CN110018478B - 航管自适应变周期扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种航管自适应变周期扫描方法，旨在提供一种能够能有效降低任务丢失率，提高价值率和时间利用率的扫描方法。本发明通过下述技术方案实现，启动航管扫描工作后，利用数字相控阵天线波束指向可自由快速切换的特点，采用航管主控及航迹处理单元接收航管扫描启动命令，二次航管雷达系统采用自适应算法快速扫描目标监视性能，对监视空域进行扫描询问，在询问启动后的前几个周期询问时，二次航管雷达系统根据监视区域内目标分布情况，在目标数量少或无目标的方位波位进行快速间隔波位扫描，对目标数量多或目前航迹质量差的方位波位采取增加询问次数、扫描波位增密、跟踪扫描方式，对监视区域内目标进行监视进而自适应变周期扫描。

Description

航管自适应变周期扫描方法

技术领域

本发明是关于采用数字相控阵天线波束快速自由切换，在航管工作时利用自适应算法进行变周期扫描提高航管目标监视性能的方法，更具体地说，本发明是适用于二次雷达航管询问设备提升航管设备监视性能的方法。

背景技术

目前民航使用的二次航管雷达系统是由航管询问机和航管应答机所组成的无线电电子测位和辨认系统。询问机发射询问电磁波信号，应答机(又称雷达信标)接收到询问电磁波后被触发，发射应答电磁波，询问机根据接收到的应答电磁信号，实现识辨和测位。二次雷达系统的另一重要组成部分是飞机上装的应答机，应答机是一个在接受到询问信号后能发出相应应答信号的无线收发设备，应答机在接收到二次航管询问雷达发出的询问信号后，进行相应回答。传统机械扫描二次航管雷达的波束只能随着雷达天线的机械旋转而扫描，而相控阵雷达的波束可以任意指向并在微秒到百微秒级进行捷变，这使得它能在搜索的同时，对多个目标进行交替跟踪和辨识等，因而具备多功能、多目标和高度自适应的能力，灵活性极大。随着相控阵天线的发展,数字波束控制应用到数字相控阵体制的二次雷达系统.其分为天线阵面、波束控制设备和主机处理设备.天线阵面用于电磁射频信号的辐射和接收，波束控制设备是实现天线发射和接收波束合成和波束指向控制，而主机处理设备用于实现航管询问信号编码、应答信号处理、解析、目标点迹处理、航迹处理功能，实现航迹显示和控制。相控阵雷达与数字波束控制技术相结合，可自适应地调整雷达有关工作参数和工作方式，比如，通过雷达控制器与数字波束控制可调度天线资源，实现天线波束指向快速切换，实现天线波束形状、波束驻留时间和功率分配等的等的灵活改变。相控阵二次雷达为同时实现多种功能，系统有限的时间、能量及信号处理单元等资源需要在多空域搜索、多个目标跟踪及其它类型的任务之间分配。为了实现雷达系统时间和能量资源的有效分配，就需要对相控阵雷达实施有效的资源管理。

二次航管雷达用于实现对配装有航管应答机的空中飞行目标进行目标识别和航路监视，相控阵雷达在搜索方式下波束是按照已编排的波位序列依次搜索的；在工作中对空中目标采取环扫询问或扇扫询问方式，获取合作目标信息，从而实现对目标的识别、监视和信息数据提取，可实现对飞行目标代码、高度、地址码、身份、飞行数据信息的获取。航管主控根据一定的最优搜索理论，将监视空域划分为若干个不同的区域，对各区域按照一定的规则编排获得相应的波位序列，依据波位序列信息，选择搜索任务波形，一旦搜索驻留回波中检测到新目标的存在，被确认为有效目标后，一个新的跟踪任务便被起始。一方面要对系统获得的跟踪驻留回波数据进行数据处理，以提取各目标的状态信息；另一方面，还要依据已获取的目标状态信息确定后续跟踪任务的波束指向、采样周期、发射波形等参数。在多任务存在的环境下，系统需要决定在某个时刻执行其中的哪个任务，这是以任务相对/综合优先级为依据的。任务相对优先级根据操作员设定的规则和当前系统的工作环境进行分配，主要取决于相应目标或空域的相对重要性和时间紧迫程度。为了提高目标检测性能，传统的机扫体制的空管雷达信标系统普遍采用多脉冲伺服积累技术，在一个驻留(帧)发射多个脉冲，在每个波位驻留(或每帧)，都要对波束指向进行实时修正。现有的模拟相控阵天线体制旋转式天线周期性地发射“询问”信号，空管雷达信标系统采用环扫或扇扫询问方式，将监视区域均匀划分为若干波位，在扫描询问时按波位号依次对空域内的目标进行询问，按设备既定时间要求，对每个波位进行固定次数的询问，每个波位的驻留时间固定，则对监视区域内目标轮询询问一圈的时间固定，二次航管雷达通过检测航空器应答信号的传递方向和接收时间来确定位置信息,通过解析应答编码来获得更多的目标信息，实时计算出当前帧的波束指向。现有的航管工作方式,在雷达近程探测范围内存在监视不稳定区域,尤其当飞机进行大机动飞行(速度快、转弯半径小)时,会出现飞机航迹断续不连贯的问题。无论波位内或空域内有无目标都进行固定次数的询问。该方式实现方案天线波束指向按既定的速度环扫，波束指向不能灵活控制达到快速切换。应用发现，空中目标经常只出现了监视区域内的部分波位区间，不是每个波位内都有目标，对无目标区域的多次询问没有意义。二次航管雷达在工作时一般是先发现目标，再实现对目标的信息获取和跟踪关注。常规机扫二次航管系统其天线方向图固定，天线波束在伺服转台的带动下进行匀速固定周期扫描工作；其天线波束指向无法实现自由快速切变，扫描周期固定，无法根据监视区域内目标情况区分处理。

