空管二次雷達(dá)S模式詢問機(jī)目標(biāo)捕獲與監(jiān)視實(shí)現(xiàn)方案*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

空管二次監(jiān)視雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar,SSR)是空中交通管制系統(tǒng)(ATC)的重要組成部分，是監(jiān)視飛機(jī)飛行航跡和狀態(tài)的一種地面?zhèn)鞲衅?。二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)來源于西方體制敵我識別系統(tǒng)，20世紀(jì)50年代Mark X敵我識別器解密后，其技術(shù)推廣應(yīng)用于民用領(lǐng)域，形成了最初的二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是采用了問-答式的協(xié)同識別方式。

傳統(tǒng)的二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)采用A/C工作模式，分別用于監(jiān)視飛機(jī)的編號和高度，初期的系統(tǒng)存在大量的竄擾、混擾、旁瓣干擾。20世紀(jì)60年代以后，隨著單脈沖體制、詢問旁瓣抑制、接收旁瓣抑制等技術(shù)的引入，二次雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部存在的竄擾、混擾、旁瓣干擾等固有干擾造成的不利影響在一定程度上得到緩解，使得該系統(tǒng)在世界各地的空中交通管制體系中迅速普及和廣泛使用[1]。然而隨著空中交通密度的增大，尤其是在歐洲和北美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，A/C模式的遺留問題——竄擾和混擾再一次引起了人們的關(guān)注，從而提出了一種新的SSR工作模式，被美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administrator，F(xiàn)AA)命名為S模式[2-5]，并在國際民航組織規(guī)范附件10(ICAO ANNEX10)中進(jìn)行了規(guī)定。S模式顯著的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是通過選址詢問減少了系統(tǒng)內(nèi)部干擾，二是同時(shí)具備了監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈通信能力。

盡管ICAO ANNEX10中規(guī)定出了S模式詢問和應(yīng)答信號的具體格式以及數(shù)據(jù)項(xiàng)的具體含義，但是在實(shí)際S模式詢問機(jī)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者還是需要根據(jù)實(shí)際情況對系統(tǒng)的工作流程作出完善和高效的編排，才能夠保證該系統(tǒng)能夠正常投入使用。例如，目前A/C模式和S模式還處于共存階段，如何讓S模式詢問機(jī)能夠同時(shí)對A/C模式目標(biāo)和S模式目標(biāo)保持監(jiān)視；又例如，S模式選址詢問之前，需如何將目標(biāo)捕獲和鎖定；再例如，當(dāng)多個(gè)S模式目標(biāo)位于詢問天線的同一波束內(nèi)時(shí)，如何編排選址詢問時(shí)序以保證對多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)監(jiān)視等具體技術(shù)問題都需要解決。本文將從實(shí)際工程設(shè)計(jì)出發(fā)，對上述幾個(gè)問題進(jìn)行探討，并提出具體的解決方案。該方案已成功應(yīng)用于一種新研制的S模式二次雷達(dá)詢問機(jī)，工作于1、2、3/A、C以及S模式，可脫離一次雷達(dá)獨(dú)立跟蹤監(jiān)視全空域A/C及S模式目標(biāo)。

2 A/C與S組合模式規(guī)劃

首先我們分析一下A/C模式和S模式詢問和應(yīng)答的基本信號格式和時(shí)序，然后再進(jìn)行詢問流程的組合設(shè)計(jì)。A/C模式信號格式見圖1，S模式信號格式見圖2。其中A/C模式的應(yīng)答延時(shí)為3 μs固定延時(shí)，加上信號的空間傳輸延時(shí)t；S模式的應(yīng)答延時(shí)為128 μs固定延時(shí)，加上信號的空間傳輸延時(shí)t。

圖1 A/C模式詢問及應(yīng)答信號格式

圖2 S模式詢問和應(yīng)答信號格式

我們對詢問機(jī)的工作方式進(jìn)行分析后認(rèn)為，要讓S模式詢問機(jī)實(shí)現(xiàn)對A/C模式和S模式目標(biāo)的同時(shí)監(jiān)視，必須讓詢問機(jī)既發(fā)出A/C模式詢問，又發(fā)出S模式詢問，然后既接收A/C模式應(yīng)答又接收S模式應(yīng)答，分別進(jìn)行處理。

