基于SuperMode的二次雷達詢問編碼方法

劉 娟 李正勇 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

二次雷達系統工作時,詢問機和應答機之間通過“一問一答”的協同工作方式完成對目標的探測和識別。傳統詢問方式是在一個詢問周期內完成一次詢問和應答。當詢問機需要提供高可靠的監視時,為了迅速獲得不同類型目標的信息,可通過在相鄰的詢問周期之間交替[1]進行不同類型模式的詢問來實現。

交替詢問時,由于各模式在詢問天線有效波束寬度中的詢問次數減少,應答機應答各模式的次數也會對應減少,可能導致詢問機對目標的探測概率降低,甚至可能無法完成目標的有效識別。

針對現有技術的缺陷,本文研究了一種基于SuperMode的詢問編碼方法,通過對不同類型的模式間進行時序控制,使同一個詢問周期內完成兩種不同類型模式的詢問,對提高二次雷達系統探測概率具有重要意義。

1 系統原理

1.1 詢問模式

二次雷達系統主要由詢問機、詢問天線、應答機和應答天線組成,二次雷達系統的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 二次雷達系統工作原理框圖

詢問機和應答機的信息交換,是通過對上行詢問信號和下行應答信號進行脈沖編碼來實現的[1]。不同的詢問脈沖編碼格式對應不同的詢問模式,應答機收到詢問信號時,自動發射相應模式的應答編碼信號。常用的詢問模式類型有以下幾種:

1)SIF模式:模式1、模式2、模式3/A、模式C,也包括A/C/S全呼和A/C全呼;

2)S模式;

3)模式4;

4)模式5。

詢問機常用詢問模式的詳細說明見表1所示。

表1 詢問模式說明

詢問機為了迅速獲得不同類型目標的信息,可在相鄰的詢問周期之間進行交替詢問,如圖2所示,S模式和A/C模式可以通過交替詢問,在最快三個詢問周期內就可獲取飛機的地址、編號和高度信息,交替方式為第一個詢問周期詢問S模式、第二個詢問周期詢問模式A、第三個詢問周期詢問模式C、第四個詢問周期開始重復第二輪交替詢問,以此類推。

圖2 交替詢問示意圖

1.2 詢問編碼信號分析

SIF模式包括M1、M2、M3/A和MC,也包括A/C/S全呼和A/C全呼。

M1、M2、M3/A和MC模式的詢問編碼格式如圖3所示,詢問編碼脈沖由P1、P2和P3組成,脈沖寬度為0.8μs。詢問模式應由P1和P3的脈沖間隔決定,P2相對于P1的位置是固定的。

圖3 M1、M2、M3/A和MC模式詢問編碼格式圖

A/C/S全呼和A/C全呼的詢問編碼格式如圖4所示[4],P4為全呼叫脈沖。P4脈沖寬度為0.8μs時表示模式A/C全呼,P1和P3脈沖寬度為0.8μs,間隔8μs時為模式A詢問,間隔為21μs時為模式C詢問,此時S模式的應答機對該詢問不作應答。P4脈沖寬度為1.6μs時表示模式A/C/S全呼,此時模式A、模式C和S模式的應答機均要應答[2]。

圖4 A/C/S全呼和A/C全呼詢問編碼格式圖

S模式的詢問編碼格式如圖5所示[3],S模式詢問脈沖P1和P2的位置是固定的,在P2脈沖后是一個信息脈沖P6,用其傳輸上行數據,其脈寬為16.25或30.25μs[2]。S模式的詢問數據包含在脈沖P6中,通過DPSK(差分相移鍵控)調制來傳輸[4]。

圖5 S模式詢問編碼格式圖

模式4的詢問編碼格式如圖6所示[3],模式4詢問編碼脈沖間隔2μs,脈沖寬度0.5μs,前5個脈沖P1、P2、P3、P4、P5的位置是固定的,P1～P4為同步脈沖信號,P5為詢問旁瓣抑制脈沖[1],加密后的信息通過后面32個脈沖的編碼傳輸。

