初探S模式二次雷达的基本原理

作者:未知

  摘 要:二次监视雷达是一种应用于空中交通管制中的,包含传递信息和检测飞机等功能的雷达系统。我国的空管雷达的使用要追溯到上个世纪,国家对于这一项技术在我国的航空领域中的相当重视,曾多次委派研究团队赴外参考学习,将这一项技术引进至国内,从最早的A/C模式的雷达系统再到现代的S模式雷达系统,我国在空中管制雷达这一块的技术已经渐趋成熟。本文将以S模式二次雷达为议题中心,着重探讨一下这一项技术的基本原理,并谈一谈这项技术在在我国航空领域的应用。
  关键词:S模式;二次雷达;接收信号;基本原理
  中图分类号:TN958.96 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)09-0211-02
  0 前言
  S模式二次雷达的开发起源于美国和英国,当时飞机数量大量增加,自动控制ATC系统中涌现众多异步干扰问题,为此科研人员将每架飞机编上离散地址码,对雷达扫描波束内的目标进行点名性的询问,被点到名的飞机才予以回答[1]。这样就可以避免A/C交互模式中的A、C两种模式相关问题,大大降低雷达的询问率,进一步减少异步干扰问题。S模式二次雷达安装了数据链通信功能,提高了管制系统自动化水平。为此,将S模式询问定义为离散选址信标系统,雷達询问是针对于特定地址编码的目标进行定向呼叫的询问。安装S模式应答机的飞机都有特殊的地址码,飞机对雷达询问的应答信息中必须包含本机地址码。
  1 S模式基本概念及特性
  1.1 S模式基本概念
  S模式主要是考虑到未来航空航天科技发展,低高空交通密集情况下,能够准确对空中情报进行实时监控,获取可靠的数据链通信以保证航空安全[2]。S模式支持当下的地面传感部门二次雷达系统。S模式由空中防撞、地空数据沟通、地面数据网等模块组成。以S模式支持的数据链是飞机和地面之间的通信基础,地空数据链进行数据传输时,是地面二次雷达系统和S模式空中应答设备之间的通信沟通。
  采用S模式系统雷达和应答机实现数据通信,一方面可以将雷达天线使设置为定向天线,获取较高增益,实现远距离数据传输;另一方面,雷达自身工作频率高,数据实际传输可靠。
  在现有ADS-B系统中,应用了S模式工作,以固定天线为支持,天线形式为全向天线,增益较低,为实现远距离传输,ADS-B系统采用甚高频频段传输数据,数据传输效率可靠[3]。
  S模式属于一种离散寻址询问数据链路技术,以雷达自身可靠性支持,实现双通道传输数据。通过地面雷达设备和机载应答机支持,将询问目标身份信息发送给飞机,目标24位地址模二加到消息后24位奇偶校验位,指明需相应目标[4]。此外,每架飞机单独询问,由一频率收发机通报应编码24位ICAO地址识别。飞机扫描接收到后以单脉冲技术应答,将飞机各应答分割开来,避免A、C模式应答和S模式混淆,避免飞机通讯受到异步干扰。
  1.2 基本特征
  S模式具有以下四种特征:
  (1)选择性寻址,S模式信号可选择性询问S模式应答机,整体地址数量在16000000个以上,确保各个飞机都能有唯一的地址。(2)雷达站和飞机应答机之间以S模式传输数据,采用56/112为合适3类帧支持。(3)可自动检错纠错。(4)单次天线扫描,采取单个询问、应答支持。自适应再询问可对未作应答飞机询问,提高检错概率。
  2 S模式相较于传统模式的优越性
  S模式二次雷达不单单是传统A/C模式监视雷达的升级,S模式以A/C模式为支持,再此基础上进行了一定的优化改进,但是其有对A/C模式的兼容及改进。
  对A/C模式而言,其二次监视以一次雷达支持完成,在兼容上,S模式是二次雷达,遵循一次雷达1090MHz应答频率及1030MHz询问频率[5]。此外,S模式二次雷达应用中,不能对A/C系统无影响,不能对传统A/C系统运行方式及设备稳定性无任何影响或改变。
  因此,要求S模式二次雷达应用中需符合以下要求:一方面,S模式二次雷达询问中,发射P2脉冲,需以旁瓣抑制方式支持,在数据发射完毕前,抑制时间完成P6脉冲;另一方面,传统A/C模式询问及接收机执行稳定性关系到数据传输效率及质量,此时S模式应答时不可做出干扰。S模式脉冲位宽及应答格式属于独立存在个体,传统A/C模式确立飞机位置,需多个同步应答确定,而S模式无需多个同步应答确定,定位效率大大提高。
  S模式是信息时代的技术产物,本身具有A/C模式优势,又对A/C模式进行升级,在技术的上涉及到A/C系统无法满足的高精度数据交互控制[6]。S模式应答中数据链中包含大量需求性数据,而在A/C系统中其数据梳理复杂,准确性偏低,针对最近历史天线扫描接收数据进行的比对,得到分析结果。而S模式采用“点对点”模式,不再使用信号幅度和OBA辨识,即使两飞机距离较近,S模式也可定位飞机具体位置,实时监控。此外,S模式确定监控目标时,不需要通过询问解决异步干扰,对飞机位置确认询问量少,针对一架飞机询问,节省大量时间。
  3 S模式二次雷达工作原理
  3.1 工作模式
