劉 娟 李正勇 王愛國

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川綿陽 621000)

0 引言

二次雷達(dá)系統(tǒng)工作時,詢問機和應(yīng)答機之間通過“一問一答”的協(xié)同工作方式完成對目標(biāo)的探測和識別。傳統(tǒng)詢問方式是在一個詢問周期內(nèi)完成一次詢問和應(yīng)答。當(dāng)詢問機需要提供高可靠的監(jiān)視時,為了迅速獲得不同類型目標(biāo)的信息,可通過在相鄰的詢問周期之間交替[1]進(jìn)行不同類型模式的詢問來實現(xiàn)。

交替詢問時,由于各模式在詢問天線有效波束寬度中的詢問次數(shù)減少,應(yīng)答機應(yīng)答各模式的次數(shù)也會對應(yīng)減少,可能導(dǎo)致詢問機對目標(biāo)的探測概率降低,甚至可能無法完成目標(biāo)的有效識別。

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,本文研究了一種基于SuperMode的詢問編碼方法,通過對不同類型的模式間進(jìn)行時序控制,使同一個詢問周期內(nèi)完成兩種不同類型模式的詢問,對提高二次雷達(dá)系統(tǒng)探測概率具有重要意義。

1 系統(tǒng)原理

1.1 詢問模式

二次雷達(dá)系統(tǒng)主要由詢問機、詢問天線、應(yīng)答機和應(yīng)答天線組成,二次雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 二次雷達(dá)系統(tǒng)工作原理框圖

詢問機和應(yīng)答機的信息交換,是通過對上行詢問信號和下行應(yīng)答信號進(jìn)行脈沖編碼來實現(xiàn)的[1]。不同的詢問脈沖編碼格式對應(yīng)不同的詢問模式,應(yīng)答機收到詢問信號時,自動發(fā)射相應(yīng)模式的應(yīng)答編碼信號。常用的詢問模式類型有以下幾種:

1)SIF模式:模式1、模式2、模式3/A、模式C,也包括A/C/S全呼和A/C全呼;

2)S模式;

3)模式4;

4)模式5。

詢問機常用詢問模式的詳細(xì)說明見表1所示。

表1 詢問模式說明

詢問機為了迅速獲得不同類型目標(biāo)的信息,可在相鄰的詢問周期之間進(jìn)行交替詢問,如圖2所示,S模式和A/C模式可以通過交替詢問,在最快三個詢問周期內(nèi)就可獲取飛機的地址、編號和高度信息,交替方式為第一個詢問周期詢問S模式、第二個詢問周期詢問模式A、第三個詢問周期詢問模式C、第四個詢問周期開始重復(fù)第二輪交替詢問,以此類推。

圖2 交替詢問示意圖

1.2 詢問編碼信號分析

SIF模式包括M1、M2、M3/A和MC,也包括A/C/S全呼和A/C全呼。

M1、M2、M3/A和MC模式的詢問編碼格式如圖3所示,詢問編碼脈沖由P1、P2和P3組成,脈沖寬度為0.8μs。詢問模式應(yīng)由P1和P3的脈沖間隔決定,P2相對于P1的位置是固定的。

圖3 M1、M2、M3/A和MC模式詢問編碼格式圖

A/C/S全呼和A/C全呼的詢問編碼格式如圖4所示[4],P4為全呼叫脈沖。P4脈沖寬度為0.8μs時表示模式A/C全呼,P1和P3脈沖寬度為0.8μs,間隔8μs時為模式A詢問,間隔為21μs時為模式C詢問,此時S模式的應(yīng)答機對該詢問不作應(yīng)答。P4脈沖寬度為1.6μs時表示模式A/C/S全呼,此時模式A、模式C和S模式的應(yīng)答機均要應(yīng)答[2]。

圖4 A/C/S全呼和A/C全呼詢問編碼格式圖

S模式的詢問編碼格式如圖5所示[3],S模式詢問脈沖P1和P2的位置是固定的,在P2脈沖后是一個信息脈沖P6,用其傳輸上行數(shù)據(jù),其脈寬為16.25或30.25μs[2]。S模式的詢問數(shù)據(jù)包含在脈沖P6中,通過DPSK(差分相移鍵控)調(diào)制來傳輸[4]。

