二次雷達探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方法

余飛俠 王志鴻

摘要：二次雷達探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量性能參數(shù)分析采用計算機軟件對雷達輸出的目標(biāo)報告數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以對雷達的性能進行評估。文中介紹了各性能參數(shù)的含義、測試步驟和分析方法。

關(guān)鍵詞：二次雷達，性能評估，數(shù)據(jù)質(zhì)量，測試方法

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0253-03

1 引言

近年來，航班流量呈現(xiàn)井噴式增長，高速發(fā)展的民航業(yè)對空管系統(tǒng)提出了更高要求。單脈沖二次監(jiān)視雷達由于探測距離遠、測量精度高、獲取信息多等優(yōu)點，成為空中交通管制首要的監(jiān)視數(shù)據(jù)源。二次雷達的探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量是包括管制員在內(nèi)的空管保障人員關(guān)心的重點，雷達探測性能下降將縮小空域管制的雷達管制間隔，對空域的利用率有極大的影響;雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量是技術(shù)保障人員必須關(guān)心的重要技術(shù)參數(shù)，將影響空管自動化的正常運行。在實際技術(shù)保障中，對雷達的探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量等性能參數(shù)進行在線測試分析，是提供連續(xù)可靠的監(jiān)視服務(wù)的關(guān)鍵。

2 探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量簡介

2.1 探測性能

雷達的探測性能是雷達最基本的和最重要的要求，雷達應(yīng)能探測到覆蓋范圍的所有目標(biāo)并及時上報管制中心。二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)主要向管制中心提供以下信息：飛機位置（距離、方位）、飛機高度（模式C代碼）、飛機識別（或模式A代碼）、飛機垂直位置、特殊A代碼指示、地速、航跡狀態(tài)（一次航跡、二次航跡、融合航跡或外推航跡）等。其中，飛機距離、方位、高度、飛機識別（或模式A代碼）是關(guān)鍵的監(jiān)視數(shù)據(jù)。通常使用目標(biāo)位置探測概率、代碼有效性和虛假目標(biāo)率等性能參數(shù)來表示二次雷達的探測性能。

目標(biāo)位置探測概率用來表示雷達對目標(biāo)的捕獲和位置檢測性能。探測概率是指天線每轉(zhuǎn)一圈，目標(biāo)上報位置數(shù)據(jù)的概率。探測概率是指目標(biāo)報告數(shù)和期望目標(biāo)報告數(shù)之間的比率，期望目標(biāo)報告數(shù)由測試方法確定。

代碼檢測性能由總模式A代碼檢測概率和總模式C代碼檢測概率表示。模式A或模式C代碼檢測概率是指具有正確模式A或模式C代碼數(shù)據(jù)的目標(biāo)報告數(shù)和期望目標(biāo)報告數(shù)（即用于計算目標(biāo)位置探測能力的目標(biāo)報告數(shù)）之比。

虛假目標(biāo)報告性能指標(biāo)由總虛假目標(biāo)報告率決定。虛假目標(biāo)報告率是指虛假目標(biāo)報告數(shù)和已探測到的目標(biāo)報告數(shù)之比。由于同步干擾、異步干擾、二次環(huán)繞應(yīng)答產(chǎn)生的目標(biāo)報告都是虛假目標(biāo)報告。需要特別指出的是，一次監(jiān)視雷達使用平均每個掃描虛假目標(biāo)數(shù)來表示虛假目標(biāo)報告性能，二次監(jiān)視雷達使用總虛假目標(biāo)報告率表示虛假目標(biāo)報告性能。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量

雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量是構(gòu)建安全、高效空管系統(tǒng)的基本保障。通常使用目標(biāo)位置精度、誤碼率和分辨力等性能參數(shù)來表示雷達數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

