曾湘洪，茍玉玲，唐 博

(1.四川九洲空管科技有限責任公司，四川 綿陽 621000;2.四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

二次雷達信號處理主要采用應答信號幅度信息，相位信息只用來計算天線符號位。近年來，由于飛行流量大幅提高，飛行近距離接近頻繁，二次雷達系統(tǒng)缺陷日漸顯現(xiàn)。由于應答信號交織情況下，交織碼元幅度信息發(fā)生無規(guī)律變化，單純利用應答信號的幅度信息勢必造成二次雷達代碼和高度提取錯誤，以至監(jiān)視性能急劇下降。

《ICAO附件10》規(guī)定，二次雷達A/C模式應答機應答頻率為1 090 MHz±3 MHz，S模式應答機頻率為1 090 MHz±1 MHz。由于每個應答機應答頻率存在隨機的抖動，不同應答機之間的應答信號相位都不具有相關(guān)性。因此可通過接收信號的相位信息特征較好實現(xiàn)交織信號的分離，并正確還原交織信號的碼元，提高交織情況下二次雷達的監(jiān)視性能。

1 SSR應答信號交織情況分析

1.1 SSR應答信號特點

SSR常規(guī)模式應答信號采用ASK調(diào)制方式。應答脈沖由14個碼元+SPI特殊位置識別碼組成，可標識4 096種飛機代碼，-0.304～38.633 km飛行高度。應答編碼格式如圖1所示。

圖1 SSR應答信號格式

飛機代碼采用八進制表示方式，排列順序為：

AAABBBCCCDDD

應答代碼中有3組碼代表危急信息，不能選作識別碼，即： 7700 表示飛機機械故障； 7600 表示飛機通信故障； 7500 表示飛機受非法干擾。

高度碼同樣采用八進制表示方式，排列順序為：

DDDAAABBBCCC

信號處理過程中，通過檢測F、F應答框架，提取應答代碼和高度數(shù)據(jù)，并根據(jù)和差通道信號幅度差進行偏離視軸方向角(OBA)修正，求解應答飛機真實方位。

1.2 交織情況下應答信號特征分析

由于應答信號框架寬度為20.3 μs，在未開啟SPI情況下，當2架飛機距離間隔小于3 km(20.3 μs×150 m/μs≈3 km)時，應答框架就會產(chǎn)生交織，如圖2所示。

圖2 飛機距離小于3 km時應答信號交織情況

當交織產(chǎn)生碼位占據(jù)時，正常碼位的幅度發(fā)生畸變，并產(chǎn)生多個虛假框架。通過基于幅度的譯碼方式很難將多個交織信號分離開，造成監(jiān)視代碼、高度錯誤，監(jiān)視方位精度惡化。

針對代碼跳變通常采用航跡處理進行平滑外推，但在跨管制區(qū)變更應答代碼時造成代碼探測延時，在飛機大機動拐彎時偏離真實航跡。特別是近距離編隊飛行、多徑引起的交織，通過后端軟件處理并不能達到理想的解交織效果，甚至會出現(xiàn)二次代碼、高度、方位完全紊亂，二次雷達情報質(zhì)量下降。

從圖3中可以看出，A代碼為5154、0047的飛機飛行距離過近，應答信號交織。造成監(jiān)視點跡扭曲嚴重，并出現(xiàn)錯誤代碼5174。

圖3 交織情況下點跡上報結(jié)果

2 基于相位特性的解交織理論分析

2.1 應答信號相位特征

應答機應答編碼器將編好碼的基帶信號輸出，通過混頻方式將基帶信號調(diào)制到1 090 MHz發(fā)射頻率上。由于混頻本振存在一定的頻率抖動，一般在±200 kHz左右，因此不同飛機應答頻率、相位會存在一定差異。

發(fā)射調(diào)制時基帶信號類似一個開關(guān)，本振在基帶信號1或0的控制下通或斷，而本振頻率短時間內(nèi)可看作不變，因此同一個應答框架內(nèi)，所有碼元的相位連續(xù)，如圖4所示。

圖4 調(diào)制后信號和本振相位關(guān)系時間

從以上分析總結(jié)應答信號特征如下：

(1) 同一飛機應答信號到達二次雷達接收機的相位連續(xù)；

(2) 不同飛機應答信號到達二次雷達接收機的相位不一致；

(3) 相同應答信號，經(jīng)過多徑反射前后到達二次雷達接收機的相位不一致。

通過以上3點，可以從應答信號到達接收機后的相位特征得到可靠的解交織手段。

2.2 應答信號相位特性的數(shù)學模型

假設(shè)2架飛機應答信號

S

(

t

)、

S

(

t

)發(fā)生交織，應答信號數(shù)學模型為：

S

(

t

)=

m

(

t

)cos(

w

t

+

φ

)

(1)

S

(

t

)=

m

(

t

)cos(

w

t

+

φ

)

(2)

式中：

m

、

m

為基帶信號；

w

、

w

為應答信號頻率；

φ

、

φ

為應答信號相對SSR接收機混頻源相位。

混頻后I路信號為：

(3)

經(jīng)過低通濾波后，基帶Q路信號為：

(4)

混頻后信號Q路信號為：

(5)

經(jīng)過低通濾波后，基帶Q路信號為：

(6)