圖5 S模式詢問編碼格式圖

模式4的詢問編碼格式如圖6所示[3],模式4詢問編碼脈沖間隔2μs,脈沖寬度0.5μs,前5個脈沖P1、P2、P3、P4、P5的位置是固定的,P1～P4為同步脈沖信號,P5為詢問旁瓣抑制脈沖[1],加密后的信息通過后面32個脈沖的編碼傳輸。

圖6 模式4詢問編碼格式圖

由于模式5的特殊性,本文不對其詢問編碼信號格式進(jìn)行說明。

二次雷達(dá)系統(tǒng)工作時,需要使用同步脈沖信號進(jìn)行同步編碼,使整機工作在同步狀態(tài)。下文利用SIF模式的同步編碼進(jìn)行分析說明。

對于SIF模式的同步編碼,是使詢問脈沖P3與整機同步脈沖信號的時間差取一固定的值,這個值至少應(yīng)大于最長詢問模式(MC)的P1和P3的時間間隔,而P1與TRIG(同步脈沖信號)的時間間隔因模式而異,因此采用SIF模式時,指定信號確定為P3信號。具體時序關(guān)系如圖7所示,詢問機需在同一個詢問周期內(nèi)完成詢問編碼和應(yīng)答解碼工作(本文主要研究詢問編碼,解碼的相關(guān)內(nèi)容不作分析),同步脈沖信號是整個系統(tǒng)工作的時間基礎(chǔ)。

圖7中,TRIG為同步脈沖信號;T0為詢問脈沖P3與整機同步脈沖信號的時間差;T1為一個詢問周期。

1.3 探測概率原理分析

目標(biāo)探測概率是二次雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計過程中的一個核心指標(biāo),二次雷達(dá)系統(tǒng)的探測概率是指系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測應(yīng)答目標(biāo)的概率。

在實際環(huán)境中,應(yīng)答機可能受到其他設(shè)備的抑制、天線遮擋以及電磁波傳播多徑引起的信號起伏和衰落等影響,而不產(chǎn)生回答信號,降低了目標(biāo)探測概率。因此需要進(jìn)行多次詢問來克服這些因素的影響。

目標(biāo)的探測概率取決于應(yīng)答機的應(yīng)答概率(注意:假設(shè)只取決于應(yīng)答機的應(yīng)答概率,而不考慮接收概率、信噪比等影響)和判斷目標(biāo)存在所需的最小應(yīng)答信號數(shù)目[5],具體可通過等式(1)來表示:

(1)

其中:Pd為目標(biāo)探測概率;N為窗口長度,即有效波束內(nèi)同一類模式的詢問次數(shù);t為最小應(yīng)答門限,即檢測目標(biāo)所需要的最小應(yīng)答信號數(shù)目;P為單個應(yīng)答機的應(yīng)答概率;(1-P)為單個應(yīng)答機不應(yīng)答的概率;N≥t,k取值從t到N。

下面通過舉例計算對公式(1)進(jìn)行分析說明。假設(shè)窗口長度N為8次詢問,最小應(yīng)答門限t為6次,應(yīng)答概率P=0.90,不應(yīng)答概率(1-P)=0.1。8次詢問中,可能在前6次就達(dá)到最小應(yīng)答門限(t=6),也可能在7次詢問或8次詢問后才達(dá)到,根據(jù)公式(1)可得到如下結(jié)果:

若采用滑窗處理方式,通常應(yīng)答信號數(shù)目的需求至少為6[5],才可以獲得較好的真實目標(biāo)并確認(rèn)應(yīng)答數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,表2為三種不同的應(yīng)答機應(yīng)答概率(P)下,對于給定的窗口長度,獲得至少6個(t)應(yīng)答信號的概率(Pd)。

表2 滑窗處理方式目標(biāo)探測概率

對于單脈沖[6]處理方式,為了完成去異步干擾等處理,至少需要2個應(yīng)答信號就可以探測目標(biāo)[5],表3為三種不同的應(yīng)答機應(yīng)答概率(P)下,對于給定的窗口長度,獲得至少2個(t)應(yīng)答信號的概率(Pd)。

