S模式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題探析

曾令赫

（民航華北空管局，北京,100621）

0 引言

航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，飛機(jī)的密度逐步增加，尤其在機(jī)場(chǎng)終端區(qū)，受限于4096個(gè)二次代碼容量及同步串?dāng)_和異步干擾等影響，在每日航班達(dá)1000架次以上的機(jī)場(chǎng)，傳統(tǒng)A/C模式雷達(dá)的監(jiān)視能力接近極限。與傳統(tǒng)A/C模式比較，S模式雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)基本監(jiān)視、增強(qiáng)監(jiān)視等多種功能。傳輸數(shù)據(jù)中包含24位的目標(biāo)地址碼，共有16777216種分配代碼為每架飛機(jī)分配唯一的地址，比A/C詢問(wèn)模式提供更多的信息；具有數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?guó)際民航組織已把S模式雷達(dá)技術(shù)推薦為二次監(jiān)視雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。S模式技術(shù)的優(yōu)越性能，在民用系統(tǒng)方面，已在機(jī)載防撞系統(tǒng)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)等推廣使用；在軍隊(duì)上主要用于敵我識(shí)別系統(tǒng)。

1 S模式雷達(dá)在我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)雷達(dá)管制起步比較晚，航路雷達(dá)從2001年起在京廣航路上實(shí)施雷達(dá)管制，2007年在京、滬、穗三地間實(shí)施雷達(dá)管制，雷達(dá)信號(hào)在這三地間航路全面覆蓋。隨著雷達(dá)更新及適應(yīng)管制系統(tǒng)發(fā)展的需求，我國(guó)逐漸從傳統(tǒng)A/C模式向S模式雷達(dá)過(guò)渡，2007年第一部S模式THALES雷達(dá)引入我國(guó)，S模式雷達(dá)在空管使用的數(shù)量逐年增加。2010年S模式雷達(dá)首次在西部航路投入使用。隨著S模式雷達(dá)在我國(guó)全面推廣使用，越來(lái)越多的S模式系統(tǒng)投入使用，有民用和軍用的固定雷達(dá)、移動(dòng)雷達(dá)，還有多點(diǎn)定位系統(tǒng)。在歐洲核心區(qū)域于2007年已實(shí)施S模式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)集群。我國(guó)S模式雷達(dá)數(shù)量逐年增多，各S模式雷達(dá)處于相對(duì)獨(dú)立的初級(jí)使用階段，在雷達(dá)管制航路上雷達(dá)信號(hào)覆蓋無(wú)盲區(qū)，尤其在一些熱點(diǎn)航路和終端區(qū)上有多個(gè)相鄰雷達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn)多重覆蓋。

在每個(gè)S模式雷達(dá)地面站中，雷達(dá)系統(tǒng)使用II碼（Interrogator Identifier Code，雷達(dá)識(shí)別碼）作為S模式雷達(dá)身份信息，在詢問(wèn)協(xié)議中使用，用于區(qū)分其它鄰近的地面站，目標(biāo)應(yīng)答機(jī)根據(jù)II碼識(shí)別相應(yīng)地面站詢問(wèn)、并做出應(yīng)答。II碼主要有 IC碼（Interrogator Code）和 SI碼（Surveillance Identifier）兩種類型。國(guó)際民航組織的ICAO附件作為民航首選的技術(shù)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，目前主要使用IC雷達(dá)識(shí)別碼，在附件十中已定義4位字節(jié)的IC碼，僅15個(gè)IC碼用于地面站，其中0用于測(cè)試或軍隊(duì)使用，1至15用于民航雷達(dá)站。每部S模式雷達(dá)的II碼都需人工配置。當(dāng)前我國(guó)II碼分配必須遵循如下原則：在重疊覆蓋區(qū)域的相鄰兩部雷達(dá)的II碼不能相同。當(dāng)相鄰S模式雷達(dá)II碼相同時(shí)，使得其中一部雷達(dá)在部分有效探測(cè)區(qū)域不能偵測(cè)目標(biāo)。

圖1是我國(guó)北部一個(gè)S模式雷達(dá)較密集地區(qū)的分布示意圖，圖中共有四個(gè)地面站，有2層、甚至4層的重疊覆蓋，當(dāng)重疊區(qū)域增加，還需考慮周邊的覆蓋區(qū)域。S模式雷達(dá)的數(shù)量增加使得有限II碼不足以分配，部分相鄰區(qū)域地面站II碼分配變得復(fù)雜。

2 S模式雷達(dá)網(wǎng)的II碼使用

“S”代表選擇 ( Select)，通過(guò)全呼（ALL CALL）詢問(wèn)，獲得目標(biāo)地址碼，再根據(jù)地址碼選擇性的詢問(wèn)目標(biāo),相應(yīng)地址碼的目標(biāo)才會(huì)應(yīng)答，減少了發(fā)射應(yīng)答射頻信號(hào)。相對(duì)于A/C模式雷達(dá)，S模式雷達(dá)有效改善監(jiān)視能力，具備地空數(shù)據(jù)鏈通信的能力。

