(中國西南電子技術研究所，成都610036)

1 引 言

空管二次監(jiān)視雷達(Secondary Surveillance Radar,SSR)是空中交通管制系統(tǒng)(ATC)的重要組成部分，是監(jiān)視飛機飛行航跡和狀態(tài)的一種地面?zhèn)鞲衅?。二次監(jiān)視雷達技術來源于西方體制敵我識別系統(tǒng)，20世紀50年代Mark X敵我識別器解密后，其技術推廣應用于民用領域，形成了最初的二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)最顯著的特點是采用了問-答式的協(xié)同識別方式。

傳統(tǒng)的二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)采用A/C工作模式，分別用于監(jiān)視飛機的編號和高度，初期的系統(tǒng)存在大量的竄擾、混擾、旁瓣干擾。20世紀60年代以后，隨著單脈沖體制、詢問旁瓣抑制、接收旁瓣抑制等技術的引入，二次雷達系統(tǒng)內部存在的竄擾、混擾、旁瓣干擾等固有干擾造成的不利影響在一定程度上得到緩解，使得該系統(tǒng)在世界各地的空中交通管制體系中迅速普及和廣泛使用[1]。然而隨著空中交通密度的增大，尤其是在歐洲和北美等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，A/C模式的遺留問題——竄擾和混擾再一次引起了人們的關注，從而提出了一種新的SSR工作模式，被美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administrator，F(xiàn)AA)命名為S模式[2-5]，并在國際民航組織規(guī)范附件10(ICAO ANNEX10)中進行了規(guī)定。S模式顯著的技術特點主要體現(xiàn)在兩個方面，一是通過選址詢問減少了系統(tǒng)內部干擾，二是同時具備了監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈通信能力。

盡管ICAO ANNEX10中規(guī)定出了S模式詢問和應答信號的具體格式以及數(shù)據(jù)項的具體含義，但是在實際S模式詢問機設計過程中，設計者還是需要根據(jù)實際情況對系統(tǒng)的工作流程作出完善和高效的編排，才能夠保證該系統(tǒng)能夠正常投入使用。例如，目前A/C模式和S模式還處于共存階段，如何讓S模式詢問機能夠同時對A/C模式目標和S模式目標保持監(jiān)視；又例如，S模式選址詢問之前，需如何將目標捕獲和鎖定；再例如，當多個S模式目標位于詢問天線的同一波束內時，如何編排選址詢問時序以保證對多個目標的同時監(jiān)視等具體技術問題都需要解決。本文將從實際工程設計出發(fā)，對上述幾個問題進行探討，并提出具體的解決方案。該方案已成功應用于一種新研制的S模式二次雷達詢問機，工作于1、2、3/A、C以及S模式，可脫離一次雷達獨立跟蹤監(jiān)視全空域A/C及S模式目標。

2 A/C與S組合模式規(guī)劃

首先我們分析一下A/C模式和S模式詢問和應答的基本信號格式和時序，然后再進行詢問流程的組合設計。A/C模式信號格式見圖1，S模式信號格式見圖2。其中A/C模式的應答延時為3 μs固定延時，加上信號的空間傳輸延時t；S模式的應答延時為128 μs固定延時，加上信號的空間傳輸延時t。

圖1 A/C模式詢問及應答信號格式

圖2 S模式詢問和應答信號格式

我們對詢問機的工作方式進行分析后認為，要讓S模式詢問機實現(xiàn)對A/C模式和S模式目標的同時監(jiān)視，必須讓詢問機既發(fā)出A/C模式詢問，又發(fā)出S模式詢問，然后既接收A/C模式應答又接收S模式應答，分別進行處理。

為分析方便，假設詢問機參數(shù)如下：作用距離為450 km，詢問天線波束寬度為3°，詢問天線掃描速度為10轉/分，詢問重復頻率為100 Hz。基于以上參數(shù)計算，目標駐留波束的時間為Tb=3/[(360×10)/(60×1000)]=50 ms，一個駐留波束內詢問次數(shù)為N=Tb/10=5次。