发明内容

为了进一步提高二次航管雷达的时间利用率，本发明的任务是利用数字相控阵天线波束灵活捷变的特点，采用自适应学习迭代算法，提供一种能够能有效地降低任务丢失率，提高二次航管系统实现价值率和时间利用率的航管自适应变周期扫描方法，以提高区域内目标刷新率，提升对目标航迹的稳定监视和信息稳定获取能力。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种航管自适应变周期扫描方法，其特征在于包括如下步骤，利用现有平台的数字相控阵天线、DBF分机、航迹处理单元、航管主控单元及航管信处单元，自由调度天线工作波束指向；启动航管扫描工作后，利用数字相控阵天线波束指向可自由快速切换的特点，航管主控单元及航迹处理单元接收航管扫描启动命令，初始化扫描方位内每个波位的目标数量，再由航管主控发送波位号至数字相控阵天线进行波束加权移向和波位调度控制；对监视空域进行扫描询问，记录并判断每个方位波位号内目标的数量及获取到目标的航迹质量，根据目标情况自适应改变航管扫描工作流程，通过航迹处理单元和航管主控自由调度天线工作波束指向，二次航管雷达系统根据监视区域内目标分布情况，在目标数量少或无目标的方位波位进行快速间隔波位扫描，对目标数量多或目前航迹质量差的方位波位采取增加询问次数、扫描波位增密、跟踪扫描方式，对监视区域内目标进行监视，进而自适应变周期扫描；航管主控单元对每个波位按初始的询问次数A进行询问，对目标数量多的波位区域，航管主控根据目标数量相应增加询问次数及波束驻留时间，在工作角度范围内，判断是否有发现目标，若监视区域内无目标，则继续间隔波位快速扫描，若区域内有目标，经过几个周期扫描询问后建立监视区域内的目标航迹，同时航迹处理分机记录每个波位内发现目标的个数及航迹稳定参数，更新每个方位波位内发现目标数量，并同步发送给航管主控，实时判断方位波位内记录目标数量，作为航管主控输入参数进行自适应波束调度；由数字相控阵天线和DBF设备协同工作实现扫描波束的快速自由切换，航管主控利用自适应算法根据扫描方位内目标数量实现自适应变周期扫描，对目标多的方位波束正常或加密扫描询问，对无目标或目标少的方位快速间隔波位扫描；航管主控实时判断区域内方位波位有无目标，有，返回记录更新每个方位波位内发现目标数目，无则返回进行快速间隔波位扫描；根据扫描区域内分布目标的数量和航迹质量进行自适应调整询问波束驻留时间和询问次数，增加目标数量多的区域内的询问次数。

本发明的有益效果在于，本发明采用航迹处理单元记录并评估监视区域内每个波位的目标数量及航迹质量，航管主控单元根据航迹记录的目标信息进行自适应波束调度和编排，一方面对已发现的空中目标进行多次的询问，从而获取更精准的方位、代号、高度、地址、航行信息；另一方面对监视区域内无目标的方位减少询问次数，实现对监视区域的快速扫描，降低扫描周期，即提高了新进入目标的发现速度，也提高了已发现目标的刷新时间,提升系统的时间利用率。

