空管A/C模式二次雷達(dá)仿真軟件設(shè)計(jì)

朱永杰，崔向陽(yáng)，雷張華

（西安電子工程研究所，西安 710140）

隨著中國(guó)民航事業(yè)的建設(shè)不斷推進(jìn)，航班量遞增，我國(guó)航空器的數(shù)量在不斷增加，雷達(dá)管制系統(tǒng)的壓力也在不斷增加，為了順應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展，亟需研究出新一代空管二次雷達(dá)。為避免研制過(guò)程中人力、財(cái)力的浪費(fèi)，可通過(guò)仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)二次雷達(dá)仿真軟件，降低研制成本，縮短二次雷達(dá)的研究周期，加速二次雷達(dá)的發(fā)展。

2020年，Walt[1]提出基于測(cè)試軟件的A/C 模式二次雷達(dá)仿真方法，通過(guò)使用真實(shí)的雷達(dá)模擬源，可使待測(cè)試設(shè)備的檢測(cè)效果不受影響；2021年，Minteuan 等[2]提出了單脈沖二次監(jiān)視雷達(dá)覆蓋面積決定因素，給出一種改進(jìn)的單脈沖二次雷達(dá)（MSSR）天線的設(shè)計(jì)和輻射方向圖，突出SUM 波束的水平和垂直因素。此外，還評(píng)估了信號(hào)反射和大氣折射等其他決定因素對(duì)雷達(dá)覆蓋的影響。2012年，安曉東等[3]對(duì)二次雷達(dá)系統(tǒng)干擾識(shí)別方法進(jìn)行了仿真研究，采用了干擾偽隨機(jī)碼相位調(diào)制法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了干擾敵我識(shí)別（IFF）偽隨機(jī)相位調(diào)制方法的有效性和可行性；2017年，姜鵬等[4]創(chuàng)建了二次雷達(dá)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，得到雷達(dá)目標(biāo)與雷達(dá)站之間的距離和方向等仿真數(shù)據(jù)。

1 二次雷達(dá)仿真軟件需求研究

1.1 A/C 模式二次雷達(dá)仿真用途

二次雷達(dá)仿真軟件的設(shè)計(jì)框架如圖1所示，在航空器數(shù)據(jù)輸入端、雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入端設(shè)置相關(guān)參數(shù)，二次雷達(dá)仿真軟件通過(guò)算法進(jìn)行二次雷達(dá)功能仿真，最后輸出航空器的高度識(shí)別碼及航空器識(shí)別碼，與正確數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，給出最終仿真結(jié)果。

圖1 二次雷達(dá)仿真軟件框架

1.2 二次雷達(dá)A/C 仿真功能需求

二次雷達(dá)仿真軟件大概有以下幾個(gè)功能。

（1）場(chǎng)景設(shè)置功能。擁有多個(gè)參數(shù)設(shè)置面板，設(shè)置航空器參數(shù)，包括航空器經(jīng)緯度、傾斜角度。可以設(shè)置二次雷達(dá)的相關(guān)參數(shù)，包括雷達(dá)俯仰角、經(jīng)緯度、天線轉(zhuǎn)動(dòng)周期、詢問(wèn)射頻最大探測(cè)距離高度、雷達(dá)開啟時(shí)間和扇區(qū)總數(shù)目等。

（2）具備仿真功能的控制功能，包括開始仿真、停止仿真等功能。開始仿真，觸發(fā)此指令，仿真軟件開始讀取輸入的數(shù)據(jù)并開始運(yùn)行；停止仿真，觸發(fā)此指令，仿真軟件結(jié)束數(shù)據(jù)讀取并停止運(yùn)行。

2 二次雷達(dá)仿真軟件總體方案設(shè)計(jì)

二次雷達(dá)仿真系統(tǒng)要具備航空器高度及航空器代碼識(shí)別功能，在輸入端輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)仿真軟件的計(jì)算最終可反饋出航空器的應(yīng)答機(jī)識(shí)別碼和高度識(shí)別碼及真實(shí)的高度。基于以上功能需求分析，仿真軟件將采用MVC 架構(gòu)格式，方便進(jìn)行軟件管理。MVC 架構(gòu)被分為模型（Mode）、視圖（View）和控制器（Controller）3個(gè)部分，其優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)Mode 和View 2 部分模塊分離，實(shí)現(xiàn)Mode 和View 中相關(guān)的數(shù)據(jù)同步。

在本架構(gòu)中，Mode 部分主要用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和演示算法，以實(shí)現(xiàn)使用該框架設(shè)計(jì)軟件的功能。View 則為人機(jī)界面，是仿真軟件提供給操作者參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)輸入的重要接口，同時(shí)軟件也將通過(guò)View 將軟件運(yùn)行的結(jié)果反饋給用戶。Controller 用于聯(lián)系Mode 和View，當(dāng)View 發(fā)出指令后，依靠Controller 將數(shù)據(jù)傳送給Mode，最后再將Mode 作用結(jié)果傳回View 反饋給操作者。