  二次雷达工作模式具有多样化特征,其以不同编码方式为支持,可以划分出多种不同的工作模式。当下,我们对S模式二次雷达工作模式划分主要依靠国际规定划分,由ICAO通用的SSR工作模式,将S模式二次雷达工作模式划分为1、2、A、B、C、D和S类型。当下常用A(获取飞机航管编号)、C(获取飞机气压高度信息)两种方式支持。
  3.2 询问应答模式
  询问(上行格式)以UF(UPLINK FORMAT)支持, 应答(下行格式)采用DF(DOWNLIK FORMAT)支持。其中,S模式二次雷达应答模式的“应答”分为DF4、DF5、DF11、DF20、DF21、DF24等,以格式4、5实现询问应答短消息的监视,对飞机高度进行识别。20、21主要是在询问应答标准长度信息的通信A/B,对其高度识别。11是在询问应答中实施S模式呼叫。24在询问应答扩展长度信息通信C、D。   应答机以1090MHz频率发送信号,信号有解码设备经检测前四个脉冲识别。应答报头脉冲间隔的距离限制,导致其不可被偶然两个模式A、C应答交叠伪造。若另一应答遮住四个脉冲其中一些,则别的脉冲上升沿可用作目标距离测试。应答数据在报头脉冲后的数据块当中,通过脉冲位置进行调制,将数据编码处理。对各个位来说,持续1μs,有脉冲和无脉冲时间段,二进制1以脉冲后加无脉冲表示,二进制0以无脉冲加脉冲表示。在每个前0.5μs内,应答数据以有脉冲表示1,无脉冲表示0,且以相反方式出现在接下来的0.5μs中、采用这种编码方式,其稳定性良好,可抵抗大多干扰,不会干扰某一位置脉冲或在邻近位置插入脉冲。一次询问中,应答数据以56位短形式或112长形式。
  3.3 S模式二次雷达询问应答过程
  过程为:在雷达有效支持范围内,飞机进入,S模式UF11被二次雷达发射,飞機接收到对应数据信息。在呼叫中,呼叫询问地址码、询问器信息互相作用,应答机以24地址信息及询问器代码确定信息,之后进行应答,雷达应答后,飞机地址码识别锁定。
  4 S模式使用协议分析
  S模式二次雷达使用协议也具有多样性,由LOCKOUT(锁定协议)、MULTISITE(多现场协议)、NONSELECTIVE(非选择性协议)组成,以下就三种协议详细分析。
  4.1 LOCKOUT
  为锁定飞机,获取询问器代码机地址,雷达发送S模式全呼,点名轮呼LOS字段,锁定飞机。之后,为避免雷达间无异步干扰或减少异步干扰,纯S模式的全呼锁定18s后应答。
  4.2 MULTISITE
  单独工作模式才能使用MULTISITE,雷达有自身II码,各雷达的可独立对数据链信息控制。主要是II码将储存在应答机中,下次接受讯息后能迅速辨别响应。
  4.3 MULTISITE
  MULTISITE和SCN协议主要应用于雷达II码不够使用,或雷达覆盖区域产生大量重复覆盖时使用的。选择该协议,需满足雷达间有同样II码,且不同雷达覆盖区域重复。但是,应用该协议需满足两方面条件,一方面,要求雷达间有相同II码,在SCN上运行;另一方面,SCN有分布式和集中式协议,都可满足数据及信息交流共享需求。
  5 S模式特点的及优点
  采用S模式支持,在A/C模式下,对数据传输、交互等进行改进。
  (1)S模式监视下的单脉冲功能可以确保ATCRBS适当减少查询次数,提高目标定位精准性及时效性。ATCRBS查询减少,则RF(射频)对传输环境的干扰也得到有效控制。(2)即使两飞机距离较近,以S模式支持,可以通过查询定位,准确判断彼此位置,避免彼此产生干扰。(3)地空、空地通信以S模式为支持,在航空领域中应用广泛,一些飞行密集区域,为确保飞机飞行稳定,以S模式数据规划具体飞行路线,为航空员提供精准的实时定位,避免事故发生。
  从S模式二次雷达优点分析,发现S模式重点及适用性较好,在航空领域有广阔应用价值,对推进航空事业稳定发展具有重要意义。
  6 结语
  综上所述,在航空发展中,一次雷达属传统雷达范畴,在我国航空事业发展中已经得到普遍应用。二次雷达属于信息技术革新后的产物,二次雷达历经多方面发展,从常规雷达、单脉冲雷达最终发展到S模式支持的二次雷达,获取大量信息,技术逐渐向高精端发展。
  参考文献
  [1] 王刚,徐坤,董怀停.浅析S模式二次雷达的基本原理[J].民营科技,2017(4):47-47.
  [2] 孙擎宇.S模式二次雷达目标速度跳变研究[J].无线互联科技,2018,135(11):7-8.
  [3] 周水平.二次雷达S模式询问与应答研究[J].电子世界,2017(5):57-58.
  [4] 唐伟盛,陈强超.增强型S模式雷达在空中交通管制中的应用研究[J].科技经济导刊,2017(16):61-62.
  [5] 左明瑞.S模式二次雷达的原理及应用初探[J].信息通信,2015(8):188-189.
  [6] 邹殿臣.S模式空管二次雷达询问与监视技术研究[J].数字技术与应用,2016(9):86-87.
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