表3 單脈沖處理方式目標(biāo)探測概率

1.4 詢問重復(fù)頻率原理分析

二次雷達(dá)以穩(wěn)定的詢問重復(fù)詢問頻率發(fā)射詢問信號,每個模式的發(fā)射間隔相同。

對于使用機械掃描旋轉(zhuǎn)天線的二次雷達(dá)詢問機,詢問重復(fù)頻率與天線有效波束寬度、天線轉(zhuǎn)速和窗口長度有關(guān),具體可以通過等式(2)進(jìn)行計算[5]:

(2)

其中:PRF(Pulse Repetition Frequency)為詢問重復(fù)頻率,即每秒詢問次數(shù);RPM(revolutions per minute)為天線轉(zhuǎn)速,即天線每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù);N為窗口長度,即每個有效波束寬度內(nèi)的有效詢問次數(shù);EBW(Effective Beam Width)為天線有效波束寬度。

從公式(2)可以得出,對于給定的天線有效波束寬度和天線轉(zhuǎn)速,詢問重復(fù)頻率是窗口長度的函數(shù)。

如圖8所示為天線旋轉(zhuǎn)時,天線有效波束發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的示意圖,圖中Ω代表天線旋轉(zhuǎn)方向,目標(biāo)在天線有效波束內(nèi)收到的詢問為有效詢問。

圖8 天線發(fā)現(xiàn)目標(biāo)示意圖

為了減少不必要的應(yīng)答觸發(fā)導(dǎo)致非同步的應(yīng)答響應(yīng)概率增加,考慮到詢問天線有效波束寬度、天線旋轉(zhuǎn)速度等因素,DoD AIMS 03-1000A標(biāo)準(zhǔn)[7](Technical Standard for the ATCRBS/IFF/Mark XIIA Electronic Identification and Military Implementation ofMode S)對詢問機的每秒詢問次數(shù)進(jìn)行了約束:

1)SIF模式和模式4,平均1s的詢問重復(fù)率應(yīng)為每秒不超過450次;

2)S模式的全向詢問速率包括S模式、模式A和模式C的全向詢問,平均1s的詢問重復(fù)率應(yīng)為每秒不超過250次;

3)模式5平均1s的詢問重復(fù)率應(yīng)為每秒不超過225次。

2 傳統(tǒng)交替詢問模型

傳統(tǒng)的交替詢問模型包括:

1)天線旋轉(zhuǎn)周期交替;

2)相鄰詢問周期交錯詢問。

天線的旋轉(zhuǎn)速率控制著顯控終端界面上目標(biāo)位置的更新速率,其變化范圍在5rpm到15rpm之間。

假設(shè)天線旋轉(zhuǎn)速率為15rpm,在200n mile范圍目標(biāo)探測概率為99%,其應(yīng)答機的應(yīng)答概率為0.9,在200n mile處,8m天線的有效波束寬度為2.5°。通過表2和表3可知,若要完成目標(biāo)的有效識別,采用滑窗處理方式需要的窗口長度至少為9,采用單脈沖處理方式需要的窗口長度至少為4。

以下按照S模式和模式A兩種模式的交替詢問進(jìn)行分析,模式A的最大詢問重復(fù)頻率450Hz,S模式的最大詢問重復(fù)頻率250Hz[8],當(dāng)兩種模式交替詢問時,應(yīng)當(dāng)以S模式的最大詢問重復(fù)頻率來進(jìn)行詢問,即每秒詢問次數(shù)為250次。

1)天線旋轉(zhuǎn)周期交替

天線旋轉(zhuǎn)周期交替,即天線旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)可以發(fā)射一組模式,當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)到下一周時,可以自動更換發(fā)射另一組模式,具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 天線旋轉(zhuǎn)周期交替詢問記錄表

第N圈發(fā)射模式:S模式,S模式……

第N+1圈發(fā)射模式:模式A,模式A……

根據(jù)表4,可以看出,采用天線旋轉(zhuǎn)周期交替詢問方式,在有效波束窗口內(nèi)S模式和模式A的詢問次數(shù)符合單脈沖處理方式的要求(NATO STANAG 4193 PART 4中規(guī)定為了充分利用S模式,詢問機需要單脈沖處理[4]),但是詢問天線需要旋轉(zhuǎn)2圈才能獲取到全部的模式,探測目標(biāo)在時效性上沒有優(yōu)勢。

