S模式空管二次雷達(dá)詢問與監(jiān)視技術(shù)研究

鄒殿臣

摘要：隨著我國軍民航飛行流量的日益增加，A/C模式的二次雷達(dá)在空中交通管制高強(qiáng)度使用中已暴露出諸多不足。S模式是一種先進(jìn)二次雷達(dá)協(xié)議，正在逐步取代傳統(tǒng)的A/C模式得到普及應(yīng)用。本文首先分析了S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)一步研究了S模式詢問和應(yīng)答信號格式，最后分析了S模式二次雷達(dá)應(yīng)用于空中交通管制系統(tǒng)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：S模式 二次雷達(dá) 信息處理 詢問與監(jiān)視

中圖分類號：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0086-02

二次雷達(dá)，也叫二次監(jiān)視雷達(dá)（Secondary Surveillance Radar：SSR）[1]，可以克服一次雷達(dá)（RSR）的混擾和串?dāng)_等缺點(diǎn)。二次雷達(dá)是針對一次雷達(dá)而言，它是在第二次世界大戰(zhàn)后從軍用的敵我識別系統(tǒng)（IFF）發(fā)展起來的，IFF有多種詢問模式和應(yīng)答模式。二次雷達(dá)目前廣泛使用了單脈沖目標(biāo)檢測技術(shù)，大大提高了對飛機(jī)方位測量的精度和應(yīng)答解碼的準(zhǔn)確度。

在以往空中交通管制中通常使用A/C模式二次雷達(dá)，其工作過程采用A模式和C模式進(jìn)行輪流詢問，A模式用來識別空中飛機(jī)代號，C模式用來識別飛機(jī)高度。由于空中交通流量日益增加，航路擁擠，傳統(tǒng)A/C模式二次雷達(dá)逐漸暴露問題：飛機(jī)編碼數(shù)量有限，代碼數(shù)僅為4096個；可交換信息少，只能應(yīng)答飛機(jī)的代號、氣壓高度，遠(yuǎn)不能滿足高性能空管系統(tǒng)自動化的要求；飛機(jī)的機(jī)動飛行將會遮蔽機(jī)載天線以及地面反射將會產(chǎn)生盲區(qū)；目標(biāo)方位、距離等參數(shù)的分辨率低等。針對上述問題，為滿足空中交通日益增長的需要，美、英等國從20世紀(jì)70年代以來，研制發(fā)展了離散選址信標(biāo)系統(tǒng)DABS（Discrete Address Becon System）和選擇尋址二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)（ADSL）。兩項(xiàng)成果合二為一，由FAA（Federal Aviation Administrator）命名為S模式二次監(jiān)視雷達(dá)。

1 S模式空管二次雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

S模式空管二次雷達(dá)專為完成探測、識別合作飛機(jī)任務(wù)而設(shè)計。S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)由地面S模式航管雷達(dá)詢問機(jī)和機(jī)載ATC/S模式應(yīng)答機(jī)組成。整個系統(tǒng)采用“問—答”方式。詢問信號頻率為1030MHz，應(yīng)答信號頻率為1090 MHz，與A/C模式二次雷達(dá)系統(tǒng)一樣，因此兩個系統(tǒng)能夠兼容并用。同時為了克服A/C模式二次雷達(dá)系統(tǒng)的缺陷，S模式二次雷達(dá)采用離散選址信標(biāo)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)組成如圖1所示。

離散選址信標(biāo)系統(tǒng)的基本思想是賦予每架飛機(jī)一個指定的地址碼，由地面系統(tǒng)計算機(jī)控制進(jìn)行“一對一”的點(diǎn)名問答，即地面詢問是一種只針對選定地址編碼的飛機(jī)專門呼叫的詢問。它與A/C模式二次雷達(dá)的根本區(qū)別是，裝有離散選址信標(biāo)系統(tǒng)S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，都有自己單獨(dú)的地址碼，即編有地址的飛機(jī)對地面詢問也用本機(jī)所編的地址碼來應(yīng)答，因而每次詢問都能指向所選定的飛機(jī)。但為了不使現(xiàn)存系統(tǒng)完全淘汰，機(jī)載S模式應(yīng)答機(jī)設(shè)計成與現(xiàn)在的A/C模式系統(tǒng)兼容并用，簡稱這種兼容兩種模式的應(yīng)答機(jī)為ATC/S模式應(yīng)答機(jī)，即ATC應(yīng)答機(jī)也能應(yīng)答A/S模式和C/S模式全呼叫的詢問，而S模式應(yīng)答機(jī)也能作A模式和C模式的應(yīng)答[2]。

