鄧 欣(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

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提高航管二次雷達(dá)近程目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定性的方法*

鄧 欣**
(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

**通信作者:xind829@163. com Corresponding author:xind829@163. com

摘 要:針對相控陣體制航管二次雷達(dá)系統(tǒng)在雷達(dá)近程探測空域內(nèi)無法穩(wěn)定監(jiān)視目標(biāo)的問題,提出了一種提高航管二次雷達(dá)系統(tǒng)對近程目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定性的方法?；诂F(xiàn)有航管二次雷達(dá)系統(tǒng)的硬件架構(gòu),設(shè)計了在對監(jiān)視空域進(jìn)行航管掃描詢問過程中密集插入對近程目標(biāo)跟蹤詢問的工作方式,并給出了航管近程跟蹤詢問流程和波位隨機(jī)同步跳轉(zhuǎn)控制時序的詳細(xì)設(shè)計方法以及對航管近程跟蹤能力的估算方法。仿真計算結(jié)果驗證了該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞:相控陣天線；航管二次雷達(dá)；近程探測；掃描詢問；穩(wěn)定監(jiān)視；近程跟蹤詢問

1 引 言

航管二次雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar, SSR)系統(tǒng)[1-2]作為對空域目標(biāo)的識別和監(jiān)視系統(tǒng),在空中交通管制、目標(biāo)識別、信標(biāo)跟蹤等多方面得到了廣泛應(yīng)用,配置在如機(jī)場、航路、飛機(jī)和艦船等軍事和民用領(lǐng)域的各類平臺。航管二次雷達(dá)系統(tǒng)可完成對雷達(dá)覆蓋空域的自主掃描探測,實現(xiàn)對協(xié)同飛機(jī)的定位、定高、身份識別及飛機(jī)航跡的顯示,已成為空中交通管制的重要手段。

相對于傳統(tǒng)的基于機(jī)械掃描的航管二次雷達(dá)系統(tǒng),為了適應(yīng)重點空域警戒功能而發(fā)展起來新體制航管二次雷達(dá)系統(tǒng),采用相控陣詢問天線體制,可實現(xiàn)對掃描波束的快速、靈活控制[2],且基于安裝平臺的不同需求,需兼具有進(jìn)近管制和航路監(jiān)視的能力。為保證對整個雷達(dá)探測空域的實時監(jiān)控和穩(wěn)定監(jiān)視,要求航管二次雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取連續(xù)、穩(wěn)定的飛機(jī)航跡信息[3-4]。但采用現(xiàn)有的航管工作方式,在雷達(dá)近程探測范圍內(nèi)存在監(jiān)視不穩(wěn)定區(qū)域,尤其當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行大機(jī)動飛行(速度快、轉(zhuǎn)彎半徑小) 時,會出現(xiàn)飛機(jī)航跡斷續(xù)不連貫的問題。存在近程航路監(jiān)視不穩(wěn)定問題的主要原因是:為保證航管目標(biāo)航跡的準(zhǔn)確度,對目標(biāo)角度變化率設(shè)置了相應(yīng)的門限τ,超出該門限值,則判定接收數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)而剔除;對遠(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行掃描監(jiān)視時,在掃描周期內(nèi)目標(biāo)運動相對雷達(dá)視角變化較小,兩次測量目標(biāo)的角度差在門限范圍內(nèi),可進(jìn)行航跡相關(guān)[5],但當(dāng)飛機(jī)相對于航管二次雷達(dá)近距離飛行時,目標(biāo)相對雷達(dá)角度變化大,測量角度數(shù)據(jù)極易超出門限值而被剔除。因此,出現(xiàn)目標(biāo)航跡斷續(xù)現(xiàn)象。

針對以上問題,現(xiàn)有的國內(nèi)外航管二次雷達(dá)系統(tǒng)大多采用進(jìn)近管制二次雷達(dá)和航路監(jiān)視二次雷達(dá)組合配置的方式[5],確保同時滿足對近、遠(yuǎn)程目標(biāo)精確、穩(wěn)定監(jiān)視的使用需求。

本文基于采用相控陣詢問天線的航管二次雷達(dá)系統(tǒng),提出了一種提高對近程目標(biāo)精確探測和穩(wěn)定跟蹤能力的方法。通過對航路監(jiān)視二次雷達(dá)的工作時序優(yōu)化設(shè)計,在航管掃描詢問的工作方式下插入對近程目標(biāo)的跟蹤詢問,無需增加二次雷達(dá)數(shù)量便可實現(xiàn)對雷達(dá)覆蓋空域內(nèi)飛機(jī)的全程穩(wěn)定監(jiān)視和提供準(zhǔn)確的目標(biāo)特征信息。