如圖2所示，在View 部分，將進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，包括以下參數(shù)設(shè)置：扇區(qū)總數(shù)目、飛機(jī)識(shí)別碼脈沖時(shí)序（用于檢驗(yàn)飛機(jī)識(shí)別碼功能）、天線轉(zhuǎn)動(dòng)周期、雷達(dá)啟動(dòng)時(shí)間、雷達(dá)緯度、雷達(dá)經(jīng)度、雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)高度、航空器緯度和航空器經(jīng)度。同時(shí)View 部分將輸出航空器的識(shí)別碼、高度識(shí)別碼及高度。

圖2 二次雷達(dá)仿真軟件MVC 構(gòu)架

在Controller 部分，將View 部分輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)Controller 傳輸?shù)組ode 部分，同時(shí)每當(dāng)View 中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)及時(shí)地將更新的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ode 部分。

在Mode 部分，設(shè)置探測(cè)截獲、情景仿真2 個(gè)模塊，探測(cè)截獲模塊負(fù)責(zé)識(shí)別輸入的航空器是否可以被雷達(dá)識(shí)別，而情景仿真模塊則用于數(shù)據(jù)分析，最后仿真的結(jié)果由本模塊負(fù)責(zé)。

整體的仿真工作流程大概如下：操作者輸入數(shù)據(jù)以后，點(diǎn)擊開始仿真按鈕，仿真開始，Controller 模塊將View 中的數(shù)據(jù)傳輸給Mode 進(jìn)行處理，通過(guò)模塊的調(diào)用判斷該航空器是否可以識(shí)別，最后在計(jì)算后將結(jié)果通過(guò)人機(jī)界面反饋給操作者，將高度識(shí)別碼、航空器識(shí)別碼展示給用戶。

3 二次雷達(dá)仿真軟件設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

本模塊的主要作用是提供不同的配置參數(shù)設(shè)置，輸入的參數(shù)包括雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)的信息、航空器的信息。通過(guò)輸入航空器的飛機(jī)識(shí)別碼脈沖時(shí)序（用于測(cè)驗(yàn)識(shí)別碼翻譯功能）、航空器高度所處環(huán)境氣壓（用于計(jì)算航空器高度）、航空器緯度和航空器經(jīng)度這些數(shù)據(jù)來(lái)描述航空器；對(duì)于雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)的擬化，則通過(guò)輸入雷達(dá)經(jīng)度、雷達(dá)緯度、雷達(dá)高度、最大探測(cè)距離（一般規(guī)章給出，航路340 km、終端區(qū)150 km）和雷達(dá)俯仰角來(lái)描述。

為了方便設(shè)計(jì)人機(jī)界面，使用MATLAB 的M 文件存儲(chǔ)雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)數(shù)據(jù)，由操作者直接輸入航空器數(shù)據(jù)，當(dāng)操作者需要更改雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，不讀取M 文件，直接由輸入端人機(jī)界面進(jìn)行配置。

3.1.2 模塊的實(shí)現(xiàn)

利用MATLAB 軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面圖形用戶界面（GUI）功能面板，利用GUI 程序中的UIPANEL 控件，區(qū)分人機(jī)界面的不同輸入面板，使得操作者可以很清楚直觀地在不同的面板輸入自己設(shè)置的仿真參數(shù)。同時(shí)通過(guò)在面板內(nèi)的多個(gè)設(shè)置EDIT 可編輯文本框控件，這是操作者輸入數(shù)據(jù)的實(shí)際載體。操作者輸入的字符類數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB 中GUI 的Get 函數(shù)，可獲取操作者輸入的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)Str2double 函數(shù)，將輸入的文本類字符串轉(zhuǎn)換成可供本仿真軟件設(shè)計(jì)算法使用的字符類數(shù)據(jù)。

3.2 探測(cè)截獲模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 信號(hào)工作原理

探測(cè)截獲模塊根據(jù)人機(jī)界面?zhèn)鬏敹鴣?lái)的雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)信息、航空器信息，并通過(guò)詢問(wèn)機(jī)的詢問(wèn)機(jī)制，根據(jù)設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，判定障礙物是否可以被攔截。