首先我們可以設計一種簡單直觀的A/C和S模式交替詢問方式，將駐留波束內的5次詢問按照第1次為A/C詢問，然后進行A/C應答解碼，第2次為S詢問，然后進行S模式應答解碼，第3次為A/C詢問，然后進行A/C應答解碼，如此反復，如圖3所示。那么在一個駐留波束內，只能夠進行2～3次的A/C模式詢問和2～3次的S模式詢問。然而根據(jù)經(jīng)驗，要對A/C模式目標進行可靠的監(jiān)測，需一個駐留波束至少進行4～5次A/C模式詢問才能進行點跡凝聚處理，S模式也至少需要4次詢問來完成多目標監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈傳輸流程。因此這種詢問時序的效率不足，不能滿足系統(tǒng)性能的要求。另外，A/C模式全呼叫進行監(jiān)視詢問時，S模式應答機既可以回答S模式詢問又能回答A/C模式詢問，因此可能被誤認為是兩架飛機。

圖3 A/C和S模式簡單交替詢問工作時序圖

為解決上述問題，更好的辦法是設計出A/C和S全呼詢問組合的方式，既可以提高時間使用效率，同時在監(jiān)視A/C或S目標時， S模式與A/C模式應答機最多只能回答其中的一個詢問信號，這樣可以避免詢問器在目標監(jiān)視時將同一架飛機當作兩架飛機。

通過對圖1和圖2中A/C及S模式工作時序進行分析后，我們采用同時監(jiān)視S模式目標與A/C模式目標全呼叫詢問波形，如圖4所示。它是兩種全呼叫詢問的組合波形，其中A/C模式全呼模式按ICAO附件10的規(guī)定增加了一個標志脈沖(脈寬0.8代表僅A/C模式全呼叫，S模式應答機不會應答)。該方案可以共享詢問之后設置的收聽時間窗，提高時間利用率，兩種全呼叫詢問信號之間的時間間距。這樣設計還可以確保詢問機能同時收到來自等距離的A/C模式應答機或S模式應答機的回答信號以方便測距。

圖4中為了確保A/C模式應答機在接收A/C模式全呼叫詢問信號之前有足夠時間從S模式同步頭中P1～P2產(chǎn)生的旁瓣抑制狀態(tài)恢復過來，兩個詢問信號之間的時間間距至少要45 μs，圖中給出的時間間距是接收零距離S模式全呼叫應答信號不受干擾的最大時間間距。

當A/C模式應答機收到該組合詢問時，由于它只具有辨別A/C詢問的能力，所以只會對其中的A/C詢問進行響應，而當S模式應答機收到該組合詢問時,可以通過辨別A/C全呼中的標志脈沖(脈寬1.6 μs代表S模式)，選擇只響應S模式詢問而忽略A/C模式詢問，從而避免雙模式應答。

圖4 組合方式實現(xiàn)A/C和S模式同時工作的時序圖

3 S模式目標捕獲

S模式與傳統(tǒng)A/C模式最顯著的區(qū)別之一就是可以實現(xiàn)對指定目標的選址詢問，即只有被指定的目標才響應選址詢問，其它目標即使收到這個詢問也不會產(chǎn)生應答信號。要對監(jiān)視范圍內的目標進行選址詢問，前提條件就是將范圍內的S模式目標都進行捕獲。獲得這些目標的S模式地址、距離、方位等數(shù)據(jù)，并將其進行鎖定設置，使該目標以后不會繼續(xù)響應本詢問機的全呼叫詢問，而只響應本詢問機的選址詢問，以便減少全呼叫“同步混擾”。這一獲取目標信息特征并將其鎖定的過程我們稱為S模式目標的捕獲。

這種閉鎖條件由S模式地面站通過選址詢問進行控制。不管什么原因，飛機只要在大約18 s周期(對應于3～4個天線掃描周期)內沒有接收包含閉鎖命令的選址詢問，則現(xiàn)存的任何閉鎖狀態(tài)將失效，以便地面站可以使用正常的S模式捕獲方式對該飛機進行重新捕獲。

實際系統(tǒng)中S模式全呼詢問和選址詢問是共存的，對于新出現(xiàn)在空域中的目標我們通過全呼詢問進行捕獲，對于已經(jīng)捕獲的目標我們通過選址詢問來保持對其持續(xù)地監(jiān)視。在具體實現(xiàn)方式上，我們采取了全呼叫詢問(包括A/C模式全呼叫和S模式全呼叫)周期與S模式選址詢問周期交替進行的方式，如當前波束內沒有確定的S模式目標，就僅進行全呼叫詢問，否則就進行全呼詢問與選址詢問相結合的交替詢問，如圖5所示。

