S模式二次雷達(dá)協(xié)同監(jiān)視功能系統(tǒng)仿真

水泉 余飛俠

摘? 要：S模式二次雷達(dá)協(xié)同監(jiān)視功能是將多個(gè)S模式二次雷達(dá)站通過(guò)地面通信網(wǎng)絡(luò)組成集群，集群內(nèi)的S模式雷達(dá)通過(guò)共享目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的協(xié)同捕獲和跟蹤。文章介紹了一個(gè)詳細(xì)的S模式二次雷達(dá)協(xié)同組網(wǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試方法，該仿真系統(tǒng)通過(guò)采用計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)模擬了S模式雷達(dá)站點(diǎn)、集群網(wǎng)絡(luò)和集群控制器，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同監(jiān)視功能和接口協(xié)議，對(duì)民航S模式雷達(dá)協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)的研究、應(yīng)用以及測(cè)試具有較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：空中交通管理;S模式二次雷達(dá);協(xié)同監(jiān)視功能;仿真

中圖分類號(hào)：TN955+.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）06-0039-04

Abstract：The cooperative surveillance function of S-mode secondary radar is to form a cluster of multiple S-mode secondary radar stations through the ground communication network. The S-mode radar in the cluster can realize the cooperative acquisition and tracking of the target by sharing the target track data. This paper introduces the design and test method of a detailed S-mode secondary radar cooperative networking simulation system，which simulates the S-mode radar station，cluster network and cluster controller by using computer and Ethernet，realizes the cooperative monitoring function and interface protocol，and has good guidance for the research，application and test of civil aviation S-mode radar cooperative networking technology righteousness.

Keywords：air traffic management;S-mode secondary radar;collaborative monitoring function;simulation

0? 引? 言

S模式二次雷達(dá)作為傳統(tǒng)A/C模式二次雷達(dá)的技術(shù)升級(jí)，其所采用的選呼詢問(wèn)和鎖定協(xié)議，可有效減少空中異步干擾和多徑反射。但由于詢問(wèn)機(jī)代碼（II/SI）數(shù)量的限制，在S模式雷達(dá)重疊覆蓋區(qū)域，如果相鄰雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)代碼相同，將導(dǎo)致飛行目標(biāo)被鎖定而無(wú)法獲取全呼應(yīng)答。S模式協(xié)同監(jiān)視功能是將多個(gè)S模式二次雷達(dá)站通過(guò)地面通信鏈路進(jìn)行互連，構(gòu)成一個(gè)集群網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的雷達(dá)節(jié)點(diǎn)通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)交換，采用相同的詢問(wèn)機(jī)代碼（II/SI）以協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)飛行器的捕獲和跟蹤。歐洲航空安全組織在歐洲多個(gè)地區(qū)已經(jīng)建立了多個(gè)協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，有效地解決了二次雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)代碼沖突問(wèn)題并降低了雷達(dá)之間的異步干擾。近年來(lái)隨著S模式技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，中國(guó)民航已要求新建雷達(dá)站具備協(xié)同監(jiān)視組網(wǎng)功能，并同時(shí)開展了S模式協(xié)同監(jiān)視功能相關(guān)課題研究，本文為本公司所承擔(dān)的民航科技項(xiàng)目子課題“S模式協(xié)同監(jiān)視組網(wǎng)研究”的成果之一。在S模式協(xié)同組網(wǎng)研究中構(gòu)建多雷達(dá)組網(wǎng)環(huán)境代價(jià)高昂難以實(shí)現(xiàn)，S模式協(xié)同組網(wǎng)仿真系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)構(gòu)建了一個(gè)協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了S模式二次雷達(dá)協(xié)同監(jiān)視功能的仿真和驗(yàn)證;通過(guò)對(duì)協(xié)同監(jiān)視數(shù)據(jù)的記錄和分析，實(shí)現(xiàn)了S模式協(xié)同監(jiān)視關(guān)鍵技術(shù)性能的測(cè)試和評(píng)估。

1? 協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述

S模式協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)、集群控制器以及地面通信網(wǎng)絡(luò)組成，雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)之間以及雷達(dá)站和集群控制器之間采用ITU-T X.25或者TCP/IP網(wǎng)絡(luò)建立全雙工通信鏈路，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，協(xié)同監(jiān)視可以有兩種運(yùn)行模式：

（1）中心式。中心式網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)獨(dú)立的集群控制器和多個(gè)雷達(dá)站組成，集群控制器負(fù)責(zé)雷達(dá)站之間的數(shù)據(jù)交互，并組織協(xié)同監(jiān)視工作。

