二次雷達(dá)S模式的關(guān)鍵技術(shù)

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本文作者：蘭鵬、曾一江、王凌 單位：中國西南電子技術(shù)研究所、成都工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程系、海軍裝備部重慶局

1引言

S模式是近年發(fā)展起來的一種新的空中交通監(jiān)視技術(shù),相對傳統(tǒng)的A/C模式二次監(jiān)視雷達(dá),采用了選址詢問,擴(kuò)展了數(shù)據(jù)鏈,擴(kuò)充了系統(tǒng)容量,降低了系統(tǒng)內(nèi)部干擾,因而在美、歐等國家和地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用,同時(shí)也是國際民航組織推薦使用的一種空管模式。而我國空管發(fā)展比較緩慢,目前還普遍使用的是A/C模式,但隨著空中交通的發(fā)展,飛機(jī)密度的增加,勢必也會向S模式監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展。正因?yàn)槲覈壳斑€沒有采用S模式,因而有關(guān)S模式的系列標(biāo)準(zhǔn)也沒有頒布,系統(tǒng)性論述的相關(guān)文獻(xiàn)也很少。有些文獻(xiàn)認(rèn)為,通過對傳統(tǒng)A/C模式二次監(jiān)視雷達(dá)進(jìn)行簡單的升級就可以實(shí)現(xiàn)S模式,筆者認(rèn)為S模式除了在工作頻點(diǎn)上與傳統(tǒng)的A/C模式相同外,是完全不同的兩個(gè)系統(tǒng),特別是S模式的數(shù)據(jù)鏈功能,以及地面站的協(xié)同功能,使得S模式的控制相當(dāng)復(fù)雜;同時(shí),S模式地面二次監(jiān)視雷達(dá)是一個(gè)逐步更換的過程,在實(shí)施過程中,S模式二次監(jiān)視雷達(dá)必須考慮兼容現(xiàn)有的傳統(tǒng)的A/C模式,因而S模式二次監(jiān)視雷達(dá)必須經(jīng)過全面細(xì)致的設(shè)計(jì)才可能充分發(fā)揮S模式的效能。本文主要針對實(shí)現(xiàn)地面二次監(jiān)視雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

2S模式二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)簡述

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的A/C基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,也是采用詢問應(yīng)答協(xié)同的工作方式,因而S模式二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)包括具有S模式能力的地面二次雷達(dá)詢問機(jī)和機(jī)載應(yīng)答機(jī)兩部分。國際民航組織為每架飛機(jī)分配了一個(gè)唯一地址(24位地址)[1],地面站可以對飛機(jī)進(jìn)行選址詢問,詢問發(fā)射頻率為1030MHz,接收頻率為1090MHz,詢問上行信號如圖1所示,前2個(gè)脈沖為同步脈沖,P5為詢問旁瓣抑制脈沖,P6為信息脈沖,采用DPSK調(diào)制,信息位長56bit或112bit,56bit稱為短信號格式,主要用于監(jiān)視,112bit稱為長信號格式,除用于監(jiān)視外還需要傳輸數(shù)據(jù)信息,也就是數(shù)據(jù)鏈功能都采用長信號格式,其碼速率為4MHz。應(yīng)答下行信號如圖2所示,前4個(gè)脈沖是同步脈沖,后面56個(gè)脈沖或112個(gè)脈沖也分為長格式和短格式,采用脈位調(diào)制,碼速率為1MHz。國際民航組織(ICAO)附件10中分別對上行和下行定義了S模式的24種格式,其中上行格式4、5、11、20、21、24用于二次監(jiān)視雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng),0和16號格式用于ACAS系統(tǒng),為以后擴(kuò)展保留了17種格式;下行格式中,4、5、11、20、21、24用于二次雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng),0和16號格式用于ACAS系統(tǒng),17、18、19號格式用于ADS-B,其中19號格式為軍用。在二次監(jiān)視雷達(dá)使用的幾種格式中,11號格式是全呼詢問和應(yīng)答,主要用于對空中目標(biāo)的捕獲,以獲取空中目標(biāo)的S模式地址,4號和5號格式主要用于監(jiān)視,以替代傳統(tǒng)的A/C模式,4號格式傳輸高度信息,5號格式傳輸編號信息,20、21號格式主要用于數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)具有監(jiān)視功能,24號格式主要用于擴(kuò)展通信功能。在S模式數(shù)據(jù)鏈的功能上主要分為通信A、通信B、通信C和通信D4種,上行20、21號格式主要用于通信A,下行20、21主要用于通信B,上行24號格式用于通信C,下行24號格式用于通信D。通信A又分為廣播通信A和一般通信A,廣播通信A用于地面站向覆蓋范圍內(nèi)的空中目標(biāo)發(fā)送廣播信息,一般通信A用于地面站對特定的飛機(jī)發(fā)送信息;通信B又分為地面發(fā)起的通信B(GICB)、空中發(fā)起的通信B(AICB)和廣播通信B等[1-2]。

