劉義

(中國(guó)民用航空華北地區(qū)空中交通管理局,北京 100621)

0 引言

民航雷達(dá)信號(hào)源從使用場(chǎng)景分類可以分成兩類,一類是機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面雷達(dá),一類是進(jìn)近和航路雷達(dá)。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面雷達(dá)包括場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)(SMR)和場(chǎng)面多點(diǎn)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(MLAT)。進(jìn)近和航路雷達(dá)一般包括一次雷達(dá)(PSR)和二次雷達(dá)(SSR)以及廣域多點(diǎn)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(WAM)。另外廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)在一定條件下即可以用于場(chǎng)面監(jiān)視,也可以用于進(jìn)近和航路監(jiān)視。在本文中,筆者僅以一次雷達(dá)和二次雷達(dá)作為目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行論述。

1 影響航管一、二次雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量的因素

航管一、二次雷達(dá)信號(hào)主要提供給自動(dòng)化系統(tǒng)使用,用于在管制員的屏幕上顯示目標(biāo)的位置、標(biāo)識(shí)等信息。在整個(gè)信號(hào)的傳輸路徑上,共涉及三個(gè)不同的專業(yè):雷達(dá)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和自動(dòng)化專業(yè),這三部分因素都有可能影響到雷達(dá)輸出的信號(hào)質(zhì)量。就雷達(dá)自身來(lái)說(shuō),有以下兩個(gè)因素可能影響雷達(dá)的信號(hào)質(zhì)量:

1.1 雷達(dá)設(shè)備原因造成的輸出信號(hào)質(zhì)量下降

當(dāng)雷達(dá)的電氣性能下降、參數(shù)配置錯(cuò)誤或陣地優(yōu)化有問(wèn)題時(shí)都會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量下降。比如,雷達(dá)的方位編碼器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),雷達(dá)對(duì)目標(biāo)方位的探測(cè)會(huì)失準(zhǔn);發(fā)射功率或接收機(jī)靈敏度下降時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍縮小;當(dāng)處理閾值配置不正確,可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)分裂;當(dāng)雷達(dá)未屏蔽場(chǎng)面目標(biāo)時(shí),會(huì)導(dǎo)致管制員不需要看到的目標(biāo)出現(xiàn)。

1.2 雷達(dá)輸出的假目標(biāo)

雷達(dá)不可避免會(huì)產(chǎn)生假目標(biāo)。就一次雷達(dá)來(lái)說(shuō),提高發(fā)現(xiàn)概率,虛警概率就會(huì)上升。我們需要把雷達(dá)的虛警概率保持在一定的范圍內(nèi)即可。一次雷達(dá)受氣象條件影響較大,特殊天氣也會(huì)造成假目標(biāo)的出現(xiàn)。對(duì)于二次雷達(dá),有同步干擾、異步串?dāng)_、反射等原因會(huì)形成假目標(biāo),這些假目標(biāo)的出現(xiàn)會(huì)影響管制員正常指揮飛機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸原因造成雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量下降也是一個(gè)重要的因素。在傳輸質(zhì)量不佳的環(huán)境,傳輸錯(cuò)誤包較多,雷達(dá)數(shù)據(jù)報(bào)丟失,使雷達(dá)點(diǎn)跡時(shí)有時(shí)無(wú),影響到后端自動(dòng)化系統(tǒng)的融合工作。筆者也曾經(jīng)遇到過(guò)無(wú)時(shí)標(biāo)的老雷達(dá),在傳輸延時(shí)較大的情況下,由于自動(dòng)化融合時(shí)無(wú)法通過(guò)時(shí)標(biāo)來(lái)丟棄有問(wèn)題的數(shù)據(jù),進(jìn)而造成大量目標(biāo)分裂的現(xiàn)象。自動(dòng)化系統(tǒng)多雷達(dá)融合算法是保障多雷達(dá)目標(biāo)融合后正確顯示的重要一環(huán),如果出現(xiàn)問(wèn)題,將直接反饋在管制員的屏幕上,這也是影響雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量的最終要素,該算法也處在不斷的改進(jìn)之中。