圖5 全呼詢問與S模式選址詢問時間分配

詢問機啟動后剛開始工作時，僅進行全呼叫詢問(格式為UF11)，S模式應答機的全呼回答信號被詢問機解碼后送至航跡處理器進行處理，幾個掃描周期后航跡處理器建立好該目標的航跡，將下一周期目標的預估位置送回，詢問機在隨后的詢問中對該目標采用帶鎖定的選址詢問(格式為UF5或UF4)將其鎖定，完成捕獲工作。

捕獲模式的選擇上，ICAO ANNEX10中規(guī)定的有多站捕獲模式、鎖定忽略模式、非選擇性模式等，但根據(jù)歐洲航空管制的相關經(jīng)驗，推薦使用多站捕獲模式，因此我們在實際工程中設計和使用的是帶自適應應答概率的多站捕獲模式。

自適應的多站捕獲模式具體步驟如下：

(1)剛啟動航管詢問機時，由于所有的目標都未捕獲，在全呼叫詢問周期的S模式全呼詢問(UF11)中，指定應答機采用較低的應答概率(應答概率PR可在詢問機的本地控制監(jiān)視器上設置)，詢問格式如表1所示。

表1 S模式全呼叫詢問(UF11)數(shù)據(jù)格式Tab.1 Mode S all-call interrogation(UF11) dada format

全呼詢問時地址為24個1，地址/校驗碼按照ICAO ANNEX10中規(guī)定的算法得到。應答概率的范圍最高為1，最低為1/16。

(2)S模式應答機在接收到UF11全呼詢問后，按DF11應答格式進行全呼應答。詢問機通過信號處理得到應答機通信能力碼、地址碼、目標距離、目標方位等信息，若因混擾等因數(shù)造成解碼失敗，將得到解碼失敗標志信息，并將信息傳送到航跡處理器。若一個波束周期內同一目標應答了多次，詢問機還應進行點跡凝聚，僅送出一次該目標數(shù)據(jù)。

DF11應答信號格式如表2所示。

表2 S模式全呼叫應答(DF11)數(shù)據(jù)格式Tab.2 Mode S all-call reply(DF11) data format

(3)航跡處理器在數(shù)個掃描周期后建立好確認的航跡，預推下一天線掃描周期目標的位置，并提前將該目標的地址和預計位置傳送詢問機。

(4)詢問機按照目標的地址和方位，在該目標進入波束后啟動UF5代碼監(jiān)視選址詢問報文，并使用閉鎖參數(shù)鎖定目標，使其不再響應本詢問機的全呼詢問。

UF5詢問格式如表3所示。

表3 S模式代碼監(jiān)視選址詢問(UF5)數(shù)據(jù)格式

(5)初始掃描開始后，每經(jīng)過10個天線掃描周期，且前一周期未出現(xiàn)全呼解碼失敗，將PR應答率提高1倍，直到應答率達到100%。在此后的掃描過程中，若詢問機發(fā)現(xiàn)了解碼失敗標志，且連續(xù)3次全呼詢問此標志不消除，即可認為該方位出現(xiàn)了混擾現(xiàn)象，記錄下當前的天線指向角度和扇區(qū)號，當下一掃描到達該扇區(qū)及其相鄰的左右扇區(qū)時，將當前的PR應答概率降低1倍。若全呼解碼仍然不成功，下一掃描周期該方位繼續(xù)降低PR應答率，直到無混擾現(xiàn)象出現(xiàn)?；鞌_消除后，下一掃描周期將該方位PR率提高1倍，直到恢復到與其它扇區(qū)相同的正常值。這就是自適應PR率的調節(jié)過程。

采用這種自適應隨機多站捕獲技術后，對于混擾區(qū)域的目標的捕獲效率大大提高，據(jù)統(tǒng)計，混擾區(qū)域內的目標數(shù)和將其中某個特定目標捕獲所需的天線掃描周期數(shù)如表4所示。

