MARK?IFF信號一體化處理技術

董 海

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

敵我識別信號作為一種主要的非通信信號,蘊藏著豐富的情報資源。從20世紀90年代初期的海灣戰爭直到新世紀的伊拉克戰爭都表明,敵我識別的作用顯得越來越突出。對敵我識別信號進行分析,可以得到飛機的身份碼、高度、國家/地區標志、飛行狀態等諸多信息。因此,敵我識別信號偵測作為電子偵察的一個重要方向,日益受到重視。

對敵我識別信號的偵測,國內已做了大量的研究[1,2],但工作主要集中在信號識別和脈沖編碼的解碼上,未能充分挖掘敵我識別信號中隱藏的內涵信息,存在一定的缺陷。

本文針對目前西方國家現役MARK?敵我識別系統IFF信號的特點,提出了一種從前端信號偵收到后端信息處理的一體化處理方法,通過硬件實時完成IFF信號的模式識別和解碼,由軟件完成內涵信息的解譯和同一敵我識別輻射源的信號關聯,具有很好的工程應用價值。

2 MARK?IFF信號簡介

MARK?IFF信號目前共有5種工作模式,分別稱為1、2、3/A、4、C 模式 。其中,1、2、4 模式專用于軍用識別;3/A模式為軍民兩用身份識別模式;C模式用于識別飛機的高度;A/C模式主要應用于交通管制(ATC)。另外,B模式預備用于美國民航飛機的民用識別,但目前尚未使用。而D模式作為備用模式,目前尚未分配。

1、2、3/A、C模式詢問信號都采用三脈沖體制,其詢問格式如圖1所示,采用脈沖幅度調制(PAM)。

圖1 詢問信號形式Fig.1 Interrogator signal format

模式4詢問信號首先有4個同步脈沖,脈沖間隔為2 μ s,后面跟隨33個脈沖,包括一個控制脈沖(ISLS)和最多32個加密信息脈沖,信號所有的脈沖寬度均為0.5 μ s,如圖 2所示。

圖2 模式4詢問信號形式Fig.2 MODE 4 interrogator signal format

1、2、3/A、C 應答信號由 F1和 F2兩個框架脈沖及位于F1和F2之間的信息脈沖組成,如圖3所示。

圖3 應答信號形式Fig.3 Transponder signal format

模式4應答信號由一組脈沖組成,該脈沖組共有3個脈沖,如圖4所示。

圖4 模式4應答信號形式Fig.4 MODE 4 transponder signal format

由于諸多文獻[1,2,4]已經詳細介紹過MARK?IFF信號格式,因此本文不再贅述。

3 MARK?IFF信號處理方法

3.1 總體設計

如圖5所示,某MARK?IFF信號偵測系統由偵測天線陣、多通道接收機、信號處理機以及監控計算機組成。信號由偵測天線陣接收后,接收機對信號進行變頻濾波放大,信號處理機對接收機輸出的中頻信號進行模數變換,得到數字信號后進行濾波、信號檢測、參數測量、信號模式識別、分選和解碼。解碼后的數據進行內涵信息分析提取和輻射源關聯等深入處理,最后進行偵測結果顯示。其中,解碼及解碼前的信號處理在硬件中進行,以充分發揮硬件實時處理的優勢,解碼后的工作在軟件中進行。

圖5 偵測系統功能框圖Fig.5 Block diagram of reconnaissance system

3.2 信號偵收

由于MARK?IFF信號固定工作于1030MHz和1090MHz,因此采用定頻超外差接收方法。由于IFF信號的帶寬不大于10MHz,因此選擇接收帶寬為B=10MHz。

接收機將IFF射頻信號變頻到70MHz中頻,在中頻直接對信號進行采樣。根據帶通采樣定理[5],采樣頻率fs須滿足:

式中,fh=f0+B/2=75MHz,fl=f0-B/2=65MHz。

采用全數字正交檢波方案(圖6)時,fs確定為40MHz。

圖6 全數字正交檢波器Fig.6 Digital quadrature demodulator

此時,NCO的輸出為[0,1,0,-1]序列,與輸入信號相乘時運算量很小,大大簡化了硬件設計,節省了硬件資源。采樣數據經正交雙通道輸出,檢波后就得到了脈沖時域包絡。圖7顯示了一個實測的IFF中頻信號及其包絡。

圖7 實測IFF應答信號Fig.7 A measured transponder signal

3.3 信號檢測及識別

對IFF信號的檢測及識別分選在信號處理機中由硬件設備完成。

在FPGA中對AD后的中頻信號進行檢波,采用過門限檢測方法判斷脈沖信號的存在。對檢測到的脈沖包絡進行參數測量,可得到脈沖到達時間(TOA)、脈沖幅度(PA)、脈沖寬度(PW)、脈沖示向度(DOA)等特征參數,形成脈沖描述字(PDW)。在DSP中,根據PDW進行信號識別及分選。根據脈沖寬度參數,剔除掉非IFF信號,在剩余的脈沖中根據不同的脈沖示向度、幅度和寬度參數,將脈沖進行空間上的隔離和分組處理。分組處理后的數據再按照IFF信號模式的框架結構進行配對,識別出信號的模式,并形成一組組的IFF信號編碼。

IFF信號受實際環境的影響,難免會出現波形失真和脈沖混疊,此時如果嚴格按照額定參數進行識別分選,識別概率會大大降低。因此需要對參與識別分選的參數進行一定的容限范圍設置,提高識別概率。

3.4 內涵信息提取

IFF信號中,隱含有飛機代號、飛行高度、飛行任務代碼、國家/地區標志等內涵信息。提取內涵信息是敵我識別信號偵測的一個重要步驟,從這些內涵信息中,我們可以積累并推斷飛機的駐地、執行任務情況、行為方式,掌控飛機的活動規律情況。

下面以最常見的A/C模式應答信號為例,說明IFF信號內涵信息提取方法。

應答信號的編碼格式是由詢問模式來確定的,由框架脈沖F1和F2之間的八進制4組(A、B、C、D)共13個脈沖組成。

當詢問飛機代號時(A模式),則應答信號編碼脈沖由飛機的代號(即身份碼)決定,每架飛機單獨有一個專用的指定代號。飛機身份碼的編碼由A4 A2A1 B4 B2 B1 C4 C2 C1 D4 D2 D1組成,脈沖出現的位置為1,反之為0。將每組八進制的字母的角標數字相加的和,即為飛機身份碼。

例如,應答信號編碼表示為110110100010,將其恢復成ABCD 4組脈沖的形式為A4 A2 B4 B2 C4 D2,角標分別相加后,得到6642,這個即代表這架飛機的身份碼。

當詢問飛機高度時,應答機自動回答飛機氣壓高度信息。高度編碼脈沖同樣由F1和F2之間的信息脈沖組成,但其編碼格式為格雷碼,并且只使用10個脈沖,編排順序為D4 A1 A2 A4 B1 B2 B4 C1 C2 C4。這10個脈沖又分配為3組,D4 A1 A2組成每2.44 km高度增量的8個格雷碼;A4 B1 B2 B4組成每152.4 m高度增量的16個格雷碼;C1 C2 C4組成每30.48 m高度增量的5個“五周期循環碼(C1和C4不能同時為1,但C組脈沖中必須有一個為1)。具體的脈沖編排格式和對應的高度真值表可參閱文獻[3]。