2 判斷雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量的數(shù)據(jù)指標(biāo)

航管一、二次雷達(dá)的信號(hào)質(zhì)量數(shù)據(jù)指標(biāo)有很多種,大致可以分為三類。第一類是雷達(dá)數(shù)據(jù)性能指標(biāo)。比如目標(biāo)的檢測(cè)概率。檢測(cè)概率是指探測(cè)目標(biāo)數(shù)量和預(yù)期目標(biāo)數(shù)量之間的比率,預(yù)期目標(biāo)數(shù)量通常由測(cè)試軟件曲線擬合后的數(shù)值給出。目標(biāo)檢測(cè)概率用來(lái)表示雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的捕獲和位置檢測(cè)性能。一次雷達(dá)和二次雷達(dá)通常要求該指標(biāo)大于98%、90%。除此之外,還有代碼有效性、合成率、虛假目標(biāo)率、方位或位置的精度和分辨力等。這些指標(biāo)可以很直觀的評(píng)估雷達(dá)信號(hào)的總體質(zhì)量。

在實(shí)際的設(shè)備保障中,對(duì)雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行在線測(cè)試分析,是提供連續(xù)可靠的監(jiān)視服務(wù)的關(guān)鍵。當(dāng)前對(duì)一、二次雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估軟件主要分三大類:第一類為官方評(píng)估工具,廣泛使用Eurocontrol的SASS-C和FAA的RBAT[1];第二類為商業(yè)公司的評(píng)估工具,權(quán)威工具是IE的R A S S-R;第三類是各雷達(dá)廠家的專用評(píng)估工具,如SELEX公司的ARTES-AES,這類工具可對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行更深入的分析。所有工具都是對(duì)雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)得出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估(SASS-C軟件重建的雷達(dá)航跡,如圖1所示)。

圖1 SASS-C軟件重建的雷達(dá)航跡Fig.1 The radar track reconstructed by SASS-C software

判斷雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量數(shù)據(jù)指標(biāo)的第二類是傳輸質(zhì)量指標(biāo),主要包括雷達(dá)輸出的ASTERIX格式數(shù)據(jù)CAT01、02或34、48的數(shù)據(jù)包中正北、扇區(qū)包的準(zhǔn)確性;對(duì)比數(shù)據(jù)報(bào)的時(shí)標(biāo)及外接儀表的時(shí)標(biāo)來(lái)獲得傳輸延時(shí)的大小;FCS錯(cuò)誤量以及數(shù)據(jù)占用帶寬等。通常測(cè)試?yán)走_(dá)傳輸質(zhì)量,使用最多的儀表是恒光8810。通過(guò)在不同測(cè)試場(chǎng)景下,可以測(cè)試從雷達(dá)處理器到自動(dòng)化系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。例如接在雷達(dá)頭處理器下可以測(cè)試處理延時(shí),接在傳輸設(shè)備輸出端口可以測(cè)試總體傳輸延時(shí)。第三類是S模式數(shù)據(jù)指標(biāo)。S模式雷達(dá)對(duì)比傳統(tǒng)二次雷達(dá),能夠提供更多的信息。近年來(lái),在對(duì)S模式雷達(dá)的運(yùn)維過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題,比如增強(qiáng)型S模式雷達(dá)輸出的寄存器信息,有時(shí)并不會(huì)在每個(gè)雷達(dá)周期進(jìn)行更新,導(dǎo)致自動(dòng)化顯示信息滯后,與空中信息不對(duì)稱。通常測(cè)試S模式數(shù)據(jù)指標(biāo),我們會(huì)使用定制工具,統(tǒng)計(jì)雷達(dá)數(shù)據(jù)包內(nèi)S模式數(shù)據(jù)項(xiàng),進(jìn)而調(diào)整或優(yōu)化S模式雷達(dá)的配置策略。

