基于自主動態構建S模式雷達鎖定地圖的研究

摘要：模式S二次雷達是對傳統A/C雷達工作方式的變革，擴展出數據鏈能力，提供更豐富的監視信息，逐步成為空管監視領域主要的探測系統。隨著S模式雷達推廣使用，詢問碼短缺和1090MHZ信道擁塞問題也突顯出來，讓S模式雷達走向集群組網，成為一個協同監視體系。在協同監視工作模式下，每部雷達必須設置鎖定地圖（LockoutMap），而地圖的設置是一個比較復雜的問題，這里提出了一種基于自主機制動態構建鎖定地圖的方法，提高組網運行效率，降低風險。

關鍵詞：雷達S模式;鎖定地圖;飛機雷達

一、引言

S模式數據鏈是民航監視體系重要的低空數據鏈技術，它支持二次監視雷達（SSR）、防相撞系統（TCAS）、廣播式自動相關監視（ADS-B）以及多點系統（MLAT）的運行。由于支持的探測系統較廣，而其頻率帶寬有限，在飛行流量密集區域，信號的擁塞嚴重，會存在目標丟失的現象，為解決這類問題，歐控（EUROCONTROL）早在本世紀初就制定S模式二次雷達組網運行體制。組網體制中核心解決的兩類問題，一是將多個站點進行聚類集群，二是解決一個集群中的協同運行，即鎖定地圖的設置策略。如何設置鎖定地圖，就需要對S模式二次雷達運行機制進行分析。

（一）S模式雷達運行方式

S模式二次雷達采用全呼（ALL-CALL，AC）和選呼（ROLL-CALL，RC）兩種詢問方式。一般情況下AC和RC是交替進行的，在AC階段，雷達完成對目標的捕獲，獲取其唯一的24位ICAO地址;在RC階段，利用獲取的24位ICAO地址對該目標進行點名詢問，獲取高度、航空器標識及BDS等信息。

1.ALL-CALL運行模式

S模式雷達全呼叫模式采用UF11的數據鏈詢問，飛機以DF11數據鏈應答，上下行格式如圖1。其中，全呼詢問中以24個“1”作為地址，所有未被鎖定的飛機依據詢問捕獲概率（PR字段）進行應答。飛機收到UF11后進行全呼應答，雷達獲取飛機的大致位置和S模式地址，并將其加入選呼列表。全呼的過程中，雷達需要依據鎖定地圖來進行PR字段設置，確定是否鎖定飛機應答機。

2.ROLL-CALL運行模式

飛機被全呼捕獲后，雷達依據選呼列表開始跟蹤目標并進行點名詢問。選呼中包含目標地址且在預期的目標位置進行詢問。選呼過程中也會依據鎖定地圖發送鎖定命令，通過鎖定詢問器代碼來抑制全呼應答。選呼詢問的格式有四種分別是UF4、UF5、UF20、UF21，對應的應答格式是DF4、DF5、DF20、DF21，數據鏈格式如圖2，其中SD包含鎖定信息，對4、5兩種類型的格式沒有MA或MB字段。

3.鎖定地圖

組網中的雷達通過鎖定地圖來實現鎖定，鎖定地圖由三維空間格組成。空間格的大小依據管制運行間隔設定，一個空間格有大約5NM×5NM×200ft的。空間格含有鎖定的狀態，如狀態值為1，則該空間格的飛機被雷達鎖定，如狀態值為0，則飛機不會被鎖定，如圖3所示。

二、動態鎖定地圖運行構建

本文主要解決組網后雷達之間的地圖鎖定問題。將雷達覆蓋區域分成5NM×5NM×200ft的空間單元，每個空間單元給出鎖定狀態，如1表示鎖定，0表示未鎖定，形成一張雷達組網的鎖定地圖。這張地圖看似容易生成，實則考慮到真實覆蓋的情況和雷達離線情況，準備的地圖將會很多。我們利用雷達組網之間的信息交互，動態的實現鎖定地圖的更新。

