CN104020468B - 一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法，包括：1：划分远距离区域、一般近距离区域、极近距离区域；2：当目标接近二次雷达站，处于一般近距离区域时，根据目标极坐标下的运动情况实时计算它的更新周期；3：当目标继续靠近二次雷达站，处于极近距离区域时，目标处理由极坐标系转换为直角坐标系；然后基于直角坐标，对目标进行航迹更新与航迹平滑；4：根据步骤3生成的航迹信息，计算目标实时的更新周期，然后将更新周期进行保存，处理完成。本发明可以得到目标的实际更新周期，更加精确地预测目标下一次扫描时的探测位置，可以准确地对近距离目标进行跟踪与监视，并有利于更加准确地对虚假目标进行滤除。

Description

一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法

技术领域

本发明涉及二次雷达监视技术领域，尤其涉及二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法。

背景技术

随着民用航空行业的发展，二次雷达在空中交通管制方面的应用越来越扮演着不可替代的角色。由于二次雷达在实际应用中，具有效率高、测量精度高、功率小、成本低等优点，在民用航空业得到了广泛的应用，尤其是单脉冲二次雷达开发应用后，探测精度进一步提高。

由于实际空域中的电磁环境比较复杂，二次雷达信号在一定程度上会受到干扰，同时高山、湖泊或高层建筑也会对电磁信号进行反射，从而影响二次雷达的观测效果。特别在雷达站周边区域，环境对二次雷达的影响更加强烈，反射信号与干扰信号、以及由于二次雷达自身性能原因引起的环绕信号大量出现。与此同时，当目标靠近雷达站时，目标自身的切向速度影响会越来越大，导致其探测更新周期严重偏离二次雷达天线扫描周期，从一个很小值到1.5倍天线扫描周期之间都可能存在。

在工程应用中，目标的探测更新周期通常可以看作等于天线扫描周期，此种处理方法，对于远距离目标是合适的。但是对于近距离目标，直接参考天线扫描周期，可能导致目标点航迹相关处理的时间控制出现过早或过晚，进而出现跟踪错误，或者跟踪失败，目标无法正常监视，影响正常的空中交通管制。

发明内容

针对现有技术无法完全有效的处理近距离目标的跟踪问题，本发明提供了一种根据近距离目标的运动情况，实时计算目标更新周期的方法。

为了解决以上问题本发明提供了一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：划分远距离区域、近距离区域(一般近距离区域与极近距离区域)：

当目标靠近二次雷达站时，根据目标的仰角与斜距划分其所处区域，具体区域为：远距离区域、近距离区域，其中近距离区域又细分为一般近距离区域与极近距离区域；为此分别设置各个区域的参数阀值，斜距阀值分别为ρ_Far、ρ_NormalNear、ρ_TooNear，其中ρ_Far＞ρ_NormalNear＞ρ_TooNear，仰角阀值分别为E_Far、E_NormalNear、E_TooNear，其中E_Far＜E_NormalNear＜E_TooNear，具体的阀值取值根据雷达站实际环境进行现场设置；当目标的仰角和斜距同时位于相同的阀值内，则目标处于此阀值对应区域；当目标的仰角和斜距位于不同的阀值内，则目标处于较大的阀值对应区域。

步骤2：当目标接近二次雷达站，处于一般近距离区域时，根据目标极坐标下的运动情况实时计算它的更新周期；

步骤3：当目标继续靠近二次雷达站，处于极近距离区域时，目标处理由极坐标系转换为直角坐标系；然后基于直角坐标，对目标进行航迹更新与航迹平滑；

步骤4：根据步骤3生成的航迹信息，计算目标实时的更新周期，然后将更新周期进行保存，处理完成。

步骤2所述的更新周期具体计算公式如下：

${\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{1}{1-\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\π}}$ 公式(1)

其中，τ′是目标实际更新周期，是目标的方位速率；

更进一步地，当目标更新周期τ′小于0.5倍扫描周期时，则航迹更新被禁止，目标点迹报告被丢弃。

步骤3所述的将目标位置由极坐标转换为直角坐标，具体公式如下：

x=ρ_gndsinθ

y＝ρ_gndcosθ

$\stackrel{\·}{x}=\frac{\mathrm{x\ρ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}^2}+y\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}$

