基于奇偶校驗編碼的S模式雷達(dá)誤碼保護機制仿真

曾增威

（民航珠海空管站技術(shù)保障部終端設(shè)備室 廣東 珠海 519040）

0 引言

二次監(jiān)視雷達(dá)是目前我國民航使用最廣泛且比較成熟的雷達(dá)技術(shù)，其工作原理是采用詢問應(yīng)答的模式進(jìn)行目標(biāo)的識別，詢問頻率按規(guī)定在1 030 MHz、應(yīng)答頻率按規(guī)定在1 090 MHz[1]。國際民航組織將其劃分為獨立協(xié)同式監(jiān)視，主要包括A/C模式二次監(jiān)視雷達(dá)和S模式二次監(jiān)視雷達(dá)。其中，S模式二次監(jiān)視雷達(dá)是為解決A/C模式存在的異步干擾、代碼不足以及高度精度不準(zhǔn)確等弊端而提出的解決方案[2-3]。

隨著我國民航設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，二次監(jiān)視雷達(dá)的雷達(dá)覆蓋面積在我國已經(jīng)相當(dāng)完善，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。特別在ADS-B應(yīng)用上，因為二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備的普遍，使用S模式二次監(jiān)視雷達(dá)作為ADS-B數(shù)據(jù)鏈技術(shù)被推廣使用[4]。在數(shù)據(jù)鏈傳輸中，編碼的正確性是一個重要課題，檢錯機制顯得尤其重要。奇偶校驗編碼作為一種檢錯碼使用尤其廣泛。二次監(jiān)視雷達(dá)S模式誤碼保護機制亦采用了奇偶校驗編碼來進(jìn)行檢錯保護。

奇偶校驗編碼的特性以及技術(shù)的相關(guān)研究頗為豐富，而針對S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的奇偶校驗具體實現(xiàn)卻較為缺乏。有關(guān)S模式二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)分析也論著頗豐，而對誤碼保護機制卻很少提及。

針對上述問題，本文主要討論S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的誤碼保護算法原理以及利用Java編程語言實現(xiàn)一個二進(jìn)制編碼的簡化模型，并模擬生成S模式二次監(jiān)視雷達(dá)校驗碼的相關(guān)字段。

1 S模式誤碼保護算法

1.1 S模式二次監(jiān)視雷達(dá)誤碼算法結(jié)構(gòu)

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的數(shù)據(jù)編碼包括詢問數(shù)據(jù)、應(yīng)答數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)位編碼。詢問數(shù)據(jù)塊和應(yīng)答數(shù)據(jù)塊均由56或112個數(shù)據(jù)單元組成。詢問數(shù)據(jù)塊用于詢問航空器相關(guān)信息，應(yīng)答數(shù)據(jù)塊用于對詢問信號應(yīng)答[5]。S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的詢問和應(yīng)答模式的數(shù)據(jù)格式定義包括基本字段、未分配的編碼空間、零和未分配的編碼以及軍用格式保留。未分配的編碼空間由全零組成，由詢問機和發(fā)射機發(fā)射。對于零和未分配的編碼，意味著沒有操作要求[6]。軍用格式用途是各國軍方自己定義的編碼。而對于所有有效數(shù)據(jù)信息，基本字段則是必不可少的。

基本字段包含有兩個字段，一個是專門定義傳輸信號格式的描述符，用來標(biāo)明是上行格式還是下行格式，存在于所有格式報文的開頭。其中UF表示上行鏈路格式，DF表示下行鏈路格式。另一個字段出現(xiàn)在傳輸信號結(jié)尾的24位字段，該字段包含奇偶校驗信息，即本文要討論及研究的重點。奇偶校驗信息可以分為兩大類，分別是AP（地址/奇偶）和PI（奇偶/詢問器識別）。PI字段僅在下行鏈路中使用，未在上行鏈路中使用。這兩個基本字段是信號傳輸中的基本信息，在兩個基本字段中間的位字段，則是定義了的包含各種信息的各種數(shù)據(jù)格式，見圖1。

