基于二次雷達的機場雷達探測終端的設計與應用

廖毅軒

摘要：隨著航空技術的發展，機場雷達終端系統得到了廣泛的應用。其設計過程以二次雷達原理為基礎，引導和控制飛機。文章對二次雷達探測終端的工作原理和系統組成進行說明，從系統設備組成以及系統設計要求兩個方面對二次雷達系統的設計方式進行概述。文章通過實驗的方式對提出的機場雷達探測終端進行檢驗，結果發現設計的機場雷達探測終端在探測范圍和探測距離精度兩個方面均符合探測標準，以期通過對機場雷達探測終端的研究提升機場運轉的穩定性。

關鍵詞：二次雷達；航空技術；終端系統

中圖分類號：TN958.96 ?文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國航空事業的發展，通用機場的數量持續增加。相關數據顯示，截至2022年6月，通用機場數量達384個，受飛機起飛架次數量擴大的影響，飛行管理難度明顯提升［1］。在飛行過程中，交織碼元幅度信息的變化不是規則的，這使得在飛機的應答信號交織時，傳統的二次雷達識別和提取精確度有所降低，如提取錯誤的代碼、高度測角精度不夠等方面。加強飛行管理是航空事業發展的重要一環，這就要求機場的終端系統具有較強的處理能力和抗干擾能力［2］。余苗［3］針對二次雷達設計出一種補償系統，通過實驗驗證后發現該系統具有降低時間及人力成本和提高精準程度等優點。本文提出了機場雷達終端的設備組成及設計要求，以期能夠為我國未來機場雷達系統的開發提供參考，為終端系統的實際應用提供借鑒。

1 二次雷達探測終端原理

1.1 工作原理

二次雷達在開機狀態下，可以初始化信號處理機和信號交換機等設備，其工作方式為電源模塊發送電壓到其他模塊中。在初始化過程中，由于接收命令和控制數據的不同，系統對命令和控制的響應方式也不同。主程序不受這一規則限制，不會受到任何命令或數據的影響［4］。

二次雷達通常由操作員通過雷達監視或本地監視的方式，將獲取的查詢模式與方向等數據傳輸到信號處理機，就可以達到定位目標位置的目的。其內部的工作模式略顯復雜，將信息通過數據融合單元進行處理，并把查詢處理后的信息傳輸給其他單元。能夠接收這種信息的單元有兩個，分別為編碼單元和解碼單元。其會根據請求方式的不同，用修改或混合的方式來處理發射機的頻率碼與編碼符號等，通過開關發送無線電信號。

二次雷達依靠主雷達顯示的點航跡數據來判斷目標位置，點航跡數據的獲取則通過3條信道和接收機獲得。信道主要為Ω天線通道、∑天線信道以及Δ天線信道。接收機的主要作用就是將產生的基帶IQ信號發送至信號處理機，此設備處理方式包括幅度壓縮、點跡凝集等。

1.2 目標檢測原理

二次雷達作為雷達終端設計的重要部分，系統進行目標檢測期間與飛機的反射面積不存在相關性，即一次雷達與二次雷達在對目標進行檢測中的方式存在差異。與一次雷達相比，二次雷達在信息傳輸過程中產生的數據量更低。系統在進行目標檢測的過程中，不是檢測飛機的反射能量，而是由其接收飛機發射信號后產生的信號回波。因此，雷達終端系統的檢測與飛機的反射面積無關，回波強度不會發生改變。除此以外，雷達終端系統在接收和發送信號期間的頻率存在差異。當地面或氣象目標發射信號時，由于其信號接收為1 030MHz接收機，無法對1 090MHz接收機接收系統終端信號造成干擾。其信號類型不僅包括目標的距離，還涵蓋了目標的代碼、高度等信息內容。本研究通過對雷達終端系統目標檢測原理的說明，闡述了系統組成及系統設計的要求，以此為基礎，為后續進行雷達終端系統實驗奠定基礎。

1.3 系統組成

雷達終端系統由3種系統組成，如圖1所示。其中，主機分系統包括兩個部分：處理和轉化分機。

天饋分系統又被稱為二次雷達天線，其組成部分可以分為3種，第一種為左半部分，由相應的輻射單元構成，其中包含35個前向輻射振子和1個反向輻射振子，所有輻射振子構成方式相同，由11個耦集子構成。此系統第二部分和第三部分同樣由輻射單元構成［5］。

主機分系統根據各分機負責的內容不同，將內部分機分為兩種。第一種為處理分機，它主要負責各個模塊的構成，例如信號處理模塊的構成、電源模塊的構成等。第二種為轉換分機，它主要作用為可篩選多 ??種射頻信號，選擇信號傳輸和接收的最佳路徑［6］。

監控分系統通過網線與主機系統連接。該系統主要由兩部分組成，分別為維護軟件和計算機。其中，維護軟件主要依靠計算機來運行，在傳輸監控數據方面有著重要的作用。

2 二次雷達系統設計

2.1 系統設備組成

雷達終端系統由3個部分組成。第一種為天饋系統，主要負責通過天線傳輸電磁波來實現輻射詢問信號和接收應答信號的功能。第二種為主機系統，是雷達系統中最重要的組成部分，整個系統中主要的工作都由其內部的處理分機和轉換分機完成。第三種為監控系統，主要負責控制二次雷達接收機的工作以及通過監控維終端完成對接收機的監控工作。二次雷達系統設計的設備組成功能及數量如表1所示。

