民用飛機(jī)TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)激勵(lì)器設(shè)計(jì)

徐揚(yáng)

摘要：依據(jù)機(jī)載TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)集成驗(yàn)證的要求，需要在試驗(yàn)室激勵(lì)TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)，減少TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)試飛試驗(yàn)的次數(shù)。本文對(duì)民用航空TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行了分析，得到了TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)激勵(lì)方法，完成了TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，用以滿足機(jī)載TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)室試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：TCAS；S模式應(yīng)答機(jī)；機(jī)載；激勵(lì)器；

中圖分類號(hào)：V22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

Abstract：According to the test needs of TCAS and Mode S transponder system， the TCAS and Mode S transponder system shall be stimulated in lab to decrease the flight test of TCAS and Mode S transponder system. This paper analyses the TCAS and Mode S transponder system signal， gets the TCAS and Mode S transponder system stimulator method， and designs the TCAS and Mode S transponder system stimulator， which will be used in airborneTCAS and Mode S transponder system test on the lab.

Keyword： Traffic Alert and Collision Avoidance System； Mode S transponder； Airborne；Stimulator

1. 引言

為了提高飛行過程中的安全，民用飛機(jī)普遍安裝了TCAS和S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)，TCAS和S模式應(yīng)答機(jī)聯(lián)合工作， 在本機(jī)與其他飛機(jī)之間存在潛在碰撞沖突時(shí)， 提供交通提示和告警，有效提高飛行安全程度。TCAS是一種空中交通警戒與防撞系統(tǒng)。目前世界范圍內(nèi)使用的TCAS系統(tǒng)大多屬十TCASII系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過詢問本機(jī)周圍飛機(jī)的ATC應(yīng)答機(jī)，運(yùn)用自身計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識(shí)別和顯示潛在的碰撞威脅。TCAS II能夠?yàn)轱w行員提供語音和視覺告警，提醒飛行員潛在的威脅以及如何應(yīng)對(duì)可能的沖突[1]。應(yīng)答機(jī)的作用是接收和識(shí)別他機(jī)TCAS或者二次雷達(dá)地面站的詢問，在滿足適航規(guī)范的條件下，作出相應(yīng)的應(yīng)答。S模式是西方國家研制出的一種新的空中交通管理模式，可以解決A/C模式二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）存在的目標(biāo)分辨力差、串?dāng)_、混擾等問題。S模式系統(tǒng)是一個(gè)A/C模式二次監(jiān)視雷達(dá)和數(shù)據(jù)鏈的組合系統(tǒng)，可以提供比當(dāng)前的二次監(jiān)視雷達(dá)更強(qiáng)的監(jiān)視能力、更高的精度和更高的可靠性[2]。機(jī)載TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)的集成和測(cè)試具有其技術(shù)特殊性，其主要特點(diǎn)為系統(tǒng)嚴(yán)重依賴地面、空中和高空設(shè)備配合，只能通過飛行驗(yàn)證的方式才能較好地利用這些資源，但是其缺點(diǎn)是系統(tǒng)測(cè)試嚴(yán)重依賴試飛，因此，將那些分布在地面、空中和高空的設(shè)備“搬移”到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并能根據(jù)需要隨意控制其參數(shù)和模式，以實(shí)現(xiàn)TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下的“飛行”驗(yàn)證，具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

本文研究了適合實(shí)驗(yàn)室條件的TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)技術(shù)，完成了TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)激勵(lì)器設(shè)計(jì)，用以滿足機(jī)載TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)的試驗(yàn)室試驗(yàn)。