為分析方便，假設(shè)詢問機(jī)參數(shù)如下：作用距離為450 km，詢問天線波束寬度為3°，詢問天線掃描速度為10轉(zhuǎn)/分，詢問重復(fù)頻率為100 Hz。基于以上參數(shù)計(jì)算，目標(biāo)駐留波束的時(shí)間為Tb=3/[(360×10)/(60×1000)]=50 ms，一個(gè)駐留波束內(nèi)詢問次數(shù)為N=Tb/10=5次。

首先我們可以設(shè)計(jì)一種簡單直觀的A/C和S模式交替詢問方式，將駐留波束內(nèi)的5次詢問按照第1次為A/C詢問，然后進(jìn)行A/C應(yīng)答解碼，第2次為S詢問，然后進(jìn)行S模式應(yīng)答解碼，第3次為A/C詢問，然后進(jìn)行A/C應(yīng)答解碼，如此反復(fù)，如圖3所示。那么在一個(gè)駐留波束內(nèi)，只能夠進(jìn)行2～3次的A/C模式詢問和2～3次的S模式詢問。然而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要對A/C模式目標(biāo)進(jìn)行可靠的監(jiān)測，需一個(gè)駐留波束至少進(jìn)行4～5次A/C模式詢問才能進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚處理，S模式也至少需要4次詢問來完成多目標(biāo)監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈傳輸流程。因此這種詢問時(shí)序的效率不足，不能滿足系統(tǒng)性能的要求。另外，A/C模式全呼叫進(jìn)行監(jiān)視詢問時(shí)，S模式應(yīng)答機(jī)既可以回答S模式詢問又能回答A/C模式詢問，因此可能被誤認(rèn)為是兩架飛機(jī)。

圖3 A/C和S模式簡單交替詢問工作時(shí)序圖

為解決上述問題，更好的辦法是設(shè)計(jì)出A/C和S全呼詢問組合的方式，既可以提高時(shí)間使用效率，同時(shí)在監(jiān)視A/C或S目標(biāo)時(shí)， S模式與A/C模式應(yīng)答機(jī)最多只能回答其中的一個(gè)詢問信號，這樣可以避免詢問器在目標(biāo)監(jiān)視時(shí)將同一架飛機(jī)當(dāng)作兩架飛機(jī)。

通過對圖1和圖2中A/C及S模式工作時(shí)序進(jìn)行分析后，我們采用同時(shí)監(jiān)視S模式目標(biāo)與A/C模式目標(biāo)全呼叫詢問波形，如圖4所示。它是兩種全呼叫詢問的組合波形，其中A/C模式全呼模式按ICAO附件10的規(guī)定增加了一個(gè)標(biāo)志脈沖(脈寬0.8代表僅A/C模式全呼叫，S模式應(yīng)答機(jī)不會應(yīng)答)。該方案可以共享詢問之后設(shè)置的收聽時(shí)間窗，提高時(shí)間利用率，兩種全呼叫詢問信號之間的時(shí)間間距。這樣設(shè)計(jì)還可以確保詢問機(jī)能同時(shí)收到來自等距離的A/C模式應(yīng)答機(jī)或S模式應(yīng)答機(jī)的回答信號以方便測距。

圖4中為了確保A/C模式應(yīng)答機(jī)在接收A/C模式全呼叫詢問信號之前有足夠時(shí)間從S模式同步頭中P1～P2產(chǎn)生的旁瓣抑制狀態(tài)恢復(fù)過來，兩個(gè)詢問信號之間的時(shí)間間距至少要45 μs，圖中給出的時(shí)間間距是接收零距離S模式全呼叫應(yīng)答信號不受干擾的最大時(shí)間間距。

當(dāng)A/C模式應(yīng)答機(jī)收到該組合詢問時(shí)，由于它只具有辨別A/C詢問的能力，所以只會對其中的A/C詢問進(jìn)行響應(yīng)，而當(dāng)S模式應(yīng)答機(jī)收到該組合詢問時(shí),可以通過辨別A/C全呼中的標(biāo)志脈沖(脈寬1.6 μs代表S模式)，選擇只響應(yīng)S模式詢問而忽略A/C模式詢問，從而避免雙模式應(yīng)答。

