淺談二次雷達S模式及其抗干擾性能

盧偉

摘要：S模式克服了以往單脈沖A/C模式的缺陷，因其諸多優(yōu)越性在空中交通管制等領域得到廣泛的應用。本文簡略地闡述了S模式的相關內容，包括其基本原理、數據格式和干擾問題。研究表明S模式的引入能有效地降低二次雷達的干擾，極大提升了雷達的性能。

關鍵詞：SSR;S模式;干擾

中圖分類號：TP391 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0254-03

隨著航空運輸的發(fā)展，飛機的密度逐步增加，現行的空中交通管制雷達信標系統(tǒng)（ATCRBS）的容量就顯得特別緊張，傳統(tǒng)的單脈沖A/C模式已不能滿足空中交通管制（ATC）的需求。為滿足空中交通日益增長的需要，美國MIT林肯實驗室和英國研究機構開展了先進雷達詢問系統(tǒng)的研究工作，研制了S模式雷達與數據通信系統(tǒng)，以此來改進和提高空中交通管制能力。目前S模式已被國際民航組織（ICAO）接受并作為二次監(jiān)視雷達的行業(yè)標準 [1]-[5]。S模式雷達主要優(yōu)勢有：抗干擾能力強，精度更高，更加豐富的可交換信息，應答機地址碼足夠使用。

S模式是一種利用離散地址詢問的數據鏈技術，這種技術的核心是利用地址碼對特定的航空器進行詢問，只有指定的航空器才對這種詢問進行應答。S模式具有基本監(jiān)視、增強監(jiān)視、數據鏈等多種功能，在空中交通管制、飛機防撞、多點定位、ADS—B等系統(tǒng)和軍用敵我識別系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

1 S 模式綜述

S模式主要特征是在與現有的ATCRBS系統(tǒng)大體兼容的基礎上，給每一架飛機分配一個獨一無二的地址碼，由計算機控制進行一對一的點名，并能夠進行自適應詢問。地址碼為24比特二進制數據，這樣使得離散地址數目達到了一千六百萬個，這就解決了系統(tǒng)容量不足的問題。同時地空之間可以自動交換豐富的信息。

現行的ATCRBS一般工作在1030MHZ和1090MHZ兩個頻率上，為了使新系統(tǒng)能夠適用于老標準，具有良好的兼容性，S模式使用同樣的詢問及應答頻率。

1.1 S模式詢問信號

常規(guī)二次雷達在詢問格式上一般只采用模式3/A（識別碼）和模式C（高度碼）的交替詢問，使用P1、P2、P3脈沖序列，從而達到獲得航空器識別碼和高度碼的目的，其中P2脈沖用于旁瓣抑制。

如圖1所示，模式3/A P1、P3脈沖間隔為8?s，模式C P1、P3脈沖間隔為21?s ，P1、P2脈沖間隔恒為2?s，P2脈沖用于詢問旁瓣抑制。

圖2所示為最常用的S模式詢問信號，前兩個脈沖P1和P2的脈寬均為0.8us，脈沖間隔2us，非S模式的應答器對這些脈沖的接收將會抑制對詢問脈沖后續(xù)部分的解碼，并使應答機進入抑制期，在P2脈沖后面是一個長脈沖P6，持續(xù)期為16.25us或30.25us，其中有許多相位反轉脈沖，用來攜帶所要發(fā)射的數據。第一個相位反轉脈沖在P6上升沿后的1.25us處，即同步相位反轉，提供給S模式應答器作為時鐘同步，從而對后續(xù)的數據進行對應解碼。同步相位反轉脈沖也用作應答信號發(fā)射的時鐘參考，與A/C模式中P3脈沖的作用類似。詢問機通過計算同步相位反轉脈沖的發(fā)射和接收到的第一個應答脈沖之間的時間間隔來測量飛機的距離。

數據通過DPSK（差分相移鍵控）方式發(fā)射，有180°相位改變表示二進制1，沒有相位改變表示二進制0。P5脈沖用于旁瓣抑制，它從控制波束發(fā)射，與P6的相位反轉脈沖在時間上重疊，如果P5脈沖強于P6脈沖，應答器不可能檢測到同步相位反轉脈沖，因而不會對詢問信號進行解碼/應答;如果P5脈沖弱于P6脈沖，應答器可以檢測到同步相位反轉脈沖，并繼續(xù)接收及解碼P6脈沖。

