初探S模式二次雷達的基本原理

王磊

摘 要：二次監(jiān)視雷達是一種應(yīng)用于空中交通管制中的，包含傳遞信息和檢測飛機等功能的雷達系統(tǒng)。我國的空管雷達的使用要追溯到上個世紀(jì)，國家對于這一項技術(shù)在我國的航空領(lǐng)域中的相當(dāng)重視，曾多次委派研究團隊赴外參考學(xué)習(xí)，將這一項技術(shù)引進至國內(nèi)，從最早的A/C模式的雷達系統(tǒng)再到現(xiàn)代的S模式雷達系統(tǒng)，我國在空中管制雷達這一塊的技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟。本文將以S模式二次雷達為議題中心，著重探討一下這一項技術(shù)的基本原理，并談一談這項技術(shù)在在我國航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：S模式;二次雷達;接收信號;基本原理

中圖分類號：TN958.96 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0211-02

0 前言

S模式二次雷達的開發(fā)起源于美國和英國，當(dāng)時飛機數(shù)量大量增加，自動控制ATC系統(tǒng)中涌現(xiàn)眾多異步干擾問題，為此科研人員將每架飛機編上離散地址碼，對雷達掃描波束內(nèi)的目標(biāo)進行點名性的詢問，被點到名的飛機才予以回答[1]。這樣就可以避免A/C交互模式中的A、C兩種模式相關(guān)問題，大大降低雷達的詢問率，進一步減少異步干擾問題。S模式二次雷達安裝了數(shù)據(jù)鏈通信功能，提高了管制系統(tǒng)自動化水平。為此，將S模式詢問定義為離散選址信標(biāo)系統(tǒng)，雷達詢問是針對于特定地址編碼的目標(biāo)進行定向呼叫的詢問。安裝S模式應(yīng)答機的飛機都有特殊的地址碼，飛機對雷達詢問的應(yīng)答信息中必須包含本機地址碼。

1 S模式基本概念及特性

1.1 S模式基本概念

S模式主要是考慮到未來航空航天科技發(fā)展，低高空交通密集情況下，能夠準(zhǔn)確對空中情報進行實時監(jiān)控，獲取可靠的數(shù)據(jù)鏈通信以保證航空安全[2]。S模式支持當(dāng)下的地面?zhèn)鞲胁块T二次雷達系統(tǒng)。S模式由空中防撞、地空數(shù)據(jù)溝通、地面數(shù)據(jù)網(wǎng)等模塊組成。以S模式支持的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)秋w機和地面之間的通信基礎(chǔ)，地空數(shù)據(jù)鏈進行數(shù)據(jù)傳輸時，是地面二次雷達系統(tǒng)和S模式空中應(yīng)答設(shè)備之間的通信溝通。

采用S模式系統(tǒng)雷達和應(yīng)答機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，一方面可以將雷達天線使設(shè)置為定向天線，獲取較高增益，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸;另一方面，雷達自身工作頻率高，數(shù)據(jù)實際傳輸可靠。

在現(xiàn)有ADS-B系統(tǒng)中，應(yīng)用了S模式工作，以固定天線為支持，天線形式為全向天線，增益較低，為實現(xiàn)遠距離傳輸，ADS-B系統(tǒng)采用甚高頻頻段傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸效率可靠[3]。

S模式屬于一種離散尋址詢問數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)，以雷達自身可靠性支持，實現(xiàn)雙通道傳輸數(shù)據(jù)。通過地面雷達設(shè)備和機載應(yīng)答機支持，將詢問目標(biāo)身份信息發(fā)送給飛機，目標(biāo)24位地址模二加到消息后24位奇偶校驗位，指明需相應(yīng)目標(biāo)[4]。此外，每架飛機單獨詢問，由一頻率收發(fā)機通報應(yīng)編碼24位ICAO地址識別。飛機掃描接收到后以單脈沖技術(shù)應(yīng)答，將飛機各應(yīng)答分割開來，避免A、C模式應(yīng)答和S模式混淆，避免飛機通訊受到異步干擾。

1.2 基本特征

S模式具有以下四種特征：

（1）選擇性尋址，S模式信號可選擇性詢問S模式應(yīng)答機，整體地址數(shù)量在16000000個以上，確保各個飛機都能有唯一的地址。（2）雷達站和飛機應(yīng)答機之間以S模式傳輸數(shù)據(jù)，采用56/112為合適3類幀支持。（3）可自動檢錯糾錯。（4）單次天線掃描，采取單個詢問、應(yīng)答支持。自適應(yīng)再詢問可對未作應(yīng)答飛機詢問，提高檢錯概率。