圖4 組合方式實(shí)現(xiàn)A/C和S模式同時(shí)工作的時(shí)序圖

3 S模式目標(biāo)捕獲

S模式與傳統(tǒng)A/C模式最顯著的區(qū)別之一就是可以實(shí)現(xiàn)對指定目標(biāo)的選址詢問，即只有被指定的目標(biāo)才響應(yīng)選址詢問，其它目標(biāo)即使收到這個(gè)詢問也不會產(chǎn)生應(yīng)答信號。要對監(jiān)視范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行選址詢問，前提條件就是將范圍內(nèi)的S模式目標(biāo)都進(jìn)行捕獲。獲得這些目標(biāo)的S模式地址、距離、方位等數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行鎖定設(shè)置，使該目標(biāo)以后不會繼續(xù)響應(yīng)本詢問機(jī)的全呼叫詢問，而只響應(yīng)本詢問機(jī)的選址詢問，以便減少全呼叫“同步混擾”。這一獲取目標(biāo)信息特征并將其鎖定的過程我們稱為S模式目標(biāo)的捕獲。

這種閉鎖條件由S模式地面站通過選址詢問進(jìn)行控制。不管什么原因，飛機(jī)只要在大約18 s周期(對應(yīng)于3～4個(gè)天線掃描周期)內(nèi)沒有接收包含閉鎖命令的選址詢問，則現(xiàn)存的任何閉鎖狀態(tài)將失效，以便地面站可以使用正常的S模式捕獲方式對該飛機(jī)進(jìn)行重新捕獲。

實(shí)際系統(tǒng)中S模式全呼詢問和選址詢問是共存的，對于新出現(xiàn)在空域中的目標(biāo)我們通過全呼詢問進(jìn)行捕獲，對于已經(jīng)捕獲的目標(biāo)我們通過選址詢問來保持對其持續(xù)地監(jiān)視。在具體實(shí)現(xiàn)方式上，我們采取了全呼叫詢問(包括A/C模式全呼叫和S模式全呼叫)周期與S模式選址詢問周期交替進(jìn)行的方式，如當(dāng)前波束內(nèi)沒有確定的S模式目標(biāo)，就僅進(jìn)行全呼叫詢問，否則就進(jìn)行全呼詢問與選址詢問相結(jié)合的交替詢問，如圖5所示。

圖5 全呼詢問與S模式選址詢問時(shí)間分配

詢問機(jī)啟動后剛開始工作時(shí)，僅進(jìn)行全呼叫詢問(格式為UF11)，S模式應(yīng)答機(jī)的全呼回答信號被詢問機(jī)解碼后送至航跡處理器進(jìn)行處理，幾個(gè)掃描周期后航跡處理器建立好該目標(biāo)的航跡，將下一周期目標(biāo)的預(yù)估位置送回，詢問機(jī)在隨后的詢問中對該目標(biāo)采用帶鎖定的選址詢問(格式為UF5或UF4)將其鎖定，完成捕獲工作。

捕獲模式的選擇上，ICAO ANNEX10中規(guī)定的有多站捕獲模式、鎖定忽略模式、非選擇性模式等，但根據(jù)歐洲航空管制的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，推薦使用多站捕獲模式，因此我們在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)和使用的是帶自適應(yīng)應(yīng)答概率的多站捕獲模式。

自適應(yīng)的多站捕獲模式具體步驟如下：

(1)剛啟動航管詢問機(jī)時(shí)，由于所有的目標(biāo)都未捕獲，在全呼叫詢問周期的S模式全呼詢問(UF11)中，指定應(yīng)答機(jī)采用較低的應(yīng)答概率(應(yīng)答概率PR可在詢問機(jī)的本地控制監(jiān)視器上設(shè)置)，詢問格式如表1所示。

表1 S模式全呼叫詢問(UF11)數(shù)據(jù)格式Tab.1 Mode S all-call interrogation(UF11) dada format

全呼詢問時(shí)地址為24個(gè)1，地址/校驗(yàn)碼按照ICAO ANNEX10中規(guī)定的算法得到。應(yīng)答概率的范圍最高為1，最低為1/16。