1.2 S模式應答信號

如圖3所示為S模式應答信號。解碼設備根據檢測到4個前導脈沖的格式來確認。應答信號的數據部分跟隨在4個前導脈沖后的數據脈沖塊內，通過脈沖位置的調制來編碼，數據比特率是4MHZ。應答數據塊的每個碼位為1?s，由兩0.5?s片組成。前半片有脈沖后半片沒有脈沖表示二進制1，前半片無脈沖后半片有脈沖表示二進制0。這種編碼形式對抗干擾具有非常強的能力。

應答數據塊由信息碼和24位地址或奇偶效驗碼組成。奇偶效驗碼用作校驗判斷解碼數據的準確性。解碼時將每個應答位的兩片幅度進行比較來獲得1或0。用應答前導脈沖做參考電平，用來相關比較每個應答位中脈沖的幅度，相關即表示一個高置信度位，是1還是0取決于該應答位脈沖在1.0?s位的哪一片。在S模式應答中，如果應答數據由于某個SSR應答脈沖的21us持續(xù)期所破壞，采用奇偶效驗系統(tǒng)可將錯誤更正。

1.3 S模式詢問應答格式

詢問格式即為上行格式，用UF（UP FORMAT）表示;應答格式即為下行格式，用DF（DOWN FORMAT）表示。

UF和DF分別有25種格式，國際民航組織已經明確定義并分配用途的格式有下述幾種[6]：

UF0 是“短”TCAS/ACAS空-空監(jiān)視，DF0 應答中包含模式C高度、模式S地址。UF16 是“長”TCAS/ACAS空-空監(jiān)視，是UF0的加長模式。DF0的長度是56位，DF16的長度是112位。唯一不同的是，DF16中包含56位的MV字段，用來進行空-空信息交換和應答協調。

UF4 是“短”地面站監(jiān)視高度請求，與UF0類似，只不過是由地面站發(fā)出的。DF4應答中包含模式C高度、模式S地址。UF20 是UF4的加長模式。DF4的長度是56位，DF20的長度是112位。

UF5 是“短”地面站監(jiān)視識別請求。DF5應答中包含航空器的識別碼（ID字段）和模式S地址。UF21 是UF5的加長模式。DF5的長度是56位，DF21的長度是112位。

UF11用來詢問航空器的模式S地址。DF11被稱為全呼叫應答，其中包含航空器的地址碼（間歇應答地址碼）以及能力字段（CA）、奇偶校驗/詢問器識別字段（PI）、詢問器識別碼（II）和監(jiān)視識別碼（SI）。

2 二次雷達的干擾

二次雷達干擾主要有以下幾類[7]：a.混淆（phantom）干擾：應答信號在時間距離上小于20.3us，從而產生的混淆干擾現象，可以發(fā)生在兩個應答脈沖重疊的時候也可以發(fā)生在不重疊的應答之間;b.異步干擾（fruit）：本雷達接收機收到其他雷達詢問引起的應答從而對本雷達造成干擾;c.反射（Ghost）：由于地物反射引起的假目標。

S模式的引入為這些二次雷達干擾問題提供了解決的方法：

a.混淆（phantom）干擾：同步竄擾（grable）、交織（interleave）等都會引起虛假目標，產生混淆干擾，識別碼和高度碼解碼錯誤。特例如下圖4所示：

其中（a）應答信號的表示格式，（b）A模式代碼為5047的應答脈沖，（c） A模式代碼為6331的應答脈沖，（d） 5047和6331的應答脈沖串擾后的A模式應答脈沖（解碼為7377）。

二次雷達應答信號檢測過程就是對框架脈沖F1和F2的檢測，檢測是否存在一對脈沖前沿間隔為20.3us，但是這對脈沖可能是框架，也可以是串擾或交織引起的混淆干擾。如果兩個不相互重疊的應答距離小于20.3us或者一個應答中C2脈沖和SPI脈沖同時存在，也會引起混淆干擾。