$\stackrel{\·}{y}=\frac{\mathrm{y\ρ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}^2}-x\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}$

其中，ρ、θ、x、y分别是目标的斜距、方位、x轴分量、y轴分量；分别斜距、方位、x轴分量、y轴分量的速率；ρ_gnd是目标的投影；

目标的投影计算公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2-h^2}$

航迹处理完成后，需要根据直角坐标参数计算极坐标下的斜距与方位速率，并进行缓存，具体公式如下：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{x\stackrel{\·}{x}+y\stackrel{\·}{y}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}}$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{y\stackrel{\·}{x}-x\stackrel{\·}{y}}{{\mathrm{\ρ}}_{`\mathrm{gnd}}^2}.$

步骤4所述的，计算目标的实时更新周期，具体公式如下：

$\arctan \left(\frac{x_0}{y_0}\right)+2\mathrm{\π}(\mathrm{\τ}-t_0)=\arctan \left(\frac{x_0+{\stackrel{\·}{x}}_0\mathrm{\τ}}{y_0+{\stackrel{\·}{y}}_0\mathrm{\τ}}\right)$ 公式(2)

其中，τ是目标更新周期，t_o是天线到达目标起始位置时的时间，x₀、y₀是目标当前直角坐标起始位置；是目标直角坐标的航迹速率； 是天线与目标相遇位置；

更进一步地，对以上公式(2)进行变换，得到：

$\tan \left(2\mathrm{\π\τ}\right)=\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\mathrm{\τ}}{1+(\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}/\mathrm{\ρ})\mathrm{\τ}}$ 公式(3)

其中，ρ，θ是目标当前的极坐标位置；是目标极坐标的航迹速率；

更进一步地，对以上公式(3)进行变换，又得到：

$\mathrm{\τ}=\frac{R}{2}+\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arctan \left(\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\mathrm{\τ}}{1+(\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}/\mathrm{\ρ})\mathrm{\τ}}\right)$ 公式(4)

其中，R是重复因子，取值为：R为大于等于0的整数；

更进一步地，对于每个极近距离区域的目标，首先从整数0开始逐一代入公式(4)进行计算，确定R取值；一旦R值确定，则更新周期τ由以上公式(4)进行计算。

本发明通过以上近距离目标的更新周期实时计算，可以得到目标的实际更新周期，更加精确地预测目标下一次扫描时的探测位置，可以准确地对近距离目标进行跟踪与监视，并有利于更加准确地对虚假目标进行滤除，包括反射目标、同步目标以及环绕目标，提升二次雷达的近距离监视目标的数据质量。本发明的方法在不增加硬件成本的前提下，能够大大提高近距离目标的探测概率与数据精度，扩大了二次雷达的有效探测顶空，缩小了顶空盲区，最大探测目标仰角可达60度以上，在保证探测精度的情况下，扩大了二次雷达近距离的有效监视范围，提升了二次雷达系统的整机性能。

附图说明

图1：二次雷达目标更新周期的计算方法的处理流程图；

图2：一般近距离目标的更新周期示意图；

图3：一般近距离方位高速变化很大目标的更新周期示意图；

图4：极近距离目标的更新周期示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：划分远距离区域、近距离区域(一般近距离区域与极近距离区域)：

当目标靠近二次雷达站时，根据目标的仰角与斜距划分其所处区域，具体区域为：远距离区域、近距离区域，其中近距离区域又细分为一般近距离区域与极近距离区域。为此分别设置各个区域的参数阀值，斜距阀值分别为ρ_Far、ρ_NormalNear、ρ_TooNear，其中ρ_Far＞ρ_NormalNear＞ρ_TooNear，仰角阀值分别为E_Far、E_NormalNear、E_TooNear，其中E_Far＜E_NormalNear＜E_TooNear，具体的阀值取值根据雷达站实际环境进行现场设置(阀值取值方式属于现有技术，在此不再展开说明)。当目标的仰角和斜距同时位于相同的阀值内，则目标处于此阀值对应区域；当目标的仰角和斜距位于不同的阀值内，则目标处于较大的阀值对应区域。

步骤2：当目标接近二次雷达站，处于一般近距离区域时，目标自身的运动对它的更新周期影响越来越大，它的更新周期不再简单地等于天线扫描周期，需要根据目标极坐标下的运动情况实时计算它的更新周期；