1.2 S模式二次監(jiān)視雷達(dá)誤碼保護機制

S模式二次監(jiān)視雷達(dá)誤碼保護機制采用的技術(shù)是奇偶校驗編碼，其奇偶校驗碼的產(chǎn)生來自于信息位序列（m1,m2,..,mk,）生成的一個奇偶校驗序列，該序列是一個24位的序列。在信息位序列中，k的值有兩種，分別是32和88，代表短型和長型兩種信息。奇偶校驗序列通過以下多項式產(chǎn)生：

在應(yīng)用二進(jìn)制多項式時，用x24[M(x)]除以G(x)產(chǎn)生奇偶校驗編碼。在這里M(x)稱為信息脈沖，由信息位序列推導(dǎo)而來。信息脈沖M(x)如下所示：

mk+mk-1x+mk-2x2+..+m1xk-1

x24[M(x)]的結(jié)果即在M(x)序列后面補24個0，而x24[M(x)]除以G(x)的余子式R(x)則用于產(chǎn)生奇偶校驗序列，其中余子式R(x)的次數(shù)小于24。假設(shè)奇偶校驗序列為pi(i=1～24)，pi的值即R(x)中x24-i的系數(shù)。

得到奇偶校驗序列之后，利用地址碼信息或詢問器識別碼信息，可生成校驗字段AP字段和PI字段。

2 二次監(jiān)視雷達(dá)S模式AP字段、PI字段生成機制

2.1 上行數(shù)據(jù)鏈AP字段編碼生成機制

上行數(shù)據(jù)鏈的AP字段編碼生成機制需要以下序列：（1）飛機地址、全呼叫地址或廣播地址位序列Ai；（2）奇偶校驗序列pi。（1）中所指的飛機地址指24位有效地址碼，通過詢問信號解碼取得。（2）中奇偶校驗序列由信息位序列通過多項式G(x)產(chǎn)生。

對于上傳數(shù)據(jù)鏈的AP字段，一個改進(jìn)序列bi（i=1～24）被要求用于參與AP字段的編碼。bi序列由多項式G(x)A(x)中x48-i項的系數(shù)產(chǎn)生。其中，A(x)定義如下：

A(x)=a1x23+a2x22+…+a24

假設(shè)上傳鏈路中AP的上傳次序為：

tk+1,tk+2,...,tk+24

在上述上傳鏈路中，tk+I=bi⊕pi,符號⊕表示模二加法，又稱異或加法，即不產(chǎn)生進(jìn)位的二進(jìn)制加法，值相同則為1，相異則為0。

2.2 下行數(shù)據(jù)鏈AP字段編碼生成機制

下行鏈路AP字段編碼生成機制同上行鏈路AP字段的生成機制類似，都需要S模式地址碼以及奇偶校驗序列，所不同的是，下行鏈路AP字段無需再生成改進(jìn)序列以用于編碼，可直接由S模式地址碼以及奇偶校驗序列產(chǎn)生。假設(shè)下傳鏈路中AP的次序為

tk+1,tk+2,...,tk+24

其中tk+i=ai⊕pi，其中ai為24位有效地址碼。

2.3 下行數(shù)據(jù)鏈PI字段編碼生成機制

同下行數(shù)據(jù)鏈AP字段編碼生成機制類似，假設(shè)下傳鏈路中PI的次序為

tk+1,tk+2,...,tk+24

其中tk+i=ai⊕pi。不同的是這里的ai不是指24位有效飛機地址碼，而是按照以下規(guī)則產(chǎn)生：前17位全部為0，接下來的3位與CL字段值相同，最后4位與IC字段值相同。

CL字段指在上行鏈路UF=11中定義的字段，其值定義了IC字段的內(nèi)容，由3位二進(jìn)制組成，取值范圍為5個，分別為：000、001、010、011、100，其他值不使用。這5個值代表的含義如下：編碼(二進(jìn)制)：000表示IC字段中包含Ⅱ碼；001表示IC字段中包含SI碼1到15；010表示IC字段中包含SI碼16到31；011表示IC字段中包含SI碼31到47；100表示IC字段中包含SI碼 48到 63。

其中Ⅱ碼指詢問識別碼，由4位二進(jìn)制組成，范圍為0～15，用于識別詢問器。SI碼指監(jiān)視識別碼，由6位二進(jìn)制組成，0未使用，1到63可以分配給詢問器，用于識別詢問器。

