空管A/C模式二次雷達仿真軟件設計

朱永杰，崔向陽，雷張華

（西安電子工程研究所，西安 710140）

隨著中國民航事業的建設不斷推進，航班量遞增，我國航空器的數量在不斷增加，雷達管制系統的壓力也在不斷增加，為了順應形勢的發展，亟需研究出新一代空管二次雷達。為避免研制過程中人力、財力的浪費，可通過仿真技術，設計二次雷達仿真軟件，降低研制成本，縮短二次雷達的研究周期，加速二次雷達的發展。

2020年，Walt[1]提出基于測試軟件的A/C 模式二次雷達仿真方法，通過使用真實的雷達模擬源，可使待測試設備的檢測效果不受影響；2021年，Minteuan 等[2]提出了單脈沖二次監視雷達覆蓋面積決定因素，給出一種改進的單脈沖二次雷達（MSSR）天線的設計和輻射方向圖，突出SUM 波束的水平和垂直因素。此外，還評估了信號反射和大氣折射等其他決定因素對雷達覆蓋的影響。2012年，安曉東等[3]對二次雷達系統干擾識別方法進行了仿真研究，采用了干擾偽隨機碼相位調制法進行仿真，驗證了干擾敵我識別（IFF）偽隨機相位調制方法的有效性和可行性；2017年，姜鵬等[4]創建了二次雷達數據仿真系統，得到雷達目標與雷達站之間的距離和方向等仿真數據。

1 二次雷達仿真軟件需求研究

1.1 A/C 模式二次雷達仿真用途

二次雷達仿真軟件的設計框架如圖1所示，在航空器數據輸入端、雷達數據輸入端設置相關參數，二次雷達仿真軟件通過算法進行二次雷達功能仿真，最后輸出航空器的高度識別碼及航空器識別碼，與正確數據進行對照，給出最終仿真結果。

圖1 二次雷達仿真軟件框架

1.2 二次雷達A/C 仿真功能需求

二次雷達仿真軟件大概有以下幾個功能。

（1）場景設置功能。擁有多個參數設置面板，設置航空器參數，包括航空器經緯度、傾斜角度?？梢栽O置二次雷達的相關參數，包括雷達俯仰角、經緯度、天線轉動周期、詢問射頻最大探測距離高度、雷達開啟時間和扇區總數目等。

（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，觸發此指令，仿真軟件開始讀取輸入的數據并開始運行；停止仿真，觸發此指令，仿真軟件結束數據讀取并停止運行。

2 二次雷達仿真軟件總體方案設計

二次雷達仿真系統要具備航空器高度及航空器代碼識別功能，在輸入端輸入相關的數據，經過仿真軟件的計算最終可反饋出航空器的應答機識別碼和高度識別碼及真實的高度?；谝陨瞎δ苄枨蠓治觯抡孳浖⒉捎肕VC 架構格式，方便進行軟件管理。MVC 架構被分為模型（Mode）、視圖（View）和控制器（Controller）3個部分，其優勢是可以實現Mode 和View 2 部分模塊分離，實現Mode 和View 中相關的數據同步。

在本架構中，Mode 部分主要用于儲存數據和演示算法，以實現使用該框架設計軟件的功能。View 則為人機界面，是仿真軟件提供給操作者參數設置、數據輸入的重要接口，同時軟件也將通過View 將軟件運行的結果反饋給用戶。Controller 用于聯系Mode 和View，當View 發出指令后，依靠Controller 將數據傳送給Mode，最后再將Mode 作用結果傳回View 反饋給操作者。

如圖2所示，在View 部分，將進行人機界面的設計，包括以下參數設置：扇區總數目、飛機識別碼脈沖時序（用于檢驗飛機識別碼功能）、天線轉動周期、雷達啟動時間、雷達緯度、雷達經度、雷達詢問機高度、航空器緯度和航空器經度。同時View 部分將輸出航空器的識別碼、高度識別碼及高度。

圖2 二次雷達仿真軟件MVC 構架

在Controller 部分，將View 部分輸入的數據通過Controller 傳輸到Mode 部分，同時每當View 中的數據發生變化時，會及時地將更新的數據傳輸到Mode 部分。

在Mode 部分，設置探測截獲、情景仿真2 個模塊，探測截獲模塊負責識別輸入的航空器是否可以被雷達識別，而情景仿真模塊則用于數據分析，最后仿真的結果由本模塊負責。

整體的仿真工作流程大概如下：操作者輸入數據以后，點擊開始仿真按鈕，仿真開始，Controller 模塊將View 中的數據傳輸給Mode 進行處理，通過模塊的調用判斷該航空器是否可以識別，最后在計算后將結果通過人機界面反饋給操作者，將高度識別碼、航空器識別碼展示給用戶。