2 航管二次雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

航管二次雷達(dá)系統(tǒng)主要由相控陣詢問天線、旁瓣抑制天線和詢問主機(jī)等組成,如圖1所示。其中詢問天線由天線輻射口面、T/ R組件、波束形成網(wǎng)絡(luò)和波控器等組成,詢問主機(jī)由詢問信道、航管信號處理分機(jī)和航管主控分機(jī)等組成。

圖1 航管二次雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖Fig. 1 Block diagram of SSR system

航管二次雷達(dá)采用和差單脈沖測角方法,只需進(jìn)行一次詢問即可精確測量飛機(jī)應(yīng)答脈沖信號的到達(dá)方位,并將該方位數(shù)據(jù)用于建立飛機(jī)航跡。來自飛機(jī)的航管應(yīng)答信號經(jīng)過T/ R組件的移向和放大后,再通過波束形成中的功率合成器和和差器形成和信號和差信號,送入詢問主機(jī)進(jìn)行信號解析和測角、測距等工作。

在航管掃描詢問時,首先,由航管主控分機(jī)向詢問天線的波控器發(fā)送天線指向信息,波控器將天線指向轉(zhuǎn)換成包含所有T/ R組件移相信息的移相碼,控制天線指向切換至航管詢問方位;其次,由航管主控分機(jī)將詢問參數(shù)送至航管信號處理分機(jī),并觸發(fā)航管信號處理分機(jī)產(chǎn)生航管詢問信號和旁瓣抑制信號,在航管信號處理分機(jī)中完成對接收的飛機(jī)應(yīng)答信號進(jìn)行信號處理、測角、測距和形成目標(biāo)點跡信息;最后,由航管主控分機(jī)進(jìn)行點跡融合和建立目標(biāo)航跡。航管主控分機(jī)對詢問信道進(jìn)行收發(fā)控制和工作狀態(tài)控制。

基于近程目標(biāo)相對于雷達(dá)天線快速機(jī)動的特點,本文方法采用對近程目標(biāo)的定位和跟蹤算法,由航管主控分機(jī)統(tǒng)一管理航管工作流程和對各分機(jī)、模塊的綜合調(diào)度,航管主控分機(jī)根據(jù)對飛機(jī)各次測量數(shù)據(jù)的相關(guān)度,建立對近程目標(biāo)跟蹤詢問的任務(wù)需求,在航管掃描流程中插入近程跟蹤詢問。

3 本文方法

3. 1 近程目標(biāo)跟蹤詢問流程

在預(yù)先設(shè)定的相對雷達(dá)天線的近程區(qū)域內(nèi),對于已建立航跡的近程目標(biāo),選取其中距離航管二次雷達(dá)最近的P批目標(biāo)進(jìn)行自動跟蹤詢問,或者通過人工干預(yù)的方式在人機(jī)交互界面手動選取跟蹤目標(biāo)。

對近程目標(biāo)的航管跟蹤詢問流程如圖2所示,主要在航管主控分機(jī)中完成,具體說明如下:

(1)對詢問信道進(jìn)行掃描詢問功率、靈敏度時間控制(Sensitivity Time Control,STC)后,啟動航管掃描詢問,航管主控分機(jī)對已建立航跡的目標(biāo)進(jìn)行篩選,如存在近程目標(biāo)則進(jìn)入第2步;

(2)判斷在一個跟蹤周期內(nèi)已跟蹤的近程目標(biāo)數(shù)量是否超過預(yù)先設(shè)定的跟蹤目標(biāo)批數(shù)P,如是則返回第1步,否則轉(zhuǎn)至第3步;

(3)判斷在掃描詢問中近程目標(biāo)的航跡穩(wěn)定性,即在掃描限制數(shù)范圍內(nèi)檢測到的點跡數(shù)據(jù)與已建立的航跡數(shù)據(jù)是否具備相關(guān)條件(在幅度和位置信息判決門限的范圍內(nèi)),如是則返回第1步,否則判定近程目標(biāo)的航跡不穩(wěn)定,建立近程跟蹤詢問的任務(wù)需求,轉(zhuǎn)至第4步;

(4)暫停航管掃描詢問,緩存掃描參數(shù),對詢問信道進(jìn)行近程跟蹤詢問功率、STC控制;

(5)定位 將詢問天線的波束寬度作為大步進(jìn)波束躍度,以最近一次探測到的目標(biāo)位置為中心,進(jìn)行連續(xù)三個方位的近程跟蹤詢問;

