基于C#設(shè)計的空管二次雷達顯示系統(tǒng)

黃永堅

【摘 要】設(shè)計一種空管二次雷達顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)有二次雷達配備的顯示系統(tǒng)應(yīng)有的功能，具備目標點跡航跡顯示、雷達原始視頻顯示，并實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及系統(tǒng)性能監(jiān)視。系統(tǒng)通過基于分層開放式模塊設(shè)計實現(xiàn)了軟件總體架構(gòu)的設(shè)計，與此同時，設(shè)計了消息控制機制以及包括AsterixR類、Tag類和顯示類等多種類。系統(tǒng)實現(xiàn)硬件資源簡潔，性能較好。

【關(guān)鍵詞】空管；二次雷達顯示；C#；類設(shè)計

中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0017-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.008

【Abstract】a secondary radar display system for air traffic control is designed， which can realize the functions and functions of the existing secondary radar display system Punctuation track and radar original video display， and achieve the statistical analysis of target data and system performance monitoring. The system is opened based on layers In the same time， message control mechanism is designed， including Asterix R class and Tag Classes and display classes， etc. The system has simple hardware resources and good performance.

【Key words】Air traffic control； Secondary radar display； C #； Class design

0 引言

空管二次雷達是空中交通管制工作監(jiān)視的重要設(shè)備，可以為空管自動化系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)源?？展芏卫走_的自身顯示也非常重要，其對于雷達頭數(shù)據(jù)質(zhì)量的判斷、空管自動化及雷達性能分析及故障排查有關(guān)鍵性作用。對于空管技術(shù)保障人員，空管二次雷達的顯示是一種技術(shù)保障的工具也是學(xué)習(xí)雷達數(shù)據(jù)處理的重要平臺。通常國內(nèi)外雷達生產(chǎn)家都會配備一個以上的雷達本地終端顯示，但是對于實際空管現(xiàn)場運行有不少不合實際的情況。本文從實際出發(fā)，研究設(shè)計一種雷達顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過C#設(shè)計實現(xiàn)，在實際中應(yīng)用性能較好，對設(shè)備維護人員理解相關(guān)數(shù)據(jù)處理和信號處理有一定的意義。

1 設(shè)計的出發(fā)點及功能

本文的設(shè)計依照《MH/T 4010-2006空中交通管制空管二次雷達設(shè)備技術(shù)規(guī)范》以及《MHT 4008-2000空管雷達及管制中心設(shè)施間協(xié)調(diào)移交數(shù)據(jù)規(guī)范》，研究相應(yīng)的雷達數(shù)據(jù)格式包括ASTERIX CAT001、CAT002、CAT034、CAT048以及CAT240多種歐控雷達格式。結(jié)合實際情況系統(tǒng)采用良好的人機交互界面，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)遠程部署及遠程顯示能力，具備目標點跡航跡顯示、雷達原始視頻顯示，實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及系統(tǒng)性能監(jiān)視。

在數(shù)據(jù)接口上，為了實現(xiàn)系統(tǒng)與二次雷達主機的數(shù)據(jù)交互，采用UDP協(xié)議進行通信，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)、存儲及本地重演；PPI顯示則參照現(xiàn)有運行系統(tǒng)，采用極坐標形式顯示，以方位角正北為基準，順時針方向計量，距離通過顯示半徑計量，并且以當前雷達站的經(jīng)緯度為坐標原點。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括目標的尾跡、符號、高度等顯示，地圖顯示以及視頻顯示（包括視頻回放、顯示的基本配置以及掃描方式選擇等等）；統(tǒng)計功能則通過列表形式顯示二次雷達數(shù)據(jù)的幀數(shù)據(jù)及目標信息統(tǒng)計，主要記錄統(tǒng)計的信息有：當前幀航跡數(shù)、SSR/PSR配對航跡數(shù)、SSR總數(shù)、航跡總數(shù)、自動航跡總數(shù)、人工航跡總數(shù)以及半自動航跡總數(shù)等；目標列表信息則體現(xiàn)當前的重點參數(shù)表、航跡詳參表（航跡批號、方位、距離、高度、速度、航向等）、點跡詳參表等；主機控制功能，則主要實現(xiàn)對雷達主機的控制包括對（發(fā)射狀態(tài)、待機狀態(tài)）和模式控制的切換（MA、MS以及MA/C）；回放控制則提供了類似空管自動化系統(tǒng)的回放重演功能，包括對雷達數(shù)據(jù)的回放速度選擇、回放數(shù)據(jù)選擇等。

