董 海

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

敵我識(shí)別信號(hào)作為一種主要的非通信信號(hào),蘊(yùn)藏著豐富的情報(bào)資源。從20世紀(jì)90年代初期的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)直到新世紀(jì)的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)都表明,敵我識(shí)別的作用顯得越來越突出。對(duì)敵我識(shí)別信號(hào)進(jìn)行分析,可以得到飛機(jī)的身份碼、高度、國(guó)家/地區(qū)標(biāo)志、飛行狀態(tài)等諸多信息。因此,敵我識(shí)別信號(hào)偵測(cè)作為電子偵察的一個(gè)重要方向,日益受到重視。

對(duì)敵我識(shí)別信號(hào)的偵測(cè),國(guó)內(nèi)已做了大量的研究[1,2],但工作主要集中在信號(hào)識(shí)別和脈沖編碼的解碼上,未能充分挖掘敵我識(shí)別信號(hào)中隱藏的內(nèi)涵信息,存在一定的缺陷。

本文針對(duì)目前西方國(guó)家現(xiàn)役MARK?敵我識(shí)別系統(tǒng)IFF信號(hào)的特點(diǎn),提出了一種從前端信號(hào)偵收到后端信息處理的一體化處理方法,通過硬件實(shí)時(shí)完成IFF信號(hào)的模式識(shí)別和解碼,由軟件完成內(nèi)涵信息的解譯和同一敵我識(shí)別輻射源的信號(hào)關(guān)聯(lián),具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 MARK?IFF信號(hào)簡(jiǎn)介

MARK?IFF信號(hào)目前共有5種工作模式,分別稱為1、2、3/A、4、C 模式 。其中,1、2、4 模式專用于軍用識(shí)別;3/A模式為軍民兩用身份識(shí)別模式;C模式用于識(shí)別飛機(jī)的高度;A/C模式主要應(yīng)用于交通管制(ATC)。另外,B模式預(yù)備用于美國(guó)民航飛機(jī)的民用識(shí)別,但目前尚未使用。而D模式作為備用模式,目前尚未分配。

1、2、3/A、C模式詢問信號(hào)都采用三脈沖體制,其詢問格式如圖1所示,采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)。

圖1 詢問信號(hào)形式Fig.1 Interrogator signal format

模式4詢問信號(hào)首先有4個(gè)同步脈沖,脈沖間隔為2 μ s,后面跟隨33個(gè)脈沖,包括一個(gè)控制脈沖(ISLS)和最多32個(gè)加密信息脈沖,信號(hào)所有的脈沖寬度均為0.5 μ s,如圖 2所示。

圖2 模式4詢問信號(hào)形式Fig.2 MODE 4 interrogator signal format

1、2、3/A、C 應(yīng)答信號(hào)由 F1和 F2兩個(gè)框架脈沖及位于F1和F2之間的信息脈沖組成,如圖3所示。

圖3 應(yīng)答信號(hào)形式Fig.3 Transponder signal format

模式4應(yīng)答信號(hào)由一組脈沖組成,該脈沖組共有3個(gè)脈沖,如圖4所示。

圖4 模式4應(yīng)答信號(hào)形式Fig.4 MODE 4 transponder signal format

由于諸多文獻(xiàn)[1,2,4]已經(jīng)詳細(xì)介紹過MARK?IFF信號(hào)格式,因此本文不再贅述。

3 MARK?IFF信號(hào)處理方法

3.1 總體設(shè)計(jì)

如圖5所示,某MARK?IFF信號(hào)偵測(cè)系統(tǒng)由偵測(cè)天線陣、多通道接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。信號(hào)由偵測(cè)天線陣接收后,接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行變頻濾波放大,信號(hào)處理機(jī)對(duì)接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換,得到數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行濾波、信號(hào)檢測(cè)、參數(shù)測(cè)量、信號(hào)模式識(shí)別、分選和解碼。解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)涵信息分析提取和輻射源關(guān)聯(lián)等深入處理,最后進(jìn)行偵測(cè)結(jié)果顯示。其中,解碼及解碼前的信號(hào)處理在硬件中進(jìn)行,以充分發(fā)揮硬件實(shí)時(shí)處理的優(yōu)勢(shì),解碼后的工作在軟件中進(jìn)行。

圖5 偵測(cè)系統(tǒng)功能框圖Fig.5 Block diagram of reconnaissance system

3.2 信號(hào)偵收

由于MARK?IFF信號(hào)固定工作于1030MHz和1090MHz,因此采用定頻超外差接收方法。由于IFF信號(hào)的帶寬不大于10MHz,因此選擇接收帶寬為B=10MHz。

接收機(jī)將IFF射頻信號(hào)變頻到70MHz中頻,在中頻直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。根據(jù)帶通采樣定理[5],采樣頻率fs須滿足:

式中,fh=f0+B/2=75MHz,fl=f0-B/2=65MHz。

采用全數(shù)字正交檢波方案(圖6)時(shí),fs確定為40MHz。

圖6 全數(shù)字正交檢波器Fig.6 Digital quadrature demodulator

此時(shí),NCO的輸出為[0,1,0,-1]序列,與輸入信號(hào)相乘時(shí)運(yùn)算量很小,大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì),節(jié)省了硬件資源。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)正交雙通道輸出,檢波后就得到了脈沖時(shí)域包絡(luò)。圖7顯示了一個(gè)實(shí)測(cè)的IFF中頻信號(hào)及其包絡(luò)。

圖7 實(shí)測(cè)IFF應(yīng)答信號(hào)Fig.7 A measured transponder signal

3.3 信號(hào)檢測(cè)及識(shí)別

對(duì)IFF信號(hào)的檢測(cè)及識(shí)別分選在信號(hào)處理機(jī)中由硬件設(shè)備完成。

在FPGA中對(duì)AD后的中頻信號(hào)進(jìn)行檢波,采用過門限檢測(cè)方法判斷脈沖信號(hào)的存在。對(duì)檢測(cè)到的脈沖包絡(luò)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,可得到脈沖到達(dá)時(shí)間(TOA)、脈沖幅度(PA)、脈沖寬度(PW)、脈沖示向度(DOA)等特征參數(shù),形成脈沖描述字(PDW)。在DSP中,根據(jù)PDW進(jìn)行信號(hào)識(shí)別及分選。根據(jù)脈沖寬度參數(shù),剔除掉非IFF信號(hào),在剩余的脈沖中根據(jù)不同的脈沖示向度、幅度和寬度參數(shù),將脈沖進(jìn)行空間上的隔離和分組處理。分組處理后的數(shù)據(jù)再按照IFF信號(hào)模式的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行配對(duì),識(shí)別出信號(hào)的模式,并形成一組組的IFF信號(hào)編碼。

IFF信號(hào)受實(shí)際環(huán)境的影響,難免會(huì)出現(xiàn)波形失真和脈沖混疊,此時(shí)如果嚴(yán)格按照額定參數(shù)進(jìn)行識(shí)別分選,識(shí)別概率會(huì)大大降低。因此需要對(duì)參與識(shí)別分選的參數(shù)進(jìn)行一定的容限范圍設(shè)置,提高識(shí)別概率。

3.4 內(nèi)涵信息提取

IFF信號(hào)中,隱含有飛機(jī)代號(hào)、飛行高度、飛行任務(wù)代碼、國(guó)家/地區(qū)標(biāo)志等內(nèi)涵信息。提取內(nèi)涵信息是敵我識(shí)別信號(hào)偵測(cè)的一個(gè)重要步驟,從這些內(nèi)涵信息中,我們可以積累并推斷飛機(jī)的駐地、執(zhí)行任務(wù)情況、行為方式,掌控飛機(jī)的活動(dòng)規(guī)律情況。

下面以最常見的A/C模式應(yīng)答信號(hào)為例,說明IFF信號(hào)內(nèi)涵信息提取方法。

應(yīng)答信號(hào)的編碼格式是由詢問模式來確定的,由框架脈沖F1和F2之間的八進(jìn)制4組(A、B、C、D)共13個(gè)脈沖組成。

當(dāng)詢問飛機(jī)代號(hào)時(shí)(A模式),則應(yīng)答信號(hào)編碼脈沖由飛機(jī)的代號(hào)(即身份碼)決定,每架飛機(jī)單獨(dú)有一個(gè)專用的指定代號(hào)。飛機(jī)身份碼的編碼由A4 A2A1 B4 B2 B1 C4 C2 C1 D4 D2 D1組成,脈沖出現(xiàn)的位置為1,反之為0。將每組八進(jìn)制的字母的角標(biāo)數(shù)字相加的和,即為飛機(jī)身份碼。

例如,應(yīng)答信號(hào)編碼表示為110110100010,將其恢復(fù)成ABCD 4組脈沖的形式為A4 A2 B4 B2 C4 D2,角標(biāo)分別相加后,得到6642,這個(gè)即代表這架飛機(jī)的身份碼。

當(dāng)詢問飛機(jī)高度時(shí),應(yīng)答機(jī)自動(dòng)回答飛機(jī)氣壓高度信息。高度編碼脈沖同樣由F1和F2之間的信息脈沖組成,但其編碼格式為格雷碼,并且只使用10個(gè)脈沖,編排順序?yàn)镈4 A1 A2 A4 B1 B2 B4 C1 C2 C4。這10個(gè)脈沖又分配為3組,D4 A1 A2組成每2.44 km高度增量的8個(gè)格雷碼;A4 B1 B2 B4組成每152.4 m高度增量的16個(gè)格雷碼;C1 C2 C4組成每30.48 m高度增量的5個(gè)“五周期循環(huán)碼(C1和C4不能同時(shí)為1,但C組脈沖中必須有一個(gè)為1)。具體的脈沖編排格式和對(duì)應(yīng)的高度真值表可參閱文獻(xiàn)[3]。