2. S模式應(yīng)答機(jī)激勵(lì)技術(shù)

2.1 空中交通管制（ATC）系統(tǒng)功能及原理

空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)（ATCRBS）是實(shí)現(xiàn)ATC的主要手段，是保證空中交通安全的主要系統(tǒng)。空中交通管制應(yīng)答機(jī)是ATCRBS的機(jī)載設(shè)備，它需要與地面的二次雷達(dá)配合工作，通過它可以向地面管制中心報(bào)告飛機(jī)的識(shí)別代碼、飛機(jī)的氣壓高度等。機(jī)載應(yīng)答機(jī)分為A/C模式應(yīng)答機(jī)和S模式應(yīng)答機(jī)，A/C模式應(yīng)答機(jī)與地面的ATCRBS配合工作，S模式應(yīng)答機(jī)與地面的離散尋址信標(biāo)系統(tǒng)配合工作。二次雷達(dá)工作過程是：由地面詢問雷達(dá)發(fā)射一定模式的詢問信號(hào)，機(jī)載應(yīng)答機(jī)收到這個(gè)模式的詢問信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)處理、譯碼，然后由應(yīng)答機(jī)發(fā)回編碼的回答信號(hào)。地面雷達(dá)收到這個(gè)回答信號(hào)，從中解出飛機(jī)代號(hào)、高度、方位和距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的跟蹤、監(jiān)控和指揮。

2.2 S模式應(yīng)答機(jī)激勵(lì)方法

S模式應(yīng)答機(jī)的激勵(lì)需要仿真機(jī)載ATC天線接收到的地面二次雷達(dá)的詢問信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的脈沖編碼格式、編碼方式和信號(hào)頻率等參數(shù)與ATC地面二次雷達(dá)發(fā)射的詢問信號(hào)是完全一致的，僅有的區(qū)別是射頻信號(hào)功率，激勵(lì)信號(hào)功率只需在機(jī)載S模式應(yīng)答機(jī)的接收靈敏度范圍內(nèi)即可。

圖1所示是S模式應(yīng)答機(jī)激勵(lì)器功能框圖，信號(hào)處理器接收激勵(lì)控制送來的激勵(lì)命令和參數(shù)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生成A/C模式、S模式或TCASII的詢問脈沖序列，對(duì)頻率源產(chǎn)生的1030MHz的載波信號(hào)進(jìn)行ASK調(diào)制，經(jīng)功率放大后輸出射頻詢問信號(hào)。

3. TCAS激勵(lì)技術(shù)

3.1 TCAS系統(tǒng)工作原理簡述

TCAS是通過“收聽-詢問-應(yīng)答”方式獲取監(jiān)視空域中其它飛機(jī)的信息的。在管制空域中，不論是裝備A、C模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，還是裝備S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，總是在不斷地和地面二次雷達(dá)通過詢問-應(yīng)答方式向ATC中心提供各自的識(shí)別碼、高度信息或S模式的24位地址碼。即使在無地面雷達(dá)詢問的情況下，裝備S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)也會(huì)斷續(xù)地發(fā)射（即間歇信標(biāo)），以告知其他飛機(jī)本機(jī)的存在。本機(jī)TCAS接收機(jī)的工作頻率為1090MHz，所以可以收聽到這些飛機(jī)的應(yīng)答信號(hào)或斷續(xù)發(fā)射信號(hào)，從而感知周圍空域中其它飛機(jī)的存在，并記下其地址碼。

此后，TCAS通過自己的TCAS發(fā)射機(jī)發(fā)射1030MHz的詢問信號(hào)，詢問裝備A、C模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)。C模式應(yīng)答機(jī)所應(yīng)答的是其高度信息。TCAS計(jì)算機(jī)在獲得這些飛機(jī)的高度以及航向等信息后，可進(jìn)而計(jì)算所需的其它數(shù)據(jù)。在完成對(duì)裝備模式A、C應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)的詢問后，TCAS計(jì)算機(jī)即根據(jù)所獲得的24位地址碼，分別詢問裝備S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，以獲得所需的信息。TCAS的“收聽-詢問-應(yīng)答”過程是不斷進(jìn)行的，其更新期約為1秒。

在本機(jī)的TCAS詢問對(duì)方的同時(shí)，本機(jī)的應(yīng)答機(jī)也會(huì)對(duì)其它飛機(jī)的詢問作出應(yīng)答。與此同時(shí)，本機(jī)的應(yīng)答機(jī)保持對(duì)地面二次雷達(dá)的應(yīng)答。TCAS設(shè)備通過測(cè)定發(fā)出詢問信號(hào)時(shí)刻到接收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)刻之間的時(shí)間差，來計(jì)算出自己與目標(biāo)飛機(jī)之間的相對(duì)距離。TCAS接收天線是方向性天線，由四個(gè)陣子組成，四陣子之間的相對(duì)位置與1090MHz應(yīng)答信號(hào)波長成一定的比例關(guān)系。由于四陣子位置的不同，接收到的應(yīng)答信號(hào)存在相位差，TCAS設(shè)備通過測(cè)得這些相位差計(jì)算出目標(biāo)飛機(jī)相對(duì)于本機(jī)的方位。