(2)S模式應(yīng)答機(jī)在接收到UF11全呼詢問后，按DF11應(yīng)答格式進(jìn)行全呼應(yīng)答。詢問機(jī)通過信號處理得到應(yīng)答機(jī)通信能力碼、地址碼、目標(biāo)距離、目標(biāo)方位等信息，若因混擾等因數(shù)造成解碼失敗，將得到解碼失敗標(biāo)志信息，并將信息傳送到航跡處理器。若一個(gè)波束周期內(nèi)同一目標(biāo)應(yīng)答了多次，詢問機(jī)還應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚，僅送出一次該目標(biāo)數(shù)據(jù)。

DF11應(yīng)答信號格式如表2所示。

表2 S模式全呼叫應(yīng)答(DF11)數(shù)據(jù)格式Tab.2 Mode S all-call reply(DF11) data format

(3)航跡處理器在數(shù)個(gè)掃描周期后建立好確認(rèn)的航跡，預(yù)推下一天線掃描周期目標(biāo)的位置，并提前將該目標(biāo)的地址和預(yù)計(jì)位置傳送詢問機(jī)。

(4)詢問機(jī)按照目標(biāo)的地址和方位，在該目標(biāo)進(jìn)入波束后啟動UF5代碼監(jiān)視選址詢問報(bào)文，并使用閉鎖參數(shù)鎖定目標(biāo)，使其不再響應(yīng)本詢問機(jī)的全呼詢問。

UF5詢問格式如表3所示。

表3 S模式代碼監(jiān)視選址詢問(UF5)數(shù)據(jù)格式

(5)初始掃描開始后，每經(jīng)過10個(gè)天線掃描周期，且前一周期未出現(xiàn)全呼解碼失敗，將PR應(yīng)答率提高1倍，直到應(yīng)答率達(dá)到100%。在此后的掃描過程中，若詢問機(jī)發(fā)現(xiàn)了解碼失敗標(biāo)志，且連續(xù)3次全呼詢問此標(biāo)志不消除，即可認(rèn)為該方位出現(xiàn)了混擾現(xiàn)象，記錄下當(dāng)前的天線指向角度和扇區(qū)號，當(dāng)下一掃描到達(dá)該扇區(qū)及其相鄰的左右扇區(qū)時(shí)，將當(dāng)前的PR應(yīng)答概率降低1倍。若全呼解碼仍然不成功，下一掃描周期該方位繼續(xù)降低PR應(yīng)答率，直到無混擾現(xiàn)象出現(xiàn)?；鞌_消除后，下一掃描周期將該方位PR率提高1倍，直到恢復(fù)到與其它扇區(qū)相同的正常值。這就是自適應(yīng)PR率的調(diào)節(jié)過程。

采用這種自適應(yīng)隨機(jī)多站捕獲技術(shù)后，對于混擾區(qū)域的目標(biāo)的捕獲效率大大提高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，混擾區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)數(shù)和將其中某個(gè)特定目標(biāo)捕獲所需的天線掃描周期數(shù)如表4所示。

表4 混擾區(qū)域目標(biāo)捕獲情況統(tǒng)計(jì)表

4 S模式選址詢問方案

選址詢問所需的待詢問目標(biāo)信息來源于航跡處理器和地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)，航跡處理器送出目標(biāo)的預(yù)估方位和距離，GDLP送出針對某目標(biāo)的數(shù)據(jù)鏈需求，這兩種來源的信息在S模式詢問機(jī)中匯總，針對每一目標(biāo)形成一個(gè)數(shù)據(jù)和信息的集合，并進(jìn)行選址詢問的時(shí)序編排，我們設(shè)計(jì)的選址詢問方案如下所述。

在詢問機(jī)中，有兩張目標(biāo)列表在使用和刷新，其中一張表是尚未處理的目標(biāo)全列表(簡稱全列表)，另一張表是當(dāng)前波束內(nèi)的未處理目標(biāo)列表(簡稱波束列表)。在每一輪選址詢問后，這兩張表都將根據(jù)詢問的結(jié)果和收到的新目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，已得到預(yù)期結(jié)果的目標(biāo)將從表中刪除，未處理完的目標(biāo)繼續(xù)保留在表中，新目標(biāo)也將添加進(jìn)入表中。