(6)預(yù)推 根據(jù)以往的目標(biāo)數(shù)據(jù)計算出目標(biāo)的運動方向、速度等參數(shù),并根據(jù)目標(biāo)跟蹤詢問周期預(yù)測下一次跟蹤詢問的方位[6];

(7)跟蹤 在下一跟蹤詢問周期到來時,根據(jù)預(yù)測的目標(biāo)方位,在航管掃描詢問中插入對目標(biāo)的近程跟蹤詢問,在一個跟蹤周期內(nèi)只需進(jìn)行一個方位的跟蹤詢問便可獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)態(tài)勢信息,建立穩(wěn)定的航跡;在每個跟蹤周期的近程跟蹤詢問完成后,恢復(fù)航管掃描設(shè)置,返回至第1步。

圖2 近程目標(biāo)跟蹤詢問流程圖Fig. 2 Flow chart of short-range tracking interrogation

3. 2 波位快速同步跳轉(zhuǎn)控制時序設(shè)計

在航管二次雷達(dá)系統(tǒng)中,航管掃描詢問周期應(yīng)不超過航管的數(shù)據(jù)更新時間。因此,在航管的工作時序方面,提出了波位快速同步跳轉(zhuǎn)控制的時序設(shè)計方法,以實現(xiàn)航管掃描詢問中密集插入近程跟蹤詢問且滿足數(shù)據(jù)更新時間的要求。

將航管監(jiān)視空域均勻劃分為以波位號代表波束指向、每一波位預(yù)留相同時間窗的N個連續(xù)波位,為確保掃描波束對航管監(jiān)視空域的全覆蓋并提高測角精度,如圖3所示,相鄰波位間隔的經(jīng)驗取值為不超過詢問天線波束寬度的1/2,表達(dá)式為

式中:φa為航管監(jiān)視空域范圍(方位面);θ3dB為詢問天線方位面的波束寬度。

圖3 掃描波位間隔示意圖Fig. 3 Diagram of scan beam position space

為保證近程跟蹤詢問能夠隨時暫停航管掃描詢問,且不影響航管掃描詢問的航跡質(zhì)量,時序設(shè)計示意圖如圖4所示。

圖4 航管控制時序設(shè)計示意圖Fig. 4 Diagram of SSR control time sequence design

具體設(shè)計為:按照波位號對應(yīng)的方位φ1,φ2, …,φN上依次完成航管掃描詢問,以實現(xiàn)對整個雷達(dá)覆蓋空域的掃描監(jiān)視。航管主控分機(jī)根據(jù)航管掃描詢問和航管近程跟蹤詢問的詢問駐留時間計時產(chǎn)生同步脈沖信號;在對方位φ1進(jìn)行掃描詢問時,航管主控分機(jī)預(yù)先將掃描方位φ2的波位號和詢問參數(shù)分別置入波控器和航管信號處理分機(jī),在航管主控分機(jī)對方位φ1的掃描詢問計時結(jié)束后,向波控器和航管信號處理分機(jī)同時發(fā)出方位φ2掃描詢問的同步脈沖信號,同步脈沖信號觸發(fā)波控器切換天線指向至φ2,并觸發(fā)航管信號處理分機(jī)開始掃描方位φ2的詢問處理工作。如在方位φ2的掃描詢問期間,航管主控分機(jī)檢測到在方位φm有近程目標(biāo)且目標(biāo)航跡不穩(wěn)定,則重新向波控器和航管信號處理分機(jī)發(fā)送近程跟蹤方位φm的波位號和詢問參數(shù),待方位φ2的掃描詢問結(jié)束后,暫停航管掃描詢問,發(fā)送同步脈沖,進(jìn)行對方位φm的近程跟蹤詢問,并將計時調(diào)整為近程跟蹤詢問時間。在近程跟蹤詢問期間,航管主控分機(jī)預(yù)先將掃描方位φ3的波位號和詢問參數(shù)分別置入波控器和航管信號處理分機(jī),待近程跟蹤詢問結(jié)束后恢復(fù)航管掃描詢問。