圖6 模式4詢問編碼格式圖

由于模式5的特殊性,本文不對其詢問編碼信號格式進行說明。

二次雷達系統工作時,需要使用同步脈沖信號進行同步編碼,使整機工作在同步狀態。下文利用SIF模式的同步編碼進行分析說明。

對于SIF模式的同步編碼,是使詢問脈沖P3與整機同步脈沖信號的時間差取一固定的值,這個值至少應大于最長詢問模式(MC)的P1和P3的時間間隔,而P1與TRIG(同步脈沖信號)的時間間隔因模式而異,因此采用SIF模式時,指定信號確定為P3信號。具體時序關系如圖7所示,詢問機需在同一個詢問周期內完成詢問編碼和應答解碼工作(本文主要研究詢問編碼,解碼的相關內容不作分析),同步脈沖信號是整個系統工作的時間基礎。

圖7中,TRIG為同步脈沖信號;T0為詢問脈沖P3與整機同步脈沖信號的時間差;T1為一個詢問周期。

1.3 探測概率原理分析

目標探測概率是二次雷達系統設計過程中的一個核心指標,二次雷達系統的探測概率是指系統準確檢測應答目標的概率。

在實際環境中,應答機可能受到其他設備的抑制、天線遮擋以及電磁波傳播多徑引起的信號起伏和衰落等影響,而不產生回答信號,降低了目標探測概率。因此需要進行多次詢問來克服這些因素的影響。

目標的探測概率取決于應答機的應答概率(注意:假設只取決于應答機的應答概率,而不考慮接收概率、信噪比等影響)和判斷目標存在所需的最小應答信號數目[5],具體可通過等式(1)來表示:

(1)

其中:Pd為目標探測概率;N為窗口長度,即有效波束內同一類模式的詢問次數;t為最小應答門限,即檢測目標所需要的最小應答信號數目;P為單個應答機的應答概率;(1-P)為單個應答機不應答的概率;N≥t,k取值從t到N。

下面通過舉例計算對公式(1)進行分析說明。假設窗口長度N為8次詢問,最小應答門限t為6次,應答概率P=0.90,不應答概率(1-P)=0.1。8次詢問中,可能在前6次就達到最小應答門限(t=6),也可能在7次詢問或8次詢問后才達到,根據公式(1)可得到如下結果:

若采用滑窗處理方式,通常應答信號數目的需求至少為6[5],才可以獲得較好的真實目標并確認應答數據的準確性,表2為三種不同的應答機應答概率(P)下,對于給定的窗口長度,獲得至少6個(t)應答信號的概率(Pd)。

表2 滑窗處理方式目標探測概率

對于單脈沖[6]處理方式,為了完成去異步干擾等處理,至少需要2個應答信號就可以探測目標[5],表3為三種不同的應答機應答概率(P)下,對于給定的窗口長度,獲得至少2個(t)應答信號的概率(Pd)。

表3 單脈沖處理方式目標探測概率

1.4 詢問重復頻率原理分析

二次雷達以穩定的詢問重復詢問頻率發射詢問信號,每個模式的發射間隔相同。

對于使用機械掃描旋轉天線的二次雷達詢問機,詢問重復頻率與天線有效波束寬度、天線轉速和窗口長度有關,具體可以通過等式(2)進行計算[5]:

(2)

其中:PRF(Pulse Repetition Frequency)為詢問重復頻率,即每秒詢問次數;RPM(revolutions per minute)為天線轉速,即天線每分鐘旋轉的圈數;N為窗口長度,即每個有效波束寬度內的有效詢問次數;EBW(Effective Beam Width)為天線有效波束寬度。

從公式(2)可以得出,對于給定的天線有效波束寬度和天線轉速,詢問重復頻率是窗口長度的函數。

如圖8所示為天線旋轉時,天線有效波束發現目標的示意圖,圖中Ω代表天線旋轉方向,目標在天線有效波束內收到的詢問為有效詢問。

圖8 天線發現目標示意圖

為了減少不必要的應答觸發導致非同步的應答響應概率增加,考慮到詢問天線有效波束寬度、天線旋轉速度等因素,DoD AIMS 03-1000A標準[7](Technical Standard for the ATCRBS/IFF/Mark XIIA Electronic Identification and Military Implementation ofMode S)對詢問機的每秒詢問次數進行了約束:

1)SIF模式和模式4,平均1s的詢問重復率應為每秒不超過450次;

2)S模式的全向詢問速率包括S模式、模式A和模式C的全向詢問,平均1s的詢問重復率應為每秒不超過250次;

3)模式5平均1s的詢問重復率應為每秒不超過225次。

2 傳統交替詢問模型

傳統的交替詢問模型包括:

1)天線旋轉周期交替;

2)相鄰詢問周期交錯詢問。

天線的旋轉速率控制著顯控終端界面上目標位置的更新速率,其變化范圍在5rpm到15rpm之間。

假設天線旋轉速率為15rpm,在200n mile范圍目標探測概率為99%,其應答機的應答概率為0.9,在200n mile處,8m天線的有效波束寬度為2.5°。通過表2和表3可知,若要完成目標的有效識別,采用滑窗處理方式需要的窗口長度至少為9,采用單脈沖處理方式需要的窗口長度至少為4。

以下按照S模式和模式A兩種模式的交替詢問進行分析,模式A的最大詢問重復頻率450Hz,S模式的最大詢問重復頻率250Hz[8],當兩種模式交替詢問時,應當以S模式的最大詢問重復頻率來進行詢問,即每秒詢問次數為250次。

1)天線旋轉周期交替

天線旋轉周期交替,即天線旋轉一周內可以發射一組模式,當天線旋轉到下一周時,可以自動更換發射另一組模式,具體數據見表4。

表4 天線旋轉周期交替詢問記錄表

第N圈發射模式:S模式,S模式……

第N+1圈發射模式:模式A,模式A……

根據表4,可以看出,采用天線旋轉周期交替詢問方式,在有效波束窗口內S模式和模式A的詢問次數符合單脈沖處理方式的要求(NATO STANAG 4193 PART 4中規定為了充分利用S模式,詢問機需要單脈沖處理[4]),但是詢問天線需要旋轉2圈才能獲取到全部的模式,探測目標在時效性上沒有優勢。

2)相鄰詢問周期交錯詢問

相鄰詢問周期交錯詢問,即通過每個詢問周期間交替進行不同模式的詢問,具體數據見表5。

表5 相鄰詢問周期交錯詢問記錄表

第N圈發射模式:S模式,模式A,S模式,模式A……

采用相鄰詢問周期交錯詢問時,詢問天線需要旋轉1圈就能獲取到全部的模式,但在有效波束范圍內S模式和模式A的窗口長度比采用天線旋轉周期交替的方式減少了一半,根據表5可以看出,有效波束范圍內的窗口長度小于4,不能滿足單脈沖處理方式對目標有效識別的窗口長度要求。

第一種方式探測目標的實時性較差,第二種方式實時性得到滿足,但是交錯詢問后的窗口長度已無法保證探測概率,兩種處理方式均對系統的性能指標存在影響。

3 基于SuperMode的編碼模型

本文研究了一種新的詢問編碼方法,該方法是通過在同一個詢問周期內控制不同類型模式間的時間間隔時序,來實現同一個詢問周期內同時詢問兩種不同類型模式的SuperMode精準控制方法,該方法可以共享詢問之后設置的接收窗口,即在每個同步脈沖信號中執行兩次不同類型的詢問,達到在同一個詢問周期內同時獲取到兩種不同類型目標的信息的目的,提高了二次雷達敵我識別系統的識別時效,探測概率、識別性能和可靠性,從而進一步提高了二次雷達系統的戰技指標。

本文所涉及的SuperMode詢問裝置工作流程圖如圖9所示。

圖9 SuperMode詢問裝置工作流程圖

同步定時器,用于提供詢問的同步信號,保證周期性的詢問。在本文中涉及不同類型模式的組合詢問,采用同步定時器同步的目的是防止不同類型的詢問模式超出DoDAIMS 03-1000A標準允許的最大頻率傳輸詢問。

SuperMode編碼器,用于根據SuperMode編碼脈沖和同步信號的時序關系進行脈沖的編碼和發射。當二次雷達系統需要提供高可靠監視時,可以通過在同一詢問周期內交替使用兩種不同類型的詢問模式來實現SuperMode詢問。兩類詢問模式可以在成功的詢問周期里面交替使用,可根據不同的平臺和使用需求進行不同類型模式的組合設計。

本文所研究的基于SuperMode的詢問編碼模型主要包括以下五種:

1)S模式和SIF模式組合詢問編碼模型;

2)模式4和SIF模式組合詢問編碼模型;

3)模式5和模式4組合詢問編碼模型;

4)模式5和S模式組合詢問編碼模型;