2 S模式相較于傳統(tǒng)模式的優(yōu)越性

S模式二次雷達不單單是傳統(tǒng)A/C模式監(jiān)視雷達的升級，S模式以A/C模式為支持，再此基礎(chǔ)上進行了一定的優(yōu)化改進，但是其有對A/C模式的兼容及改進。

對A/C模式而言，其二次監(jiān)視以一次雷達支持完成，在兼容上，S模式是二次雷達，遵循一次雷達1090MHz應(yīng)答頻率及1030MHz詢問頻率[5]。此外，S模式二次雷達應(yīng)用中，不能對A/C系統(tǒng)無影響，不能對傳統(tǒng)A/C系統(tǒng)運行方式及設(shè)備穩(wěn)定性無任何影響或改變。

因此，要求S模式二次雷達應(yīng)用中需符合以下要求：一方面，S模式二次雷達詢問中，發(fā)射P2脈沖，需以旁瓣抑制方式支持，在數(shù)據(jù)發(fā)射完畢前，抑制時間完成P6脈沖;另一方面，傳統(tǒng)A/C模式詢問及接收機執(zhí)行穩(wěn)定性關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸效率及質(zhì)量，此時S模式應(yīng)答時不可做出干擾。S模式脈沖位寬及應(yīng)答格式屬于獨立存在個體，傳統(tǒng)A/C模式確立飛機位置，需多個同步應(yīng)答確定，而S模式無需多個同步應(yīng)答確定，定位效率大大提高。

S模式是信息時代的技術(shù)產(chǎn)物，本身具有A/C模式優(yōu)勢，又對A/C模式進行升級，在技術(shù)的上涉及到A/C系統(tǒng)無法滿足的高精度數(shù)據(jù)交互控制[6]。S模式應(yīng)答中數(shù)據(jù)鏈中包含大量需求性數(shù)據(jù)，而在A/C系統(tǒng)中其數(shù)據(jù)梳理復(fù)雜，準(zhǔn)確性偏低，針對最近歷史天線掃描接收數(shù)據(jù)進行的比對，得到分析結(jié)果。而S模式采用“點對點”模式，不再使用信號幅度和OBA辨識，即使兩飛機距離較近，S模式也可定位飛機具體位置，實時監(jiān)控。此外，S模式確定監(jiān)控目標(biāo)時，不需要通過詢問解決異步干擾，對飛機位置確認詢問量少，針對一架飛機詢問，節(jié)省大量時間。

3 S模式二次雷達工作原理

3.1 工作模式

二次雷達工作模式具有多樣化特征，其以不同編碼方式為支持，可以劃分出多種不同的工作模式。當(dāng)下，我們對S模式二次雷達工作模式劃分主要依靠國際規(guī)定劃分，由ICAO通用的SSR工作模式，將S模式二次雷達工作模式劃分為1、2、A、B、C、D和S類型。當(dāng)下常用A（獲取飛機航管編號）、C（獲取飛機氣壓高度信息）兩種方式支持。

3.2 詢問應(yīng)答模式

詢問（上行格式）以UF（UPLINK FORMAT）支持， 應(yīng)答（下行格式）采用DF（DOWNLIK FORMAT）支持。其中，S模式二次雷達應(yīng)答模式的“應(yīng)答”分為DF4、DF5、DF11、DF20、DF21、DF24等，以格式4、5實現(xiàn)詢問應(yīng)答短消息的監(jiān)視，對飛機高度進行識別。20、21主要是在詢問應(yīng)答標(biāo)準(zhǔn)長度信息的通信A/B，對其高度識別。11是在詢問應(yīng)答中實施S模式呼叫。24在詢問應(yīng)答擴展長度信息通信C、D。