（2）分布式。雷達(dá)站之間分別建立多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信鏈路，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每個(gè)雷達(dá)站自行管理和維護(hù)相互之間的協(xié)同監(jiān)視工作。

根據(jù)協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)組成，本文構(gòu)建了一個(gè)協(xié)同組網(wǎng)系統(tǒng)模型，該模型包括協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)、集群控制器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境，以及相關(guān)協(xié)同協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視協(xié)議及接口的框架組成。協(xié)同監(jiān)視系統(tǒng)模型如圖1所示。

每個(gè)地面站包括S模式詢問(wèn)機(jī)、協(xié)同監(jiān)視處理以及通訊處理三部分。

詢問(wèn)機(jī)和飛行器空中接口遵循ICAO附件10規(guī)定詢問(wèn)應(yīng)答協(xié)議，雷達(dá)站在非聯(lián)網(wǎng)獨(dú)立工作時(shí)可自行通過(guò)全呼和選呼詢問(wèn)獲取和跟蹤飛行目標(biāo)，在組網(wǎng)工作時(shí)詢問(wèn)機(jī)通過(guò)協(xié)同監(jiān)視功能獲取飛行器的目標(biāo)信息，直接創(chuàng)建和維護(hù)目標(biāo)航跡。

通訊處理采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)協(xié)議（NMP）檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定集群的穩(wěn)定性并設(shè)定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)運(yùn)行模式和狀態(tài)。每個(gè)集群節(jié)點(diǎn)根據(jù)運(yùn)行模式和狀態(tài)選擇合適的運(yùn)行參數(shù)，包括確定覆蓋圖、雷達(dá)站詢問(wèn)代碼II/SI以及鎖定策略等。

協(xié)同監(jiān)視處理采用目標(biāo)獲取和維護(hù)協(xié)議（TASP）進(jìn)行航跡獲取和維護(hù)，該協(xié)議用于站點(diǎn)之間的目標(biāo)移交，也用于發(fā)送信息到存在航跡缺失的雷達(dá)站點(diǎn)。

集群控制器通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上報(bào)的CAT048目標(biāo)報(bào)告建立整個(gè)集群的航跡列表，執(zhí)行中心模式系統(tǒng)控制協(xié)議，更新相關(guān)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)信息。圖2是協(xié)同監(jiān)視功能協(xié)議組成。

2? 協(xié)同監(jiān)視仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

協(xié)同監(jiān)視功能仿真系統(tǒng)通過(guò)一組計(jì)算機(jī)模擬雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)和集群控制器，所有仿真節(jié)點(diǎn)均接入一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成一個(gè)小型的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同監(jiān)視地面通信網(wǎng)絡(luò)的模擬，如圖3所示。

整個(gè)仿真系統(tǒng)包括6個(gè)雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)、1臺(tái)集群控制器以及1臺(tái)目標(biāo)模擬器。其中雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)采用CentOS7 Linux系統(tǒng)，運(yùn)行雷達(dá)協(xié)同仿真軟件和相關(guān)支撐軟件系統(tǒng)，集群控制器同樣采用CentOS7 Linux系統(tǒng)，并運(yùn)行集群控制器協(xié)同仿真軟件和相關(guān)支撐軟件系統(tǒng)，目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)用于模擬飛行目標(biāo)航跡。另外在仿真網(wǎng)絡(luò)接入一臺(tái)GPS/BD授時(shí)設(shè)備，所有節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)均通過(guò)NTP協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步。

2.1? 雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

雷達(dá)站仿真節(jié)點(diǎn)基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能模塊：網(wǎng)絡(luò)鏈路管理、協(xié)同監(jiān)視功能模塊（SCF）和詢問(wèn)機(jī)模擬器，如圖4所示。

2.1.1? 詢問(wèn)機(jī)模擬器

詢問(wèn)機(jī)模擬器實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)航跡獲取、跟蹤和維護(hù)的仿真，主要包括以下功能：

（1）接收來(lái)自協(xié)同監(jiān)視功能模塊發(fā)送來(lái)的選呼目標(biāo)數(shù)據(jù)，建立雷達(dá)站選呼列表。

（2）由內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生模擬方位信號(hào)，產(chǎn)生詢問(wèn)數(shù)據(jù)消息發(fā)送給目標(biāo)模擬器。

（3）接收目標(biāo)模擬器的目標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬目標(biāo)的航跡創(chuàng)建、跟蹤和終止等處理。