S模式詢問機(jī)由雙通道結(jié)構(gòu)組成，參見圖1。S模式詢問機(jī)的一個重要功能是對目標(biāo)飛機(jī)預(yù)先按規(guī)定進(jìn)行地址編碼，用作選擇性詢問。S模式的地面站利用地址編碼能與每架飛機(jī)單獨(dú)聯(lián)系，詢問機(jī)只向它負(fù)責(zé)監(jiān)視的飛機(jī)進(jìn)行S模式詢問，它利用跟蹤裝置保存每架飛機(jī)的預(yù)測位置，等天線波束指向所需飛機(jī)時發(fā)出詢問。選擇性詢問對各次詢問進(jìn)行了適當(dāng)定時的點(diǎn)名，因而多架飛機(jī)不論其距離或方位如何靠近，其應(yīng)答都不會互相重疊或竄擾，從而可以解決空管雷達(dá)系統(tǒng)中的同步竄擾和應(yīng)答機(jī)過載等問題。因此，S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)等到的飛機(jī)位置數(shù)據(jù)將比現(xiàn)用雷達(dá)系統(tǒng)準(zhǔn)確和可靠，為管制人員提供了比較平滑而且前后一致的目標(biāo)航跡。

2 S模式空管二次雷達(dá)詢問和應(yīng)答信號格式

2.1 詢問信號格式

S模式地面詢問信號的頻率是1030MHz，為了適應(yīng)A/C模式和S模式的兼容并用，地面詢問機(jī)發(fā)送兩種類型的詢問信號。一種是為兼容而設(shè)的S模式脈幅調(diào)制（PAM）詢問脈沖信號，其頻率的精度較低，為1030±0.2MHz；另一種是專為S模式使用的二進(jìn)制差動相移鍵控（DPSK）詢問信號，這是一種等幅載波，其頻率精度要比脈幅調(diào)制信號高出20倍，達(dá)到1030±0.01MHz，這是為了在調(diào)解中不產(chǎn)生相位模糊現(xiàn)象而要求的。這種DPSK詢問信號不單只詢問飛機(jī)代號和高度，還可作上傳輸報文通信A和報文通信C的數(shù)據(jù)通信之用。

A/C/S模式全呼叫詢問信號格式如圖2所示，P4寬度為0.8us時表示A/C模式全呼叫，P4寬度為1.6us時表示A/C/S模式全呼叫。A/C/S模式全呼叫詢問時A/C和S模式的應(yīng)答機(jī)均對詢問信號進(jìn)行應(yīng)答，其中S模式的應(yīng)答信號包含飛機(jī)的身份標(biāo)志和24bit地址信息。Pl和P3寬度為0.8us時，間隔8.0us為A模式詢問，應(yīng)答為12位飛機(jī)代碼；間隔21.0us為C模式詢問，應(yīng)答為飛機(jī)氣壓計高度。

僅S模式全呼叫詢問信號格式如圖3所示，P1和P2脈沖寬度均為0.8us且脈沖幅值相等，間隔2.0us，這就和普通二次雷達(dá)系統(tǒng)的旁瓣抑制情況相同。P2脈沖之后是一個P6長脈沖，持續(xù)時間為16.25us或30.25us。P6脈沖之內(nèi)有一系列的相位反轉(zhuǎn)用來攜帶被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采用差動移相鍵控（DPSK）的方式發(fā)送。S模式二進(jìn)制差動相移鍵控詢問信號是一種利用正弦波射頻載波詢問變化來傳送數(shù)據(jù)的方式，是在“A/C模式/S模式全呼叫”詢問之后，地面詢問接收機(jī)收到S模式應(yīng)答機(jī)的S模式“全呼叫回答”，已獲得了飛機(jī)位置（方位、距離和高度）和該飛機(jī)地址碼，并以帶有該飛機(jī)地址碼字段作S模式點(diǎn)名式的詢問時使用。全部S模式點(diǎn)名詢問信號（包括僅S模式“全呼叫”詢問信號）均是二進(jìn)制差動相移鍵控信號，其發(fā)射頻率的精度要求較高，為1030±0.01MHz。

2.2 應(yīng)答信號格式

S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射的應(yīng)答信號，主要有兩種：若是相應(yīng)A/C模式的詢問，則以A/C模式的脈沖調(diào)制應(yīng)答信號作回答；若是相應(yīng)A/C模式/S模式全呼叫、S模式選址詢問或S模式全呼叫，則以S模式的脈沖調(diào)制應(yīng)答信號作回答。