步骤3：当目标继续靠近二次雷达站，处于极近距离区域时，任何形式的极坐标方程都不可能产生充分准确的性能，所以目标处理由极坐标系转换为直角坐标系；然后基于直角坐标，对目标进行航迹更新与航迹平滑；

步骤4：根据步骤3生成的航迹信息，计算目标实时的更新周期，然后将更新周期进行保存，处理完成。

如图2所示，当目标属于远距离区域时，它的更新周期直接等于天线扫描周期；当目标属于一般近距离区域时，它的航迹处理使用极坐标系，更新周期具体计算公式如下：

${\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{1}{1-\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\π}}$ 公式(1)

其中，τ′是目标实际更新周期，是目标的方位速率；

更进一步地，在上述公式中，如果目标方位速率非常大，如图3所示，目标的更新周期将大大缩小，此时航迹相关可能导致异常。为了防止这种情况出现，在此进行规定：如果目标更新周期τ′小于0.5倍扫描周期，则航迹更新被禁止，目标点迹报告被丢弃。

上述步骤3中，当目标继续接近二次雷达站，处于极近距离区域时，它的极坐标位置误差增大，可能出现方位变化很大，而距离变化很小，导致航迹跟踪可能出现异常。为了避免这种影响，需要将目标位置由极坐标转换为直角坐标，具体公式如下：

x＝ρ_gndsinθ

y＝ρ_gndcosθ

$\stackrel{\·}{x}=\frac{\mathrm{x\ρ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}^2}+y\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}$

$\stackrel{\·}{y}=\frac{\mathrm{y\ρ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}^2}-x\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}$

其中，ρ、θ、x、y分别是目标的斜距、方位、x轴分量、y轴分量；分别是斜距、方位、x轴分量、y轴分量的速率；ρ_gnd是目标的投影。(以下公式参数说明参考本节，不再详述)

目标的投影计算公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2-h^2}$

更进一步地，将目标的位置信息由极坐标系转换为直角坐标系后，所有的目标航迹更新与航迹平滑处理全部采用直角坐标进行。航迹处理完成后，需要根据直角坐标参数计算极坐标下的斜距与方位速率，并进行缓存，具体公式如下：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{x\stackrel{\·}{x}+y\stackrel{\·}{y}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gnd}}}$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{y\stackrel{\·}{x}-x\stackrel{\·}{y}}{{\mathrm{\ρ}}_{`\mathrm{gnd}}^2}.$

上述步骤4中，当目标处于极近距离区域时，根据目标的位置信息，对其更新周期进行实时计算，如图4所示，具体计算公式如下：

$\arctan \left(\frac{x_0}{y_0}\right)+2\mathrm{\π}(\mathrm{\τ}-t_0)=\arctan \left(\frac{x_0+{\stackrel{\·}{x}}_0\mathrm{\τ}}{y_0+{\stackrel{\·}{y}}_0\mathrm{\τ}}\right)$ 公式(2)

其中，τ是目标更新周期，t_o是天线到达目标起始位置时的时间，x₀、y₀是目标当前直角坐标起始位置；是目标直角坐标的航迹速率； 是天线与目标相遇位置；

更进一步地，对以上公式(2)进行变换，得到：

$\tan \left(2\mathrm{\π\τ}\right)=\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\mathrm{\τ}}{1+(\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}/\mathrm{\ρ})\mathrm{\τ}}$ 公式(3)

其中，ρ，θ是目标当前的极坐标平滑位置；是目标极坐标的航迹速率；

更进一步地，对以上公式(3)进行变换，又得到：

$\mathrm{\τ}=\frac{R}{2}+\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arctan \left(\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\mathrm{\τ}}{1+(\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}/\mathrm{\ρ})\mathrm{\τ}}\right)$ 公式(4)

其中，R是重复因子，取值为：R为大于等于0的整数；

更进一步地，对于每个极近距离区域的目标，首先从整数0开始逐一代入公式(4)进行计算，确定R取值；一旦R值确定，则更新周期τ由以上公式(4)进行计算。

相对于现有技术，本发明可以根据目标的实际运动情况，动态地计算目标的实时更新周期，然后进行航迹相关与下一次扫描目标位置预测处理，精度大大提高。这种方法即保证了近距离目标的跟踪准确性，同时可以有效地去除虚假目标，提高了二次雷达在近距离区域的探测性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法，其特征在于:包括以下步骤：