2)相鄰詢問周期交錯詢問

相鄰詢問周期交錯詢問,即通過每個詢問周期間交替進(jìn)行不同模式的詢問,具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 相鄰詢問周期交錯詢問記錄表

第N圈發(fā)射模式:S模式,模式A,S模式,模式A……

采用相鄰詢問周期交錯詢問時,詢問天線需要旋轉(zhuǎn)1圈就能獲取到全部的模式,但在有效波束范圍內(nèi)S模式和模式A的窗口長度比采用天線旋轉(zhuǎn)周期交替的方式減少了一半,根據(jù)表5可以看出,有效波束范圍內(nèi)的窗口長度小于4,不能滿足單脈沖處理方式對目標(biāo)有效識別的窗口長度要求。

第一種方式探測目標(biāo)的實時性較差,第二種方式實時性得到滿足,但是交錯詢問后的窗口長度已無法保證探測概率,兩種處理方式均對系統(tǒng)的性能指標(biāo)存在影響。

3 基于SuperMode的編碼模型

本文研究了一種新的詢問編碼方法,該方法是通過在同一個詢問周期內(nèi)控制不同類型模式間的時間間隔時序,來實現(xiàn)同一個詢問周期內(nèi)同時詢問兩種不同類型模式的SuperMode精準(zhǔn)控制方法,該方法可以共享詢問之后設(shè)置的接收窗口,即在每個同步脈沖信號中執(zhí)行兩次不同類型的詢問,達(dá)到在同一個詢問周期內(nèi)同時獲取到兩種不同類型目標(biāo)的信息的目的,提高了二次雷達(dá)敵我識別系統(tǒng)的識別時效,探測概率、識別性能和可靠性,從而進(jìn)一步提高了二次雷達(dá)系統(tǒng)的戰(zhàn)技指標(biāo)。

本文所涉及的SuperMode詢問裝置工作流程圖如圖9所示。

圖9 SuperMode詢問裝置工作流程圖

同步定時器,用于提供詢問的同步信號,保證周期性的詢問。在本文中涉及不同類型模式的組合詢問,采用同步定時器同步的目的是防止不同類型的詢問模式超出DoDAIMS 03-1000A標(biāo)準(zhǔn)允許的最大頻率傳輸詢問。

SuperMode編碼器,用于根據(jù)SuperMode編碼脈沖和同步信號的時序關(guān)系進(jìn)行脈沖的編碼和發(fā)射。當(dāng)二次雷達(dá)系統(tǒng)需要提供高可靠監(jiān)視時,可以通過在同一詢問周期內(nèi)交替使用兩種不同類型的詢問模式來實現(xiàn)SuperMode詢問。兩類詢問模式可以在成功的詢問周期里面交替使用,可根據(jù)不同的平臺和使用需求進(jìn)行不同類型模式的組合設(shè)計。

本文所研究的基于SuperMode的詢問編碼模型主要包括以下五種:

1)S模式和SIF模式組合詢問編碼模型;

2)模式4和SIF模式組合詢問編碼模型;

3)模式5和模式4組合詢問編碼模型;

4)模式5和S模式組合詢問編碼模型;

5)模式5和SIF模式組合詢問編碼模型。

本文以S模式和SIF模式組合詢問編碼模型為例進(jìn)行詳細(xì)分析,其時序關(guān)系圖如圖10所示。

圖10 S模式和SIF模式組合詢問編碼時序圖

圖10中,TRIG為同步脈沖信號;SLS為詢問旁瓣抑制信號;TRANGATE為詢問信號發(fā)射門;SLSGATE為詢問旁瓣抑制信號發(fā)射門。

同一詢問周期中,在詢問模式的脈沖信號中采用S模式和SIF模式組合詢問編碼模型時,可以實現(xiàn)在有效波束范圍內(nèi)迅速獲取不同目標(biāo)的S模式和SIF模式應(yīng)答信息,高效率完成目標(biāo)的識別,實現(xiàn)各模式在有效波束范圍內(nèi)窗口長度的最大化。

如圖10所示,采用S模式和SIF模式組合詢問時,SIF模式編碼脈沖滯后于S模式編碼脈沖,且還包括零距離起始脈沖序列,零距離起始脈沖滯后于前編碼脈沖的同步相位翻轉(zhuǎn)脈沖(SPR),具體時序關(guān)系分析如下:

1)T1是編碼時序與系統(tǒng)同步信號的延時,本次設(shè)為10μs;

2)在S模式中嵌入SIF詢問時,由于S模式的P1、P2脈沖對SIF模式的抑制時間為35μs±10μs,所以SIF模式編碼至少在S模式后45μs;

3)為了防止發(fā)射SIF模式時干擾S模式應(yīng)答,SIF模式編碼需在S模式的SPR之后128μs內(nèi),設(shè)置S模式的SPR提前SIF模式的P3脈沖前沿T2為125μs,用于保證兩種模式應(yīng)答的零距離起始位置相同,且可以采用相同的GTC/STC曲線進(jìn)行接收;

4)詢問信號發(fā)射門(TRANGATE)為低有效,TRANGATE的前沿提前S模式的P1脈沖前沿T3為2μs,TRANGATE的后沿提前SIF模式的P3脈沖后沿T4為2μs;

5)詢問旁瓣抑制信號發(fā)射門(SLSGATE)為低有效,T5～T8均設(shè)為1μs,用于保證SLSGATE第一個脈沖的前沿提前S模式的P5脈沖前沿1μs,后沿滯后S模式的P5脈沖后沿1μs,SLSGATE第二個脈沖的前沿提前SIF模式的P2脈沖前沿1μs,后沿滯后SIF模式的P2脈沖后沿1μs;

6)零距離起始脈沖距離S模式的P6脈沖SPR之后為固定延時128μs。

根據(jù)圖10的時序關(guān)系,在同一詢問周期內(nèi)進(jìn)行S模式和SIF模式組合詢問時,當(dāng)SIF模式應(yīng)答機收到該組合詢問時,只會響應(yīng)該組合詢問的SIF模式詢問,而當(dāng)S模式應(yīng)答機收到該組合詢問時,S模式應(yīng)答機僅響應(yīng)該組合詢問的S模式這一種模式。從而實現(xiàn)在有效波束范圍內(nèi),天線只需旋轉(zhuǎn)1圈就能夠迅速獲取到S模式應(yīng)答機和SIF模式應(yīng)答機兩種類型的應(yīng)答信號,且兩種詢問模式的窗口長度達(dá)到最大。

本文僅以S模式和SIF模式的組合詢問作為例子進(jìn)行分析說明,其他四種詢問編碼組合方式可類比。SuperMode五種詢問編碼模式組合和傳統(tǒng)的詢問編碼方式相比,其具有很強的實用價值,在對有限的時間內(nèi)迅速獲取組合內(nèi)相關(guān)詢問編碼模式的應(yīng)答信號,從而掌握詢問機威力范圍內(nèi)空域內(nèi)不同類型的目標(biāo)信息,對軍航作戰(zhàn)應(yīng)用和民航監(jiān)視通信等都具有非常重要的意義。

4 分析驗證

通過以下分析對本文的SuperMode詢問編碼方法進(jìn)行進(jìn)一步的分析驗證。在與第三節(jié)完全相同的條件下,分析S模式和模式A的SuperMode詢問,具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 SuperMode詢問記錄表

發(fā)射模式:(S模式+模式A), (S模式+模式A)……

通過表7可知,使用SuperMode詢問編碼方式,可以在單圈內(nèi)實現(xiàn)同一波束范圍內(nèi)窗口長度的最大化,與傳統(tǒng)系統(tǒng)交替詢問模型相比,能夠有效地提高二次雷達(dá)的識別效率和探測概率。

5 結(jié)束語

本文研究了一種基于SuperMode的詢問編碼方法,可應(yīng)用于軍用敵我識別系統(tǒng)(IFF)和民航空中交通管制(ATC)系統(tǒng),目的是在一個詢問周期內(nèi)同時獲取兩種不同類型目標(biāo)的信息。在多種類型目標(biāo)并存的復(fù)雜空域條件下,能夠準(zhǔn)確快速完成不同類型目標(biāo)的有效探測,并保證系統(tǒng)的探測時效,在相同條件下該方法的探測概率和獲取目標(biāo)的時效性均高于傳統(tǒng)的詢問方法,提高了二次雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能和可靠性。