3S模式二次監(jiān)視雷達(dá)組成及工作原理

S模式地面二次監(jiān)視雷達(dá)主要組成如圖3所示,包括天線系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信道管理器、S模式回答處理器、A/C模式回答處理器、航跡處理、數(shù)據(jù)管理以及接口管理等部分。天線系統(tǒng)包括∑、Δ、Ω三通道單脈沖天線,和傳統(tǒng)A/C模式二次監(jiān)視雷達(dá)一樣,為了減少垂直反射的影響,采用大垂直孔徑天線。由于S模式詢問機(jī)需要同時(shí)發(fā)射P6脈沖和旁瓣抑制脈沖(P5脈沖),發(fā)射機(jī)需采用主、輔兩個(gè)發(fā)射機(jī),主發(fā)射機(jī)發(fā)射信號脈沖和同步脈沖,輔助發(fā)射機(jī)發(fā)射旁瓣抑制脈沖,接收機(jī)采用三通道接收,∑、Δ通道接收機(jī)配合∑、Δ單脈沖天線,實(shí)現(xiàn)單脈沖測角,∑、Ω實(shí)現(xiàn)接收旁瓣抑制功能,分別采用S模式和A/C模式兩個(gè)獨(dú)立的回答處理器,實(shí)時(shí)的對每次回答進(jìn)行信號處理,以得到每次回答的解碼值;A/C模式凝聚器主要對駐留波束內(nèi)的A/C模式回答進(jìn)行凝聚,剔除異步干擾等;信道管理器主要對波束內(nèi)要處理的S模式詢問(包括數(shù)據(jù)傳輸任務(wù))以及A/C模式詢問進(jìn)行時(shí)序上的管理;鏈路管理器主要完成通信任務(wù)與跟蹤目標(biāo)的配對、對活動(dòng)列表的管理。

4S模式二次監(jiān)視雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

4.1S模式與A/C模式的兼容性

雖然S模式采用了點(diǎn)名詢問,但在跟蹤前是不知道空中目標(biāo)的S模式地址,當(dāng)S模式二次監(jiān)視雷達(dá)工作在多站情況下,可以通過相鄰地面站的引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤,但大多情況下需要自身對目標(biāo)進(jìn)行捕獲,只有捕獲鎖定后的目標(biāo)才能進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。S模式目標(biāo)的捕獲是采用全呼詢問,跟蹤和數(shù)據(jù)傳輸采用選址詢問,鎖定后的目標(biāo)不再對S模式全呼詢問進(jìn)行應(yīng)答,為了方便管理和減少干擾,實(shí)際實(shí)施時(shí),采用全呼和選址詢問分時(shí)進(jìn)行,其時(shí)序如圖4所示,包括一個(gè)全呼詢問周期跟一個(gè)輪詢周期,在輪詢周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)選址詢問?？紤]到從傳統(tǒng)的A/C模式升級到S模式需要一定的時(shí)間過渡,因而國際民航組織在制定S模式標(biāo)準(zhǔn)時(shí),充分考慮了A/C模式與S模式的兼容問題,使得A/C模式二次雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)與S模式二次雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)可以共存。在全呼詢問時(shí),對傳統(tǒng)的A/C模式信號進(jìn)行了改進(jìn),增加了P4脈沖,如圖5的信號格式稱為組合詢問信號格式,對于傳統(tǒng)的A/C模式應(yīng)答機(jī)只識別P1~P3脈沖,并按識別的P1與P3的時(shí)間間隔確定詢問模式,對于S模式應(yīng)答機(jī)需要識別P4脈沖,P4為寬脈沖(1.6μs)時(shí)表示對所有應(yīng)答機(jī)進(jìn)行全呼詢問,P4為窄脈沖(0.8μs)時(shí)表示僅對A/C模式應(yīng)答機(jī)進(jìn)行詢問,S模式應(yīng)答機(jī)接收到該信號不應(yīng)答。但在實(shí)際使用中,人們更喜歡采用UF11號僅S模式全呼和短的組合詢問格式(僅A/C模式回答)組成的時(shí)序?qū)罩心繕?biāo)進(jìn)行全呼詢問,如圖6所示,這樣在同樣覆蓋范圍內(nèi)的S模式應(yīng)答機(jī)和A/C模式應(yīng)答機(jī)具有相同的接收時(shí)間窗,A/C模式應(yīng)答機(jī)也有足夠的時(shí)間從抑制A/C模式(僅S模式全呼)中恢復(fù)。