步骤1：划分远距离区域、近距离区域：

当目标靠近二次雷达站时，根据目标的仰角与斜距划分其所处区域，具体区域为：远距离区域、近距离区域，其中近距离区域又细分为一般近距离区域与极近距离区域；为此分别设置各个区域的参数阀值，斜距阀值分别为ρ_Far、ρ_NormalNear、ρ_TooNear，其中ρ_Far>ρ_NormalNear>ρ_TooNear，仰角阀值分别为E_Far、E_NormalNear、E_TooNear，其中E_Far<E_NormalNear<E_TooNear，具体的阀值取值根据雷达站实际环境进行现场设置；当目标的仰角和斜距同时位于相同的阀值内，则目标处于此阀值对应区域；当目标的仰角和斜距位于不同的阀值内，则目标处于较远的阀值对应区域；

步骤2：当目标接近二次雷达站，处于一般近距离区域时，根据目标极坐标下的运动情况实时计算它的更新周期；

步骤3：当目标继续靠近二次雷达站，处于极近距离区域时，目标处理由极坐标系转换为直角坐标系；然后基于直角坐标，对目标进行航迹更新与航迹平滑；

步骤4：根据步骤3生成的航迹信息，计算目标实时的更新周期，然后将更新周期进行保存，处理完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法，其特征在于：步骤2所述的更新周期具体计算公式如下：

${\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}=\frac{1}{1-\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}/2\mathrm{\&pi;}}$ 公式(1)

其中，τ′是目标实际更新周期，是目标的方位速率；

更进一步地，当目标更新周期τ′小于0.5倍扫描周期时，则航迹更新被禁止，目标点迹报告被丢弃。

3.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法，其特征在于：步骤3将目标位置由极坐标转换为直角坐标，具体公式如下：

x＝ρ_gndsinθ

y＝ρ_gndcosθ

$\stackrel{\&CenterDot;}{x}=\frac{x\mathrm{\&rho;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}{{\mathrm{\&rho;}}_{gnd}^2}+y\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{y}=\frac{y\mathrm{\&rho;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}{{\mathrm{\&rho;}}_{gnd}^2}-x\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}$

其中，ρ、θ、x、y分别是目标的斜距、方位、x轴分量、y轴分量； 分别表示斜距的速率、方位的速率、x轴分量的速率、y轴分量的速率；ρ_gnd是目标的投影；

目标的投影计算公式如下：

${\mathrm{\&rho;}}_{gnd}=\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}^2-h^2}$

航迹处理完成后，需要根据直角坐标参数计算极坐标下的斜距与方位速率，并进行缓存，具体公式如下：

$\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}=\frac{x\stackrel{\&CenterDot;}{x}+y\stackrel{\&CenterDot;}{y}}{{\mathrm{\&rho;}}_{gnd}}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}=\frac{y\stackrel{\&CenterDot;}{x}-x\stackrel{\&CenterDot;}{y}}{{\mathrm{\&rho;}}_{gnd}^2}.$

4.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达的近距离目标更新周期的计算方法，其特征在于：步骤4所述的，计算目标的实时更新周期，具体公式如下：

$\arctan \left(\frac{x_0}{y_0}\right)+2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&tau;}-t_0)=\arctan \left(\frac{x_0+{\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_0\mathrm{\&tau;}}{y_0+{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_0\mathrm{\&tau;}}\right)$ 公式(2)

其中，τ是目标更新周期，t_o是天线到达目标起始位置时的时间，x₀、y₀是目标当前直角坐标起始位置；是目标直角坐标的航迹速率；是天线与目标相遇位置；

更进一步地，对以上公式(2)进行变换，得到：

$tan\left(2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\mathrm{\&tau;}}{1+(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}/\mathrm{\&rho;})\mathrm{\&tau;}}$ 公式(3)

其中，ρ，θ是目标当前的极坐标位置；是目标极坐标的航迹速率；

更进一步地，对以上公式(3)进行变换，又得到：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{R}{2}+\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\arctan \left(\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\mathrm{\&tau;}}{1+(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}/\mathrm{\&rho;})\mathrm{\&tau;}}\right)$ 公式(4)

其中，R是重复因子，取值为：R为大于等于0的整数。