IRS-20MP/L型空管二次雷達(dá)系統(tǒng)組成及其作用

曾偉文

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局，廣東 廣州510000）

空管系統(tǒng)的基本要求是安全、迅速和有秩序地將乘客和貨物從某一個地點(diǎn)空運(yùn)到另一個指定地點(diǎn)，空中交通管制就是為達(dá)到此目的而建立的重要服務(wù)體系。正如地面交通有交通規(guī)則一樣，空中交通也有飛行規(guī)則，只有空中交通的使用者和管理者共同遵守和依據(jù)這些規(guī)則，才有可能保證空中交通安全有序地進(jìn)行[1]。

20世紀(jì)80年代以來，空中交通管制逐漸由程序管制過渡到雷達(dá)管制方式。通過地面雷達(dá)對空中的飛行目標(biāo)進(jìn)行掃描，管制員可以從雷達(dá)屏幕上看到飛機(jī)的代碼、空間位置、上升下降等參數(shù)，再加上地空通信系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)的不斷完善，雷達(dá)管制逐漸取代了程序管制。隨著國內(nèi)民航業(yè)的高速發(fā)展，航班量逐年增加，管制員對空管雷達(dá)的依賴性正與日俱增。隨著區(qū)域管制中心多雷達(dá)自動化系統(tǒng)的投入使用，雷達(dá)的重要性更進(jìn)一步得到了體現(xiàn)。

1　空管二次雷達(dá)系統(tǒng)的組成及其工作原理

目前，國內(nèi)的空管二次雷達(dá)系統(tǒng)基本是采用了單脈沖技術(shù)的空管二次監(jiān)視雷達(dá)。單脈沖空管二次監(jiān)視雷達(dá)一般由室外和室內(nèi)兩大部分組成。室外部分主要包含大垂直孔徑（LVA）陣列天線、驅(qū)動馬達(dá)、變速箱、旋轉(zhuǎn)鉸鏈、方位編碼器以及安全互鎖開關(guān)等單元。室內(nèi)部分主要包括了雙通道詢問機(jī)、天線控制單元、本地監(jiān)視與控制器、雷達(dá)維護(hù)顯示器等單元。而作為空管二次雷達(dá)系統(tǒng)核心組成單元的詢問機(jī)又包含了射頻驅(qū)動模塊、功率放大器、接收機(jī)、模式產(chǎn)生器以及點(diǎn)跡錄取器等部分。由此可見，單脈沖空管二次雷達(dá)是一個精密而復(fù)雜的高度集成無線電系統(tǒng)，各個組成單元嚴(yán)格按照系統(tǒng)時序進(jìn)行工作。

與常規(guī)的一次雷達(dá)利用目標(biāo)對雷達(dá)自身發(fā)射電磁波（射頻脈沖）的反射回波主動發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并且確定其位置的工作原理不同，地面的空管二次雷達(dá)需要與機(jī)載應(yīng)答機(jī)協(xié)同合作才能完成對目標(biāo)的檢測。它是由地面的二次雷達(dá)設(shè)備通過天線的方向性波束輻射頻率為1 030 MHz的一組詢問編碼脈沖，當(dāng)天線的波束指向裝有機(jī)載應(yīng)答機(jī)的飛行器時，機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到這組詢問信號，然后根據(jù)所詢問的內(nèi)容自動發(fā)射回頻率為1 090 MHz的一組約定的回答編碼（射頻）脈沖。通過地面二次雷達(dá)設(shè)備的接收和檢測處理，最終完成對目標(biāo)的定位[2]?？展芏卫走_(dá)的工作原理如圖1所示。

