CN101206260A - 航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法 - Google Patents

Abstract

一种航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法，首先由航管雷达确定飞机距离和方位的目标信息，该目标信息以雷达站所在位置为中心的极坐标表示；将上述一极坐标表示的目标信息，结合考虑地球椭球的影响，进行从极坐标到以雷达为原点的平面直角坐标的变换，为在平面直角坐标系中对飞机目标进行Kalman滤波跟踪提供便利。相比通常的算法，本方法能缩小变换误差、提高了精度处理。

Description

航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法

技术领域

本发明涉及航管管制自动系统中对雷达目标信息的处理方法，特别是对空观测雷达球极坐标与目标跟踪处理平面直角坐标之间的坐标变换后，再进行滤波跟踪的方法，即是涉及到航管雷达以极坐标方式报告目标位置时，将报告位置转换为处理平面直角坐标，再进行雷达跟踪的方法。

背景技术

对空观测雷达，通过收发系统的时间延迟获得探测目标与雷达站的距离，并根据天线扫描方位确定探测目标的位，因此目标的位置参数多数都是以雷达站所在位置为中心的本地极坐标系表示，即以目标方位角、俯仰角和斜距的方式报告目标的位置。

在民航管制自动化系统中使用的航管雷达，也称为二次监视雷达，雷达站地面天线系统接收航空器机载应答机的应答信号，通过时间的延迟和天线的扫描方位来确定飞机的距离和方位等目标信息，同时还可以获得机载应答机应答的A模式代码和C模式高度，因此获得的目标信息包括目标斜距、方位角、高度和航空器代码等。

目前在雷达跟踪系统中，都是基于动态运动模型和观测模型的，而通常这些模型都是在笛卡尔直角坐标系中的模型，这与雷达报告的极坐标模型是不同的，因此雷达跟踪就包括一个非线性估计的问题，当然也可以在采用混合坐标系下，运用扩展Kalman滤波或二阶扩展Kalman滤波算法，但这种近似会在目标运动状态估计和误差协方差矩阵的计算上引入较大的误差，从而导致跟踪性能降低，严重时会导致滤波器发散。另一种方法就是先将雷达测量的极坐标位置转换成为以雷达站为原点的平面直角坐标位置，而后进行Kalman滤波跟踪。目前常用的转换算法[文献1，2]是不考虑地球椭球的影响，直接进行投影变换，如图1所示，给定一个雷达探测目标测量(r，η，θ)，其中r为目标斜距，η为俯仰角，θ为相对于雷达站正比方向的方位角，则在平面直角坐标系中的坐标(X，Y，Z)为：

X＝r cosηsinθ

Y＝rcosηcosθ

Z＝rsinη

在民航系统中使用的二次监视雷达中，通常报告目标的斜距和方位角，以及C模式高度，如果照搬上述投影方法，将带来较大的误差，因此必须考虑地球椭球的影响。

文献1：韩崇昭、朱洪艳、段战胜著，《多源信息融合》，清华大学出版社，2006.4

文献2：Y.Wu，P.Wang，X.Hu，“Algorithm of Earth-Centered Earth-FixedCoordinates to Geodetic Coordinates”，IEEE Trans.AES，Vol.39(4)，2003，p1457-1461。

发明内容

本发明的目的是提供一种航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法，以通过考虑地球椭球曲率影响情况下的航管雷达极坐标(距离/方位/高度)报告与处理平面直角坐标(X/Y/H)之间的转换，减小通常转换算法的计算误差，提高目标跟踪系统的处理精度。

本发明的目的是这样实现的：一种航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法，包括以下步骤：

(a)、由航管雷达站地面天线系统发送询问信号，并接收航空器机载应答机的应答信号，通过时间的延迟和天线的扫描方位来确定飞机的距离和方位的目标信息，该目标信息包含以雷达站所在位置为中心的本地极坐标表示的目标斜距r、方位角θ、机载应答器回答的C模式高度H；

