基于距離矩陣的二次雷達S模式詢問器代碼分配方法研究

趙 博

(中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局，上海 200335)

基于距離矩陣的二次雷達S模式詢問器代碼分配方法研究

趙 博

(中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局，上海 200335)

S模式是一項可逐步取代傳統(tǒng)A/C模式的二次雷達新技術。S模式雷達使用詢問器代碼作為與具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達進行區(qū)分的身份信息。當轄區(qū)內S模式雷達的位置關系及共同覆蓋區(qū)域較復雜時，直接為每部雷達進行詢問器代碼賦值比較困難。闡述了S模式詢問器代碼的功能和類別。通過構造距離矩陣研究S模式二次雷達詢問器代碼的分布特性，提出了一種利用距離矩陣進行詢問器代碼分配的方法。該方法解決了復雜位置關系下的S模式雷達詢問器代碼分配較困難的問題，通過華東地區(qū)空管S模式雷達系統(tǒng)對該方法的可靠性進行了實例驗證。

二次雷達；S模式；詢問器代碼；距離矩陣

0 引言

空管二次雷達是一種用于監(jiān)視飛機飛行航跡及狀態(tài)的地面?zhèn)鞲衅?，隨著空中交通流量的快速增加，傳統(tǒng)A/C模式二次雷達所固有的技術缺陷已導致其不能滿足空中交通管制指揮的需求。為此，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA) 推出了一種稱為S 模式的新的二次雷達詢問工作模式，并被國際民航組織(ICAO)接受，相關規(guī)定納入國際民航組織規(guī)范附件10(ICAO ANNEX10) 中作為二次雷達的行業(yè)標準[1]。S模式采用選址詢問的工作模式，有效地克服了同步竄擾和異步干擾；采用24位地址碼進行目標識別，解決了二次代碼不夠用的問題；通過擴展數(shù)據(jù)鏈功能，擴大了目標信息量[2-3]。

詢問器代碼作為對具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達進行區(qū)分的身份信息[4-6]，是S模式技術的一個重要應用。有限的詢問器代碼數(shù)量與S模式二次雷達不斷增加形成矛盾，尤其是當S模式二次雷達位置分布及共同覆蓋區(qū)域較復雜時，直接為每部雷達進行詢問器代碼賦值比較困難。如何快速、有效地為轄區(qū)內的每部S模式二次雷達分配詢問器代碼成為了目前亟待解決的重要問題。文獻[7]對S模式雷達的“捕獲”和“鎖定”功能進行了分析，文獻[8]對S模式詢問器代碼的分類和功能進行了闡述，文獻[9]介紹了S模式雷達協(xié)調網(wǎng)和鎖定策略地圖。本文對復雜位置關系下的S模式雷達詢問器代碼分配問題進行了研究，主要思路將轄區(qū)內的所有S模式二次雷達看作一個系統(tǒng)，通過構造該系統(tǒng)的距離矩陣研究S模式二次雷達詢問器代碼的分布特性，并利用詢問器代碼分布特性進行代碼分配。

1 S模式詢問器代碼的功能和類別

與傳統(tǒng)A/C模式相異，S模式二次雷達通過全呼和選呼2個過程獲取目標信息。通過全呼，雷達將探測范圍內的目標識別入庫，目標將對捕獲它的雷達進行“鎖定”，即18 s內不再應答該雷達的全呼詢問，只應答該雷達的選呼詢問，以減少混擾(Gable)。S模式雷達使用詢問器代碼(Interrogator Code，IC)作為與具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達進行區(qū)分的身份信息。飛行目標會在雷達的全呼詢問中收到詢問器代碼信息以識別自己是被哪一部雷達捕獲，從而對其“鎖定”。具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達的IC碼不能相同，否則，當某個目標被其中一部雷達捕獲并“鎖定”時，另一部雷達在“鎖定”期間便無法探測該目標，從而造成目標丟失[7-8]。

詢問器代碼包括“II碼(Interrogator Identifier Code)”和“SI碼(Surveillance Identifier Code)”2種類型，II碼一般取值范圍為1～15，SI碼一般取值范圍為1～63。SI碼雖然數(shù)量較多，但并非所有的機載應答機都支持，現(xiàn)階段我國還是利用II碼來區(qū)別具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰S模式二次雷達。當II碼數(shù)量不夠分配，且無法使用SI碼時，理論上還可使用監(jiān)視協(xié)調網(wǎng)絡(Surveillance coordination network，SCN)將具有共同覆蓋區(qū)域的幾個相鄰雷達進行編組，共用同一個II碼[10]。