（一）組網鎖定地圖描述

同一組網中，我們給每個S模式站點設置鎖定地圖（LockoutMap），只要相鄰站點之間的關系穩定，就無需改變鎖定地圖的狀態。

當前的鎖定地圖分配存在兩個問題。首先，很難創建最佳鎖定圖。為了創建鎖定地圖，我們通過基于地形數據的計算機模擬使用視線監視覆蓋范圍，模擬覆蓋不能夠完全匹配真實覆蓋，存在一定的差異性。其次，隨著站點數量的增加，必須準備許多地圖，如果n（n=2，3，4，...）個站點接入網絡，則需要2n個鎖定地圖。管理2n個鎖定地圖是十分復雜的。因此，讓每個站點動態自主構建鎖定地圖，問題將變得簡單化。

（二）動態自主地圖構建

實現自主構建的前提是相鄰站點的信息交互，就是雷達組網中定義的ASTERIX 017格式。它由兩種類型的信息，即在線信息（AliveMessage）和目標信息（TargetMessage），消息格式如圖5所示。

1.初始階段

為了簡單化，我們以兩個雷達站組網來進行說明。首先是依據覆蓋創建初始鎖定地圖，圖5說明兩個雷達站的覆蓋情況，將其劃分未4個區域，其中A2和A3是重疊區域。對于雷達1來說，這四個區域代表意思如表2所示，雷達2則反之，設定在重疊區域距離近的雷達負責鎖定，也可設定重疊區域內雷達相對于航線夾角大的負責鎖定。

構建的初始鎖定地圖，并不是真實情況，下面通過兩個雷達站之間通過信息交互，來進行重疊區域的確定，逐步逼近真實的重疊區域，以及對鎖定地圖不斷優化。

2.動態自主階段

在運行穩定的組網中，初始階段完成了覆蓋重疊區域的確認，構建最基本的鎖定地圖，這里涉及到覆蓋地圖的構建。自主階段就是依據信息交互動態構建鎖定地圖。下面以頂空盲區重疊空間元來說明動態構建說定地圖過程。

頂空盲區重疊空間元：依據就近原則，雷達A的頂空盲區應由雷達A來負責詢問鎖定，頂空盲區不確定性，很難構建。此時，通過信息交互，雷達B在4-10秒內未收到雷達A頂空盲區的目標信息，則雷達B啟動對雷達A頂空盲區的詢問覆蓋，并修改組網中鎖定地圖。如果是其他遮蔽區域空間元也是一樣處理方式。如果重疊區域兩部雷達都不能夠詢問到目標，則將該區域改為A4，從鎖定地圖中去除。

對于某一雷達離線后，組網內的其他雷達通過在線信息（AliveMessage）確認該雷達離線，其他雷達負責接管重疊區域的鎖定狀態，更新鎖定地圖。雷達恢復正常進入組網后，同樣依據在線信息，其他雷達釋放該雷達重疊區域的鎖定狀態，由該雷達負責詢問鎖定，更新組網鎖定地圖。

這樣通過信息交互的方式，實現組網監視下鎖定的地圖的最優配置，還可以擴展鎖定條件，不斷優化鎖定地圖。如流量密度大的情況下，獲取更多S模式信息，將某部雷達部分空間元的鎖定交由其他雷達處理，減少該雷達選呼頻次，并達到信息最大化。

三、結論

本文立足于解決S模式組網后鎖定地圖的優化，提出了動態自主構建鎖定地圖優化方案，對于實際運行還要考慮更多，尤其是初始階段，需要對雷達覆蓋范圍進行確認，這樣可以更快的實現鎖定地圖的構建。后期研究嘗試將ADS—B（自動相關監視）和MLAT（多點監視）站點信息輔助S模式二次雷達鎖定地圖構建，減少運行中的風險，使地圖構建更加可靠。

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作者簡介：郭林輝（1983-1），男，漢族，江蘇省鹽城市人，碩士學歷，工程師職稱，現任民航安徽空管分局單位機務員，主要研究方向：空管監視系統。