參照相關(guān)標準，系統(tǒng)設(shè)計滿足顯示范圍具有500Km顯示半徑，可同時顯示900批/幀的目標，軟件的實時響應(yīng)時間小于20ms。

在硬件部署上，此處采用HPZ400工作站作為主機處理，采用LP2400顯示器提供24寸的顯示大小及1600×1200的顯示效果，系統(tǒng)實現(xiàn)較為節(jié)約。

2 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 軟件框架設(shè)計

軟件框架設(shè)計基于分層開放式模塊設(shè)計，將主體系統(tǒng)功能分為三個層：一是業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層類似網(wǎng)絡(luò)七層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層，具體面對數(shù)據(jù)處理，包括系統(tǒng)的目標顯示、地圖顯示、統(tǒng)計分析、記錄回放以及功能配置等；二是數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層部署了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)文件，包括消息交互、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)訪問控制以及數(shù)據(jù)的備份及日志記錄等；三是平臺層，主要處理基礎(chǔ)計算以及配置相應(yīng)的顯示組件等，其提供了對網(wǎng)絡(luò)、硬件以及操作系統(tǒng)的多種運算，包括并行計算、網(wǎng)絡(luò)通信以及其他跨系統(tǒng)跨平臺應(yīng)用。

2.2 軟件部件

軟件主要由后臺程序組成，包括雷達數(shù)據(jù)顯示、列表統(tǒng)計計算以及系統(tǒng)操作等功能部件。其中，雷達數(shù)據(jù)顯示包括軟件界面處理（UI約束及配置管理），PPI顯示，列表顯示等。這些顯示處理都是基于支持庫中的視頻庫以及模式控制的處理。在C#軟件設(shè)計中，系統(tǒng)的消息服務(wù)可以采用客戶端-服務(wù)器端構(gòu)架，通過程序部件間的交互實現(xiàn)?；诨丨h(huán)地址的SOCKET交互可以實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互，通過對UDP消息進行端口識別實現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需分發(fā)。服務(wù)器端在收到消息信息號時將主動向客戶端發(fā)布一個消息副本從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，此過程系統(tǒng)軟件會對消息進行等級劃分和優(yōu)先級排隊。

消息中心設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)的處理控制。首先，系統(tǒng)啟動時會從硬盤中讀取參數(shù)文件（軟件配置文件），讀取完畢初始化系統(tǒng)約束條件，根據(jù)流程進行注冊消息的判斷，如若無需注冊消息則判斷心跳消息，心跳存在再進行更新訂閱客戶數(shù)據(jù)。如若需要注冊則直接更新訂閱客戶最終形成現(xiàn)客戶消息訂閱隊列。

C#的良好封裝性給予軟件設(shè)計類提供了可能，通過類設(shè)計可以實現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計，方便后續(xù)軟件升級及維護。對于消息中心的類主要是IDReader類和UdpCom類，前者主要實現(xiàn)消息客戶端和服務(wù)端的信息讀取，用戶名及IP地址端口的信息。后者則實現(xiàn)信息交互和初始化，UdpSer和UdpCom派生類實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并保存相應(yīng)的配置文件msg.ini。

Udpsocket實現(xiàn)對雷達數(shù)據(jù)的接收，并將其推送到顯示界面處理模塊，主要涉及的是歐控數(shù)據(jù)CAT001和CAT002，支持MHT4008格式。其中，Inter類主要實現(xiàn)與外部的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，點航跡的處理及控制；AsterixR類實現(xiàn)對歐控數(shù)據(jù)接收處理，MH類則實現(xiàn)對MH4008格式的點航跡的處理。數(shù)據(jù)存儲則通過將服務(wù)器推送目標信息和扇區(qū)消息保存到本地文件實現(xiàn)。系統(tǒng)根據(jù)實際的硬件，此處可以設(shè)計文件大小為1M以上，保存90天數(shù)據(jù)以及單文件數(shù)據(jù)記錄為1小時。數(shù)據(jù)的回放則通過程序主進程實現(xiàn)外部重演及狀態(tài)實時回傳，軟件通過重演指令控制數(shù)據(jù)讀取進程讀取本地數(shù)據(jù)文件，控制數(shù)據(jù)發(fā)送進程將讀取到的數(shù)據(jù)向顯示進程推送，這個過程按照雷達的周期（4s或5s）進行顯示周期的確認。