4.2S模式信道管理

由于S模式既要完成監(jiān)視功能又要完成數(shù)據(jù)鏈功能,同時(shí)還要兼容傳統(tǒng)的A/C模式,因而如何有序地安排和管理地面雷達(dá)在波束覆蓋范圍內(nèi)目標(biāo)的通信和監(jiān)視任務(wù)顯得尤為重要。S模式地面二次監(jiān)視雷達(dá)需要一個(gè)專用的信道管理器來完成這些任務(wù),其原理主要包括信道控制、事務(wù)預(yù)處理、目標(biāo)列表更新、輪詢進(jìn)程安排和事務(wù)更新,如圖7所示。信道控制實(shí)時(shí)監(jiān)視時(shí)鐘和天線指向,保證所有S模式和A/C模式活動(dòng)都發(fā)生在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和序列(波束駐留時(shí)間),每間隔一定時(shí)間,信道控制就指示事務(wù)預(yù)處理器提供即將進(jìn)入波束的飛機(jī)清單;事務(wù)預(yù)處理查詢包含目標(biāo)預(yù)測位置的監(jiān)視文件,如果將要進(jìn)入波束的飛機(jī)有上行鏈路信息或下行鏈路信息需處理,那么事務(wù)預(yù)處理就會確定要完成這些任務(wù)所需要處理的數(shù)目和類型,事務(wù)預(yù)處理為每架飛機(jī)創(chuàng)建一張表單,表單包括一套要完成所有待處理的監(jiān)視與通信任務(wù)所需要的完整說明;目標(biāo)列表更新器組合這些表單為活動(dòng)列表,并定期更新,表單上的條目是由事務(wù)預(yù)處理器所闡明的數(shù)據(jù)塊。新目標(biāo)中的數(shù)據(jù)塊由事務(wù)預(yù)處理提供,并且被并入此列表,而那些離開波束或完成服務(wù)的目標(biāo),都會被清除。為了更好地估計(jì)算一個(gè)詢問與應(yīng)答的非沖突時(shí)序,活動(dòng)目標(biāo)列表是以目標(biāo)距離遞減的方式進(jìn)行排序。事務(wù)更新是針對具有多任務(wù)的目標(biāo),對于有多任務(wù)的目標(biāo)原則上是安排連續(xù)進(jìn)行,如果某項(xiàng)任務(wù)成功進(jìn)行,就會修改目標(biāo)的數(shù)據(jù)塊,以安排下一任務(wù)進(jìn)行;如果某項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行不成功,會安排在下一時(shí)序繼續(xù)進(jìn)行;輪詢進(jìn)程安排信道管理器的輸出時(shí)序,其原則是基于目標(biāo)的距離,最遠(yuǎn)的先問,后續(xù)安排的詢問目標(biāo),其回答不會與前一詢問的回答交替,如果沒有足夠的時(shí)間來完成一個(gè)完整的時(shí)序安排,那么就會安排到下一循環(huán)進(jìn)行。圖8是一個(gè)信道管理輪詢實(shí)例,在第1個(gè)循環(huán)實(shí)現(xiàn)了對4架飛機(jī)的詢問,在第2個(gè)循環(huán)實(shí)現(xiàn)了對2架飛機(jī)的詢問,從該圖也可以看出,合理進(jìn)行信道管理可以大大提高信道的利用率。