5)模式5和SIF模式組合詢問編碼模型。

本文以S模式和SIF模式組合詢問編碼模型為例進行詳細分析,其時序關系圖如圖10所示。

圖10 S模式和SIF模式組合詢問編碼時序圖

圖10中,TRIG為同步脈沖信號;SLS為詢問旁瓣抑制信號;TRANGATE為詢問信號發射門;SLSGATE為詢問旁瓣抑制信號發射門。

同一詢問周期中,在詢問模式的脈沖信號中采用S模式和SIF模式組合詢問編碼模型時,可以實現在有效波束范圍內迅速獲取不同目標的S模式和SIF模式應答信息,高效率完成目標的識別,實現各模式在有效波束范圍內窗口長度的最大化。

如圖10所示,采用S模式和SIF模式組合詢問時,SIF模式編碼脈沖滯后于S模式編碼脈沖,且還包括零距離起始脈沖序列,零距離起始脈沖滯后于前編碼脈沖的同步相位翻轉脈沖(SPR),具體時序關系分析如下:

1)T1是編碼時序與系統同步信號的延時,本次設為10μs;

2)在S模式中嵌入SIF詢問時,由于S模式的P1、P2脈沖對SIF模式的抑制時間為35μs±10μs,所以SIF模式編碼至少在S模式后45μs;

3)為了防止發射SIF模式時干擾S模式應答,SIF模式編碼需在S模式的SPR之后128μs內,設置S模式的SPR提前SIF模式的P3脈沖前沿T2為125μs,用于保證兩種模式應答的零距離起始位置相同,且可以采用相同的GTC/STC曲線進行接收;

4)詢問信號發射門(TRANGATE)為低有效,TRANGATE的前沿提前S模式的P1脈沖前沿T3為2μs,TRANGATE的后沿提前SIF模式的P3脈沖后沿T4為2μs;

5)詢問旁瓣抑制信號發射門(SLSGATE)為低有效,T5～T8均設為1μs,用于保證SLSGATE第一個脈沖的前沿提前S模式的P5脈沖前沿1μs,后沿滯后S模式的P5脈沖后沿1μs,SLSGATE第二個脈沖的前沿提前SIF模式的P2脈沖前沿1μs,后沿滯后SIF模式的P2脈沖后沿1μs;

6)零距離起始脈沖距離S模式的P6脈沖SPR之后為固定延時128μs。

根據圖10的時序關系,在同一詢問周期內進行S模式和SIF模式組合詢問時,當SIF模式應答機收到該組合詢問時,只會響應該組合詢問的SIF模式詢問,而當S模式應答機收到該組合詢問時,S模式應答機僅響應該組合詢問的S模式這一種模式。從而實現在有效波束范圍內,天線只需旋轉1圈就能夠迅速獲取到S模式應答機和SIF模式應答機兩種類型的應答信號,且兩種詢問模式的窗口長度達到最大。

本文僅以S模式和SIF模式的組合詢問作為例子進行分析說明,其他四種詢問編碼組合方式可類比。SuperMode五種詢問編碼模式組合和傳統的詢問編碼方式相比,其具有很強的實用價值,在對有限的時間內迅速獲取組合內相關詢問編碼模式的應答信號,從而掌握詢問機威力范圍內空域內不同類型的目標信息,對軍航作戰應用和民航監視通信等都具有非常重要的意義。

4 分析驗證

通過以下分析對本文的SuperMode詢問編碼方法進行進一步的分析驗證。在與第三節完全相同的條件下,分析S模式和模式A的SuperMode詢問,具體數據見表7。

表7 SuperMode詢問記錄表

發射模式:(S模式+模式A), (S模式+模式A)……

通過表7可知,使用SuperMode詢問編碼方式,可以在單圈內實現同一波束范圍內窗口長度的最大化,與傳統系統交替詢問模型相比,能夠有效地提高二次雷達的識別效率和探測概率。

5 結束語

本文研究了一種基于SuperMode的詢問編碼方法,可應用于軍用敵我識別系統(IFF)和民航空中交通管制(ATC)系統,目的是在一個詢問周期內同時獲取兩種不同類型目標的信息。在多種類型目標并存的復雜空域條件下,能夠準確快速完成不同類型目標的有效探測,并保證系統的探測時效,在相同條件下該方法的探測概率和獲取目標的時效性均高于傳統的詢問方法,提高了二次雷達系統的探測性能和可靠性。