S模式應(yīng)答信號格式如圖4所示，應(yīng)答的脈沖調(diào)制信號由前同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成。前同步脈沖由起始的8.0us內(nèi)兩組0.5us寬的脈沖對形成。應(yīng)答數(shù)據(jù)是由脈位調(diào)制的，其脈沖位置隨調(diào)制信號的二進(jìn)制數(shù)而變化，所有脈沖幅度和寬度不變，有56位和112位兩種。在每位1us間隔的前半周0.5us內(nèi)發(fā)射脈沖時，表示邏輯電平1；而在后半周0.5us內(nèi)發(fā)射脈沖時，表示邏輯電平0。這種編碼稱為曼切斯特編碼，保留了同步信息并具有一定的抗干擾能力，因?yàn)楦蓴_不可能使得干擾能抑制某個位置上的脈沖或是在鄰近的位置上插入一個脈沖[4]。圖3中應(yīng)答數(shù)據(jù)脈沖對應(yīng)位的順序?yàn)?1011···001。

對于S模式的詢問信號，當(dāng)S模式應(yīng)答機(jī)采用脈位調(diào)制應(yīng)答時，其下傳輸應(yīng)答格式有25種，目前主要使用的有8種：

S模式下傳輸應(yīng)答0號格式“專門監(jiān)視（短報文）”的應(yīng)答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應(yīng)答4號格式“報告飛機(jī)高度”的應(yīng)答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應(yīng)答5號格式“報告飛機(jī)代號”的應(yīng)答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應(yīng)答11號格式“全呼叫應(yīng)答”的應(yīng)答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應(yīng)答16號格式“專門監(jiān)視（長報文）”的應(yīng)答信號，由112位組成。

S模式下傳輸應(yīng)答20號格式“報告飛行高度，通信B”的應(yīng)答信號，由112位組成。

S模式下傳輸應(yīng)答21號格式“報告飛機(jī)代號，通信B”的應(yīng)答信號，由112位組成。

S模式下傳輸應(yīng)答24號格式“通信D加長報文” 的應(yīng)答信號，由112位組成。

3 S模式空管二次雷達(dá)監(jiān)視的功能優(yōu)勢

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)是一種發(fā)展的趨勢，具有基本監(jiān)視、增強(qiáng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)鏈等多種功能，它既保留了空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)（ATCRBS）的功能，又增加了S模式特有的功能。S模式二次雷達(dá)具有一下幾個優(yōu)點(diǎn)：

兼容性：S模式二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)同樣采用“問—答”方式，但詢問是用具有選擇性的S模式工作。為了使A/C模式和S模式兼容并用，A/C模式應(yīng)答機(jī)應(yīng)能應(yīng)答S模式的詢問，而S模式應(yīng)答機(jī)也應(yīng)能回答A/C模式的詢問。為了適應(yīng)A/C模式和S模式的詢問，DABS地面詢問機(jī)對其所管轄范圍內(nèi)的所有飛機(jī)做一個“全呼叫”的詢問作應(yīng)答。

選擇性尋址：S模式利用離散尋址而不是廣播方法來請求應(yīng)答，詢問信號和應(yīng)答信號都帶有表示飛機(jī)代號的24bit二進(jìn)制地址，一機(jī)一碼，防止詢問信號竄擾其他飛機(jī)。

數(shù)據(jù)鏈傳輸：S模式數(shù)據(jù)鏈可應(yīng)用于ADS-B，利用大量飛機(jī)裝載的S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)，通過數(shù)據(jù)鏈可以實(shí)現(xiàn)地空、空空和地地的信息傳輸。

校驗(yàn)與糾錯：接收方通過解析收到的信息來校驗(yàn)數(shù)據(jù)和地址是否被正確傳輸，如果解析數(shù)據(jù)錯誤，可采用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解錯、修正，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

防相撞手段：空中交通警戒和防撞系統(tǒng)（TCAS）利用S模式應(yīng)答器的信號來確定臨近飛機(jī)的距離和高度，可確切知道對方的坐標(biāo)位置，有利于選擇正確的回避措施。

具有S模式接收、發(fā)送功能的詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)是現(xiàn)代雷達(dá)的代表，S模式優(yōu)越性使其在空中交通管制、飛機(jī)防相撞、多點(diǎn)定位、ADS-B等系統(tǒng)和軍用敵我識別系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。歸納S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的特點(diǎn)，今后二次雷達(dá)發(fā)展趨勢有三個方面，即單脈沖技術(shù)、選擇性詢問和空地雙向數(shù)據(jù)通信。

4 結(jié)語

目前我國航空又進(jìn)入了一個大規(guī)模的雷達(dá)更新?lián)Q代的基礎(chǔ)建設(shè)階段，S模式二次雷達(dá)的優(yōu)勢在于它是建立在一次監(jiān)視雷達(dá)和傳統(tǒng)二次雷達(dá)的基礎(chǔ)之上，航空器有豐富的資源可以被我們充分利用，不需要管制員與飛行員更多的干預(yù)，就能夠提供更多的服務(wù)功能[3]。充分利用S模式二次雷達(dá)，科學(xué)合理地控制航空流量，將進(jìn)一步提高我國空中交通管制效率。

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