圖1　空管二次雷達(dá)工作原理

單脈沖空管二次雷達(dá)給地面管制員所提供的飛機(jī)信息包括方位、距離、高度與識別碼，其中方位和距離由二次雷達(dá)根據(jù)天線波束指向角與應(yīng)答信號的延時分別計算得到，而飛機(jī)的識別碼與海拔高度則包含在應(yīng)答編碼脈沖內(nèi)。當(dāng)詢問脈沖P1與P3的脈沖間隔為8 μs時，此時雷達(dá)采用模式A進(jìn)行詢問，所詢問的內(nèi)容是飛機(jī)的識別碼；當(dāng)詢問脈沖P1與P3的脈沖間隔為21 μs時，此時雷達(dá)采用模式C進(jìn)行詢問，所詢問的是飛機(jī)的海拔高度。通常地面站的二次雷達(dá)設(shè)備都采用模式A和模式C兩種模式進(jìn)行交替詢問，即同時獲得飛機(jī)的識別碼和高度碼。飛機(jī)的距離、方位、高度與識別碼這些信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送至管制席位的大屏幕顯示器上，由地面管制員與飛行員通過語音通話，對各空域上的飛行器進(jìn)行安全、高效的指揮調(diào)度管理。

2　Indra IRS-20MP/L型空管二次雷達(dá)系統(tǒng)的組成及其作用

Indra公司的IRS-20MP/L型二次雷達(dá)作為最新型的空管二次雷達(dá)系統(tǒng)，不僅采用了單脈沖技術(shù)，同時還支持最新的S模式。具備S模式功能的二次雷達(dá)系統(tǒng)不僅具有更好的監(jiān)視能力，解決了常規(guī)單脈沖二次雷達(dá)固有的異步干擾及同步竄擾等問題，而且還提供了空中和地面的數(shù)據(jù)鏈接能力，所能提供給管制員的信息更為豐富。S模式二次雷達(dá)同樣要與機(jī)載的S模式應(yīng)答器進(jìn)行協(xié)同工作，為了兼容常規(guī)的A/C模式應(yīng)答器以及獲取到更豐富的目標(biāo)信息，當(dāng)前國內(nèi)裝備的IRS-20MP/L型二次雷達(dá)均采用了A/C模式與S模式的交替詢問模式，即A/C/S交替的詢問模式。

IRS-20MP/L型二次雷達(dá)系統(tǒng)的組成同樣包括了室外與室內(nèi)兩大部分。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　IRS-20MP/L型二次雷達(dá)系統(tǒng)組成

2.1　室外部分

2.1.1大垂直孔徑陣列天線（LVA）

IRS-20MP/L型二次雷達(dá)天線其型號為CLS-M，由34個輻射柱組成，每個輻射柱包含10個偶極子，輻射柱都附于一個輕合金結(jié)構(gòu)上。天線正面有33個輻射柱，背面有1個輻射柱（SLS背部天線），背部SLS天線有一個獨(dú)立的仰角調(diào)整裝置。在輻射柱之間還分布著一些反射桿，這是為了減少背向輻射，使天線主瓣有更好的增益效果。

CSL-M天線有三個射頻通道，即∑、Δ與Ω三個通道。其中∑與Ω用于發(fā)射/接收，Δ只用于接收。每個通道有其特殊的方位波瓣圖。所有天線通道都采用垂直極化，三個通道在輻射特性方面完全獨(dú)立。

2.1.2大盤（Pedestal）

二次雷達(dá)天線（Antenna）與大盤（Pedestal）安裝在距離地面幾十米高的雷達(dá)塔基座房中。大盤不僅作為二次雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn)支撐，還為天線與室內(nèi)部分提供了電氣化與機(jī)械化的接口。馬達(dá)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)鉸鏈、方位編碼器等部件都集成在大盤里面。馬達(dá)電機(jī)驅(qū)動雷達(dá)天線按照設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)旋轉(zhuǎn)，不間斷地對空中的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)械掃描。旋轉(zhuǎn)鉸鏈作為天線旋轉(zhuǎn)部分與詢問機(jī)之間的射頻通路，完成射頻信號（發(fā)射與接收）的傳輸。而方位編碼器則掛在大盤的齒輪上，跟隨著雷達(dá)天線同步轉(zhuǎn)動，向詢問機(jī)輸出正北脈沖（ARP）與方位增量脈沖（ACP），用于目標(biāo)方位的測量。

2.2　室內(nèi)部分

2.2.1S模式詢問機(jī)系統(tǒng)