2 S模式二次雷達系統(tǒng)距離矩陣的構造及其特性分析

2.1 距離矩陣的構造

設某個區(qū)域有n部S模式二次雷達，稱其為S模式雷達系統(tǒng)A，A內各站點之間的直線距離可由n階矩陣Ad表示,

(1)

S模式二次雷達一般作用距離為200海里，當2部雷達之間的距離小于400海里時，覆蓋區(qū)域便會交疊，必須賦予不同的II值，于是，Ad矩陣內各元素值定義為：當dij>400海里時，aij=0；當dij<400海里時，aij=1，得

(2)

n階矩陣A表示的是系統(tǒng)A中所有站點的覆蓋范圍是否有交疊的相對關系。

2.2S模式二次雷達系統(tǒng)距離矩陣的性質

基于系統(tǒng)A所構造的距離矩陣A具有如下性質：

性質1：矩陣A關于主對角線對稱，且主對角線元素值全部為1；

性質2：當矩陣A的第i行中所有元素均滿足aij=0(i≠j，j=1,2,…，n)時，表示在系統(tǒng)A中，i站與其余各站點的直線距離均大于400海里，可稱其為系統(tǒng)A中的無關站，從而i站的II碼賦值與系統(tǒng)A內其他各站點都無關，可賦予1～15的任意值；

性質3：當矩陣A的第i行中所有元素均滿足aij=1(j=1,2,…，n)時，表示在系統(tǒng)A中，i站與其余各站點的直線距離均小于400海里，可稱其為系統(tǒng)A中的全相關站，從而i站必須賦予與系統(tǒng)A內其他站點都不同的II碼值；

3 利用距離矩陣性質分配II碼的方法

3.1 分配步驟

具體分配步驟如下：

① 根據(jù)性質1構造系統(tǒng)A內各站點間距離關系矩陣A；

② 根據(jù)性質2找出無關站，將無關站的II碼賦予1～15間的任意值。劃去無關站所在的行和列，將矩陣A降階為矩陣A′；

③ 根據(jù)性質3找出全相關站，將全相關站的II碼賦予與系統(tǒng)內其他站點均不同的值。劃去全相關站所在的行和列，將矩陣A′降階為矩陣A″；

④ 根據(jù)性質4找出等價站；

⑤ 對矩陣A″進行變換，如能拆分為子系統(tǒng)B和子系統(tǒng)C，則可分別對子系統(tǒng)進行獨立分析；

⑥ 對各子系統(tǒng)重復步驟②～步驟⑤，直至不能降階化簡或拆分子系統(tǒng)。對化至最簡的各子系統(tǒng)，采用觀察法用1～15的自然數(shù)進行II碼賦值，同時，逆推出在降階化簡過程中消去的站點的II碼賦值，從而完成全系統(tǒng)所有站點的II碼賦值。

3.2 應用舉例

設系統(tǒng)A由a、b、c、d、e、f、g共7部S模式二次雷達組成，其分布情況如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)A各站點分布

① 構造距離矩陣A如下：

Aabcdefga1001001b0101100c0011001d1111101e0101100f0000010g1011001

② 根據(jù)性質2，f站為系統(tǒng)內的無關站，將f站的II碼賦予1～15的任意值，消去f行和f列，得降階矩陣A′：

A'abcdega100101b010110c001101d111111e010110g101101

③ 根據(jù)性質3，d站為A′中的全相關站，其II碼必須賦予與系統(tǒng)A′內其余臺站均不相同的值，消去d行和d列，得降階矩陣A″：

A″abcega10001b01010c00101e01010g10101

④ 將矩陣A″的b行和g行、b列和g列分別對調，得矩陣A0″，從而將系統(tǒng)A拆分為2個無關的子系統(tǒng)B和C，如下所示。

A0″agceba11000g11100c01100e00011b00011

Bagca110g111c011

Cebe11b11

⑤ 對子系統(tǒng)B和C進行II碼賦值，根據(jù)性質4，矩陣B中a、c兩站為等價站，可賦予相同的II碼值，令IIa=IIc=1；而a、g兩站有交疊，必須賦予不同的II碼值，令IIg=2。矩陣C中e、b兩站有交疊，必須賦予不同的II碼值，而子系統(tǒng)C與子系統(tǒng)B無關，故令IIe=1，IIb=2。

