基于二次雷達(dá)的機(jī)場(chǎng)雷達(dá)探測(cè)終端的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

廖毅軒

摘要：隨著航空技術(shù)的發(fā)展，機(jī)場(chǎng)雷達(dá)終端系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。其設(shè)計(jì)過程以二次雷達(dá)原理為基礎(chǔ)，引導(dǎo)和控制飛機(jī)。文章對(duì)二次雷達(dá)探測(cè)終端的工作原理和系統(tǒng)組成進(jìn)行說(shuō)明，從系統(tǒng)設(shè)備組成以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面對(duì)二次雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行概述。文章通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)提出的機(jī)場(chǎng)雷達(dá)探測(cè)終端進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的機(jī)場(chǎng)雷達(dá)探測(cè)終端在探測(cè)范圍和探測(cè)距離精度兩個(gè)方面均符合探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以期通過對(duì)機(jī)場(chǎng)雷達(dá)探測(cè)終端的研究提升機(jī)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：二次雷達(dá)；航空技術(shù)；終端系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN958.96 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展，通用機(jī)場(chǎng)的數(shù)量持續(xù)增加。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2022年6月，通用機(jī)場(chǎng)數(shù)量達(dá)384個(gè)，受飛機(jī)起飛架次數(shù)量擴(kuò)大的影響，飛行管理難度明顯提升［1］。在飛行過程中，交織碼元幅度信息的變化不是規(guī)則的，這使得在飛機(jī)的應(yīng)答信號(hào)交織時(shí)，傳統(tǒng)的二次雷達(dá)識(shí)別和提取精確度有所降低，如提取錯(cuò)誤的代碼、高度測(cè)角精度不夠等方面。加強(qiáng)飛行管理是航空事業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)，這就要求機(jī)場(chǎng)的終端系統(tǒng)具有較強(qiáng)的處理能力和抗干擾能力［2］。余苗［3］針對(duì)二次雷達(dá)設(shè)計(jì)出一種補(bǔ)償系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有降低時(shí)間及人力成本和提高精準(zhǔn)程度等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了機(jī)場(chǎng)雷達(dá)終端的設(shè)備組成及設(shè)計(jì)要求，以期能夠?yàn)槲覈?guó)未來(lái)機(jī)場(chǎng)雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)提供參考，為終端系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。

1 二次雷達(dá)探測(cè)終端原理

1.1 工作原理

二次雷達(dá)在開機(jī)狀態(tài)下，可以初始化信號(hào)處理機(jī)和信號(hào)交換機(jī)等設(shè)備，其工作方式為電源模塊發(fā)送電壓到其他模塊中。在初始化過程中，由于接收命令和控制數(shù)據(jù)的不同，系統(tǒng)對(duì)命令和控制的響應(yīng)方式也不同。主程序不受這一規(guī)則限制，不會(huì)受到任何命令或數(shù)據(jù)的影響［4］。

二次雷達(dá)通常由操作員通過雷達(dá)監(jiān)視或本地監(jiān)視的方式，將獲取的查詢模式與方向等數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘?hào)處理機(jī)，就可以達(dá)到定位目標(biāo)位置的目的。其內(nèi)部的工作模式略顯復(fù)雜，將信息通過數(shù)據(jù)融合單元進(jìn)行處理，并把查詢處理后的信息傳輸給其他單元。能夠接收這種信息的單元有兩個(gè)，分別為編碼單元和解碼單元。其會(huì)根據(jù)請(qǐng)求方式的不同，用修改或混合的方式來(lái)處理發(fā)射機(jī)的頻率碼與編碼符號(hào)等，通過開關(guān)發(fā)送無(wú)線電信號(hào)。

二次雷達(dá)依靠主雷達(dá)顯示的點(diǎn)航跡數(shù)據(jù)來(lái)判斷目標(biāo)位置，點(diǎn)航跡數(shù)據(jù)的獲取則通過3條信道和接收機(jī)獲得。信道主要為Ω天線通道、∑天線信道以及Δ天線信道。接收機(jī)的主要作用就是將產(chǎn)生的基帶IQ信號(hào)發(fā)送至信號(hào)處理機(jī)，此設(shè)備處理方式包括幅度壓縮、點(diǎn)跡凝集等。

