MARK XIIA IFF系統(tǒng)及其信號(hào)消息格式?

邱宏坤，楊建波，毛虎

（空軍航空大學(xué)，吉林長春130022）

MARK XIIA IFF系統(tǒng)及其信號(hào)消息格式?

邱宏坤，楊建波，毛虎

（空軍航空大學(xué)，吉林長春130022）

Mark XIIA是美軍和北約盟軍統(tǒng)一研制的新型敵我識(shí)別系統(tǒng)，其中Mode 5 IFF是Mark XIIA的最重要部分。首先，分析了Mark XIIA Mode 5的性能特點(diǎn)，表明Mode 5不僅能完成基本的敵我識(shí)別功能，同時(shí)具有態(tài)勢(shì)感知、選址詢問、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽黄浯?，?duì)Mark XIIA系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，給出了系統(tǒng)工作原理框圖；最后，敘述了Mark XIIA Mode 5的信號(hào)消息格式及處理流程，分析了其抗干擾性能。

敵我識(shí)別；Mark XIIA；Mode 5；信號(hào)格式；消息格式

1 引言

Mark XIIA敵我識(shí)別（Identification Foe or Friend，IFF）系統(tǒng)是Mark XII的升級(jí)版本，在原有基礎(chǔ)上增加了Mode 5 IFF。Mode 5 IFF系統(tǒng)采用安全信息格式和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，提高了系統(tǒng)的安全性、抗干擾性和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力，可用作空對(duì)地、地對(duì)空、空對(duì)空、海對(duì)海等戰(zhàn)斗識(shí)別。BAE公司副總裁兼識(shí)別和態(tài)勢(shì)感知部總經(jīng)理Paul Markwardt表示，Mode 5的開發(fā)在敵我識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展中具有里程碑的意義。當(dāng)前，美軍和北約盟軍的軍用監(jiān)視平臺(tái)，如E－3B AWACS（機(jī)載預(yù)警和控制系統(tǒng)）、E－2C預(yù)警機(jī)、AEGIS（宙斯盾）作戰(zhàn)系統(tǒng)都將裝備Mode 5敵我識(shí)別系統(tǒng)，空中、地面及水面作戰(zhàn)平臺(tái)的敵我識(shí)別系統(tǒng)也可升級(jí)到Mode 5［1］。本文將對(duì)Mark XIIA Mode 5的工作性能和信號(hào)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析。

2 Mark XIIA的性能特點(diǎn)

Mode 5是Mark XIIA系統(tǒng)中最為重要的部分，Mode 5的設(shè)計(jì)與開發(fā)是根據(jù)Mark XII Mode 4使用中所出現(xiàn)的問題提出的，與Mark XII Mode 4相比較，Mode 5采取了多種措施來提高系統(tǒng)的性能。

2.1 系統(tǒng)安全性高

Mark XII Mode 4使用的是人工更換紅色密鑰加密算法，這種算法已有40年的歷史，而Mode 5使用可自動(dòng)替換的黑色密鑰新加密算法，使系統(tǒng)加密更加方便快捷、安全。Mode 5詢問及應(yīng)答信號(hào)采用了RS編碼糾錯(cuò)、軟擴(kuò)頻、詢問／應(yīng)答信號(hào)保護(hù)（IRP／

RRP）等新技術(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。射頻信號(hào)調(diào)制方式為MSK（Minimum Shift Keying），與Mark XII

Mode 4 PAM調(diào)制方式相比較，MSK所占頻譜帶寬更窄，減少了對(duì)此頻段JTIDS系統(tǒng)的干擾，同時(shí)MSK調(diào)制有著更好的抗干擾性能。

2.2 工作模式多

Mark XII Mode 4只能完成基本的識(shí)別功能，而Mode 5有4級(jí)工作模式，分別為Level 1、Level 2、Level 3和Level 4［2］。各工作模式功能與傳輸信息如下：

（1）Level 1為改進(jìn)的識(shí)別模式，詢問／應(yīng)答信息中增加了平臺(tái)識(shí)別編號(hào)（PIN）和致命因子（Lethal），致命因子為帶有命令攻擊意圖的殺傷性詢問信息；