S模式的引入從根本上解決的此類干擾，因為Mode S 詢問策略包括選擇性詢問，在進行群呼后，進行點呼詢問中都包含飛機地址碼，被尋址的飛機應答，未被尋址的飛機不應答。由于提供了選擇性的詢問和更合理的應答時序，這樣即使兩架飛機距離很近，通過地址碼點呼，也不會同時應答，從而很容易分辨開來。

b.異步干擾（fruit）：

異步干擾的形成是由于飛機天線的無方向性，飛機對A站的應答被B站所接受，從而對B站產生異步干擾，對雷達站會造成譯碼錯誤，從而出現標牌相同，方位和距離不同的假目標。如圖5所示： A站發(fā)射詢問信號在接收到應答信號后，正確計算出飛機的距離，但同時，B站也接收到這個應答信號（還沒有發(fā)射詢問，正在上一次發(fā)射詢問信號之后的接收期間），因而就處理它并將其顯示在錯誤位置上。間隔500NM內的兩個站相互間可能會產生這樣的異步干擾 [8]。

針對異步干擾可以使用RSLS技術識別從旁瓣進入系統(tǒng)的異步干擾信號，也可以降低脈沖重復頻率PRF，使空間中應答信號減少，以及使用交錯（STAGGER）技術改變每個每個詢問起始位置，從而降低異步干擾的可能性。

S模式的引入有效地減少了異步干擾的產生，由于選擇性詢問得到了飛機的唯一地址碼，通過核對地址碼來剔除錯誤的應答。根據MSSR技術特性，理論上只需要一個應答便可以分辨目標并精確定位，因此S模式有效降低了目標的詢問率，降低了異步干擾發(fā)生的概率。

c.反射（Ghost）：

由于地面或人工目標反射引起多徑干擾所產生的。在無線通信領域，多徑指無線電信號從發(fā)射天線經過多個路徑抵達接收天線的傳播現象。大氣層對電波的散射、電離層對電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對電波的反射都會造成多徑傳播。直射路徑和反射路徑間的關系有多種情況，從直射方向和反射方向的方位間隔來區(qū)分，大致可以分為三類[8]：

（1）地面反射信號與直射信號位于同一個垂直平面;

（2）物體或者傾斜地面反射信號與直射信號有一個小的水平夾角，但可在同一個波束駐留時間內檢測;

（3）物體或者傾斜地面反射信號與直射信號有大水平夾角。

多徑干擾會帶來垂直波束分裂、編碼失真、假目標等問題，當二次雷達站周邊環(huán)境良好，附近無反射體時，是不會出現虛假目標的;當存在反射體時，其虛假目標與真實目標如圖6所示：

S模式有效地降低詢問率也降低了反射假目標的產生。同時在文獻[9]中研究了S模式二次雷達詢問機航跡錄取技術，詳細介紹了在S模式雷達中如何消除反射干擾的方法：通過適當的航跡關聯策略和航跡關聯算法，設定方位和距離高度門限去除反射目標。此策略和算法都有效地解決了二次雷達的干擾問題。

3 結束語

S模式的SSR 因其數字通訊、無模糊識別等一系列根本的優(yōu)勢終將代替當前的MSSR，隨著民航空管事業(yè)的發(fā)展，帶S模式二次雷達必將發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1] Surveillance radar and collision avoidance systems[Z]//Annex 10to the convention on international civil aviation. ICAO，1998.

[2] Manual on the secondary surveillance radar system[K].ICAO，2004.

[3] European Mode S station functional specification[Z].EUROCONTROL，2005.

[4] Concept of operations Mode S in Europe[Z]. EUROCONTROL，1996.

[5] 黎延璋.空中交通管制應答機[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[6] POEMS ?Preoperational European Mode S Station

[7] 蘇志剛. 二次雷達設備[M].天津：中國民航學院空中交通管理分院 ，2000.

[8] 張尉.二次雷達原理[M].國防工業(yè)出版社，2007.

[9] 萬洪容. S模式二次雷達詢問機航跡錄取技術研究[D]. 中國西南電子技術研究所，2010.

【通聯編輯：唐一東】