應(yīng)答機以1090MHz頻率發(fā)送信號，信號有解碼設(shè)備經(jīng)檢測前四個脈沖識別。應(yīng)答報頭脈沖間隔的距離限制，導(dǎo)致其不可被偶然兩個模式A、C應(yīng)答交疊偽造。若另一應(yīng)答遮住四個脈沖其中一些，則別的脈沖上升沿可用作目標(biāo)距離測試。應(yīng)答數(shù)據(jù)在報頭脈沖后的數(shù)據(jù)塊當(dāng)中，通過脈沖位置進行調(diào)制，將數(shù)據(jù)編碼處理。對各個位來說，持續(xù)1μs，有脈沖和無脈沖時間段，二進制1以脈沖后加無脈沖表示，二進制0以無脈沖加脈沖表示。在每個前0.5μs內(nèi)，應(yīng)答數(shù)據(jù)以有脈沖表示1，無脈沖表示0，且以相反方式出現(xiàn)在接下來的0.5μs中、采用這種編碼方式，其穩(wěn)定性良好，可抵抗大多干擾，不會干擾某一位置脈沖或在鄰近位置插入脈沖。一次詢問中，應(yīng)答數(shù)據(jù)以56位短形式或112長形式。

3.3 S模式二次雷達詢問應(yīng)答過程

過程為：在雷達有效支持范圍內(nèi)，飛機進入，S模式UF11被二次雷達發(fā)射，飛機接收到對應(yīng)數(shù)據(jù)信息。在呼叫中，呼叫詢問地址碼、詢問器信息互相作用，應(yīng)答機以24地址信息及詢問器代碼確定信息，之后進行應(yīng)答，雷達應(yīng)答后，飛機地址碼識別鎖定。

4 S模式使用協(xié)議分析

S模式二次雷達使用協(xié)議也具有多樣性，由LOCKOUT（鎖定協(xié)議）、MULTISITE（多現(xiàn)場協(xié)議）、NONSELECTIVE（非選擇性協(xié)議）組成，以下就三種協(xié)議詳細分析。

4.1 LOCKOUT

為鎖定飛機，獲取詢問器代碼機地址，雷達發(fā)送S模式全呼，點名輪呼LOS字段，鎖定飛機。之后，為避免雷達間無異步干擾或減少異步干擾，純S模式的全呼鎖定18s后應(yīng)答。

4.2 MULTISITE

單獨工作模式才能使用MULTISITE，雷達有自身II碼，各雷達的可獨立對數(shù)據(jù)鏈信息控制。主要是II碼將儲存在應(yīng)答機中，下次接受訊息后能迅速辨別響應(yīng)。

4.3 MULTISITE

MULTISITE和SCN協(xié)議主要應(yīng)用于雷達II碼不夠使用，或雷達覆蓋區(qū)域產(chǎn)生大量重復(fù)覆蓋時使用的。選擇該協(xié)議，需滿足雷達間有同樣II碼，且不同雷達覆蓋區(qū)域重復(fù)。但是，應(yīng)用該協(xié)議需滿足兩方面條件，一方面，要求雷達間有相同II碼，在SCN上運行;另一方面，SCN有分布式和集中式協(xié)議，都可滿足數(shù)據(jù)及信息交流共享需求。

5 S模式特點的及優(yōu)點

采用S模式支持，在A/C模式下，對數(shù)據(jù)傳輸、交互等進行改進。

（1）S模式監(jiān)視下的單脈沖功能可以確保ATCRBS適當(dāng)減少查詢次數(shù)，提高目標(biāo)定位精準(zhǔn)性及時效性。ATCRBS查詢減少，則RF（射頻）對傳輸環(huán)境的干擾也得到有效控制。（2）即使兩飛機距離較近，以S模式支持，可以通過查詢定位，準(zhǔn)確判斷彼此位置，避免彼此產(chǎn)生干擾。（3）地空、空地通信以S模式為支持，在航空領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，一些飛行密集區(qū)域，為確保飛機飛行穩(wěn)定，以S模式數(shù)據(jù)規(guī)劃具體飛行路線，為航空員提供精準(zhǔn)的實時定位，避免事故發(fā)生。

從S模式二次雷達優(yōu)點分析，發(fā)現(xiàn)S模式重點及適用性較好，在航空領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用價值，對推進航空事業(yè)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

6 結(jié)語

綜上所述，在航空發(fā)展中，一次雷達屬傳統(tǒng)雷達范疇，在我國航空事業(yè)發(fā)展中已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。二次雷達屬于信息技術(shù)革新后的產(chǎn)物，二次雷達歷經(jīng)多方面發(fā)展，從常規(guī)雷達、單脈沖雷達最終發(fā)展到S模式支持的二次雷達，獲取大量信息，技術(shù)逐漸向高精端發(fā)展。

參考文獻

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