（2）Level 2為帶有位置報(bào)告的態(tài)勢(shì)感知模式，位置報(bào)告中包含緯度、經(jīng)度、高度、平臺(tái)識(shí)別編號(hào)、國家代碼和任務(wù)代碼等信息。態(tài)勢(shì)感知模式有兩種工作方式，即“Triggered”和“Squittered”?！癟riggered”為通用詢問／應(yīng)答工作方式，詢問機(jī)通過發(fā)射詢問信號(hào)，請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)發(fā)射位置報(bào)告；“Squittered”為“無呼叫應(yīng)答”工作方式，空中或艦船的應(yīng)答機(jī)將以0.45～0.55 s的間隔來發(fā)射位置報(bào)告，地面應(yīng)答機(jī)將以2.2～2.8 s的間隔來發(fā)射位置報(bào)告；

（3）Level 3為選址詢問模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)友方戰(zhàn)斗群中特定平臺(tái)如艦隊(duì)的旗艦、飛行中隊(duì)的長機(jī)進(jìn)行個(gè)別詢問［3］；

（4）Level 4為數(shù)據(jù)傳輸模式，可實(shí)現(xiàn)空中、水面、地面等各武器平臺(tái)間的高容量、高速率數(shù)據(jù)傳輸和交換。

2.3 系統(tǒng)內(nèi)部干擾低

敵我識(shí)別系統(tǒng)中存在著“竄擾”（Fruit）和“混擾”（Garbled）等系統(tǒng)內(nèi)部干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，Mode 5采用了以下措施來降低系統(tǒng)內(nèi)部干擾：

（1）詢問機(jī)采用了更低的詢問頻率

Mode 5的詢問頻率低于225 Hz，只是Mark XII Mode 4系統(tǒng)的一半。低詢問頻率可減少系統(tǒng)內(nèi)部的旁瓣觸發(fā)干擾和對(duì)其它敵我識(shí)別系統(tǒng)的“竄擾”。

表1［4］為Mode 4和Mode 5在系統(tǒng)不同靈敏度的情況下的“竄擾”信號(hào)環(huán)境，可以看出，在同等系統(tǒng)靈敏度條件下，Mode 5“竄擾”信號(hào)密度為Mark XII Mode 4的一半，采用低詢問頻率可降低“竄擾”對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

（2）應(yīng)答機(jī)采用了更為復(fù)雜的應(yīng)答延遲技術(shù)

Mark XII Mode 4系統(tǒng)中，應(yīng)答機(jī)在接收到詢問信號(hào)后，應(yīng)答延遲時(shí)間為T＝（202＋4N）μs，其中202μs為接收到詢問信號(hào)最后一個(gè)同步脈沖的固定延遲時(shí)間，4Nμs為隨機(jī)延遲時(shí)間，N值由詢問信號(hào)決定，N的取值有0，1，2，3，…，15共16種情況。如圖1所示，3架距離很近的飛機(jī)，在接收到詢問信號(hào)后，各自發(fā)射應(yīng)答信號(hào)，由于收到的是同一詢問信號(hào)，它們的應(yīng)答延遲時(shí)間是相同的，這就造成詢問機(jī)接收的應(yīng)答信號(hào)相互疊加，產(chǎn)生“混擾”，使詢問機(jī)難以辨別目標(biāo)信號(hào)。

Mode 5系統(tǒng)中延遲時(shí)間為T＝（480＋8N）μs，其中固定延遲時(shí)間為480μs，8Nμs為隨機(jī)應(yīng)答延遲時(shí)間，N值由應(yīng)答信號(hào)8 bit隨機(jī)應(yīng)答延遲（Random Reply Delay，RRD）碼決定，即便是同一區(qū)域的多個(gè)應(yīng)答目標(biāo)，應(yīng)答信號(hào)不同，它們的應(yīng)答延遲時(shí)間也不相同，這樣就很好地解決了“混擾”對(duì)系統(tǒng)的影響。如圖1所示，3架距離很近的飛機(jī)，在接收到詢問信號(hào)后，各自發(fā)射的應(yīng)答信號(hào)應(yīng)答延遲時(shí)間不同，詢問機(jī)很容易區(qū)分3架飛機(jī)的識(shí)別信息。

2.4 抗欺騙式干擾能力強(qiáng)

