时，按照不同雷达数据类型，填写并输出一次该雷达类型的扇区报文；在每个扇区内，检查位于该雷达探测范围内的模拟航空器的状态信息，并将其状态信息，按照不同雷达数据类型，填写该雷达的目标报文，包括雷达站源代码、目标状态描述、目标位置、目标高度、目标速度、探测时刻、目标3/A模式代码、目标特征等。

[0044] 正常目标模拟处理流程如图1所示。

[0045] 以下以ASTERIX雷达数据格式的目标为例，详细描述图1中组织报文的模拟情况来说明。

[0046] ASTERIX雷达数据格式如下：

[0047]标
目
个
一
后
最
C
E
P
S
F
。
。
。
。
。
。
。
标
目
个
一
第
C
E
P
S
F
N
E
L
1
0
0
＝
T
A
C

[0048] 其中：

[0049] CAT：占据一个固定字节长度，为报文类型，1表示单雷达目标报，2表示单雷达服务报，3代表综合雷达航迹报，8代表单雷达气象报，9代表综合雷达气象报等。

[0050] LEN：占据2个字节长度，表示包括CAT和LEN以及后续目标数据在内的数据段的长度FSPEC：变长，表示数据项对应的字段是否存在的指示，其表示顺序是依据已经定义了的数据用户相关表(UAP)。

[0051] ASTERIX定义的UAP表入下所示：

[0052] 表1是Asterix格式雷达航迹报文用户相关表

[0053] 表1：

[0054]索引 数据报文项 信息描述 报文长度 说明
1 I001/010 数据源表示 2 M
2 I001/020 目标报告描述 1+ M
3 I001/161 航迹号 2 M
4 I001/040 测量的极坐标位置 4 M
5 I001/042 计算的直角坐标位置 4 O
6 I001/200 计算的航机速度 4 M
7 I001/070 3/A模式代码 2 M
FX ---- 字段扩展标识 -
8 I001/090 C模式高度 2 M
9 I001/141 日时间 2 M
10 I001/130 点迹特征 1+ O
11 I001/131 接收功率 1 O
12 I001/120 Doppler径向速度 1 O
13 I001/170 航迹状态 1+ 0
14 I001/210 航迹质量 1+ O
FX ---- 字段扩展标识 -
15 I001/050 2模式代码 2 O
16 I001/080 3/A模式代码可信度标2 O
17 I001/100 识 4 O
18 I001/060 C模式可信度标识 2 O
19 I001/030 2模式代码可信度标识1+ O
20 --- 警告/错误类型 -
21 --- (保留) -
FX ---- (保留) -
字段扩展标识
22 I001/150 出现X脉冲 1 O

[0055] 其中上表的第一列对应FSPEC的bit位，索引值由小到大，对应由高到低的bit位，当索引8之后的数据项存在时，第一字节的FX位为1否则为0，当索引15之后数据项存在时，第二字节的FX位为1否则为0。第四列表示所占据的字节数，1+表示至少有一个字节，根据需要可以有扩展字节。第五列M表示必须出现的数据字段，0表示根据需要可以出现的数据字段，以下仅描述标注M的数据项。

[0056] I001/010的数据源标示，是用来表示雷达站的信息，该信息是由国家统一编排的，在“雷达站离线参数”中获得，当一部雷达固定后，其发出的报文中，该数据项就是固定的，如首都Raytheon雷达对应项为00 4D(十六进制数据，下同)

[0057] I001/020目标报告描述，表示目标是点迹/航迹，一次雷达/二次雷达/合装雷达探测，真是目标/测试目标等的属性，如A0，表示该报告是二次雷达探测的航迹数据[0058] I001/161航迹号，两个字节表示的航迹目标的航迹号，如01 EB，表示该目标的航迹号为491(0x1EB)

