一種二次雷達(dá)詢問機(jī)數(shù)據(jù)記錄及分析方法

四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 李海軍 羊洪國 張 江

二次雷達(dá)是空中交通管理部門實(shí)現(xiàn)雷達(dá)管制的技術(shù)基礎(chǔ)，對保障飛行器飛行安全發(fā)揮了重要作用。隨著二次雷達(dá)實(shí)際運(yùn)行保障的需求提升，本文設(shè)計了一種二次雷達(dá)地面詢問機(jī)的數(shù)據(jù)記錄方法，并對記錄誤差的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。對于地面詢問機(jī)，可以詳細(xì)記錄每次詢問的發(fā)射時間及譯碼時間，并將這些帶有時標(biāo)的點(diǎn)跡信息發(fā)送到顯控端。在顯控端可詳細(xì)分析：詢問周期及其精度、隨機(jī)抖動值及其精度、譯碼時間、詢問及譯碼一致性等信息。該方法可較好的滿足實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行保障需求。

二次雷達(dá)作為監(jiān)視飛行器的主要手段，在空中交通管制中發(fā)揮著重要作用。二次雷達(dá)主要由地面詢問機(jī)及機(jī)載應(yīng)答機(jī)組成，通過一問一答的方式，通過對飛行器的詢問與接收飛行器對詢問的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)對飛行器的空間三維定位與數(shù)據(jù)通信。對于地面詢問機(jī)，詢問和譯碼的數(shù)據(jù)記錄是二次雷達(dá)重要的人機(jī)接口，為技術(shù)人員分析雷達(dá)性能、排查故障、分析詢問應(yīng)答概率等問題提供重要參考信息。本文根據(jù)二次雷達(dá)運(yùn)行保障需求，設(shè)計了一種二次雷達(dá)地面詢問機(jī)的數(shù)據(jù)記錄方法，對每一次的詢問發(fā)射和譯碼標(biāo)記時間信息，并上報顯控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、回放、分析等功能，可為二次雷達(dá)的安全運(yùn)行提供有力保障。

按照ICAO規(guī)范，傳統(tǒng)空管二次雷達(dá)共有6種詢問模式，分別為1、2、3/A、B、C、D模式。如圖1所示，不同模式的詢問信號格式差異主要在P1和P3的脈沖間隔不同。

圖1 詢問信號格式

1 詢問和譯碼的時間信息標(biāo)注方法

在二次雷達(dá)開機(jī)運(yùn)行之初，如圖2所示，通過受時模塊對地面詢問機(jī)進(jìn)行一次校時，受時模塊提供的時間精度為秒級，詢問機(jī)內(nèi)部FPGA獲取實(shí)際運(yùn)行時間，此時間基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)部細(xì)分計時，計時精度為25ns（FPGA邏輯運(yùn)行時鐘40MHz），受時模塊每秒鐘向地面詢問機(jī)發(fā)射秒脈沖pps，地面詢問機(jī)以秒脈沖pps進(jìn)行秒及以上時間更新，毫秒及以下時間更新由FPGA內(nèi)部計時產(chǎn)生。詢問發(fā)射時間和譯碼時間標(biāo)記格式相同，精度均為25ns，格式為：xx年xx月xx日xx時xx分xx秒xx毫秒xx微妙xx納秒。

圖2 地面詢問機(jī)基準(zhǔn)時間獲取方式

為了方便后期分析，詢問時間信息的標(biāo)注時刻均為P3的上升沿，并且每種模式的P3上升沿到預(yù)觸發(fā)脈沖pre的上升沿時間間隔需一致。以MA和MC交替詢問，5ms詢問周期為例，如圖3所示，MA P3到pre時間間隔與MC P3到pre時間間隔相同，均為T1。對于詢問發(fā)送，MA P3和MC P3的標(biāo)注時刻分別為t1和t3，MA mark和MC mark為譯碼時刻，標(biāo)注時刻分別為t2和t4。詢問周期為t3-t1，在添加隨機(jī)抖動后，周期值還可以反映出隨機(jī)抖動值大小。t2-t1為M3/A詢問譯碼時間差，t4-t3為MC詢問譯碼時間差。

圖3 時間信息標(biāo)注方法

2 時標(biāo)信息分析

在顯控端，收集每次詢問的信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，以5ms詢問周期為例，如圖4、圖5所示。圖4為無隨機(jī)抖動的情況，相鄰兩次詢問的發(fā)送時刻之差可以反映出詢問周期大小，計算出的詢問周期減去預(yù)設(shè)的詢問周期5ms就是隨機(jī)抖動值。圖5為添加0～64us隨機(jī)抖動后的詢問發(fā)射記錄。圖6為詢問譯碼記錄，據(jù)此可以分析詢問周期及其精度、隨機(jī)抖動值及其精度、譯碼時間、詢問和譯碼一致性等信息。這樣就可以清楚的掌握地面詢問機(jī)的每一次詢問和譯碼情況。

圖4 無隨機(jī)抖動，M3/A和MC交替詢問記錄

圖5 隨機(jī)抖動0～64us，M3/A和MC交替詢問記錄

圖6 M3/A和MC交替詢問/譯碼數(shù)據(jù)記錄

3 數(shù)據(jù)記錄誤差原因分析

在實(shí)際系統(tǒng)中，計時誤差是客觀存在的。如圖7所示，主要有以下兩種情況，一是無隨機(jī)抖動時，出現(xiàn)了25ns的抖動值，這是由于預(yù)觸發(fā)驅(qū)動時鐘和詢問計時時鐘為非同源時鐘（詢問機(jī)內(nèi)部不同硬件模塊產(chǎn)生），導(dǎo)致不同時鐘之間同步預(yù)觸發(fā)脈沖存在誤差。另外一種情況是每次秒脈沖pps更新時存在翻秒計時誤差11.150us，受時模塊和地面詢問機(jī)使用的不是同一個晶振，不同晶振間存在頻率偏差，導(dǎo)致翻秒計時誤差。結(jié)合工程實(shí)際情況，以上兩種計時誤差的存在，并不影響實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行保障需求。

圖7 無隨機(jī)抖動，M3/A和MC交替詢問記錄

結(jié)束語：本文設(shè)計了一種二次雷達(dá)地面詢問機(jī)的時標(biāo)信息記錄方法，并對記錄誤差的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。對于地面詢問機(jī)，詢問和譯碼的數(shù)據(jù)記錄是二次雷達(dá)重要的人機(jī)接口，為技術(shù)人員分析雷達(dá)性能、排查故障、分析詢問應(yīng)答概率等問題提供重要參考信息。方便技術(shù)人員掌握地面詢問機(jī)的每一次詢問譯碼情況，為二次雷達(dá)的安全運(yùn)行提供了有力保障。