Mark XII Mode 4詢問及應(yīng)答信號(hào)一旦被敵方截獲，由于采用的體制簡(jiǎn)單，容易產(chǎn)生欺騙式干擾。而Mode 5采取了多種方法來防止信號(hào)被“復(fù)制”。Mode 5采取了上面提到的應(yīng)答隨機(jī)延遲技術(shù)，在一定程度上降低了應(yīng)答信號(hào)被“復(fù)制”的可能性，同時(shí)Mode 5詢問及應(yīng)答信號(hào)還采用了同步脈沖間隔參差技術(shù)，大大增強(qiáng)了信號(hào)被“復(fù)制”難度，提高了其系統(tǒng)抗欺騙式干擾的能力，同步脈沖間隔參差數(shù)據(jù)由加密機(jī)提供。

3 Mark XIIA系統(tǒng)組成及工作原理

Mark XIIA系統(tǒng)可作為單獨(dú)的詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)裝備在作戰(zhàn)平臺(tái)上，同時(shí)也具有組合詢問／應(yīng)答的能力。圖2為組合詢問／應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)組成框圖，由天線單元、發(fā)射機(jī)／接收機(jī)單元、詢問／應(yīng)答信號(hào)處理單元和目標(biāo)顯示控制單元組成。

3.1 詢問／應(yīng)答工作流程

Mark XIIA組合詢問／應(yīng)答機(jī)具有詢問及應(yīng)答雙重功能，下面分別就詢問和應(yīng)答兩個(gè)方面對(duì)其工作流程作以闡述。

（1）詢問工作流程

詢問機(jī)按照相應(yīng)的模式，對(duì)需要識(shí)別的目標(biāo)發(fā)射頻率為1 030 MHz詢問信號(hào)，應(yīng)答機(jī)對(duì)詢問信號(hào)處理后發(fā)射頻率為1 090 MHz的應(yīng)答信號(hào)，詢問機(jī)接收應(yīng)答信號(hào)，并把信號(hào)分別送入兩個(gè)通道（和通道與差通道），每個(gè)通道對(duì)應(yīng)著一個(gè)接收機(jī)，最后把信號(hào)送入詢問機(jī)信號(hào)處理器進(jìn)行識(shí)別處理。在發(fā)射詢問信號(hào)過程中，詢問信號(hào)的發(fā)射是通過和（∑）波束通道和差（Δ）波束通道配合來實(shí)現(xiàn)的，其目的為了抑制旁瓣方向的應(yīng)答機(jī)對(duì)詢問信號(hào)的應(yīng)答；在接收應(yīng)答信號(hào)過程中，接收機(jī)通過對(duì)比兩個(gè)通道所接收信號(hào)的幅度決定是否產(chǎn)生抑制脈沖，來抑制對(duì)旁瓣應(yīng)答信號(hào)的處理。

（2）應(yīng)答工作流程

應(yīng)答機(jī)通過上（Top）、下（Bot）兩個(gè)天線來接收相應(yīng)模式的詢問信號(hào)。上、下兩個(gè)天線的設(shè)計(jì)使得應(yīng)答機(jī)做到近似球形的空域覆蓋，消除了機(jī)身對(duì)信號(hào)的遮擋。上、下天線分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)相同的接收機(jī)，通過對(duì)比兩個(gè)接收機(jī)收到詢問信號(hào)的幅度來判斷詢問信號(hào)大致方位。詢問信號(hào)送入應(yīng)答機(jī)信號(hào)處理器處理后，選擇相應(yīng)的強(qiáng)詢問信號(hào)天線，發(fā)射頻率為1 090 MHz的應(yīng)答信號(hào)。

3.2 接收機(jī)工作原理

Mark XIIA系統(tǒng)可兼容Mark X、Mark XII等敵我識(shí)別系統(tǒng)，它具有處理Mode 1、Mode 2、Mode 3／A、Mode C、Mode 4和Mode 5模式的能力，同時(shí)可升級(jí)至對(duì)民用識(shí)別系統(tǒng)Mode S的識(shí)別處理。因此，Mark

XIIA系統(tǒng)接收機(jī)具有接收不同模式及處理不同模式信號(hào)的能力。圖3為Mark XIIA組合詢問／應(yīng)答機(jī)接收機(jī)工作原理框圖。