空管二次雷達(dá)詢問機(jī)一般采用雙通道的冗余配置，即兩個同樣配置的詢問機(jī)互為冗余備份。在用通道連接到天線，而備用通道則連接到假負(fù)載上。當(dāng)在用的詢問機(jī)通道出現(xiàn)告警或故障時，系統(tǒng)自動切換到備用通道上，這樣使得雷達(dá)輸出的點(diǎn)跡或航跡保持連續(xù)。IRS-20MP/L型二次雷達(dá)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3中，詢問機(jī)CHANNEL1和CHANNEL2的配置完全一樣，都由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、錄取器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、時鐘服務(wù)器以及電源與風(fēng)扇這些部分組成。

圖3　IRS-20MP/L型二次雷達(dá)系統(tǒng)框圖

（1）S模式發(fā)射機(jī)。S模式發(fā)射機(jī)為雙通道全固態(tài)發(fā)射機(jī)，一路為∑信號通道，一路為Ω信號通道。S模式發(fā)射機(jī)的4個組件及其作用如下：

1）EMU（激勵調(diào)制單元）：∑通道的幅度與相位調(diào)制，Ω通道的幅度調(diào)制與功率預(yù)放大。

2）SDU（∑通道驅(qū)動單元）：將EMU單元送來的∑射頻信號進(jìn)行驅(qū)動放大。

3）SAU（∑通道功放單元）：∑通道的功率末級放大以及∑通道的功率編程控制。

4）CTU（Ω通道發(fā)射單元）：Ω通道的功率末級放大以及Ω通道的功率編程控制。

∑信號與Ω信號的脈沖峰值功率都是65 dBm，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行功率編程，總共有7級。功率編程指令由錄取器的MIC03板發(fā)出，分別控制SAU與CTU單元內(nèi)不同組的晶體放大管的供電來完成。

（2）多通道接收機(jī)單元（MRU）。相比其他空管二次雷達(dá)的接收機(jī)，IRS-20MP/L型二次雷達(dá)的接收機(jī)在集成度、功耗、體積等方面都有了很大的改進(jìn)。整個接收機(jī)單元幾乎就是一塊電路板。由飛機(jī)應(yīng)答產(chǎn)生的1 090 MHz的應(yīng)答信號被MRU的∑、Δ、Ω三個通道同時接收到，經(jīng)過了低噪放大、混頻解調(diào)、中頻放大濾波、檢波以及A/D轉(zhuǎn)換等處理流程后，最終生成并向雷達(dá)錄取器輸出4路視頻信號，分別是：∑視頻、Δ視頻、Ω視頻與單脈沖視頻。

（3）S模式錄取器單元（MEX）。IRS-20MP/L型二次雷達(dá)錄取器單元的組件與作用如下：

1）MICA02板，作為所有硬件設(shè)備I/O信號（如外部觸發(fā)，方位脈沖ACP、ARP等）的接口。

2）MICA03板，作為錄取器與發(fā)射機(jī)及TRA單元信號的接口，如詢問編碼信號、功率編程及測試目標(biāo)等。

3）MCPU板，是雷達(dá)錄取器單元的核心組件，其作用是接收MRU送來的應(yīng)答視頻信號，完成目標(biāo)信息的解碼、檢測，生成目標(biāo)報告，輸出點(diǎn)跡或航跡目標(biāo)信息并送至管制員席位與本地雷達(dá)維護(hù)顯示器。

（4）電源部分，分別是發(fā)射機(jī)電源組件TPS與錄取器電源組件MFEX.接收機(jī)MRU單元由于也處于錄取器框內(nèi)，因此其供電也由MFEX提供。

（5）時鐘服務(wù)器NTP單元，包含了GPS天線與時鐘服務(wù)器兩部分，NTP單元通過本地局域網(wǎng)持續(xù)地為雷達(dá)系統(tǒng)各組成部分提供時鐘信息以進(jìn)行系統(tǒng)同步，譬如UTC時間。同時，在雷達(dá)生成目標(biāo)報告時，也在目標(biāo)報告中打上時間戳，對目標(biāo)報告進(jìn)行標(biāo)記。

（6）本地網(wǎng)局域網(wǎng)，每個詢問機(jī)機(jī)柜中都包含了兩臺交換機(jī)。雷達(dá)各主要單元通過網(wǎng)線接入到交換機(jī)中，并被分配了不同的IP地址，與兩臺交換機(jī)共同組成了兩個本地局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）。所有設(shè)備間的控制與狀態(tài)信息通過UDP/IP協(xié)議來進(jìn)行交換，VR3000上的本地雷達(dá)目標(biāo)信息也是雷達(dá)錄取器通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)脕淼摹?/p>