本发明基于数字相控阵体制的设备实现，具有简便、实用的特点，利用现有平台的数字相控阵天线、DBF分机、航迹处理单元、航管主控单元及航管信处单元，通过在航迹处理单元和航管主控单元增加软件控制及处理，自由调度天线工作波束指向，使空管雷达信标系统具有根据监视区域内目标分布情况实现自适应变周期扫描的功能，加强对监视目标的稳定跟踪信息获取，避免了对无目标区域的多余扫描询问，同时也保证了对监视区域新进目标的发现概率。在所需最小资源的前提下，提高目标刷新率，并显著提高了雷达的调度性能。

本发明航管主控分机对目标多的方位波束正常或加密扫描询问，对无目标或目标少的方位快速扫描发现，对目标的稳定跟踪，对新进入系统威力范围目标的快速发现，利用自适应算法可根据扫描方位内目标数量实现自适应变周期扫描提升目标监视性能，全方位扫描速度和目标刷新率，提高环扫或扇扫的扫描速度和目标刷新率。根据监视区域内目标的数量和分布情况自适应调整每个波位的扫描次数、驻留时间，既保证了对原无目标区域内新进入目标的发现概率，又能提升对监视区域内目标的刷新率，提升对监视区域内目标的监视性能。

本发明适用于相扫体制的航管设备，利于其波束自由切换的特点，根据监视区域内目标情况，采用目标自适应扫描算法提高航管扫描速率和目标刷新率，提升航管设备对目标的监视性能。

附图说明

下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。

图1是本发明中航管设备组成和工作关系图。

图2是二次航管系统参数设置图。

图3是本发明航管自适应扫描工作流程图。

具体实施方式

参阅图1。二次航管系统包括对空中目标进行监视的二次航管询问机和装配有应答天线的二次航管应答机，二次航管询问机由数字相控阵天线、DBF分机、航管信处、航管主控、航迹处理、显示操控界面组成，其中，数字相控阵实现航管询问信号合成、发射，应答信号接收、空间合成，DBF分机接收数字相控阵天线的基带数据；向接收数字相控阵天线加权发射基带，发射、接收波束的自由切换和数字波束合成，航管信处模块接收DBF分机的航管波束数据，对接收的应答信号的处理解析和点迹处理，自由切换和数字波束合成；航管主控单元向DBF分机询问方位参数数据，发射基带，对询问发射参数及波位调度；航迹处模块对目标点迹的关联、航迹处理,向显示操控界面提供目标航迹显示数据，并记录监视区域内目标的分布情况；显示操控界面对航管扫描参数设置及航迹显示。二次航管询问机对空中目标进行监视询问，通过接收相应的应答信号获取空中目标的方位、距离、代号、高度、地址等信息，形成目标点迹，经过多次扫描询问后凝聚关联形成目标航迹，在显控界面上显示，实现对作用区域内目标的跟踪监视。

航迹处理模块根据扫描询问获取空域目标的情况实时更新记录每个波位的目标数据并发送给航管主控，原目标多的波位区域目标飞离后，航管主控实时减少询问次数；当无目标波位区域有多架目标进入后，航管主控实时增加询问次数；当某波位区域的目标受周边因素影响，点迹质量下降时，航管主控实时增加询问次数。

自适应航管扫描技术是由数字相控阵体制的二次航管询问机实现。区别于机扫天线，数字相控阵天线波束宽度和扫描精度，将360度划分为若干个波位，航管设备按天线波位号进行天线波束调度和询问控制，在每个波位内根据询问模式在航管主控调度下进行收发波束控制实现多次询问获取目标信息，经过多个连续周期扫描询问后对获取的目标点迹进行关联处理建立空中飞行目标的航迹。

航管主控自适应算法的原理是将每个波位发现目标的个数及目标航迹质量情况作为输入，根据目标多少及航迹质量等级自适应调度每个波位询问次数及波束驻留时间、询问参数等。在无目标的波位区域，航管主控调度波束进行间隔波位、每个波位进行标准A次询问，快速扫描实现对新进入目标的快速发现；在有目标但数量少的波位区域，航管主控调度波束进行依次波位、每个波位进行标准A次询问，实现对常规目标的稳定监视；对目标数量多得波位区域，航管主控根据目标数量响应增加询问次数及波束驻留时间，解决因一次询问后，应答机被其他平台占据或多个应答信号混叠影响会导致询问方对应答信号的获取及解析出错的问题；同时在航管主控获悉波位内的目标航迹质量不好，有信息获取错误、点迹掉点等情况时响应增加波位内询问次数及波束驻留时间，以提高目标信息的正确获取、测向精度、航迹稳定。