3 解決雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題的方法

現(xiàn)行的設(shè)備保障故障處理模式是基于屬地化的管理并且要下沉一級(jí),對(duì)雷達(dá)來(lái)講,就是負(fù)責(zé)雷達(dá)故障處理及協(xié)助判斷傳輸問(wèn)題。在歐控文件中,對(duì)處理雷達(dá)信號(hào)問(wèn)題的模型共有三級(jí)[2]。第一級(jí)是針對(duì)雷達(dá)整機(jī)的性能分析:使用信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估軟件,分析雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。第二級(jí)是詳細(xì)的技術(shù)性分析。分析信號(hào)質(zhì)量下降的具體原因:如某區(qū)域目標(biāo)檢測(cè)概率下降,結(jié)合覆蓋圖進(jìn)行分析,是否受到硬件原因影響或是否受到了干擾;如產(chǎn)生假目標(biāo),分析是何種類型的假目標(biāo),具體區(qū)域是否固定,是否是應(yīng)答機(jī)問(wèn)題。第三級(jí)是模塊化分析。在明確了影響信號(hào)質(zhì)量的大體方向上,繼續(xù)測(cè)量雷達(dá)模塊的電氣或機(jī)械參數(shù),確定并排除故障點(diǎn)。在排除故障點(diǎn)之后,再次使用評(píng)估軟件測(cè)試?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

筆者應(yīng)用該理論解決過(guò)兩個(gè)具體問(wèn)題。某日,對(duì)某雷達(dá)錄制的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)二次雷達(dá)B通道檢測(cè)概率92%,A通道檢測(cè)概率99%。自動(dòng)化未反應(yīng)雷達(dá)信號(hào)異常。在現(xiàn)場(chǎng)觀察信號(hào)發(fā)現(xiàn),主用B通道多個(gè)目標(biāo)的航跡輸出不平滑,但應(yīng)還處于自動(dòng)化合成綜合航跡門限以內(nèi),未給用戶造成影響,A通道觀察信號(hào)正常,隨即切換至A路提供使用。觀察B通道OBA圖不正常,隨即調(diào)整B通道三通道增益平衡,調(diào)整后分析B通道輸出數(shù)據(jù),檢測(cè)概率達(dá)標(biāo),信號(hào)質(zhì)量正常。

某日,進(jìn)近管制報(bào)在某雷達(dá)本場(chǎng)北20～30km處有多個(gè)航班出現(xiàn)矢量線擺動(dòng)情況,對(duì)管制指揮有影響(某航班在降落時(shí)航跡擺動(dòng)情況,如圖2所示)。根據(jù)雷達(dá)原理,電磁波沿直線傳播,由于地球曲率原因,某雷達(dá)在探測(cè)低空目標(biāo)時(shí),在某些角度條件下可能受到高大建筑物遮擋影響(市內(nèi)的高樓)。根據(jù)IE軟件分析,該區(qū)域某雷達(dá)探測(cè)角度為0.3°至-1.5°范圍,該范圍雷達(dá)垂直覆蓋可能出現(xiàn)波束開(kāi)裂情況,探測(cè)目標(biāo)位置可能出現(xiàn)偏差。另外,由于某雷達(dá)運(yùn)行于S模式,S模式回波數(shù)量較A/C模式少,且在飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)回波強(qiáng)度起伏較大,對(duì)方位的檢測(cè)可能存在偏差。通過(guò)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從回波數(shù)量著手,調(diào)整了某雷達(dá)在該區(qū)域的相關(guān)參數(shù)。調(diào)整后,管制部門再無(wú)反映該問(wèn)題。

圖2 某航班在降落時(shí)航跡擺動(dòng)情況Fig.2 The track swing of a certain flight during landing

在雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量保障的具體實(shí)踐中,筆者建議對(duì)雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行定期分析,進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),把安全關(guān)口前移,避免因雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題給管制部門造成影響。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者在本文中介紹了影響航管一、二次雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量的因素、判斷雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量的數(shù)據(jù)指標(biāo)以及解決雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題的方法。由于作者水平所限,文章內(nèi)容僅供參考。