目標(biāo)位置精度是指雷達上報的目標(biāo)位置和目標(biāo)被檢測到時的真實位置之間的誤差，使用系統(tǒng)誤差、隨機誤差和跳變率三類位置誤差項來表示。其中，系統(tǒng)誤差包括距離偏差、方位偏差和時間偏差。偏差誤差是固定值，距離和方位偏差是相對于平均隨機誤差的相對值，時間偏差是指用于給點跡打時間戳的時間系統(tǒng)和常用基準(zhǔn)時間的時間誤差。隨機誤差是標(biāo)準(zhǔn)差，包括距離誤差標(biāo)準(zhǔn)差和方位誤差標(biāo)準(zhǔn)差。跳變是指目標(biāo)報告位置與參考位置的方位差大于1°、距離差大于700米。

誤碼率是模式A或模式C代碼數(shù)據(jù)有效卻不正確的目標(biāo)報告數(shù)和期望目標(biāo)報告數(shù)（即用于計算目標(biāo)位置探測能力的目標(biāo)報告數(shù)）之比。

分辨力是雷達區(qū)分兩架相鄰飛機并產(chǎn)生正確目標(biāo)報告的能力，二次雷達使目標(biāo)位置探測概率和代碼有效性來表示分辨力性能，目標(biāo)的相對位置區(qū)域劃分如圖1所示。當(dāng)兩架飛機的距離差小于2海里、方位差小于2倍的3dB波束寬度，二次雷達的3dB波束寬度一般不大于2.45°，此處取2.45°。

3 性能參數(shù)測試步驟和分析方法

3.1 測試步驟

二次雷達性能測試分析是對雷達輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)進行解析和統(tǒng)計，分析過程一般是由計算機完成的。整個測試分析過程分為測試準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析3個階段。

3.1.1 測試準(zhǔn)備

在測試準(zhǔn)備階段，進行雷達準(zhǔn)備和環(huán)境測試工作。首先，明確數(shù)據(jù)收集時雷達的工作狀態(tài)和主要系統(tǒng)參數(shù)（天線轉(zhuǎn)速、詢問策略、詢問重復(fù)頻率、接收機靈敏度、錄取器工作參數(shù)/狀態(tài)等），確保在各性能參數(shù)測試分析之前，雷達的初始運行狀態(tài)一致。其次，雷達探測能力受地理環(huán)境和外部條件影響，應(yīng)識別外部條件（如干擾等）、特殊地理特征、空中交通繁忙程度和其他影響雷達性能的因素，以評估其對測試分析結(jié)果的影響。

3.1.2 數(shù)據(jù)收集

在數(shù)據(jù)收集階段，應(yīng)確保紀錄包含足夠數(shù)量和質(zhì)量的數(shù)據(jù)以進行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)的記錄要求見下表。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析階段，采用計算機軟件對紀錄的雷達輸出數(shù)據(jù)根據(jù)測試目的分別進行統(tǒng)計分析，如相關(guān)和航跡重構(gòu)，評估雷達性能參數(shù)。

3.2 探測性能參數(shù)分析

對于探測概率和代碼有效性分析，采樣數(shù)據(jù)應(yīng)是互不接近的目標(biāo)（目標(biāo)距離間隔>2海里，方位間隔>4.9°），外推目標(biāo)報告不在計算范圍內(nèi)。

3.2.1 目標(biāo)位置探測概率

在對記錄數(shù)據(jù)的技術(shù)性能分析中，將測試覆蓋范圍按基本的三維單元（距離、方位、高度）劃分，估算每個單元的探測概率?；救S單元的大小取決于測試精度要求和單元內(nèi)實際的期望目標(biāo)報告數(shù)。單元內(nèi)的目標(biāo)位置探測概率應(yīng)使用下面公式計算：

P_d=探測目標(biāo)數(shù)量/預(yù)測目標(biāo)數(shù)量

“預(yù)測目標(biāo)數(shù)量”是指第一次探測到目標(biāo)至最后一次探測到目標(biāo)的掃描數(shù)。在特殊測試飛行中，期望目標(biāo)報告數(shù)等于飛機在雷達波束中出現(xiàn)的次數(shù)?！疤綔y目標(biāo)數(shù)量”是指雷達實際捕獲的目標(biāo)數(shù)量，不包括外推目標(biāo)報告、虛假目標(biāo)報告和多徑目標(biāo)報告。對于測試飛機或個別飛機，應(yīng)計算每個航跡點的探測概率和平均概率。

