提高一維相控陣二次監視雷達高仰角目標測角精度的方法

王愛國

(四川九洲空管科技有限責任公司 四川綿陽 621000)

0 引言

二次監視雷達(Secondary Surveillance Radar, SSR)是一種空管雷達信標系統，采用詢問應答協同式工作原理，由布置在地面上的二次監視雷達詢問機和飛機上的機載應答機來實現。二次監視雷達具備雷達和通信的雙重功能，不僅能探測飛機的方位和距離，還能通過交換編碼內容來獲取飛機的識別代碼和氣壓高度，是提供空中飛行情報及態勢的主要信息來源，不僅是現代空管系統必配設備之一，還廣泛應用于軍事領域。

相控陣天線無需伺服控制系統，安裝使用方便，波束掃描靈活，隨著相控陣雷達技術的快速發展，采用一維相控陣天線的二次監視雷達逐步在機載、艦載、車載等移動平臺上推廣應用。一維相控陣天線波束在俯仰面上存在傾斜現象，對一維相控陣二次監視雷達的測角精度帶來了一定的影響，本文針對一維相控陣二次監視雷達高仰角目標測角誤差較大的問題，提出一種有效測角精度補償的方法。

1 二次監視雷達測角原理

二次監視雷達廣泛采用幅度和差波束單脈沖測角方法[2][5]，如圖1所示，單脈沖體制天線形成和波束與差波束，和波束用于發射、檢測和測距，差波束用于測角。當存在目標應答信號時，應答信號同時被天線和波束與差波束接收，應答信號偏離天線波束指向角度由和差信號幅度比值確定，差信號相位(符號)表示目標偏離天線波束指向的方向，差信號在天線波束指向左右兩邊相位相差180°，和信號相位與目標偏向無關，用和信號為相位基準，通過測量和差信號的相位差確定目標偏離天線波束指向的方向。

圖1 天線和差波束方向圖

目標方位角是當前天線波束指向加上目標偏離天線波束指向角度，目標方位角滿足關系式(1)為

ω=φB+δB

(1)

式(1)中，ω表示目標方位角；φB表示天線波束指向；δB表示偏離天線波束指向角度。

由式(1)可知，二次監視雷達測向誤差由天線波束指向誤差和偏離天線波束指向角度測量誤差兩部分組成，因此，相控陣天線波束指向精度對二次監視雷達的測角精度有非常重要的影響。

2 一維相控陣天線波束傾斜現象

方位上一維相位掃描天線波束在方位方向上為窄波束，而在仰角方向上則為寬波束。確定移相碼后，在仰角θB=0°的方向，天線波束指向為φB，由于天線仰角波束很寬，在不同于0°的θB角度方向，天線波束指向將略微偏離φB，指向φB+ΔφBθ，從而產生天線波束的傾斜現象[1]。

天線波束指向隨仰角不同而發生的方位偏移量ΔφBθ滿足關系式(2)為

(2)

式(2)中，ΔφBθ和θB以弧度表示，φB以(°)表示。

圖2所示為天線波束指向隨仰角變化而發生偏移的示意圖。由圖2可見，天線波束指向會隨著仰角的變化而產生偏移，隨著方位掃描角的增大與仰角的增大，天線波束指向偏移逐漸變大。

圖2 天線波束指向隨仰角變化發生偏移示意圖

3 高仰角目標測角誤差修正方法

3.1 高仰角目標測角存在的問題

相控陣二次監視雷達首先需測量天線方向圖，測得每個波位的天線波束指向和OBA數據(和差幅度比值、差相位)，形成天線波束指向數據和OBA表裝入設備內，在計算目標方位角時，根據波位號查詢得到天線波束指向數據，根據和差幅度相位查詢得到目標偏離天線波束指向的角度。目前，相控陣二次監視雷達通常只測量應用仰角為0°左右的一組天線方向圖數據，由于一維相控陣天線波束指向隨仰角變化會發生偏移，同一波位不同仰角的天線波束指向存在較大差異，若不對天線波束指向進行修正，系統對高仰角目標進行測角時將產生較大的測量誤差。

3.2 本文修正方法

本文提出一種利用二次監視雷達C模式詢問對一維相控陣二次監視雷達天線波束指向進行修正的方法，以提高高仰角目標的測角精度。首先按照不同仰角測量天線方向圖，形成不同仰角的天線波束指向數據裝入設備，設備工作時，目標仰角通過二次監視雷達的詢問獲取飛機的距離、氣壓高度經換算得到，然后根據目標仰角讀取設備存儲的天線波束指向數據用于目標方位角計算，從而完成高仰角目標的天線波束指向修正。具體步驟如下：