4.3S模式鏈路管理

S模式地面二次監(jiān)視雷達(dá)為S模式地-空數(shù)據(jù)鏈提供物理層和部分鏈路層的服務(wù),S模式數(shù)據(jù)鏈功能主要包括通信A、廣播通信A、GICB(Ground-in-itiatedComm-B)和AICB(Air-initiatedComm-B)等多種形式,實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)鏈功能需要與地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)和機(jī)載數(shù)據(jù)鏈處理器(ADLP)配合工作,如圖9所示。對于進(jìn)入地面二次監(jiān)視雷達(dá)覆蓋區(qū)的空中目標(biāo),地面二次監(jiān)視雷達(dá)是靠定向天線實(shí)現(xiàn)與指定目標(biāo)的通信,對一特定的飛機(jī),每次掃描的波束駐留時(shí)間只有幾十毫秒,對于飛機(jī)密度較大的區(qū)域,如果通信任務(wù)較多,勢必有些目標(biāo)的通信任務(wù)不能在一次掃描完成,需要多次掃描,如何有序地實(shí)現(xiàn)與空中目標(biāo)的通信,在天線指向目標(biāo)前將具有通信任務(wù)的目標(biāo)和任務(wù)種類提供給信道管理器,需要建立一個(gè)活動(dòng)信息列表,這個(gè)活動(dòng)信息列表是對地面二次雷達(dá)覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有S模式目標(biāo)列表,對新跟蹤的目標(biāo)需要及時(shí)加入活動(dòng)列表,并建立與GDLP的鏈路連接,對飛出覆蓋區(qū)的目標(biāo)及時(shí)終止與GDLP的鏈接,并從活動(dòng)信息列表中剔除,二次雷達(dá)只從GDLP接收在覆蓋區(qū)內(nèi)目標(biāo)的通信任務(wù),對活動(dòng)列表中具有通信任務(wù)的目標(biāo)進(jìn)行長格式詢問,對沒有通信任務(wù)的進(jìn)行監(jiān)視詢問(短格式詢問),在活動(dòng)信息列表的建立中,詢問機(jī)需要將通過監(jiān)視獲得的目標(biāo)位置信息與通過GDLP獲得的通信任務(wù)進(jìn)行配對,并分類進(jìn)行管理,對未完成的通信任務(wù)進(jìn)行更新。圖10是GICB鏈路管理實(shí)例。

4.4S模式目標(biāo)的捕獲

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)主要采用選址詢問方式進(jìn)行工作,但這只是在建立了目標(biāo)跟蹤的情況下,在對目標(biāo)跟蹤之前,需要對目標(biāo)進(jìn)行捕獲、鎖定,以最大限度地減少系統(tǒng)的異步干擾。一旦被捕獲,S模式飛機(jī)對隨后的S模式全呼叫詢問進(jìn)行閉鎖,此閉鎖條件由S模式地面站通過S模式選址詢問控制,如果因任何原因致使一架飛機(jī)在18s左右沒有接收到地面站的閉鎖命令選址詢問,將自動(dòng)解鎖,以便普通S模式捕獲可重新捕獲飛機(jī)。如何快速捕獲S模式目標(biāo),可以采用多種捕獲技術(shù),包括多站捕獲與閉鎖、非選擇性捕獲與閉鎖、集群詢問機(jī)捕獲與閉鎖,以及隨機(jī)捕獲等多種方式。S模式為每個(gè)具有共同覆蓋區(qū)的地面詢問機(jī)分配了了一個(gè)詢問識別符(Ⅱ碼)和監(jiān)視識別符(SI碼),并要求應(yīng)答機(jī)能夠根據(jù)Ⅱ碼和SI碼具有多站閉鎖,針對不同的Ⅱ碼和SI碼鎖,對應(yīng)多達(dá)78個(gè)地面詢問機(jī)的全呼捕獲詢問;非選擇捕獲與閉鎖,是建立在Ⅱ=0的基礎(chǔ)上,與S模式子網(wǎng)協(xié)議不兼容,不能用于普通的S模式捕獲;集群詢問機(jī)捕獲與閉鎖,是地面使用相同詢問標(biāo)識符的詢問機(jī)通過地面網(wǎng)路協(xié)調(diào)它們的監(jiān)視和通信任務(wù),不需要每個(gè)詢問機(jī)都去捕獲目標(biāo);隨機(jī)捕獲,S模式地面站用一個(gè)特殊全呼叫詢問命令進(jìn)行詢問,此命令指示飛機(jī)用一個(gè)特定的小于1的應(yīng)答概率進(jìn)行應(yīng)答,由此降低的應(yīng)答率意味著有些全呼叫應(yīng)答被正確接收,并且這些飛機(jī)將被捕獲。一旦一架飛機(jī)被捕獲,它就被閉鎖,就不會再干擾其他尚未被捕獲飛機(jī)的全呼叫應(yīng)答,這一過程一直重復(fù),直到所有的飛機(jī)被捕獲,這種捕獲文獻(xiàn)[3]中已有詳細(xì)介紹。

4.5單脈沖技術(shù)

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)要求一次詢問、應(yīng)答就能獲得目標(biāo)信息,這其中包括目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸信息和監(jiān)視獲得的目標(biāo)位置信息,而傳統(tǒng)的滑窗技術(shù)需要多次詢問才能獲得理想的位置信息,很難滿足S模式的要求,因而對于S模式地面詢問機(jī)必須采用單脈沖技術(shù),其原理如圖11所示。通常二次監(jiān)視雷達(dá)采用比幅單脈沖技術(shù)進(jìn)行測角,根據(jù)接收到的∑、Δ通道的脈沖的幅度值計(jì)算出Δ/∑,由Δ/∑與偏離天線的法向值(OBA)的關(guān)系查表得到OBA值,與實(shí)時(shí)采集的天線指向值相加或相減得到目標(biāo)的方位角,根據(jù)∑、Δ通道的相位超前滯后關(guān)系,判斷目標(biāo)在法線左邊還是右邊,以決定目標(biāo)方位是加OBA值還是減OBA值。此外單脈沖技術(shù)除用于測角外,也用于多目標(biāo)處理。