(b)、在考虑地球椭球球面影响的情况下，为减小投影误差，实现从极坐标位置到处理平面直角坐标位置的变换方法。具体步骤如下：

(c)不同于通常方法直接选择目标在地球切面上的投影点P_t，而是选择目标空间位置点P与雷达站在地球另一面对应点D的连线，与地球切平面的交点P₂作为目标的投影点；

(d)根据目标相对于雷达站的方位信息(θ)，计算在平面直角坐标系中的坐标(X，Y)，即：X＝AP₂*sinθ，Y＝AP₂*cosθ；

步骤(c)中，目标在处理平面内的投影AP₂的计算方法如下：

(c1)根据正弦定理，AP₂＝AP*sin∠APP₂/sin∠AP₂P，其中AP为目标斜距r，两个角度按(c2)和(c4)步骤计算；

(c2)根据正弦定理，sin∠APP₂＝AD/DP*sin∠OAP，其中AD＝2R+C，R为地球等效半径，C为雷达站高度，∠OAP按(c3)计算；

(c3)根据余弦定理，cos∠OAP＝(OA²+AP²-OP²)/(2*OA*AP)，其中OP＝R+H，OA＝R+C，AP＝r，H为航管雷达报告的目标高度；

(c4)∠AP₂P＝90°+∠ADP＝90°+(180°-∠/APP₂-∠OAP)＝270°-∠APP₂-∠OAP。

通常情况下，雷达测量(r/η/θ)与平面直角坐标系之间，直接进行投影变换的几何关系，目标P(r，η，θ)，r＝AP，则在处理平面的投影AP_t＝rcosη，并由此根据方位角θ可以获得在处理平面的XY坐标。

实际上，是将P_t当作了P点在处理平面的投影，由于地球球面的影响，在P点到地心O的连线PO是垂直于地球表面的，||PC||即为目标的高度，这时P点的投影应该位于P₁点，因此投影误差为||P₁P_t||。然而用P₁作为P点在处理平面的投影时，就存在PP₁和AP₁不垂直的问题。为了在P1和Pt之间选择一个折中的投影点，本发明提出了如图2的投影变换几何关系：

在P₁P_t之间选择P₂，其中P₂是P与AO与地球另一面交点D的连线与AP_t的交点，即我们选择AP₂为目标P在局部处理平面内的投影。通过解几何三角形，可以实现更加近似的平面坐标。

本发明提供了一种新的在雷达报告极坐标与处理平面直角坐标之间的变换方法，该方法相比通常采用的算法，能够缩小投影变换误差，提高处理精度。可以广泛应用于数据处理相关的算法，具有较大的应用前景。

附图说明

图1雷达探测与处理平面间的切面几何关系图；

图2本发明的投影几何关系图。

具体实施方式

在图2中，||OB||＝||OC||＝||OD||＝R(地球等效半径)，||AB||＝C(雷达站的高度)，||PC||＝H(航管雷达报告的目标高度)，||AP||＝r(雷达报告的目标斜距)