2.3 PPI顯示

PPI顯示主要由目標顯示、GIS背景地圖顯示及視頻顯示組成。目標顯示主要通過C#定義相應(yīng)的Tag目標類，通過Tag系統(tǒng)定義了相應(yīng)目標的組成元素，包括目標SSR、高度、速度、以及其他必須顯示的目標信息，上述的Inter類接收到數(shù)據(jù)后會進入到AsterixR類進行數(shù)據(jù)的解析，將數(shù)據(jù)包中的必選項解析處理，并生成一個Tag類對象，填入到顯示模塊的數(shù)據(jù)鏈表中形成新目標。當然，此過程存在航跡點跡相關(guān)過程，具體實現(xiàn)可以通過判斷距離、SSR、高度等多種約束條件實現(xiàn)航跡點跡的相關(guān)。航跡點跡的跟蹤處理則直接通過Follow類實現(xiàn)，F(xiàn)ollow類定義了相應(yīng)的跟蹤條件及外推約束，為系統(tǒng)航跡點跡處理實現(xiàn)模塊化設(shè)計。

基于Qt的Gaphics view框架定義一個QGLwidget窗體以承載圖形元素顯示，此處也進行分層設(shè)計。一是用戶作圖層，提供類似空管自動化的在線地圖繪制能力；二是目標信息顯示層，主要處理上述目標的信息顯示；三是雷達視頻處理；四是GIS地圖繪制及處理。圖層具有私有屬性和共有屬性的定義，這些處理及顯示統(tǒng)一規(guī)劃在QGraphicsScene容器中。而在QGraphicsItem中主要有線型和顏色的變化、響應(yīng)事件的控制以及樣式的選擇配置的設(shè)計。另外，GIS配置文件存放在本地的“APPRADAR/shapes”文件中，設(shè)計實現(xiàn)了對900批容量的目標顯示容量。C#添加GIS應(yīng)用需要代碼如下：

mapGIS.Visible=false；

layoutMain.Visible=true；

toolGIS.SetBuddyControl（layoutMain）；

CopyMapFromMaptoPageLayout（）；

視頻回放顯示功能則有：首先，通過初始化，系統(tǒng)等待相應(yīng)的回波數(shù)據(jù)進入，通過數(shù)據(jù)解碼，實現(xiàn)CPU前期處理；其次，將數(shù)據(jù)填入緩存中并等待緩存填滿數(shù)據(jù)；再次，軟件自動拷貝數(shù)據(jù)到GPU緩存，啟動內(nèi)核進行GPU處理和視頻繪制。顯示庫在此過程中會將CUDA程序編譯成軟件本地靜態(tài)連接庫，實現(xiàn)與主控制程序的數(shù)據(jù)交互。

2.4 界面功能設(shè)計

參考當前在用二次雷達顯示系統(tǒng)，本系統(tǒng)提供的界面功能有：（1）用戶數(shù)據(jù)維護接口，主要提供對雷達主機處理的相關(guān)配置信息，包括IP地址、端口號，主機名稱、目標顯示標牌配置、GPS時鐘接入配置、數(shù)據(jù)文件的初始化設(shè)計及維護等；（2）地圖的相關(guān)功能，包括地址添加、航路點維護、導(dǎo)航臺點設(shè)置、雷達站點維護以及其他包括管制扇區(qū)顯示的添加等；（3）系統(tǒng)顯示配置功能，包括標尺使用、地圖放大縮小、經(jīng)緯度同時顯示等；（4）對目標信息進行定制操作，包括確定航跡的標識跟蹤、確定航跡對的實時監(jiān)視、確定航跡點的未來預(yù)測等；（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計與顯示。在前臺實現(xiàn)對后臺數(shù)據(jù)庫的交互，包括統(tǒng)計信息的顯示、簡單的數(shù)據(jù)分析及流量監(jiān)測、重要可變參數(shù)的更新操作等。

3 結(jié)束語

本文通過實際工作經(jīng)驗，基于C#設(shè)計一種空管二次雷達顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了消息控制機制的制定以及數(shù)據(jù)流類設(shè)計，并對軟件的總體架構(gòu)采用分層設(shè)計。系統(tǒng)整體的可維護水平較高、硬件需求較為簡潔、應(yīng)用性能較好。參照相關(guān)行業(yè)標準的設(shè)計同時，系統(tǒng)可以為空管二次雷達的質(zhì)量探測以及二次雷達的雷達數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)提供手段，也為相關(guān)研究提供一種實踐參考。

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