IC字段在上行鏈路中定義，由4位二進(jìn)制組成。包含4位詢問識別(Ⅱ)，或根據(jù)CL字段值包含6位監(jiān)視識別碼(SI)的低4位。

3 仿真實現(xiàn)及其結(jié)果

仿真實現(xiàn)使用Java語言代碼編程，通過簡化以上算法模型進(jìn)行編程。多項式序列采用二進(jìn)制，使用數(shù)組來存儲多項式序列，余子式使用多位二進(jìn)制除法實現(xiàn)。多項式乘法采用多位二進(jìn)制乘法加以實現(xiàn)[7]，使用隨機數(shù)生成函數(shù)模擬隨機生成的信息位序列、飛機地址、CL字段以及IC字段。最終從結(jié)果數(shù)組中獲取到奇偶校驗序列pi以及改進(jìn)的序列bi，由奇偶校驗序列pi以及改進(jìn)的序列bi模擬產(chǎn)生AP字段和PI字段，實現(xiàn)了誤碼保護算法原理的編碼實現(xiàn)。

3.1 奇偶校驗序列算法及編程仿真

由S模式二次監(jiān)視雷達(dá)誤碼保護算法可知，奇偶校驗序列的產(chǎn)生需要兩個序列：多項式序列G(x)以及信息位序列M(x)。多項式除法使用多位二進(jìn)制數(shù)組來模擬實現(xiàn)[8-9]。算法設(shè)計如下：（1）使用數(shù)組構(gòu)建G(x)序列；（2）使用隨機函數(shù)和數(shù)組構(gòu)建M(x)序列；（3）利用數(shù)組移位實現(xiàn)多位二進(jìn)制數(shù)組除法；（4）將最終余子項以數(shù)組形式返回，作為奇偶校驗序列。

3.2 改進(jìn)序列算法及編程仿真

改進(jìn)序列的生成需要兩個序列，分別為多項式序列G(x)以及地址碼位序列A(x)，在Java中使用數(shù)組存儲[10]。多項式乘法采用多位二進(jìn)制數(shù)組乘法實現(xiàn)，算法設(shè)計如下：（1）使用隨機函數(shù)和數(shù)組構(gòu)建地址碼序列A(x)；（2）利用數(shù)組移位實現(xiàn)多位二進(jìn)制數(shù)組乘法；（3）從乘積數(shù)組中組裝返回數(shù)組作為改進(jìn)序列bi。多項式序列G(x)在上文已論述。

3.3 AP字段、PI字段

3.3.1 上行鏈路AP字段算法及編程仿真

上行鏈路AP字段的生成需要兩個序列：奇偶校驗序列和改進(jìn)序列。上行鏈路AP字段值的產(chǎn)生是兩個序列之間進(jìn)行模二加法，使用數(shù)組模擬模二加法。算法設(shè)計如下：使用數(shù)組存儲模二加法的值，對兩個數(shù)組進(jìn)行比較，值相同則賦值0，否則賦值1。

3.3.2 下行鏈路AP字段算法及編程仿真

下行鏈路AP字段生成需要兩個序列，飛機地址碼序列A(x)和奇偶校驗序列。然后利用數(shù)組模擬模二加法，與上文類似。

3.3.3 下行鏈路PI字段算法及編程仿真

下行鏈路PI字段需要序列有CL、IC以及奇偶校驗序列。其中CL、IC用于構(gòu)建A(x)序列，然后將A(x)和奇偶校驗序列使用數(shù)組進(jìn)行模二加法。算法設(shè)計如下：（1）使用隨機函數(shù)構(gòu)建僅有5個值的三位二進(jìn)制數(shù)組代表CL；（2）利用CL、IC數(shù)組構(gòu)建A(x)序列數(shù)組；（3）使用數(shù)組進(jìn)行模二加法。最終輸出結(jié)果見圖2。

4 結(jié)語

本文依據(jù)S模式二次監(jiān)視雷達(dá)誤碼保護算法原理，使用Java語言進(jìn)行簡化模擬編程實現(xiàn)，提供了一種實現(xiàn)S模式二次監(jiān)視雷達(dá)誤碼保護算法原理的實現(xiàn)模型。從基本原理出發(fā)，闡述奇偶校驗編碼生成方式，探索奇偶校驗編碼在民航S模式雷達(dá)中的應(yīng)用。