参阅图2。二次航管询问机可由显控界面设置不同询问工作模式、扫描方式、工作量程，设置航管扫描开启、关闭工作状态控制航管询问机的扫描工作情况。

航管询问工作模式可设置为A、A/C两种工作模式，A模式下进行A代码询问，获取空中目标的3A代码；在A/C模式下进行A代码询问和C代码交替询问，获取空中目标的3A代码和C代码(高度数据)。

航管扫描方式可设置为环扫和扇扫两种方式，环扫方式下进行360度方位内按波位环扫询问获取全方位空中目标信息及航迹；在扇扫方式下按界面设置的扇扫角度的前沿、后沿角度信息在固定角度范围内按波位进行扫描询问，获取规定角度范围内的目标的信息及航迹，用于对特定区域内目标的跟踪监视。

航管工作量程可设置为100km和400km两种，100km量程下只对100公里内的空中目标进行监视询问，航管主控控制天线加权参数，控制减小信道的发射功率及接收功率控制(STC)，在该量程下工作时询问作用距离小，询问周期短，可实现对近距离目标快速扫描、发现和形成稳定航迹；400km量程下可实现对400公里内空中目标的监视询问，作用距离远，可监视目标范围广。

航管可设置为开启和关闭扫描工作状态，航管扫描开启状态下按设定的参数进行扫描询问工作，关闭状态下航管询问设备静默，停止扫描询问。

二次航管询问机可由显控界面设置不同询问工作模式、扫描方式、工作量程，设置航管扫描开启、关闭工作状态控制航管询问机的扫描工作情况。航管询问工作模式可设置为A、A/C两种工作模式，A模式下进行A代码询问，获取空中目标的3A代码；在A/C模式下进行A代码询问和C代码交替询问，获取空中目标的3A代码和C代码(高度数据)。航管扫描方式可设置为环扫和扇扫两种方式，环扫方式下进行360度方位内按波位环扫询问获取全方位空中目标信息及航迹；在扇扫方式下按界面设置的扇扫角度的前沿、后沿角度信息，在固定角度范围内按波位进行扫描询问，获取规定角度范围内的目标的信息及航迹，用于对特定区域内目标的跟踪监视。

参阅图3。利用现有平台的数字相控阵天线、DBF分机、航迹处理单元、航管主控单元及航管信处单元，自由调度天线工作波束指向，在二次航管雷达在显控操作界面设置航管工作模式后启动航管扫描工作，航管主控单元及航迹处理单元接收航管扫描启动命令，初始化扫描方位内每个波位的目标数量，再由航管主控单元发送波位号至数字相控阵天线进行波束加权移向和波位调度控制，二次航管雷达根据监视区域内目标分布情况实现自适应变周期扫描，通过在航迹处理单元和航管主控单元自由调度天线工作波束指向，在询问启动后的前几个周期询问时，二次航管雷达根据监视区域内目标分布情况进行快速间隔波位扫描，实现自适应变周期扫描，航管主控单元对每个波位按初始的询问次数A进行询问，对目标数量多得波位区域，航管主控根据目标数量响应增加询问次数及波束驻留时间，在工作角度范围内，判断是否有发现目标，若监视区域内无目标，则继续间隔波位快速扫描，若区域内有目标，经过几个周期扫描询问后建立监视区域内的目标航迹，同时航迹处理分机记录每个波位内发现目标的个数及航迹稳定参数，更新每个方位波位内发现目标数目，并同步发送给航管主控，实时判断方位波位内记录目标数目，作为航管主控输入参数进行自适应波束调度；由数字相控阵天线和DBF设备协同工作实现扫描波束的快速自由切换，航管主控利用自适应算法可根据扫描方位内目标数量实现自适应变周期扫描，对目标多的方位波束正常或加密扫描询问，对无目标或目标少的方位快速间隔波位扫描，航管主控实时判断区域内方位波位有无目标，有，返回记录更新每个方位波位内发现目标数目，无则返回进行快速间隔波位扫描。

本领域内的技术人员可以明白，在不偏离本发明的精神和必要特性的情况下，可以以除了在此阐述的特定形式之外的其他特定形式来体现本发明。因此，上面的说明要在所有的方面被解释为说明性而非限制性的。应当通过所附的权利要求的合理解释确定本发明的范围，并且在本发明的等同范围内的所有改变旨在落入本发明的范围内。另外，不显式地从属于彼此的权利要求可以被组合以提供实施例，或者能够通过在提交本申请后的修改来增加新的权利要求。

Claims (9)