5S模式二次監(jiān)視雷達(dá)接口要求

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)接口主要分為內(nèi)部接口和外部接口,內(nèi)部接口主要包括地面站詢問機(jī)與詢問天線的接口、詢問機(jī)與本地控制盤的接口、詢問機(jī)與維護(hù)顯示器的接口,與天線的接口包括∑、Δ、Ω三通道射頻接口和天線指向數(shù)據(jù),天線指向信號采用增量編碼方式,一路方位脈沖,一路正北脈沖;與本地控制盤的接口主要完成本地控制盤對詢問機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并實(shí)時(shí)監(jiān)視詢問機(jī)的狀態(tài),采用RS422接口;與本地維護(hù)監(jiān)視器的接口主要對目標(biāo)的航跡進(jìn)行監(jiān)視,采用RS422接口或網(wǎng)絡(luò)接口。與外部設(shè)備的接口包括與空中交通管制中心的接口、與GDLP的接口、與本地用戶的接口、與其他鄰近地面站系統(tǒng)工作接口,實(shí)現(xiàn)S模式數(shù)據(jù)鏈功能與空管中心的監(jiān)視接口和GDLP接口是必需的,與鄰近地面二次監(jiān)視雷達(dá)接口在多站協(xié)同工作時(shí)需要,對外接口都采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口,如圖12所示。與空中交通管制中心接口,主要向交通管制中心傳輸目標(biāo)點(diǎn)跡/航跡報(bào)文,通常采用網(wǎng)絡(luò)接口。由于我國還沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),我們參照歐洲航空組織監(jiān)視數(shù)據(jù)交換報(bào)文CAT48《單站雷達(dá)目標(biāo)發(fā)送報(bào)文》[4]執(zhí)行。與地面數(shù)據(jù)鏈處理器GDLP的接口主要與GDLP進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換,將從飛機(jī)上提取的數(shù)據(jù)發(fā)送給GDLP,把GDLP傳來的數(shù)據(jù)通過二次監(jiān)視雷達(dá)發(fā)送給飛機(jī),同樣采用網(wǎng)絡(luò)接口,參照歐洲航空組織監(jiān)視數(shù)據(jù)交換報(bào)文CAT18《S模式數(shù)據(jù)交換信息》[5]執(zhí)行。

6S模式二次監(jiān)視雷達(dá)鏈路計(jì)算

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)鏈路計(jì)算同樣遵從二次雷達(dá)的計(jì)算公式[6]:式中,Prcc為接收機(jī)輸入口的接收功率,單位W;Ptrd為發(fā)射機(jī)在輸出口的發(fā)射功率,單位W;GA為地面二次監(jiān)視雷達(dá)天線增益;GT為應(yīng)答機(jī)天線增益;LI為二次監(jiān)視雷達(dá)到天線之間電纜損耗和;Lt為應(yīng)答機(jī)到天線之間電纜損耗和;Lat為大氣衰減;λ為波長,單位m;R為地面站和應(yīng)答機(jī)天線之間的距離,單位m。在下行鏈路計(jì)算時(shí),考慮到S模式必須采用單脈沖技術(shù)進(jìn)行測角,系統(tǒng)應(yīng)該留有足夠的余量。

7結(jié)束語

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)具有監(jiān)視、數(shù)據(jù)鏈功能,相比傳統(tǒng)的A/C模式具有很多優(yōu)勢,是國際民航空中交通監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向,既可以采用單站工作方式也可以采用多站地面協(xié)同工作方式,其控制流程相當(dāng)復(fù)雜。國內(nèi)這方面的文獻(xiàn)很少,國際民航組織也僅僅給出了一些規(guī)范性的要求,對其實(shí)施方式并沒有作詳細(xì)的規(guī)定。隨著我國民用航空事業(yè)的發(fā)展,空中交通密度的增加,在從傳統(tǒng)A/C模式監(jiān)視系統(tǒng)過渡到S模式監(jiān)視系統(tǒng)的過程中,建議針對S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的具體特點(diǎn),制定和完善一系列S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,才能逐步推行,這樣才能最大發(fā)揮S模式的效能。