在正確識(shí)別及分選高度信息脈沖后,可按照每組高度信息編碼碼字排列順序和高度真值表推算出飛機(jī)的高度信息。

由于每個(gè)機(jī)場(chǎng)所分配的身份代號(hào)編碼是預(yù)先分配好的,于是我們可以通過長(zhǎng)期偵測(cè)和跟蹤這些代號(hào)信息來分析和推斷飛機(jī)的駐扎機(jī)場(chǎng)和飛機(jī)的數(shù)量。

對(duì)高度信息的跟蹤分析,可能推測(cè)出飛機(jī)的行為模式,從而間接判斷飛機(jī)的類型信息。

而對(duì)模式4詢問信號(hào)來說,我們可以得到其加密脈沖的編碼序列,并通過這種信號(hào)來判斷目標(biāo)的存在以及來自的方位。

3.5 輻射源同源關(guān)聯(lián)

在偵測(cè)到IFF信號(hào),進(jìn)行識(shí)別分選以后,可以將同一IFF輻射源發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

關(guān)聯(lián)的依據(jù)是身份碼和身份碼重復(fù)的周期,身份碼重復(fù)周期可以通過每個(gè)相同的身份碼到達(dá)時(shí)間差得到。

出于飛行安全及空管的考慮,身份編碼具有唯一性,我們可以認(rèn)為一個(gè)時(shí)間段內(nèi),同一個(gè)身份碼肯定是由一架飛機(jī)發(fā)出的。因此我們可以以此為依據(jù),將身份碼相同的輻射源信號(hào)關(guān)聯(lián)在一起。不同的重復(fù)周期則反映了應(yīng)答機(jī)回復(fù)不同的詢問機(jī)的工作情況。

4 試驗(yàn)情況

在實(shí)驗(yàn)室通過信號(hào)源不間斷地模擬產(chǎn)生IFF射頻信號(hào),信號(hào)產(chǎn)生的頻率設(shè)定為1 s產(chǎn)生200個(gè)信號(hào)(即PRI=5 ms)。將射頻信號(hào)輸入某MARK ?IFF信號(hào)偵測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行處理,處理結(jié)果在顯控上進(jìn)行顯示,顯示的內(nèi)容包括幅度大小、信號(hào)編碼或模式、內(nèi)涵信息等。

圖8顯示了信號(hào)源分別模擬輸出模式2詢問信號(hào)和編號(hào)為2262的應(yīng)答信號(hào)時(shí)的處理情況(此時(shí)信號(hào)源輸出功率為-85 dBm)。從圖中可以看出,脈沖間隔參數(shù)(PRI)測(cè)量誤差在納秒量級(jí),信號(hào)模式識(shí)別正確,對(duì)信號(hào)編碼進(jìn)行了解碼,并提取了信號(hào)內(nèi)涵信息(獲得了飛機(jī)編號(hào),即身份碼)。同時(shí),實(shí)現(xiàn)了輻射源的同源關(guān)聯(lián),將每一秒的相同身份碼的信號(hào)關(guān)聯(lián)在一起,從信號(hào)個(gè)數(shù)可以反映出信號(hào)正確截獲和關(guān)聯(lián)概率達(dá)到了90%以上。

圖8 IFF信號(hào)處理顯示Fig.8 The display of processing result

由于系統(tǒng)的靈敏度設(shè)計(jì)為-85 dBm,因此當(dāng)信號(hào)源輸出功率增大時(shí),信號(hào)截獲和關(guān)聯(lián)概率的準(zhǔn)確性會(huì)大大提高,如圖9所示。

圖9 信號(hào)源輸出功率增大時(shí)處理結(jié)果顯示Fig.9 The display of processing result when the output power of signal generator increases

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)MARK?IFF信號(hào)的特點(diǎn),提出了一種從前端信號(hào)偵收到后端信息處理的一體化處理方法,通過經(jīng)信號(hào)源模擬產(chǎn)生信號(hào),信號(hào)偵測(cè)設(shè)備接收處理,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的模式識(shí)別、內(nèi)涵信息解譯和輻射源的同源關(guān)聯(lián),具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值,能大大提高敵我識(shí)別信號(hào)偵測(cè)的效能,目前已在某系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

本文的下一步工作是充分挖掘IFF信號(hào)詢問和應(yīng)答之間的規(guī)律,以實(shí)現(xiàn)詢問輻射源和應(yīng)答輻射源之間的關(guān)聯(lián)。

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[2]錢眺,茅玉龍,查榮.IFF信號(hào)的分析與識(shí)別研究[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2008(3):45-48.QIAN Tiao,MAO Yu-long,ZHA Rong.A study on the analysis and identification of IFF signals[J].Radar&Ecm,2008(3):45-48.(in Chinese)

[3]黎廷璋.空中交通管制機(jī)載應(yīng)答機(jī)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1992.LI Ting-zhang.Aircraft Transponder for Air Traffic Control[M].Beijing:National Defense Industry Press,1992.(in Chinese)

[4]STANAG 4193 Part I,Technical Characteristics of IFF Mark XA and Mark XII Interrogators and Transponders General Description of the System[S].

[5]曹志剛,錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1992.CAO Zhi-gang,QIAN Ya-sheng.Modern communication theory[M].Beijing:Tsinghua University Press,1992.(in Chinese)