1)天線方向圖測量

為獲取一維相控陣天線真實的天線波束指向數據，以真實環境無線測試不同仰角每個波束的實際指向，根據仰角建立不同的天線波束指向數據。系統要求俯仰覆蓋范圍0°～+25°，因此仰角測量范圍為0°～+25°，以1°為步進，分別測量各仰角(0°、+1°…+24°、+25°)的天線方向圖數據。測量方法如圖3所示，采用室外高架遠場測試方法，水平遠端位置放置信號源，被測天線安裝在轉臺/搖擺臺上，通過搖擺臺精確調整天線俯仰角度，通過轉臺控制天線水平方向上360°旋轉，依次完成不同仰角各個波位的天線方向圖的測量，形成天線波束指向兩維(仰角、波位)數據，存入設備用于目標方位角計算。

圖3 天線測試示意圖

2)目標仰角測量

根據國際民航組織(ICAO)規范，二次監視雷達測量飛機高度采用的是C模式[3]，獲取的高度數據是飛機上氣壓高度表測量的氣壓高度數據。工作原理如圖4所示，二次監視雷達地面詢問機對監視空域內的飛機發出C模式詢問信號，機載應答機接收到C模式詢問信號后將飛機上氣壓高度表測量的氣壓高度數據編碼，形成C模式應答編碼信號發回地面詢問機，地面詢問機接收并處理應答編碼信號，從而獲取飛機的氣壓高度數據。

圖4 二次監視雷達C模式工作原理示意圖

為獲取飛機相對雷達的仰角數據，二次監視雷達工作時開啟C模式詢問，以獲得飛機相對雷達高度，同時依據發出的詢問信號與收到的應答信號之間的時延進行計算獲取飛機的斜距，目標仰角測量公式為

(3)

其中：θ為飛機相對雷達的仰角(單位：°)；H為飛機相對雷達高度(單位：m)；R為飛機到雷達之間的斜距(單位：m)。

3)天線波束指向修正

計算目標方位角時，根據目標的仰角數據和當前波位讀取設備存儲的天線波束指向數據，將相應的天線波束指向代入公式(1)從而得到準確的目標方位角。

4 試驗及結果

為驗證修正方法的有效性，開展二次監視雷達系統聯試試驗。試驗方法如圖5所示，相控陣天線架設在轉臺上，機載應答機模擬器架設在高塔上，通過調整模擬器在高塔上的位置設置相對于相控陣天線的仰角，通過轉臺調整相控陣天線相對模擬器的掃描角度。

圖5 驗證試驗示意圖

試驗中分別設置相對仰角+15°、+20°和+25°，以4°為間隔，通過轉臺調整相控陣天線掃描角度。測角誤差如圖6～8所示，修正前(采用0°天線方向圖數據)測角誤差隨仰角增大和天線掃描角度增大而逐漸變大，當仰角為+25°、天線掃描角度為±45°時，測角誤差達到5°左右。經修正后，測角誤差在0.5°以內，滿足系統要求，試驗結果驗證了修正方法的有效性。

圖6 +15°仰角試驗測角誤差

圖7 +20°仰角試驗測角誤差

圖8 +25°仰角試驗測角誤差

為進一步驗證，開展對空中民航飛機的測角試驗。利用民航飛機的ADS-B OUT能力，在二次監視雷達站點部署ADS-B IN設備實時接收空域內民航飛機的經緯度、高度信息，并轉換成相對于二次監視雷達的方位信息[4]。提取二次監視雷達、ADS-B IN設備的記錄數據，以ADS-B測量值為方位真值，計算二次監視雷達探測飛機的測角精度。試驗中民航飛機測角精度見表1，從表1可看出，二次監視雷達高仰角目標的測角精度小于0.5°，滿足系統要求。

表1 民航飛機驗證試驗情況

5 結束語

隨著相控陣技術的發展和二次監視雷達的廣泛應用，很多平臺開始運用相控陣技術，一維相控陣天線在俯仰面上的固有特性會影響二次監視雷達在高仰角上的測角精度。本文分析了二次監視雷達的測角原理、一維相控陣天線波束傾斜現象，提出了一種一維相控陣二次監視雷達高仰角目標測角誤差修正方法。該方法在真實環境下測量天線不同仰角真實的天線方向圖，利用二次監視雷達C模式獲得飛機相對雷達仰角，能實時自動地對高仰角目標的天線波束指向進行修正，降低了高仰角目標的測角誤差，進一步提高了二次監視雷達的測角精度。該方法已成功應用于多個工程項目，效果顯著。