3 二次雷達仿真軟件設計

3.1 人機模塊設計

3.1.1 設計思路

本模塊的主要作用是提供不同的配置參數設置，輸入的參數包括雷達詢問機的信息、航空器的信息。通過輸入航空器的飛機識別碼脈沖時序（用于測驗識別碼翻譯功能）、航空器高度所處環境氣壓（用于計算航空器高度）、航空器緯度和航空器經度這些數據來描述航空器；對于雷達詢問機的擬化，則通過輸入雷達經度、雷達緯度、雷達高度、最大探測距離（一般規章給出，航路340 km、終端區150 km）和雷達俯仰角來描述。

為了方便設計人機界面，使用MATLAB 的M 文件存儲雷達詢問機數據，由操作者直接輸入航空器數據，當操作者需要更改雷達詢問機數據時，不讀取M 文件，直接由輸入端人機界面進行配置。

3.1.2 模塊的實現

利用MATLAB 軟件設計人機界面圖形用戶界面（GUI）功能面板，利用GUI 程序中的UIPANEL 控件，區分人機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置的仿真參數。同時通過在面板內的多個設置EDIT 可編輯文本框控件，這是操作者輸入數據的實際載體。操作者輸入的字符類數據，通過MATLAB 中GUI 的Get 函數，可獲取操作者輸入的相關參數，并通過Str2double 函數，將輸入的文本類字符串轉換成可供本仿真軟件設計算法使用的字符類數據。

3.2 探測截獲模塊設計

3.2.1 信號工作原理

探測截獲模塊根據人機界面傳輸而來的雷達詢問機信息、航空器信息，并通過詢問機的詢問機制，根據設計的算法進行實現，判定障礙物是否可以被攔截。

其工作流程如下：詢問機按照A/C 模式發射詢問信號，詢問信號跟隨所設置的雷達的天線轉動軸周期，按照一定的俯仰角度發射出去。如果在雷達詢問機的工作范圍內存在雷達應答機，并且詢問機發射的功率要大于應答機的接收靈敏度，在這種情況下，航空器應答機會返回一個A/C 模式的應答信號。應答機返回的信號被詢問機接收，應答機返回的信號功率如果大于詢問機接收信號的靈敏度，則會進入信號的解碼流程。

3.2.2 仿真算法設計原理

功能仿真工作流程如圖3所示。

圖3 功能仿真流程

（1）探測開始以后，訪問操作者在人機界面通過參數設置雷達。

（2）計算當前所訪問的雷達處于的扇區。

（3）根據輸入的航空器高度氣壓信息進行高度轉換。

（4）截獲計算。

若符合截獲條件，進入仿真模塊開始仿真；若探測結果不符合截獲條件，則返回氣壓高度轉換流程，重新進入探測流程；探測成功以后，探測模塊工作流程結束。程序進入仿真模塊。

3.3 仿真模塊設計

3.3.1 A/C 模式的二次雷達工作原理

（1）傳統模式的詢問信號。對于A/C 模式二次雷達，其主要功能體現在高度碼的轉換和識別碼的編譯。因此在實際的應用中，傳統模式二次雷達，亦稱為空管A/C 模式二次雷達。雷達A 模式主要用于航空器的識別碼識別，C 模式主要實現航空器高度轉換。憑借不同間隔、不同的脈沖信號對應的不同的編碼方式，來實現雷達系統不同模式的實際應用。不同模式的信號脈沖都由P1、P2 和P3 這3 個脈沖組成，在雷達的不同詢問模式下，P1—P3 的脈沖間隔存在明顯不同。

因為詢問信號中P1、P3 脈沖的主要作用是詢問，所以把這2 個脈沖也稱為詢問脈沖。在航空器的日常使用中，當使用一種模式的時候只會產生該模式下唯一的信號，當使用雷達的多種詢問模式的時候，地面設備會產生多種模式的詢問信號。

（2）傳統模式的應答信號。應答模式下產生的應答信號編碼，稱之為二次雷達的A/C 模式應答信號編碼。詢問機發射的信號經由應答機處理完畢后，自動返回一串應答脈沖信號，實現對地面設備詢問內容的答復。

3.3.2 模塊的實現

航空器識別碼的仿真主要基于其二-八進制的轉換，而對于空管二次雷達高度碼功能的實現，又因為高度碼具有很多的排列，所以本軟件將航空器高度的對應高度碼翻譯輸出，以實現二次雷達的C 模式識別仿真功能。

4 仿真結果分析

（1）雷達參數設置見表1。

表1 雷達參數

（2）航空器參數設置見表2。

表2 航空器參數

（3）航空器仿真結果展示圖如圖4所示。

圖4 航空器仿真結果

5 結束語

本論文對二次雷達仿真及應用研究有重大意義，主要進行了仿真軟件的設計，其中分別對人機模塊、探測模塊和仿真模塊進行了流程規劃及算法設計，使得軟件具備高度碼、識別碼及實際掃描功能。配置雷達及航空器的相關仿真參數，并進行仿真實驗，成功實現了雷達航空器識別碼及高度碼等相關參數的輸出，同時實現了平面顯示器（PPI）顯示器掃描，完成了仿真軟件仿真結果的展示。