⑥ 逆推出在降階過程中消去的站點的II碼賦值。在A中消去了系統(tǒng)A中的無關站f，故IIf可賦予1～15間的任意值，令IIf=1；在A′中消去了系統(tǒng)A′的全相關站d，故IId必須賦予與系統(tǒng)A′中其他站點都不同的II碼，根據(jù)以上賦值情況，令IId=3。至此，便完成了系統(tǒng)A中各站點II碼的指配，如表1所示。

表1 系統(tǒng)A中各站點II碼指配

4 實例驗證

華東地區(qū)為我國民航飛行量最繁忙的地區(qū)之一，2016年華東區(qū)域全年的空管保障總量達3 609 096架次。為驗證本文方法，在具有代表性的華東地區(qū)空管系統(tǒng)選取8部S模式二次雷達進行實驗。

第1步：詢問器代碼分配。

根據(jù)本文方法對8部S模式二次雷達進行詢問器代碼分配：將華東地區(qū)空管系統(tǒng)的8部S模式二次雷達構造距離矩陣如下：

華東ABCDEFGHA11111100B11111100C11111111D11111111E11111100F11111111G00110111H00110111

根據(jù)本文方法，對8部S模式二次雷達II碼分配結果如表2所示。

表2 華東地區(qū)S模式空管雷達II碼指配

第2步：觀察驗證。

將8部雷達中的所有共同覆蓋區(qū)域繪制出來，對所有共同覆蓋區(qū)域內的雷達目標進行1 d時間的運行觀察，并未出現(xiàn)明顯的目標丟失現(xiàn)象。將H雷達的II碼由2更改為1，與G雷達相同，觀察1 d，發(fā)現(xiàn)共同覆蓋區(qū)域有目標丟失現(xiàn)象。將H雷達的II碼改回2，繼續(xù)觀察1 d，發(fā)現(xiàn)共同覆蓋區(qū)域目標恢復正常，證明之前的目標丟失現(xiàn)象是由于具有共同覆蓋區(qū)域的G、H兩部雷達II碼設置沖突造成。通過以上驗證，可證明采用本文提出的方法進行詢問器代碼分配合理可行。

5 結束語

要區(qū)別具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰S模式二次雷達，目前比較符合我國國情的做法是采用II碼進行識別，當S模式二次雷達位置分布及共同覆蓋區(qū)域較復雜時，直接為每部雷達進行II碼賦值比較困難。本文提出的通過構造距離矩陣對一組S模式二次雷達進行II碼分配的方法，可以有效提高代碼分配效率。當我國未來采用SI碼區(qū)別具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰S模式二次雷達的條件成熟時，也可通過本文提出的方法對一組S模式二次雷達進行SI碼分配。因此，該方法在我國空管監(jiān)視領域S模式技術的實際應用中具有一定的指導意義。

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[10] EUROCONTROL.Principles of Mode S Operation and Interrogator Codes[M].France,EUROCONTROL,2003.

Research on Method of Interrogator Code Assignment of Mode S Secondary Surveillance Radar Based on Distance Matrix

ZHAO Bo

(AirTrafficManagementBureau,CivilAviationofEastChina,Shanghai200335,China)

Mode S is a new kind of technology that can gradually replace the traditional mode A/C of secondary surveillance radar.The mode S radar uses the interrogator code as identity information that distinguishes adjacent radars with common coverage areas.It is difficult to directly assign the interrogator code to each radar when the positional relationship and the common coverage area of the mode S radar in the jurisdiction are complex.This paper describes the functions and categories of mode S interrogator code.The distribution characteristics of the interrogator code of mode S secondary surveillance radar are studied by constructing the distance matrix,and a method of interrogator code assignment using distance matrix.This method solves the problem that mode S radar interrogator code assignments are difficult when the radar positional relationship is complex.The reliability of the proposed method has been validated by using the ATM mode S radar system in East China.

secondary surveillance radar;mode S;interrogator code;distance matrix

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.22

趙博.基于距離矩陣的二次雷達S模式詢問器代碼分配方法研究[J].無線電工程,2017,47(7):90-93.[ZHAO Bo.Research on Method of Interrogator Code Assignment of Mode S Secondary Surveillance Radar Based on Distance Matrix[J].Radio Engineering,2017,47(7):90-93.]

2017-03-22

TN953

A

1003-3106(2017)07-0090-04

趙 博 男，(1984—)，工程師。主要研究方向：民航空管設備規(guī)劃及運行管理。