詢問／應(yīng)答接收機(jī)通過天線收到頻率為1 030／1 090 MHz的詢問信號(hào)后，首先經(jīng)過帶寬為20 MHz

的帶通濾波器1，通過混頻器把信號(hào)頻率降為60 MHz的中頻信號(hào)。中頻信號(hào)的處理采用雙通道體制［4］，分別為窄帶通道和寬帶通道。窄帶與寬帶通道的運(yùn)用使得系統(tǒng)具有同時(shí)處理所有模式信號(hào)的能力。窄帶通道中，帶通濾波器2的帶寬為7.5 MHz，用來處理調(diào)制方式為PAM的Mode 1、2、3／A、4的信號(hào)和調(diào)制方式為DPSK／PPM的Mode S信號(hào)；寬帶通道中，帶通濾波器3的帶寬為18 MHz，用來處理信號(hào)調(diào)制方式為MSK的Mode 5信號(hào)。

4 Mark XIIA Mode 5信號(hào)消息格式及信號(hào)處理流程

Mode 5有Level 1、Level 2、Level 3和Level 4 4級(jí)工作模式，其中Level 3和Level 4的具體技術(shù)規(guī)范還沒有完全定義［4］。

4.1 Mode 5詢問／應(yīng)答信號(hào)格式

（1）詢問信號(hào)格式

圖4［5］給出了Mode 5的詢問信號(hào)格式。詢問信號(hào)格式由4個(gè)同步脈沖（P1、P2、P3、P4）、2個(gè)旁瓣抑制脈沖（L1、L2）和11個(gè)數(shù)據(jù)脈沖（D1～D11）組成，脈沖寬度為1μs，4個(gè)同步脈沖間隔可變，變化量分別為S1、S2、S3，由加密機(jī)提供的8 bit stagger數(shù)據(jù)決定。脈沖信號(hào)調(diào)制方式為MSK，調(diào)制碼速率為16 Mbit／s。

（2）Level 1應(yīng)答信號(hào)格式

圖5［5］給出了Mode 5 Level 1應(yīng)答信號(hào)格式。Level 1應(yīng)答信號(hào)由2個(gè)同步脈沖（P1、P2）和一個(gè)數(shù)據(jù)長脈沖（9個(gè)字符組成：D1～D9）組成。同步脈沖寬度為1μs，長脈沖的持續(xù)時(shí)間為9μs。P1和P2脈沖間隔變量為S1，有16種情況：0～1.875μs，增量為0.125μs。同步脈沖及數(shù)據(jù)長脈沖采用MSK調(diào)制，調(diào)制碼速率為16 Mbit／s。

（3）Level 2應(yīng)答信號(hào)格式

圖6［5］給出了Mode 5 Level 2應(yīng)答信號(hào)格式。Level 2應(yīng)答信號(hào)由4個(gè)同步脈沖（P1、P2、P3、P4）和一個(gè)數(shù)據(jù)長脈沖（33個(gè)字符組成：D1～D33）組成。同步脈沖寬度為1μs，數(shù)據(jù)長脈沖的持續(xù)時(shí)間為33μs。同步脈沖間隔可變，變化量分別為S1、S2、S3，由加密機(jī)提供的8 bit stagger數(shù)據(jù)決定。同步脈沖及數(shù)據(jù)長脈沖采用MSK調(diào)制，調(diào)制碼速率為16 Mbit／s。

4.2 Mode 5消息格式

Mode 5提供了32種Level 1和Leve 2消息格式，每一種詢問消息格式對(duì)應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)答消息格式，應(yīng)答格式由詢問信號(hào)的5 bit消息格式碼決定。除有傳統(tǒng)的識(shí)別（ID）格式外增加了SHORAD和Lethal功能，SHORAD用于近距防空系統(tǒng)中，Lethal為帶有命令攻擊意圖的殺傷性詢問信息的消息格式。

根據(jù)詢問信號(hào)的請(qǐng)求，Level 1應(yīng)答分為兩種情況，一種是ID（識(shí)別）應(yīng)答，另一種是Data（數(shù)據(jù)）應(yīng)答。ID應(yīng)答碼包含兩個(gè)8 bit RRD碼和兩個(gè)10 bit隨機(jī)碼，Data應(yīng)答碼包含8 bit RRD碼和28 bit數(shù)據(jù)碼。Data應(yīng)答根據(jù)28 bit數(shù)據(jù)的不同，區(qū)分為Mode 1／2數(shù)據(jù)應(yīng)答、Mode 3／C數(shù)據(jù)應(yīng)答、PIN數(shù)據(jù)應(yīng)答3種情況。