以處理分機為例，其由詢問電源、發射機、信號處理等模塊構成，處理分機的組成如圖2所示。

2.2 系統設計要求

機場雷達的終端系統對性能的要求很高，具體數據的精準程度指標如表2所示。

環境條件要求如下：（1）溫度要求。室內溫度最低溫度要求為0℃、最高溫度要求為45℃，室外溫度最低溫度要求為-50℃、最高溫度要求為70℃；（2）濕度要求。在室內工作時，如果溫度為30℃，工作環境的最低濕度為30%，最高濕度應≤98%；（3）供電要求。雷達系統主機工作電流為220 V，最佳工作電壓為50 Hz，電壓為交變電壓，主機系統的耗電量不大于3 kVA，系統功耗要求低于10 kVA。

本次測試的雷達系統通過對工作設備進行了冗余設計，使得到的測試結果具有時效性強、準確度高等優點。冗余設計根據設計方法的不同，分為雙重熱備份和模塊冗余備份兩個部分。雖然雙重熱備份相比模塊冗余備份，系統有更高的穩定性和獨立性，但是基于可靠性和成本、功耗等方面考慮，本研究選擇了更適合項目測試。

3 應用效果分析

為證明本次設計的系統性能指標可以滿足雷達終端系統的設計要求，可以作為該系統的數據基礎。在進行實驗前，本研究仔細檢測了主機分系統等所有參加測試的系統是否能夠正常工作并將雷達系統整體調試到最佳狀態。準備工作完成后，本次實驗將在某實驗地點進行。

3.1 實驗方法

3.1.1 雷達終端系統探測范圍檢驗方法

測試雷達終端系統的范圍應用以下方法：（1）在雷達終端系統保持開機狀態下，連續24h對目標進行探測；（2）通過雷達探測得到的結果，記錄被探測目標可以達到的最遠距離，記錄方法可以為人工記錄或分析終端分系統所提供的數據等。

合格判據：從實驗結果中挑取探測高度超過10 km的數據，若雷達的探測距離超過380km，則符合探測范圍測試設計要求。

3.1.2 雷達終端系統探測精度檢驗方法

測試雷達終端系統的探測精度應用以下方法：（1）在雷達終端系統保持開機的狀態下，連續24h探測空中民航飛機；（2）在終端系統工作時同時記錄分系統的工作數據；（3）利用ADS-B地面站自動獲取其監測范圍內飛機的位置信息；（4）將測量的數據結果和系統測量結果進行對比，分析后計算距離精確度和方位精確度的平均方根值，以此來判斷系統的精確度。

合格判據：系統測試以距離和方位兩個指標為判斷依據，方位精度和距離精度設計要求分別為<0.1°和<45m。

3.2 結果統計

此基于二次雷達的機場雷達探測終端實驗，通過對探測范圍以及探測距離精度進行檢驗，實驗數據結果如表3所示。

通過表3中的數據統計結果可見，提出的系統探測范圍和探測距離精度檢驗的數據分別為459.2km、19.8m，證實本次實現設計的指標符合雷達終端系統的設計標準。

4 結語

本文通過對雷達終端系統的研究，獲取關鍵性的技術手段。本文通過雷達探測終端系統對飛機監測數據與ADS-B地面站數據進行對比分析的結果，提出的機場雷達終端系統在探測范圍和探測距離精度方面均滿足設計要求，在航空飛行管理的整體改進和機場雷達終端系統的實際應用方面有著重要的理論價值。

參考文獻

［1］李紅兵.二次雷達顯控終端的設計與實現［J］.艦船電子對抗，2019（1）：112-116.

［2］劉嵩義.二次雷達系統干擾等問題的解決方法［J］.電子測試，2019（23）：124-126.

［3］余苗.高精度窄波束二次雷達指向精度補償［J］.現代導航，2020（2）：136-139，145.

［4］陳偉，巫文俊，鄒亮.ADS-BIN在二次雷達系統中的應用［J］.電子技術與軟件工程，2022（11）：160-163.

［5］水泉，黃濤.基于通用服務器平臺的S模式二次雷達系統研制［J］.電子技術與軟件工程，2020（7）：91-95.

［6］楊思.二次雷達仿真和實測數據質量評估［D］.天津：中國民航大學，2020.

（編輯 王永超）

Design and application of airport radar detection terminal based on secondary radar

Liao? Yixuan

（Civil Aviation Guangzhou ATM Systems Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510410， China）

Abstract：? With the development of aviation technology， the airport radar terminal system has been widely used. Its design process is based on the principle of secondary radar to realize the purpose of aircraft guidance and control. The working principle and system composition of the secondary radar detection terminal are explained， and the design mode of the secondary radar system is summarized from two aspects of the system equipment composition and the system design requirements. The proposed airport radar detection terminal is tested by experiment， and the results are found that the designed airport radar detection terminal meets the detection range and detection distance accuracy， in order to improve the stability of the airport operation through the research of the airport radar detection terminal.

Key words： secondary radar; aeronautical technology; terminal system