1.一种航管自适应变周期扫描方法，其特征在于包括如下步骤，利用现有平台的数字相控阵天线、DBF分机、航迹处理单元、航管主控单元及航管信处单元，自由调度天线工作波束指向；启动航管扫描工作后，利用数字相控阵天线波束指向可自由快速切换的特点，航管主控单元及航迹处理单元接收航管扫描启动命令，初始化扫描方位内每个波位的目标数量，再由航管主控单元发送波位号至数字相控阵天线进行波束加权移向和波位调度控制；对监视空域进行扫描询问，记录并判断每个方位波位号内目标的数量及获取到目标的航迹质量，通过航迹处理单元和航管主控单元自由调度天线工作波束指向，二次航管雷达系统根据监视区域内目标分布情况，在目标数量少或无目标的方位波位进行快速间隔波位扫描，对目标数量多或目前航迹质量差的方位波位采取增加询问次数、扫描波位增密、跟踪扫描方式，对监视区域内目标进行监视，进而自适应变周期扫描；

航迹处理模块根据扫描询问获取空域目标的情况实时更新记录每个波位的目标数据并发送给航管主控单元，原目标多的波位区域目标飞离后，航管主控单元实时减少询问次数；当无目标波位区域有多架目标进入后，航管主控单元实时增加询问次数；当某波位区域的目标受周边因素影响，点迹质量下降时，航管主控单元实时增加询问次数。

2.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：二次航管系统包括对空中目标进行监视的二次航管询问机和装配有应答天线的二次航管应答机，二次航管询问机由数字相控阵天线、DBF分机、航管信处、航管主控、航迹处理、显示操控界面组成，其中，数字相控阵实现航管询问信号合成、发射，应答信号接收、空间合成，DBF分机接收数字相控阵天线的基带数据。

3.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：DBF分机将加权后的发射基带数据送至数字相控阵天线、分时接收数字相控阵天线传送的基带接收数据，实现发射、接收波束的自由切换和数字波束合成，航管信处模块接收DBF分机的航管波束数据，对接收的应答信号处理解析和点迹处理。

4.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：航管主控向DBF分机询问方位参数数据，发射基带，对询问发射参数及波位调度；航迹处理模块对目标点迹进行关联、航迹处理,向显示操控界面提供目标航迹显示数据，并记录监视区域内目标的分布情况；显示操控界面对航管扫描参数设置及航迹显示。

5.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：二次航管询问机对空中目标进行监视询问，通过接收相应的应答信号获取空中目标的方位、距离、代号、高度、地址信息形成目标点迹，经过多次扫描询问后凝聚关联形成目标航迹，在显示操控界面上显示，实现对作用区域内目标的跟踪监视。

6.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：数字相控阵天线将360度划分为若干个波位，航管设备按天线波位号进行天线波束调度和询问控制，在每个波位内根据询问模式在航管主控调度下进行收发波束控制实现多次询问获取目标信息，经过多个连续周期扫描询问后对获取的目标点迹进行关联处理建立空中飞行目标的航迹。

7.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：航管主控自适应算法将每个波位发现目标的个数及目标航迹质量情况作为输入，根据目标多少及航迹质量等级自适应调度每个波位询问次数及波束驻留时间、询问参数。

8.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：在无目标的波位区域，航管主控调度波束进行间隔波位，对每个波位进行标准A次询问，快速扫描实现对新进入目标的快速发现；在有目标但数量少的波位区域，航管主控调度波束进行依次波位，对每个波位进行标准A次询问，实现对常规目标的稳定监视。

9.如权利要求1所述的航管自适应变周期扫描方法，其特征在于：航管主控单元对每个波位按初始的询问次数A进行询问，对目标数量多的波位区域，航管主控根据目标数量相应增加询问次数及波束驻留时间，在工作角度范围内，判断是否有发现目标，若监视区域内无目标，则继续间隔波位快速扫描，若区域内有目标，经过几个周期扫描询问后建立监视区域内的目标航迹，同时航迹处理单元记录每个波位内发现目标的个数及航迹稳定参数，更新每个方位波位内发现目标数量，并同步发送给航管主控，实时判断方位波位内记录目标数量，作为航管主控输入参数进行自适应波束调度；由数字相控阵天线和DBF分机协同工作实现扫描波束的快速自由切换，航管主控利用自适应算法根据扫描方位内目标数量实现自适应变周期扫描，对目标多的方位波束正常或加密扫描询问，对无目标或目标少的方位快速间隔波位扫描；航管主控实时判断区域内方位波位有无目标，有，返回记录更新每个方位波位内发现目标数目，无则返回进行快速间隔波位扫描；根据扫描区域内分布目标的数量和航迹质量进行自适应调整询问波束驻留时间和询问次数，增加目标数量多的区域内的询问次数。

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