式中：

Δ

1=

w

-

w

；

Δ

2=

w

-

w

。

經(jīng)過科斯塔斯環(huán)求解幅度：

(7)

從上式可以看出，交織情況下解調(diào)出基帶信號幅度不僅跟信號功率有關(guān)，還跟2個交織信號相位有關(guān)。因此信號交織部分解調(diào)幅度信息已經(jīng)不可靠，不能作為碼元提取的依據(jù)。

當2個應答框架交織時，交織碼元解調(diào)相位為arctan(

V

(

t

)/

V

(

t

))，其相位與

Δ

1、

Δ

2、

φ

、

φ

有關(guān)。因此，交織前后碼元相位會發(fā)生突變，根據(jù)相位突變情況可準確定位交織位置，確定各碼元歸屬框架，防止代碼提取錯誤。由于同一框架內(nèi)脈沖相位連續(xù)，頻率不變，結(jié)合計算出的相位信息，計算出預測相位值，預測相位值為：

(8)

通過預測相位和真實相位的比對，準確定位交織位置、碼元幅度置信度、碼元歸屬框架。

3 基于相位特性解交織仿真

Matlab中模擬2架飛機產(chǎn)生2組應答信號，飛機方位差小于1個主波束寬度，距離1.74 km，因此在詢問波束都照射到2架飛機后，2個應答信號會發(fā)生碼位占據(jù)交織。碼位占據(jù)交織往往會產(chǎn)生多個虛假應答框架、虛假代碼，常規(guī)基于幅度的解交織方法幾乎失效。圖5中模擬了2架飛機應答頻率一致、相位差90°的交織情況。

圖5 模擬產(chǎn)生虛假框架和幅度異常情況

從圖5可以看出，交織后產(chǎn)生多個虛假應答框架，產(chǎn)生虛假應答；交織后通過幅度無法確定碼元歸屬框架，代碼提取錯誤，造成對真實飛機監(jiān)視失效。

經(jīng)對混頻、濾波后的I、Q信號相位特征進行計算，得到以[-π/2:π/2]為周期的變化相位值，相位變化率即應答信號與混頻本振信號角頻率的差值

Δ

。

由于交織位置在2個框架中間，信號最前和最后脈沖未交織；因此，相位預測采用從所有檢測框架中最前框架的F開始正向推算，從最后框架的F反向推算。采用2個框架雙相位預測方式(如圖6)進行判斷。

圖6 碼位占據(jù)解調(diào)相位及雙向預測相位

碼位歸屬判斷可采用表1的決策方法。

表1 雙向相位預測碼位判決方法

由于脈沖上升和下降沿相位計算結(jié)果存在抖動，會影響角頻率計算結(jié)果的準確性；因此，可采用對解調(diào)幅度進行視頻處理后產(chǎn)生的相位處理門，使相位取值盡量選取脈沖中間部分的相位值。

利用單獨1個或2個碼元計算角頻率會產(chǎn)生一定誤差，會造成遠離計算起始點的相位預測值偏離真實相位，可能引起預測錯誤。采用逐步遞推修正法，通過多個碼元逐步將計算角頻率

Δ

的誤差降至最小值。

4 實驗驗證

搭建實驗平臺，詢問主機通過功分器連接2個應答器，調(diào)節(jié)2個應答器的應答距離，實現(xiàn)2個應答代碼的碼位占據(jù)交織。實驗平臺搭建示意圖如圖7所示。

圖7 基于相位特性的SSR解交織實驗平臺示意

應答模擬器和ATC-1400應答距離設(shè)置相距1.74 km，使得應答信號1的B1碼位與應答信號2的F1碼位占據(jù)交織。分別解算應答信號交織下后的幅度和相位信息。圖8為應答功率下交織信號的解調(diào)幅度和相位信息。

圖8中由于噪聲疊加的影響，造成相位解調(diào)結(jié)果抖動較大。通過對幅度信號進行6 dB視頻處理，將處理得到的相位處理門信號與相位信號相乘，剔除脈沖間的相位噪聲。

圖8 解調(diào)后原始幅度及相位信息

由于噪聲疊加到有效應答脈沖上，造成單個碼位的相位變化率抖動，存在較大誤差。通過單個脈沖無法計算出趨近真實的角頻率

Δ

。

結(jié)合二次雷達譯碼的框架提取算法，找到最前、最后2個應答框架，計算正向和反向雙向預測曲線。采用表1的判定方法，判定碼元歸屬，如圖9所示。

圖9 2個目標碼位占據(jù)解交織情況

5 結(jié)束語

當2架飛機距離較近，且長時間編隊飛行時，應答代碼容易出現(xiàn)碼位占據(jù)交織的情況。傳統(tǒng)基于幅度的譯碼方式無法解算出正確的飛機代碼，造成二次雷達監(jiān)視失效?；谙辔惶匦缘慕饨豢椉夹g(shù)在基于幅度的基礎(chǔ)上，引入了信號的相位特性，可輕松完成兩重碼位占據(jù)交織的框架代碼分離，提高譯碼結(jié)果的可靠性，極大提高二次雷達的解交織能力。但由于受噪聲和多徑干擾的影響，對信噪比較小的信號提取角頻率

Δ

時，精度的下降會擴大解交織運算的模糊區(qū)，影響基于相位特征的二次雷達解交織的效能。