（4）更新選呼目標(biāo)列表，并通知周期監(jiān)視處理模塊接收航跡數(shù)據(jù)。

2.1.2? 協(xié)同監(jiān)視功能

協(xié)同監(jiān)視功能包括以下功能模塊：

（1）周期監(jiān)測(cè)處理。周期監(jiān)測(cè)處理模塊（PMP）定期監(jiān)測(cè)選呼列表，如果有目標(biāo)狀態(tài)發(fā)生改變，將通知網(wǎng)絡(luò)和故障控制模塊。PMP模塊也定期檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)列表，如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化也將通知網(wǎng)絡(luò)和故障控制模塊進(jìn)行處理。

（2）網(wǎng)絡(luò)和故障控制。網(wǎng)絡(luò)和故障控制模塊主要執(zhí)行目標(biāo)獲取和維護(hù)協(xié)議（TASP）以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)之間目標(biāo)航跡獲取，并監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)。

（3）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)列表。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)列表保存了本節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行類型、組網(wǎng)模式以及所對(duì)應(yīng)的覆蓋圖設(shè)置等。

（4）覆蓋圖管理。支持覆蓋圖的導(dǎo)入和更新，根據(jù)當(dāng)前工作模式選擇合適的覆蓋圖。覆蓋圖按照功能劃分，包含鎖定區(qū)域、監(jiān)視區(qū)域和數(shù)據(jù)鏈區(qū)域。

2.1.3? 網(wǎng)絡(luò)鏈路管理

網(wǎng)絡(luò)鏈路管理模塊提供輸出鏈路管理（OLM）服務(wù)，在仿真系統(tǒng)里通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口提供基于TCP/IP連接管理服務(wù)，以及詢問(wèn)機(jī)模擬器和目標(biāo)模擬器之間通訊服務(wù)。為了仿真實(shí)際通信網(wǎng)的延遲和丟包，在該模塊加入了故障模擬功能，可根據(jù)設(shè)定的波特率、延遲、丟包率等進(jìn)行數(shù)據(jù)包的收發(fā)。

2.2? 集群控制器節(jié)點(diǎn)

集群控制器節(jié)點(diǎn)包括協(xié)同監(jiān)視功能、監(jiān)視處理模塊、網(wǎng)絡(luò)鏈路管理等模塊組成，如圖5所示。

2.2.1? 全局選呼目標(biāo)列表

集群控制器接收來(lái)自各個(gè)站點(diǎn)ASTERIX CAT048目標(biāo)報(bào)文，通過(guò)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)，建立和維護(hù)以下目標(biāo)列表：

（1）全局已跟蹤目標(biāo)列表，主要包含當(dāng)前每個(gè)相連的雷達(dá)站正在跟蹤的目標(biāo)信息。

（2）單站已跟蹤目標(biāo)列表，該表包含單個(gè)雷達(dá)站已經(jīng)起始正在跟蹤的目標(biāo)。

（3）單站臨時(shí)航跡目標(biāo)列表，該表包含單個(gè)雷達(dá)站已經(jīng)發(fā)現(xiàn)正在起始的目標(biāo)。

2.2.2? 航跡監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

航跡監(jiān)視數(shù)據(jù)處理通過(guò)協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)接收雷達(dá)站發(fā)送的航跡信息，建立和維護(hù)全局選呼列表，并將航跡數(shù)據(jù)加入到對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)選呼列表中;如果沒有航跡、沒有數(shù)據(jù)接收則刪除該航跡。航跡監(jiān)視數(shù)據(jù)處理也具備坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換功能，可以把航跡數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為雷達(dá)站本地坐標(biāo)。

2.2.3? 協(xié)同監(jiān)視模塊設(shè)計(jì)

協(xié)同監(jiān)視模塊需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）周期監(jiān)測(cè)處理。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)列表和集群控制器全局目標(biāo)選呼列表，根據(jù)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇覆蓋圖并維護(hù)對(duì)應(yīng)的全局選呼列表。如果全局選呼目標(biāo)列表中一個(gè)目標(biāo)狀態(tài)或者集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變，將更新全局選呼目標(biāo)列表并確保網(wǎng)絡(luò)和故障控制模塊對(duì)受影響的目標(biāo)進(jìn)行處理。

（2）網(wǎng)絡(luò)和故障控制器。如果全局選呼目標(biāo)列表目標(biāo)航跡狀態(tài)發(fā)生改變，則發(fā)送協(xié)同監(jiān)視消息給覆蓋責(zé)任區(qū)的雷達(dá)節(jié)點(diǎn)，通知該節(jié)點(diǎn)更新航跡。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)集群拓?fù)浜蜖顟B(tài)判定，以及故障管理功能;當(dāng)SCF出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)哼M(jìn)行重組，并對(duì)故障進(jìn)行隔離而不影響集群其他部分的正常工作。