(1)在ΔAOP中，计算∠OAP：

如果雷达报告俯仰角η，则∠OAP＝90°+η；

在航管雷达中，通常没有报告俯仰角η，而是报告了目标高度H，即||PC||的值，则通过余弦定理在ΔAOP：

cos∠OAP＝(OA²+AP²-OP²)/(2*OA*AP)，其中||OP||＝R+H，||OA||＝R+C，||AP||＝r。

(2)在ΔADP中，计算||DP||：

由余弦定理可以得到DP²＝AP²+AD²-2*AP*AD*cos∠OAP，其中||AD||＝2R+C

(3)在ΔADP中，计算∠APD：

由正弦定理sin∠APD＝AD/DP*sin∠OAP，

(4)在ΔAPP₂中，计算||AP₂||，即目标在处理平面内的投影：

由正弦定理||AP₂||＝AP*sin∠APD/sin∠AP₂P，

其中∠AP₂P＝90°+∠ADP＝90°+(180°-∠APD-∠OAP)＝270°-∠APD-∠OAP；

所以：||AP₂||＝AP*sin∠APD/sin∠AP₂P＝-AP*sin∠APD/cos(∠APD+∠OAP)；

(5)在投影平面内的X/Y坐标为：

X＝AP₂*sinθ

Y＝AP₂*cosθ，其中θ为雷达报告相对于正比方向的方位角

高度H仍然为雷达报告的C模式高度。

反变化过程类似。

因此，航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法，包括以下步骤：

(a)、由航管雷达站地面天线系统发送询问信号，并接收航空器机载应答机的应答信号，通过时间的延迟和天线的扫描方位来确定飞机的距离和方位的目标信息，该目标信息包含以雷达站所在位置为中心的本地极坐标表示的目标斜距r、方位角θ、机载应答器回答的C模式高度H；

(b)、在考虑地球椭球球面影响的情况下，为减小投影误差，实现从极坐标位置到处理平面直角坐标位置的变换方法。具体步骤如下：

(c)不同于通常方法直接选择目标在地球切面上的投影点P_t，而是选择目标空间位置点P与雷达站在地球另一面对应点D的连线，与地球切平面的交点P₂作为目标的投影点；

(d)根据目标相对于雷达站的方位信息(θ)，计算在平面直角坐标系中的坐标(X，Y)，即：X＝AP₂*sinθ，Y＝AP₂*cosθ；

步骤(c)中，目标在处理平面内的投影AP₂的计算方法如下：

(c1)根据正弦定理，AP₂＝AP*sin∠APP₂/sin∠AP₂P，其中AP为目标斜距r，两个角度按(c2)和(c4)步骤计算；

(c2)根据正弦定理，sin∠APP₂＝AD/DP*sin∠OAP，其中AD＝2R+C，R为地球等效半径，C为雷达站高度，∠OAP按(c3)计算；

(c3)根据余弦定理，cos∠OAP＝(OA²+AP²-OP²)/(2*OA*AP)，其中OP＝R+H，OA＝R+C，AP＝r，H为航管雷达报告的目标高度；

(c4)∠AP₂P＝90°+∠ADP＝90°+(180°-∠APP₂-∠OAP)＝270°-∠APP₂-∠OAP。

Claims (3)

1.一种航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法，其特征是：包括以下步骤：

(a)、由航管雷达站地面天线系统发送询问信号，并接收航空器机载应答机的应答信号，通过时间的延迟和天线的扫描方位来确定飞机的距离和方位的目标信息，该目标信息包含以雷达站所在位置为中心的本地极坐标表示的目标斜距r、方位角θ、机载应答器回答的C模式高度H；

(b)、在考虑地球椭球球面影响的情况下，为减小投影误差，实现从极坐标位置到处理平面直角坐标位置的变换方法。

2.根据权利要求1所述航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法，其特征是：所述坐标变换的步骤如下：

(c)不同于通常方法直接选择目标在地球切面上的投影点P_t，而是选择目标空间位置点P与雷达站在地球另一面对应点D的连线，与地球切平面的交点P₂作为目标的投影点；

(d)根据目标相对于雷达站的方位信息(θ)，计算在平面直角坐标系中的坐标(X，Y)，即：X＝AP₂*sinθ，Y＝AP₂*cosθ；

3.根据权利要求2所述航管自动化系统中雷达目标信息的处理方法，其特征是：所述目标在处理平面内的投影AP₂的计算方法如下：

(c1)根据正弦定理，AP₂＝AP*sin∠APP₂/sin∠AP₂P，其中AP为目标斜距r，两个角度按(c2)和(c4)步骤计算；

(c2)根据正弦定理，sin∠APP₂＝AD/DP*sin∠OAP，其中AD＝2R+C，R为地球等效半径，C为雷达站高度，∠OAP按(c3)计算；

(c3)根据余弦定理，cos∠OAP＝(OA²+AP²-OP²)/(2*OA*AP)，其中OP＝R+H，OA＝R+C，AP＝r，H为航管雷达报告的目标高度；

(c4)∠AP₂P＝90°+∠ADP＝90°+(180°-∠APP₂-∠OAP)＝270°-∠APP₂-∠OAP

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