航跡處理器或GDLP送來的新目標(biāo)首先將進(jìn)入全列表，詢問機(jī)將把全列表按照目標(biāo)方位先后順序進(jìn)行排序，即先將進(jìn)入詢問波束的目標(biāo)排在表頭，后進(jìn)入詢問波束的目標(biāo)排在表尾。每輪選址詢問結(jié)束后，首先把事務(wù)處理完畢的目標(biāo)從全列表和波束列表中刪除，讀取新的目標(biāo)和事務(wù)來更新全列表，然后讀取當(dāng)前天線的指向角度，判斷全列表中是否有目標(biāo)可進(jìn)入波束列表，并把波束列表中的目標(biāo)按照距離遠(yuǎn)近的順序進(jìn)行詢問順序編排，在下一輪選址時(shí)即可按照此編排好的時(shí)序啟動詢問。

波束列表中的時(shí)序編排方法如下：首先，波束列表中距離最遠(yuǎn)的目標(biāo)1，它的詢問啟動時(shí)刻為ti1，根據(jù)目標(biāo)的距離可計(jì)算出應(yīng)答到達(dá)的時(shí)間tr1，把tr1加上目標(biāo)1應(yīng)答格式的時(shí)間長度以及1個(gè)保護(hù)時(shí)間間隔，可確定目標(biāo)2應(yīng)答的到達(dá)時(shí)間tr2，根據(jù)目標(biāo)的距離可反推出其詢問啟動時(shí)刻ti2，以此類推，可逐步計(jì)算出第n個(gè)目標(biāo)的詢問啟動時(shí)刻tin和應(yīng)答到達(dá)時(shí)刻trn，最后一個(gè)目標(biāo)的詢問啟動時(shí)間tin加上詢問格式的長度應(yīng)保證處于第一個(gè)目標(biāo)應(yīng)答到達(dá)時(shí)間tr1之前，否則就應(yīng)把目標(biāo)n的詢問啟動時(shí)間編排在已經(jīng)編排的所有目標(biāo)的應(yīng)答到達(dá)時(shí)間之后。

編排時(shí)序應(yīng)該注意到以下幾點(diǎn)：

(1)由于全呼詢問頻率是固定的，兩個(gè)全呼詢問之間用于選址詢問的這段時(shí)間也是有限的，所以選址詢問的編排不能無限長，如一輪詢問不能選址到波束中的所有目標(biāo)，可將剩余的目標(biāo)在下一輪選址詢問中編排；

(2)由于在每一輪選址詢問結(jié)束后詢問機(jī)還需進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和傳輸工作，例如讀取應(yīng)答結(jié)果，進(jìn)行全列表和波束列表的刷新，編排下一輪選址時(shí)序等，這些工作必須在下輪全呼詢問開始前完成，處理時(shí)間將非常緊張。因此，我們在每一輪選址詢問的最后保留了1段固定的處理時(shí)間T，也就是說，每輪選址詢問的最后一個(gè)目標(biāo)的應(yīng)答到達(dá)時(shí)間trn不能夠占用該段保留處理時(shí)間。1個(gè)選址詢問的時(shí)序編排例子見圖6。

圖6 S模式選址詢問時(shí)序安排示例

5 結(jié)束語

本文提出了一種空管二次雷達(dá)S模式詢問機(jī)捕獲和監(jiān)視空中S模式目標(biāo)的工程實(shí)現(xiàn)方案，并在新研制的S模式二次雷達(dá)詢問機(jī)中得到應(yīng)用。區(qū)別于以往國內(nèi)在空管S模式詢問機(jī)方面綜述性和理論性的研究，本方案把國際民航組織的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際系統(tǒng)設(shè)備的工程設(shè)計(jì)完整地結(jié)合在一起，并且經(jīng)過對設(shè)備工作方式的仔細(xì)研究，巧妙地解決了S模式詢問機(jī)實(shí)際工作過程中面臨的一些關(guān)鍵問題。

S模式設(shè)備和技術(shù)在空管二次雷達(dá)、空中防撞系統(tǒng)以及西方體制敵我識別等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，目前歐洲很多國家已經(jīng)全面啟用了S模式空管系統(tǒng)，我國正在逐步推進(jìn)S模式的應(yīng)用工作，其系統(tǒng)和設(shè)備具有相當(dāng)廣闊的前景和市場。該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步研究的重點(diǎn)主要是S模式數(shù)據(jù)鏈的實(shí)際應(yīng)用以及相關(guān)的外圍設(shè)備和技術(shù)。

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