[0059] I001/040测量的极坐标位置，即在4.2部分由式(4)、(5)计算的目标位置Rho、Theta，将由式(4)计算的Rho转换为单位为1/128海里为单位的整数，用两个字节来表示，16
接着将由式(5)计算的Theta转换为单位为360°/2 为单位的整数，用两个字节来表示，如某目标由式(4)、(5)计算的值为Rho＝200km，Theta＝45°，则输出的雷达数据中，将
16
Rho转换后为：200/1.852*128＝13823，即0x35FF，将Theta转换后为：45/360*2 ＝8192，即0x2000I001/070 3/A模式代码，即目标的3/A代码，该参数来自飞行计划或人工设置或自动生成，3/A代码是4位8进制数，如A2367，即0x4F7

[0060] I001/090 C模式高度，即表示目标当前的气压高度，来自式(1)，输出时，转换为单位25英尺，如目标高度为8400米，转换后为：8400/0.3048/25＝1102，即0x44EI001/141日时间，表示自UTC的午夜至当前时刻的时间，输出单位为1/128秒，如当前UTC时间为09:00:00时，输出数据为：9*3600*128＝4147200，即0x3F4800

[0061] 若该目标其他数据项均不出现时，根据FSPEC的编码规则，上述例子的FSPEC为：

[0062] 0xF7CO。总的数据长度为19个字节(0x13)，综合起来就会输出如下数据序列：010013 F7 C0 00 4D A0 01 EB 35 FF 04 F7 04 4E 3F 48 00

[0063] 表示由雷达站源标示符为0x4D的雷达在当天UTC时间09:00:00时报告一个据雷达站200km、方位45度、A模式代码为2367、高度为8400米、航迹号为491的二次雷达航迹。

[0064] (2)反射虚假目标雷达数据的模拟

[0065] 根据图2反射虚假目标的形成原理，在模拟时，首先设置反射体的位置，并确定反射体所在的扇区S及反射体到雷达站间的距离R(即图2中AB段的长度)，如图2中，反射体所在扇区号为：

[0066] 其中 表示对K取整，x，y为反射体相对于雷达站的坐标，N为雷达扇区总数。当雷达扫描到该扇区时，有可能会出现反射虚假目标。距离用于判断反射路径的长度。

[0067] 根据雷达的最远探测范围Rmax和反射体到雷达站的距离R，判断进入反射区域的目标是否会产生反射虚假目标，即如果目标所在位置到反射体的位置L(图2中的BC段长度)满足：

[0068] L≤Rmax-R

[0069] 则在雷达发射波的方向AB将产生虚假目标，根据反射路径的长度，可以得到反射虚假目标的位置，同时将结合收到的其他应答信息，在该位置模拟输出一个反射虚假目标。

[0070] (3)窜扰目标雷达数据的模拟

[0071] 对位于相同距离、相同方位和不同高度的两架航空器出现时，模拟生成一个新的目标。这种情况通常都是发生在距离雷达站较远的地方，可以选择在雷达探测范围(3/4-1)Rmax范围内，当两个相同方位相同距离不同高度的目标出现时，模拟输出一个新的目标3-10个周期，同时中断真实目标的输出，虚假目标的应答码应是两个真实目标应答码的或运算结果。如：当处于雷达探测边缘、同方位的两个真实目标A6436和A1506，分别位于11400米和10200米，则模拟系统连续若干个周期输出一个高度为11400米的假目标A7536，同时中断输出两个真实目标的输出，当两目标方位差大于15度时恢复真实目标的输出。

[0072] (4)其他特殊情况雷达数据的模拟

[0073] 可以选择雷达探测范围内的某一航空器，将其3/A模式应答码SSR修改7500/7600/7700，或在目标状态中，将选定的目标设置为劫机/通信故障/燃料紧急，用来测试管制中心自动化系统是否进行紧急状态告警；

[0074] 可以选择雷达探测范围内的某一航空器器，修改其SSR代码，用来测试管制中心自动化系统，在处理航空器SSR改变时，航迹是否连续平化；

[0075] 可以选择雷达探测范围内的某一航空器，设置其特性为“测试目标/固定应答目标/特殊位置指示目标”，用来测试管制中心自动化系统是否能够正确处理、显示和屏蔽测试目标/固定应答目标/特殊位置指示目标。