以上6個組成單元加上發(fā)射機(jī)風(fēng)扇，都集成在一個625 mm×795 mm×1 850 mm機(jī)柜里，形成了一個完備的詢問機(jī)機(jī)柜。

2.2.2天線大盤控制箱（PCB）

天線大盤控制箱中集成了變頻器、PLC控制模塊、EMC濾波器、以太網(wǎng)通信模塊、過壓保護(hù)設(shè)備、電源以及空氣開關(guān)、繼電器等設(shè)備。天線的啟?？刂啤⒂臀粻顟B(tài)、馬達(dá)狀態(tài)、溫度監(jiān)視、編碼器的供電與開關(guān)等都由天線大盤控制箱來完成。同時，大盤控制箱也同樣分配了IP地址并接入到局域網(wǎng)（LAN）中，大盤的所有狀態(tài)信息也直觀地呈現(xiàn)在本地管理系統(tǒng)（SLG）的界面上，天線啟停、天線轉(zhuǎn)速控制、編碼器開關(guān)等也都可以在SLG上進(jìn)行操作。

2.2.3本地管理系統(tǒng)（SLG）

本地管理系統(tǒng)（SLG）上運(yùn)行的UCS（控制與監(jiān)視單元）程序是一個功能非常強(qiáng)大的Unix應(yīng)用程序，雷達(dá)各組成部分的運(yùn)行狀態(tài)都很直觀的顯示在UCS的程序界面上，同時所有的控制與配置都可在UCS上完成，例如開關(guān)發(fā)射、通道切換、天線啟停、功率編程、詢問策略、反射區(qū)設(shè)置等等，UCS程序界面如圖4所示。

圖4　IRS-20MP/L二次雷達(dá)UCS界面

雷達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)有以下幾種顏色進(jìn)行相對應(yīng)：

1）綠色-----正常工作

2）黃色-----熱備份

3）紅色-----嚴(yán)重告警

4）橙色-----一般告警

5）白色-----未連接

遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)SRG與SLG的配置完全一樣，只不過一個在雷達(dá)站現(xiàn)場，一個在遠(yuǎn)端（如航管樓）。在兩個管理系統(tǒng)上做的任何操作與配置，其數(shù)據(jù)庫都會進(jìn)行實(shí)時同步更新。

2.2.4VR3000

VR3000是運(yùn)行在個人電腦主機(jī)上的一個Windows應(yīng)用程序，該程序功能也同樣非常強(qiáng)大。不僅能直觀地顯示雷達(dá)目標(biāo)的飛行軌跡，獲取到非常豐富的目標(biāo)信息，同時還可以進(jìn)行地圖、航線以及導(dǎo)航點(diǎn)的編輯，還可以對雷達(dá)目標(biāo)飛行軌跡進(jìn)行記錄與回放等等。圖2中的SDCS與PCAUX在國內(nèi)各個雷達(dá)現(xiàn)場基本沒有配置，在此省略不述。

3　結(jié)束語

隨著中國民航業(yè)的高速發(fā)展，相應(yīng)的作為民航飛行重要的安全保障設(shè)備，國家民航局近些年來也在不斷加大空管一二次監(jiān)視雷達(dá)的部署與建設(shè)，既有國外的雷達(dá)廠家的設(shè)備，也有國內(nèi)的。西班牙Indra公司的IRS-20MP/L型空管二次雷達(dá)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化程度較高，目標(biāo)處理性能優(yōu)異，雷達(dá)監(jiān)控的配置較為簡單易懂，售后服務(wù)覆蓋全面且售價比較實(shí)惠，因此受到廣大用戶的青睞。自投入服務(wù)中國民航業(yè)以來，該二次雷達(dá)系統(tǒng)以其較高的性價比，完備的系統(tǒng)組成以及穩(wěn)定的雷達(dá)信號質(zhì)量，為民航空管的飛行安全保障做出了巨大的貢獻(xiàn)。