其工作流程如下：詢問(wèn)機(jī)按照A/C 模式發(fā)射詢問(wèn)信號(hào)，詢問(wèn)信號(hào)跟隨所設(shè)置的雷達(dá)的天線轉(zhuǎn)動(dòng)軸周期，按照一定的俯仰角度發(fā)射出去。如果在雷達(dá)詢問(wèn)機(jī)的工作范圍內(nèi)存在雷達(dá)應(yīng)答機(jī)，并且詢問(wèn)機(jī)發(fā)射的功率要大于應(yīng)答機(jī)的接收靈敏度，在這種情況下，航空器應(yīng)答機(jī)會(huì)返回一個(gè)A/C 模式的應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答機(jī)返回的信號(hào)被詢問(wèn)機(jī)接收，應(yīng)答機(jī)返回的信號(hào)功率如果大于詢問(wèn)機(jī)接收信號(hào)的靈敏度，則會(huì)進(jìn)入信號(hào)的解碼流程。

3.2.2 仿真算法設(shè)計(jì)原理

功能仿真工作流程如圖3所示。

圖3 功能仿真流程

（1）探測(cè)開始以后，訪問(wèn)操作者在人機(jī)界面通過(guò)參數(shù)設(shè)置雷達(dá)。

（2）計(jì)算當(dāng)前所訪問(wèn)的雷達(dá)處于的扇區(qū)。

（3）根據(jù)輸入的航空器高度氣壓信息進(jìn)行高度轉(zhuǎn)換。

（4）截獲計(jì)算。

若符合截獲條件，進(jìn)入仿真模塊開始仿真；若探測(cè)結(jié)果不符合截獲條件，則返回氣壓高度轉(zhuǎn)換流程，重新進(jìn)入探測(cè)流程；探測(cè)成功以后，探測(cè)模塊工作流程結(jié)束。程序進(jìn)入仿真模塊。

3.3 仿真模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 A/C 模式的二次雷達(dá)工作原理

（1）傳統(tǒng)模式的詢問(wèn)信號(hào)。對(duì)于A/C 模式二次雷達(dá)，其主要功能體現(xiàn)在高度碼的轉(zhuǎn)換和識(shí)別碼的編譯。因此在實(shí)際的應(yīng)用中，傳統(tǒng)模式二次雷達(dá)，亦稱為空管A/C 模式二次雷達(dá)。雷達(dá)A 模式主要用于航空器的識(shí)別碼識(shí)別，C 模式主要實(shí)現(xiàn)航空器高度轉(zhuǎn)換。憑借不同間隔、不同的脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的不同的編碼方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)不同模式的實(shí)際應(yīng)用。不同模式的信號(hào)脈沖都由P1、P2 和P3 這3 個(gè)脈沖組成，在雷達(dá)的不同詢問(wèn)模式下，P1—P3 的脈沖間隔存在明顯不同。

因?yàn)樵儐?wèn)信號(hào)中P1、P3 脈沖的主要作用是詢問(wèn)，所以把這2 個(gè)脈沖也稱為詢問(wèn)脈沖。在航空器的日常使用中，當(dāng)使用一種模式的時(shí)候只會(huì)產(chǎn)生該模式下唯一的信號(hào)，當(dāng)使用雷達(dá)的多種詢問(wèn)模式的時(shí)候，地面設(shè)備會(huì)產(chǎn)生多種模式的詢問(wèn)信號(hào)。

（2）傳統(tǒng)模式的應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答模式下產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)編碼，稱之為二次雷達(dá)的A/C 模式應(yīng)答信號(hào)編碼。詢問(wèn)機(jī)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)由應(yīng)答機(jī)處理完畢后，自動(dòng)返回一串應(yīng)答脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面設(shè)備詢問(wèn)內(nèi)容的答復(fù)。

3.3.2 模塊的實(shí)現(xiàn)

航空器識(shí)別碼的仿真主要基于其二-八進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，而對(duì)于空管二次雷達(dá)高度碼功能的實(shí)現(xiàn)，又因?yàn)楦叨却a具有很多的排列，所以本軟件將航空器高度的對(duì)應(yīng)高度碼翻譯輸出，以實(shí)現(xiàn)二次雷達(dá)的C 模式識(shí)別仿真功能。

4 仿真結(jié)果分析

（1）雷達(dá)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 雷達(dá)參數(shù)

（2）航空器參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 航空器參數(shù)

（3）航空器仿真結(jié)果展示圖如圖4所示。

圖4 航空器仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文對(duì)二次雷達(dá)仿真及應(yīng)用研究有重大意義，主要進(jìn)行了仿真軟件的設(shè)計(jì)，其中分別對(duì)人機(jī)模塊、探測(cè)模塊和仿真模塊進(jìn)行了流程規(guī)劃及算法設(shè)計(jì)，使得軟件具備高度碼、識(shí)別碼及實(shí)際掃描功能。配置雷達(dá)及航空器的相關(guān)仿真參數(shù)，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)航空器識(shí)別碼及高度碼等相關(guān)參數(shù)的輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了平面顯示器（PPI）顯示器掃描，完成了仿真軟件仿真結(jié)果的展示。