在正確識別及分選高度信息脈沖后,可按照每組高度信息編碼碼字排列順序和高度真值表推算出飛機的高度信息。

由于每個機場所分配的身份代號編碼是預先分配好的,于是我們可以通過長期偵測和跟蹤這些代號信息來分析和推斷飛機的駐扎機場和飛機的數量。

對高度信息的跟蹤分析,可能推測出飛機的行為模式,從而間接判斷飛機的類型信息。

而對模式4詢問信號來說,我們可以得到其加密脈沖的編碼序列,并通過這種信號來判斷目標的存在以及來自的方位。

3.5 輻射源同源關聯

在偵測到IFF信號,進行識別分選以后,可以將同一IFF輻射源發射的信號進行關聯。

關聯的依據是身份碼和身份碼重復的周期,身份碼重復周期可以通過每個相同的身份碼到達時間差得到。

出于飛行安全及空管的考慮,身份編碼具有唯一性,我們可以認為一個時間段內,同一個身份碼肯定是由一架飛機發出的。因此我們可以以此為依據,將身份碼相同的輻射源信號關聯在一起。不同的重復周期則反映了應答機回復不同的詢問機的工作情況。

4 試驗情況

在實驗室通過信號源不間斷地模擬產生IFF射頻信號,信號產生的頻率設定為1 s產生200個信號(即PRI=5 ms)。將射頻信號輸入某MARK ?IFF信號偵測系統進行處理,處理結果在顯控上進行顯示,顯示的內容包括幅度大小、信號編碼或模式、內涵信息等。

圖8顯示了信號源分別模擬輸出模式2詢問信號和編號為2262的應答信號時的處理情況(此時信號源輸出功率為-85 dBm)。從圖中可以看出,脈沖間隔參數(PRI)測量誤差在納秒量級,信號模式識別正確,對信號編碼進行了解碼,并提取了信號內涵信息(獲得了飛機編號,即身份碼)。同時,實現了輻射源的同源關聯,將每一秒的相同身份碼的信號關聯在一起,從信號個數可以反映出信號正確截獲和關聯概率達到了90%以上。

圖8 IFF信號處理顯示Fig.8 The display of processing result

由于系統的靈敏度設計為-85 dBm,因此當信號源輸出功率增大時,信號截獲和關聯概率的準確性會大大提高,如圖9所示。

圖9 信號源輸出功率增大時處理結果顯示Fig.9 The display of processing result when the output power of signal generator increases

5 結束語

本文針對MARK?IFF信號的特點,提出了一種從前端信號偵收到后端信息處理的一體化處理方法,通過經信號源模擬產生信號,信號偵測設備接收處理,實現了信號的模式識別、內涵信息解譯和輻射源的同源關聯,具有很好的工程應用價值,能大大提高敵我識別信號偵測的效能,目前已在某系統中得到應用。

本文的下一步工作是充分挖掘IFF信號詢問和應答之間的規律,以實現詢問輻射源和應答輻射源之間的關聯。

[1]解文斌.脈沖信號的特征分析和輻射源識別研究[D].長沙:國防科技大學,2003.XIE Wen-bin.The Research of Pulse Signal Features and Emitter Identification[D].Changsha:National University of Defense Technology,2003.(in Chinese)

[2]錢眺,茅玉龍,查榮.IFF信號的分析與識別研究[J].雷達與對抗,2008(3):45-48.QIAN Tiao,MAO Yu-long,ZHA Rong.A study on the analysis and identification of IFF signals[J].Radar&Ecm,2008(3):45-48.(in Chinese)

[3]黎廷璋.空中交通管制機載應答機[M].北京:國防工業出版社,1992.LI Ting-zhang.Aircraft Transponder for Air Traffic Control[M].Beijing:National Defense Industry Press,1992.(in Chinese)

[4]STANAG 4193 Part I,Technical Characteristics of IFF Mark XA and Mark XII Interrogators and Transponders General Description of the System[S].

[5]曹志剛,錢亞生.現代通信原理[M].北京:清華大學出版社,1992.CAO Zhi-gang,QIAN Ya-sheng.Modern communication theory[M].Beijing:Tsinghua University Press,1992.(in Chinese)