1.2 目標(biāo)檢測(cè)原理

二次雷達(dá)作為雷達(dá)終端設(shè)計(jì)的重要部分，系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)期間與飛機(jī)的反射面積不存在相關(guān)性，即一次雷達(dá)與二次雷達(dá)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)中的方式存在差異。與一次雷達(dá)相比，二次雷達(dá)在信息傳輸過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量更低。系統(tǒng)在進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的過程中，不是檢測(cè)飛機(jī)的反射能量，而是由其接收飛機(jī)發(fā)射信號(hào)后產(chǎn)生的信號(hào)回波。因此，雷達(dá)終端系統(tǒng)的檢測(cè)與飛機(jī)的反射面積無(wú)關(guān)，回波強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生改變。除此以外，雷達(dá)終端系統(tǒng)在接收和發(fā)送信號(hào)期間的頻率存在差異。當(dāng)?shù)孛婊驓庀竽繕?biāo)發(fā)射信號(hào)時(shí)，由于其信號(hào)接收為1 030MHz接收機(jī)，無(wú)法對(duì)1 090MHz接收機(jī)接收系統(tǒng)終端信號(hào)造成干擾。其信號(hào)類型不僅包括目標(biāo)的距離，還涵蓋了目標(biāo)的代碼、高度等信息內(nèi)容。本研究通過對(duì)雷達(dá)終端系統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)原理的說(shuō)明，闡述了系統(tǒng)組成及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，以此為基礎(chǔ)，為后續(xù)進(jìn)行雷達(dá)終端系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1.3 系統(tǒng)組成

雷達(dá)終端系統(tǒng)由3種系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中，主機(jī)分系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：處理和轉(zhuǎn)化分機(jī)。

天饋分系統(tǒng)又被稱為二次雷達(dá)天線，其組成部分可以分為3種，第一種為左半部分，由相應(yīng)的輻射單元構(gòu)成，其中包含35個(gè)前向輻射振子和1個(gè)反向輻射振子，所有輻射振子構(gòu)成方式相同，由11個(gè)耦集子構(gòu)成。此系統(tǒng)第二部分和第三部分同樣由輻射單元構(gòu)成［5］。

主機(jī)分系統(tǒng)根據(jù)各分機(jī)負(fù)責(zé)的內(nèi)容不同，將內(nèi)部分機(jī)分為兩種。第一種為處理分機(jī)，它主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的構(gòu)成，例如信號(hào)處理模塊的構(gòu)成、電源模塊的構(gòu)成等。第二種為轉(zhuǎn)換分機(jī)，它主要作用為可篩選多 ??種射頻信號(hào)，選擇信號(hào)傳輸和接收的最佳路徑［6］。

監(jiān)控分系統(tǒng)通過網(wǎng)線與主機(jī)系統(tǒng)連接。該系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為維護(hù)軟件和計(jì)算機(jī)。其中，維護(hù)軟件主要依靠計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行，在傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)方面有著重要的作用。

2 二次雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)備組成

雷達(dá)終端系統(tǒng)由3個(gè)部分組成。第一種為天饋系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)通過天線傳輸電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射詢問信號(hào)和接收應(yīng)答信號(hào)的功能。第二種為主機(jī)系統(tǒng)，是雷達(dá)系統(tǒng)中最重要的組成部分，整個(gè)系統(tǒng)中主要的工作都由其內(nèi)部的處理分機(jī)和轉(zhuǎn)換分機(jī)完成。第三種為監(jiān)控系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)控制二次雷達(dá)接收機(jī)的工作以及通過監(jiān)控維終端完成對(duì)接收機(jī)的監(jiān)控工作。二次雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備組成功能及數(shù)量如表1所示。

以處理分機(jī)為例，其由詢問電源、發(fā)射機(jī)、信號(hào)處理等模塊構(gòu)成，處理分機(jī)的組成如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

機(jī)場(chǎng)雷達(dá)的終端系統(tǒng)對(duì)性能的要求很高，具體數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度指標(biāo)如表2所示。

環(huán)境條件要求如下：（1）溫度要求。室內(nèi)溫度最低溫度要求為0℃、最高溫度要求為45℃，室外溫度最低溫度要求為-50℃、最高溫度要求為70℃；（2）濕度要求。在室內(nèi)工作時(shí)，如果溫度為30℃，工作環(huán)境的最低濕度為30%，最高濕度應(yīng)≤98%；（3）供電要求。雷達(dá)系統(tǒng)主機(jī)工作電流為220 V，最佳工作電壓為50 Hz，電壓為交變電壓，主機(jī)系統(tǒng)的耗電量不大于3 kVA，系統(tǒng)功耗要求低于10 kVA。