波位快速同步跳轉(zhuǎn)控制的時序設(shè)計實現(xiàn)了航管工作效率的最優(yōu)化,且同時確保了航管近程跟蹤詢問不會影響航管掃描詢問的目標(biāo)航跡穩(wěn)定性,具體分析如下:以相對雷達(dá)天線30 km的近程目標(biāo)為例,對近程目標(biāo)進(jìn)行一次跟蹤詢問(根據(jù)測角精度要求在一個方位連續(xù)詢問至少8次)的時間在8 ms之內(nèi),以目標(biāo)方位為中心,最多進(jìn)行連續(xù)3個波位近程跟蹤詢問后便立即返回航管掃描詢問,且天線指向由掃描方位切換至近程跟蹤方位的時間是微秒級的,因此航管近程跟蹤詢問對航管掃描詢問的占據(jù)時間小于24 ms,在近程跟蹤詢問期間,飛機(jī)位移相對航管二次雷達(dá)的角度變化遠(yuǎn)小于天線的波束寬度,不會影響航管掃描詢問中對除近程跟蹤目標(biāo)外的飛機(jī)的航跡質(zhì)量。

3. 3 航管近程跟蹤能力估算

航管掃描數(shù)據(jù)更新時間Tsud可用以下關(guān)系式表示:

式中:Tscw為掃描波位的駐留時間窗;Ttk為暫停一次航管掃描詢問的近程跟蹤詢問的占據(jù)時間;Ntk為在航管掃描數(shù)據(jù)更新周期內(nèi)近程跟蹤詢問次數(shù)。

為保證航管測角的準(zhǔn)確度,每個波位的詢問次數(shù)應(yīng)大于8次,則每個波位駐留時間窗應(yīng)滿足

式中:Tss為航管掃描詢問中單次詢問信號處理時間;Tpls為同步脈沖的脈寬,為微秒量級,相對于毫秒量級的Tscw可忽略,即

同理,為滿足測角精度要求,近程跟蹤詢問在一個方位的詢問次數(shù)應(yīng)大于8次,且在一次暫停航管掃描詢問的時間內(nèi),以目標(biāo)方位為中心,最多進(jìn)行連續(xù)3個波位的近程跟蹤詢問。因此,一次近程跟蹤詢問的占據(jù)時間Ttk表示為

式中:Tts為航管近程跟蹤詢問中單次詢問信號處理時間。

將式(4)和式(5)代入式(2)中,并結(jié)合式(1) 中N的取值范圍,可得以下關(guān)系式:

在一個航管掃描數(shù)據(jù)更新周期內(nèi),近程跟蹤詢問的占據(jù)次數(shù)Ntk滿足

式中:P為航管能夠同時近程跟蹤的目標(biāo)批數(shù),單位為批/ s。

將式(7)代入式(6)中可得P的取值范圍,即

根據(jù)航管二次雷達(dá)系統(tǒng)的詢問頻率不能超過航管最大詢問率的要求[7],P還需滿足以下關(guān)系式:

式中:fSSR為航管最大詢問率。將式(1)代入式(9),可得出

因此,P需同時滿足式(8)和式(10)的取值條件,由此可得出航管二次雷達(dá)系統(tǒng)能夠跟蹤近程目標(biāo)的最大數(shù)量Pmax,這個數(shù)值也反映出航管二次雷達(dá)系統(tǒng)對近程目標(biāo)的跟蹤能力。

實際應(yīng)用中,在滿足航管近程跟蹤能力的同時,還需確保近程跟蹤目標(biāo)在各種機(jī)動飛行情況下的航跡質(zhì)量。因此,航管二次雷達(dá)系統(tǒng)對近程目標(biāo)的跟蹤詢問周期可由飛機(jī)的飛行軌跡和機(jī)動情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。如當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行大機(jī)動飛行時縮短近程跟蹤詢問周期,反之亦然。但在航管掃描數(shù)據(jù)更新時間內(nèi),總的近程跟蹤詢問波位數(shù)不能超過3PmaxTsud。

4 仿真計算分析

為驗證本文方法的可行性,對上節(jié)給出的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定跟蹤的最大近程目標(biāo)數(shù)量進(jìn)行仿真計算。以某航路監(jiān)視二次雷達(dá)系統(tǒng)為例,該二次雷達(dá)系統(tǒng)采用一維相控陣詢問天線,航管掃描數(shù)據(jù)更新時間為Tsud=10 s,航管監(jiān)視空域范圍(方位面)φa= 360°,航管掃描詢問最大距離為400 km,對30 km內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行航管近程跟蹤詢問, 按ICAO附件10[7]的規(guī)定,航管最大詢問頻率fSSR= 450 Hz,由此估算出Tss=3 ms,Tts=1 ms(考慮航管應(yīng)答容量[7])。