（3）網(wǎng)絡(luò)鏈路管理。網(wǎng)絡(luò)鏈路管理提供和協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的通訊接口以及集群控制器的監(jiān)控接口。集群控制器作為一個(gè)TCP Server，接受來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求，和每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)TCP連接。

2.3? 目標(biāo)模擬器

目標(biāo)模擬器根據(jù)設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生多個(gè)飛行目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)，當(dāng)模擬器接收到各雷達(dá)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的詢問(wèn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)（包括雷達(dá)的坐標(biāo)，當(dāng)前天線方位、波束寬度、觸發(fā)周期等參數(shù)）時(shí)，根據(jù)雷達(dá)的坐標(biāo)和覆蓋范圍計(jì)算出該雷達(dá)站當(dāng)前波束方向內(nèi)是否存在目標(biāo)，如果存在則將該目標(biāo)數(shù)據(jù)（24位地址、高度、模A碼等飛機(jī)下行參數(shù)）發(fā)送給雷達(dá)節(jié)點(diǎn)。

3? 性能測(cè)試

協(xié)同監(jiān)視功能的性能測(cè)試主要包括數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)過(guò)程，由獨(dú)立的測(cè)試軟件模塊完成，該軟件獨(dú)立運(yùn)行在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，接收網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CAT048目標(biāo)數(shù)據(jù)報(bào)、CAT017協(xié)同監(jiān)視消息以及雷達(dá)節(jié)點(diǎn)和模擬目標(biāo)器之間的詢問(wèn)/應(yīng)答數(shù)據(jù)，按照航跡地址、節(jié)點(diǎn)、天線掃描周期順序存儲(chǔ)在文件里。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)包中CAT048、CAT017以及詢問(wèn)應(yīng)答數(shù)據(jù)的時(shí)間戳以及航跡信息統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以下性能評(píng)估和分析。

3.1? 集群穩(wěn)定性分析

包括對(duì)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)和集群控制器之間鏈路延遲和丟包率的統(tǒng)計(jì)，局部節(jié)點(diǎn)或者集群控制器出現(xiàn)故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)工作模式切換時(shí)間以及集群從中心式切換到分布式的延遲統(tǒng)計(jì)等，如圖6所示。

3.2? 目標(biāo)獲取和維護(hù)時(shí)間

目標(biāo)進(jìn)入集群覆蓋范圍后，從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到將目標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)鄰近雷達(dá)站的延遲實(shí)際，以及相鄰雷達(dá)站收到數(shù)據(jù)后反的饋時(shí)間;雷達(dá)站在重疊覆蓋區(qū)域丟失目標(biāo)后重新請(qǐng)求目標(biāo)數(shù)據(jù)到接收鄰近雷達(dá)站目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的延遲實(shí)際。

3.3? 航跡質(zhì)量分析

分析雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)輸出CAT048的數(shù)據(jù)項(xiàng)，對(duì)航跡數(shù)量、目標(biāo)探測(cè)概率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4? 結(jié)? 論

當(dāng)前中國(guó)民航正在實(shí)施S模式監(jiān)視技術(shù)，逐步采用S模式二次雷達(dá)替換以前的A/C模式二次雷達(dá)，在這過(guò)程中同歐洲一樣也遇到了詢問(wèn)機(jī)代碼沖突和不足的問(wèn)題。通過(guò)多個(gè)雷達(dá)站組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同監(jiān)視功能，可有效解決詢問(wèn)機(jī)代碼沖突問(wèn)題，并降低空中的射頻干擾。協(xié)同監(jiān)視功能仿真系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬了協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)以及集群控制器、雷達(dá)站節(jié)點(diǎn)，解決了協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)需要多個(gè)雷達(dá)站遠(yuǎn)程進(jìn)行跨地區(qū)連接，建立真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境較為困難的問(wèn)題。在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了協(xié)同監(jiān)視協(xié)議模型和軟件架構(gòu)，以及對(duì)協(xié)同監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測(cè)試的工具和方法，可供雷達(dá)廠商以及用戶單位在開發(fā)和實(shí)施S模式協(xié)同監(jiān)視技術(shù)時(shí)加以參考和借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：水泉（1975.11-），男，漢族，安徽合肥人，電子專家，高級(jí)工程師，本科，研究方向：空管二次雷達(dá)。