3.2 TCAS的激勵(lì)方法

針對(duì)TCAS的詢問功能，激勵(lì)器應(yīng)仿真TCAS方向性天線接收到的四路目標(biāo)機(jī)應(yīng)答信號(hào)，并通過控制應(yīng)答信號(hào)發(fā)射時(shí)延來仿真目標(biāo)機(jī)距離，通過控制四路射頻信號(hào)相對(duì)相位差來仿真目標(biāo)機(jī)的方位，其激勵(lì)功能框圖如圖4所示。

信號(hào)處理器根據(jù)機(jī)載TCAS設(shè)備發(fā)出的詢問信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)模式的應(yīng)答脈沖序列，并根據(jù)激勵(lì)控制命令進(jìn)行應(yīng)答延時(shí)和相移計(jì)算，應(yīng)答脈沖序列對(duì)頻率源產(chǎn)生的1090MHz信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)功率放大后分成相同的四路應(yīng)答信號(hào)，每一路在移相控制下進(jìn)行相位偏移，最后輸出四路相位不同的應(yīng)答射頻信號(hào)。

在TCAS應(yīng)答信號(hào)的激勵(lì)仿真中，四路信號(hào)的相位控制是仿真的關(guān)鍵點(diǎn)，而如圖3所示TCAS天線的1、2、3、4號(hào)陣子之間的相對(duì)距離是進(jìn)行移相計(jì)算的重要參數(shù)，因此必須準(zhǔn)確了解所仿真天線四陣子相對(duì)位置。ARJ21飛機(jī)TCAS天線參數(shù)是：1、3號(hào)陣子之間距離為1個(gè)波長（1090MHz），2、4號(hào)陣子之間的距離為半個(gè)波長。

若目標(biāo)飛機(jī)相對(duì)方位角度設(shè)為θ，則2、3、4號(hào)陣子相對(duì)于1號(hào)陣子的相位關(guān)系分別為：

式中k為0或正整數(shù)。

在進(jìn)行激勵(lì)仿真時(shí)，根據(jù)需要仿真的目標(biāo)飛機(jī)相對(duì)方位θ，利用TCAS天線4個(gè)陣子的相位之間的函數(shù)關(guān)系可以計(jì)算出2、3、4號(hào)陣子相對(duì)于1號(hào)陣子的相位值φ1，φ2，φ3，信號(hào)處理器根據(jù)計(jì)算出的φ1，φ2，φ3的值產(chǎn)生移相碼控制3路數(shù)控移相器，實(shí)現(xiàn)4路相位不同的應(yīng)答信號(hào)的模擬。

4. 結(jié)束語

本文介紹了機(jī)載TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)激勵(lì)器設(shè)計(jì)，該激勵(lì)器可以完成TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)激勵(lì)。使用機(jī)載TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)激勵(lì)器可以在試驗(yàn)室完成TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)的功能測(cè)試，大大減少TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)飛行測(cè)試的次數(shù)，提升TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)測(cè)試的廣度和深度，保證機(jī)載TCAS/S模式應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)功能的順利驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈佳峰； 民機(jī)TCAS機(jī)動(dòng)策略與仿真研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)， 2011

[2] 馬進(jìn)； 基于FPGA的TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)綜合化數(shù)字中頻接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[D]. 上海：上海交通大學(xué)， 2011

[3]王有隆； 從德國博歌湖撞機(jī)事件看TCAS與飛行安全[J]. 中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，16（6）

[4] 黎峰； 空中交通警戒和防撞系統(tǒng)的發(fā)展歷程[J].中國民用航空， 2004，10（46）： 81-83

[5]肖宇； 我國民航雷達(dá)的變遷[J]. 空中交通管理， 2000，03： 24-26

[6]蘭鵬； S模式與軍用敵我識(shí)別[J]. 電訊技術(shù)， 2006，46 （3 ）139-143