表1給出了不同天線波束寬度情況下,利用第3節(jié)的估算方法,對航管二次雷達(dá)系統(tǒng)可進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤的最大近程目標(biāo)數(shù)量的仿真計算結(jié)果。由表1可知:相比現(xiàn)有航管二次雷達(dá)系統(tǒng)不具備對近程目標(biāo)的跟蹤能力且對近程目標(biāo)監(jiān)視能力較弱的情況,本文方法可有效實現(xiàn)對近程目標(biāo)的跟蹤和穩(wěn)定監(jiān)視,且?guī)追N天線波束寬度情況下的最大跟蹤目標(biāo)批數(shù)Pmax也滿足實際近程監(jiān)視空域的飛機(jī)數(shù)量和使用需求。由表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析得出:天線半功率波束寬度越大,航管二次雷達(dá)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定跟蹤的目標(biāo)數(shù)量越多,但波束寬度增大的同時又會降低航管的測角精度。因此,在天線的設(shè)計上需同時兼顧航管二次雷達(dá)系統(tǒng)的近程目標(biāo)跟蹤能力和測角精度的要求。

表1 航管二次雷達(dá)系統(tǒng)最大跟蹤目標(biāo)數(shù)量仿真計算結(jié)果Tab. 1 Results of the maximum quantity of SSR system tracking short-range targets

5 結(jié)束語

本文提出了一種適用于航管二次雷達(dá)系統(tǒng)的提高對近程目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定性的方法,通過在對監(jiān)視空域航管掃描詢問的過程中密集插入對近程目標(biāo)跟蹤詢問的工作方式,可有效提高對近程目標(biāo)監(jiān)視的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,解決了現(xiàn)有航管二次雷達(dá)系統(tǒng)由于掃描詢問周期的限制無法對相對雷達(dá)天線的近距離大機(jī)動飛行目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定監(jiān)視的問題。本文在不影響已有遠(yuǎn)程監(jiān)視能力的前提下對航管二次雷達(dá)系統(tǒng)航管近程跟蹤能力進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)分析。幾種天線波束寬度情況下可穩(wěn)定跟蹤的最大目標(biāo)數(shù)量的仿真計算結(jié)果驗證了本文方法的可行性和實用性。

本文方法是在現(xiàn)有相控陣體制航路監(jiān)視二次雷達(dá)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的,只涉及航管工作流程的改進(jìn)設(shè)計。因此,可應(yīng)用于航管監(jiān)視二次雷達(dá)系統(tǒng)提升對近程目標(biāo)跟蹤能力的升級改造。

本文方法僅適用于提高對已建立航跡的近程目標(biāo)的跟蹤能力,但對于二次雷達(dá)系統(tǒng)只獲取到點跡信息、未建立航跡或無法建立航跡的目標(biāo)如何進(jìn)行跟蹤和建立精確航跡的問題還需做進(jìn)一步的研究。

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鄧 欣(1982—),女,陜西漢中人,2007年于西安電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向為二次雷達(dá)和陣列信號處理。

DENG Xin was born in Hanzhong,Shaanxi Province,in 1982. She received the M. S. degree from Xidian University in 2007. She is now an engineer. Her research concerns secondary radar system and array signal processing.

Email:xind829@163. com

A Method for Improving Secondary Surveillance Radar System’s Short-range Targets Tracking Stability

DENG Xin
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract:For the problem that short-range targets are unable to be surveilled stably by secondary surveillance radar(SSR) system based on phased array antenna(PAA),a method is proposed to improve the SSR system's stability of tracking short-range targets. Based on the hardware architecture of the existing SSR system,a new operation mode is designed to insert short-range tracking interrogations intensively in the process of SSR scan interrogation. The flow of short-range tracking interrogation and the time sequence design of beam position jumping synchronously are presented,and an estimation method of the capability to track short-range targets is also introduced. Simulation result validates the feasibility and effectiveness of the proposed method.

Key words:phased array antenna;air traffic control secondary surveillance radar;short-range detection; scan interrogation;stable surveillance;short-range tracking interrogation

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 015引用格式:陳瑤瑤,郝建華,張子博.端到端語音加密通信的同步信號設(shè)計[J].電訊技術(shù),2016,56(2):195-200. [CHEN Yaoyao,HAO Jianhua, ZHANG Zibo. Design of synchronous signal for end-to-end speech encryption communication[J]. Telecommunication Engineering,2016,56 (2):195-200. ]

作者簡介:

中圖分類號:TN958. 96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-893X(2016)02-0190-05

*收稿日期:2015-08-03;修回日期:2015-12-18 Received date:2015-08-03;Revised date:2015-12-18