表4 混擾區(qū)域目標捕獲情況統(tǒng)計表

4 S模式選址詢問方案

選址詢問所需的待詢問目標信息來源于航跡處理器和地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)，航跡處理器送出目標的預估方位和距離，GDLP送出針對某目標的數(shù)據(jù)鏈需求，這兩種來源的信息在S模式詢問機中匯總，針對每一目標形成一個數(shù)據(jù)和信息的集合，并進行選址詢問的時序編排，我們設計的選址詢問方案如下所述。

在詢問機中，有兩張目標列表在使用和刷新，其中一張表是尚未處理的目標全列表(簡稱全列表)，另一張表是當前波束內的未處理目標列表(簡稱波束列表)。在每一輪選址詢問后，這兩張表都將根據(jù)詢問的結果和收到的新目標數(shù)據(jù)進行刷新，已得到預期結果的目標將從表中刪除，未處理完的目標繼續(xù)保留在表中，新目標也將添加進入表中。

航跡處理器或GDLP送來的新目標首先將進入全列表，詢問機將把全列表按照目標方位先后順序進行排序，即先將進入詢問波束的目標排在表頭，后進入詢問波束的目標排在表尾。每輪選址詢問結束后，首先把事務處理完畢的目標從全列表和波束列表中刪除，讀取新的目標和事務來更新全列表，然后讀取當前天線的指向角度，判斷全列表中是否有目標可進入波束列表，并把波束列表中的目標按照距離遠近的順序進行詢問順序編排，在下一輪選址時即可按照此編排好的時序啟動詢問。

波束列表中的時序編排方法如下：首先，波束列表中距離最遠的目標1，它的詢問啟動時刻為ti1，根據(jù)目標的距離可計算出應答到達的時間tr1，把tr1加上目標1應答格式的時間長度以及1個保護時間間隔，可確定目標2應答的到達時間tr2，根據(jù)目標的距離可反推出其詢問啟動時刻ti2，以此類推，可逐步計算出第n個目標的詢問啟動時刻tin和應答到達時刻trn，最后一個目標的詢問啟動時間tin加上詢問格式的長度應保證處于第一個目標應答到達時間tr1之前，否則就應把目標n的詢問啟動時間編排在已經(jīng)編排的所有目標的應答到達時間之后。

編排時序應該注意到以下幾點：

(1)由于全呼詢問頻率是固定的，兩個全呼詢問之間用于選址詢問的這段時間也是有限的，所以選址詢問的編排不能無限長，如一輪詢問不能選址到波束中的所有目標，可將剩余的目標在下一輪選址詢問中編排；

(2)由于在每一輪選址詢問結束后詢問機還需進行一系列復雜的數(shù)據(jù)處理和傳輸工作，例如讀取應答結果，進行全列表和波束列表的刷新，編排下一輪選址時序等，這些工作必須在下輪全呼詢問開始前完成，處理時間將非常緊張。因此，我們在每一輪選址詢問的最后保留了1段固定的處理時間T，也就是說，每輪選址詢問的最后一個目標的應答到達時間trn不能夠占用該段保留處理時間。1個選址詢問的時序編排例子見圖6。

圖6 S模式選址詢問時序安排示例

5 結束語

本文提出了一種空管二次雷達S模式詢問機捕獲和監(jiān)視空中S模式目標的工程實現(xiàn)方案，并在新研制的S模式二次雷達詢問機中得到應用。區(qū)別于以往國內在空管S模式詢問機方面綜述性和理論性的研究，本方案把國際民航組織的相關標準與實際系統(tǒng)設備的工程設計完整地結合在一起，并且經(jīng)過對設備工作方式的仔細研究，巧妙地解決了S模式詢問機實際工作過程中面臨的一些關鍵問題。

S模式設備和技術在空管二次雷達、空中防撞系統(tǒng)以及西方體制敵我識別等領域都有廣泛應用，目前歐洲很多國家已經(jīng)全面啟用了S模式空管系統(tǒng)，我國正在逐步推進S模式的應用工作，其系統(tǒng)和設備具有相當廣闊的前景和市場。該技術領域進一步研究的重點主要是S模式數(shù)據(jù)鏈的實際應用以及相關的外圍設備和技術。

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