本次測(cè)試的雷達(dá)系統(tǒng)通過對(duì)工作設(shè)備進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，使得到的測(cè)試結(jié)果具有時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。冗余設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)方法的不同，分為雙重?zé)醾浞莺湍K冗余備份兩個(gè)部分。雖然雙重?zé)醾浞菹啾饶K冗余備份，系統(tǒng)有更高的穩(wěn)定性和獨(dú)立性，但是基于可靠性和成本、功耗等方面考慮，本研究選擇了更適合項(xiàng)目測(cè)試。

3 應(yīng)用效果分析

為證明本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能指標(biāo)可以滿足雷達(dá)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可以作為該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，本研究仔細(xì)檢測(cè)了主機(jī)分系統(tǒng)等所有參加測(cè)試的系統(tǒng)是否能夠正常工作并將雷達(dá)系統(tǒng)整體調(diào)試到最佳狀態(tài)。準(zhǔn)備工作完成后，本次實(shí)驗(yàn)將在某實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

3.1.1 雷達(dá)終端系統(tǒng)探測(cè)范圍檢驗(yàn)方法

測(cè)試?yán)走_(dá)終端系統(tǒng)的范圍應(yīng)用以下方法：（1）在雷達(dá)終端系統(tǒng)保持開機(jī)狀態(tài)下，連續(xù)24h對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)；（2）通過雷達(dá)探測(cè)得到的結(jié)果，記錄被探測(cè)目標(biāo)可以達(dá)到的最遠(yuǎn)距離，記錄方法可以為人工記錄或分析終端分系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)等。

合格判據(jù)：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中挑取探測(cè)高度超過10 km的數(shù)據(jù)，若雷達(dá)的探測(cè)距離超過380km，則符合探測(cè)范圍測(cè)試設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 雷達(dá)終端系統(tǒng)探測(cè)精度檢驗(yàn)方法

測(cè)試?yán)走_(dá)終端系統(tǒng)的探測(cè)精度應(yīng)用以下方法：（1）在雷達(dá)終端系統(tǒng)保持開機(jī)的狀態(tài)下，連續(xù)24h探測(cè)空中民航飛機(jī)；（2）在終端系統(tǒng)工作時(shí)同時(shí)記錄分系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)；（3）利用ADS-B地面站自動(dòng)獲取其監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)飛機(jī)的位置信息；（4）將測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果和系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析后計(jì)算距離精確度和方位精確度的平均方根值，以此來(lái)判斷系統(tǒng)的精確度。

合格判據(jù)：系統(tǒng)測(cè)試以距離和方位兩個(gè)指標(biāo)為判斷依據(jù)，方位精度和距離精度設(shè)計(jì)要求分別為<0.1°和<45m。

3.2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

此基于二次雷達(dá)的機(jī)場(chǎng)雷達(dá)探測(cè)終端實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)探測(cè)范圍以及探測(cè)距離精度進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

通過表3中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，提出的系統(tǒng)探測(cè)范圍和探測(cè)距離精度檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)分別為459.2km、19.8m，證實(shí)本次實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的指標(biāo)符合雷達(dá)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)雷達(dá)終端系統(tǒng)的研究，獲取關(guān)鍵性的技術(shù)手段。本文通過雷達(dá)探測(cè)終端系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與ADS-B地面站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析的結(jié)果，提出的機(jī)場(chǎng)雷達(dá)終端系統(tǒng)在探測(cè)范圍和探測(cè)距離精度方面均滿足設(shè)計(jì)要求，在航空飛行管理的整體改進(jìn)和機(jī)場(chǎng)雷達(dá)終端系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用方面有著重要的理論價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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［5］水泉，黃濤.基于通用服務(wù)器平臺(tái)的S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)研制［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2020（7）：91-95.

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（編輯 王永超）

Design and application of airport radar detection terminal based on secondary radar

Liao? Yixuan

（Civil Aviation Guangzhou ATM Systems Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510410， China）

Abstract：? With the development of aviation technology， the airport radar terminal system has been widely used. Its design process is based on the principle of secondary radar to realize the purpose of aircraft guidance and control. The working principle and system composition of the secondary radar detection terminal are explained， and the design mode of the secondary radar system is summarized from two aspects of the system equipment composition and the system design requirements. The proposed airport radar detection terminal is tested by experiment， and the results are found that the designed airport radar detection terminal meets the detection range and detection distance accuracy， in order to improve the stability of the airport operation through the research of the airport radar detection terminal.

Key words： secondary radar; aeronautical technology; terminal system