Level 2應(yīng)答報(bào)告?zhèn)鬏?32 bit數(shù)據(jù)，包含77 bit戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)碼、27 bit安全碼、24 bit糾錯(cuò)碼和4 bit格式碼。其中4 bit格式碼把Level 2的報(bào)告內(nèi)容區(qū)分為5種情況：ID PIN（0000）、Data M1／M2（0001）、Data M3／Altitude（0010）、Lethal PIN（0011）和Data High-Res PIN（0100），當(dāng)Mode 5應(yīng)答機(jī)工作在Level 2的“Squittered”狀態(tài)下，空中／艦船平臺(tái)“無呼叫應(yīng)答”使用0100格式，地面平臺(tái)“無呼叫應(yīng)答”使用0011格式。

4.3 Mode 5信號(hào)處理流程

Mode 5是Mark XIIA的重要組成部分，Mode 5詢問及應(yīng)答信號(hào)的處理采用了許多現(xiàn)代新技術(shù)，如RS編碼、軟擴(kuò)頻、MSK調(diào)制等，這些新技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)具有更高的安全性和更強(qiáng)的抗干擾性能。Mode 5詢問／應(yīng)答信號(hào)處理流程如圖7所示。

Mode 5采用了RS（11，9）糾錯(cuò)編碼技術(shù)。RS碼是一類具有很強(qiáng)糾錯(cuò)能力的多進(jìn)制BCH碼，在線性分組碼中它的糾錯(cuò)能力和編碼效率是最高的，特別適用于存在突發(fā)錯(cuò)誤的信道。在擴(kuò)頻方面，Mode 5采用的是基于WALSH碼的軟擴(kuò)頻技術(shù)。WALSH碼具有很好的同步互相關(guān)性，可有效防止多址干擾，并為系統(tǒng)的選址詢問提供了可能。同時(shí)，軟擴(kuò)頻技術(shù)特別適合于像Mode 5這樣的傳輸數(shù)據(jù)速率很高和頻帶受限的系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)在TDMA、CDMA、JTIDS等系統(tǒng)中也得到了很廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)射頻調(diào)制方式為MSK調(diào)制。MSK調(diào)制是一種恒定包絡(luò)、相位連續(xù)的頻移鍵控調(diào)制方式。與ASK、PSK、QPSK等其它數(shù)字調(diào)制方式相比，MSK調(diào)制具有帶寬窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快、頻帶利用率高等優(yōu)點(diǎn)，這樣就減少了對(duì)相鄰JTIDS系統(tǒng)的干擾。

5 結(jié)束語

Mark XIIA Mode 5敵我識(shí)別系統(tǒng)采用了許多新技術(shù)，不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾性能，同時(shí)拓展了系統(tǒng)的功能。本文通過對(duì)其系統(tǒng)工作原理和信號(hào)格式處理流程的分析，剖析了該型敵我識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)涵。由于掌握資料有限，僅對(duì)Level 1和Level 2進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，Level 3和Level 4只在功能上作了簡(jiǎn)要的介紹。

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QIU Hong-kun was born in Linyi，Shandong Province，in 1987.He is now a graduate student of the Aviation University of Air Force.His research direction is electronic countermeasure.

Email：qhongkun＠163.com

楊建波（1962－），男，吉林九臺(tái)人，博士，副教授，主要從事通信對(duì)抗方面的研究；

YANG Jian-bo was born in Jiutai，Jilin Province，in 1962.He is now an associate professor with the Ph.D.degree.His research direction is communication countermeasure.

毛虎（1987－），男，陜西咸陽人，空軍航空大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

MAO Hu was born in Xianyang，Shaanxi Province，in 1987.He is now a graduate student of the Aviation University of Air Force.His research direction is electronic countermeasure.

Mark XIIA IFF System and its Signal Message formats

QIU Hong-kun，YANG Jian-bo，MAO Hu
（Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

Mark XIIA is a new type IFF（Identification Foe or Friend）system developed by US and NATO armies，and Mode 5 IFF is the most important part of the system.Firstly，the functions of the system is analysed.It is shown that Mode 5 has not only the ability of IFF，but also the ability of Battlefield Situation Awareness（BSA），address-selecting inquiry and data transmission.Secondly，the operating principle and block diagram of the system are given.Finally，the signal formats are provided and the anti-jamming ability of Mark XIIA Mode 5 is analysed.

identification foe or friend（IFF）；Mark XIIA；Mode 5；signal format；message format

TN958.96

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.004

邱宏坤（1987－），男，山東臨沂人，空軍航空大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗；

1001－893X（2010）06－0016－05

2010－01－28；

2010－04－23