3.2.2代碼有效性

代碼有效性評估只采用目標(biāo)位置探測概率計算使用的目標(biāo)報告，因此只考慮形成飛機航跡的目標(biāo)報告。

目標(biāo)的A 碼和C碼代碼有效性應(yīng)使用如下公式計算：

P_{cd Mode A}=有效和正確的模式A目標(biāo)數(shù)/形成有效航跡的目標(biāo)數(shù)

Pc_{d Mode C}=有效和正確的模式C目標(biāo)數(shù)/形成有效航跡的目標(biāo)數(shù)

注：

1） A碼或C碼代碼是否有效是雷達根據(jù)應(yīng)答信號處理結(jié)果對應(yīng)答中的A碼或C碼進行的正確性標(biāo)記。

2） A碼或C碼代碼正確表示A碼或C碼值和相關(guān)航跡的當(dāng)前正確值相同。其中，正確值由分析系統(tǒng)決定和維護。

3.2.3 虛假目標(biāo)報告率

使用已相關(guān)的目標(biāo)報告來分析虛假目標(biāo)報告率。

P_Fal/Mul=虛假或重復(fù)的目標(biāo)數(shù)/探測目標(biāo)總數(shù)

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量參數(shù)分析

3.3.1目標(biāo)位置精度

位置精度是根據(jù)雷達報告的目標(biāo)位置和目標(biāo)探測時刻的真實位置差進行計算分析的。把目標(biāo)的真實位置當(dāng)做參考位置，這個參考位置可從測試過程中雷達不同輸入/輸出接口記錄的數(shù)據(jù)中錄取（如：單脈沖接收機和單脈沖信號處理器之間的I/O，或雷達和雷達數(shù)據(jù)處理中心的I/O），或飛機的GPS位置數(shù)據(jù)。參考位置的精度至少要比雷達輸出端目標(biāo)報告的測算位置精度高一個量級。

位置精度參數(shù)的分類和計算如下所示：

a） 系統(tǒng)誤差

c） 跳變率

跳變率按如下公式計算：

R_J=總跳變數(shù)量/探測目標(biāo)數(shù)量

3.3.2 誤碼率

目標(biāo)的A碼和C碼代碼有效的概率應(yīng)按如下公式計算：

P_{cv Mode A/C}=有效的模式A和C的目標(biāo)數(shù)/形成有效航跡的目標(biāo)數(shù)

代碼有效卻不正確的概率，即誤碼率為：

P_cv=P_cv-P_cd

3.3.3 分辨力

分辨力是雷達識別兩架相鄰飛機并產(chǎn)生正確目標(biāo)報告的能力，并給出位置探測概率和代碼有效性。

圖1中區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3的位置探測概率和代碼有效性按如下公式計算：

P_d=相鄰區(qū)域探測的目標(biāo)數(shù)/相鄰區(qū)域預(yù)測目標(biāo)總數(shù)

P_{cd Mode A}=有效且正確的模式A目標(biāo)數(shù)/相鄰區(qū)域形成有效航跡的目標(biāo)數(shù)

P_{cd Mode C}=有效且正確的模式C目標(biāo)數(shù)/相鄰區(qū)域形成有效航跡的目標(biāo)數(shù)

4 結(jié)束語

本文分別介紹了二次雷達探測性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要性能參數(shù)及其含義，并給出了各性能參數(shù)的測試步驟和分析方法。使用計算機終端軟件對雷達數(shù)據(jù)進行記錄和統(tǒng)計分析，能夠更直觀的展示測試結(jié)果，便于雷達站一線技術(shù)保障分析。通過在線監(jiān)測關(guān)鍵雷達性能參數(shù)實現(xiàn)對空管二次雷達的性能評估，為后期空域設(shè)計以及設(shè)備技術(shù)保障提供一種參考。

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