S模式雷達(dá)地面站詢問(wèn)目標(biāo)主要有兩個(gè)階段。

第一階段用于識(shí)別目標(biāo)。地面雷達(dá)站上行發(fā)送全呼詢問(wèn)，目標(biāo)應(yīng)答機(jī)以地址碼信息下行回應(yīng)此全呼詢問(wèn)，地面雷達(dá)站把此目標(biāo)的地址碼列入目標(biāo)識(shí)別文件中。

第二階段用于獲取目標(biāo)點(diǎn)跡。地面雷達(dá)站通過(guò)讀取目標(biāo)識(shí)別文件中的目標(biāo)地址碼，選呼目標(biāo)以獲取目標(biāo)地理位置等信息。目標(biāo)應(yīng)答機(jī)將執(zhí)行周期為18秒的鎖定功能，即18秒期間不應(yīng)答此地面站的全呼詢問(wèn)，有效減少不必要的應(yīng)答。

為了減少雷達(dá)異步干擾，有效使用數(shù)量有限的II碼，需統(tǒng)一分配、管理各個(gè)S模式雷達(dá)地面站中的II碼。如兩部S模式II碼相同且有重疊覆蓋區(qū)域，將導(dǎo)致其中一部雷達(dá)在重疊覆蓋區(qū)域不能偵測(cè)目標(biāo)信號(hào)。為了解決有重疊覆蓋區(qū)域的相關(guān)雷達(dá)探測(cè)需求，需對(duì)S模式雷達(dá)站的II碼進(jìn)行有效分配，當(dāng)相鄰地面站使用相同II碼，使用S模式雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)監(jiān)視協(xié)調(diào)網(wǎng)的信息交換實(shí)現(xiàn)雷達(dá)站之間的目標(biāo)偵測(cè)，消除相鄰地面站在重疊區(qū)域的偵測(cè)覆蓋缺口。

3 S模式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 S模式雷達(dá)協(xié)調(diào)網(wǎng)

S模式雷達(dá)網(wǎng)使用II碼作為為地面站的地址信息，通過(guò)監(jiān)視協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)集群。地面站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有分布式網(wǎng)絡(luò)和集中式網(wǎng)絡(luò)。集中式網(wǎng)絡(luò)由集群控制器協(xié)調(diào)監(jiān)視功能。分布式網(wǎng)絡(luò)由分布在各個(gè)地面站的控制器之間實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)監(jiān)視功能。

圖1 我國(guó)較密集區(qū)域的部分II碼分布圖

實(shí)驗(yàn)環(huán)境在如圖2的分布式網(wǎng)絡(luò)下完成，各個(gè)地面站的分布式控制器獨(dú)立工作。各分布式控制器探測(cè)分布式控制器及網(wǎng)絡(luò)的完好性，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交換，包括目標(biāo)的位置信息。在相鄰且相同II碼地面站，僅有一部地面站能在重疊覆蓋區(qū)域偵測(cè)目標(biāo)，同時(shí)通過(guò)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)向其它控制器分發(fā)覆蓋區(qū)域的“盲區(qū)”目標(biāo)信息。

圖2 S模式雷達(dá)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)

3.2 II碼分配

S模式雷達(dá)的識(shí)別碼主要有IC碼和SI碼。SI碼位數(shù)為6位，共有63個(gè)，因機(jī)載應(yīng)答機(jī)生產(chǎn)于不同年代，性能差異較大，在2005年以后生產(chǎn)的機(jī)載應(yīng)答機(jī)才具備支持識(shí)別SI碼的能力，受限于應(yīng)答機(jī)功能級(jí)別配置，SI碼還不能全面推廣使用。推廣初期使用IC碼識(shí)別，IC碼共有16個(gè)，實(shí)際使用15個(gè)。需相關(guān)職能部門統(tǒng)一分配、管理每個(gè)民用地面站的II碼。相鄰地面站沒(méi)有使用相同的II碼，全呼詢問(wèn)的鎖定功能有效的減少空間射頻發(fā)射。在相鄰地面站且有重疊覆蓋區(qū)域，使用了相同的II碼，需通過(guò)地面站互聯(lián)組網(wǎng)協(xié)調(diào)，使得相鄰地面站都能獲取重疊區(qū)域的目標(biāo)位置信息。

對(duì)于一些不能得到地面站信息的臺(tái)點(diǎn)，需對(duì)口職能部門協(xié)調(diào)，以有效分配II碼。

①為避免軍用S模式雷達(dá)與民用S模式雷達(dá)的II碼分配沖突，需對(duì)口職能部門協(xié)調(diào)獲取S模式雷達(dá)信息，以更好的分配II碼。

②我國(guó)幅員遼闊，特別在邊境地區(qū)，與周邊國(guó)家之間有重疊覆蓋區(qū)域的S模式雷達(dá)，需相關(guān)職能部門協(xié)調(diào)II碼的分配。

③在沿海地區(qū)的S模式雷達(dá)，受海上移動(dòng)雷達(dá)的影響，比如艦載移動(dòng)雷達(dá)的II碼，由于其移動(dòng)性帶來(lái)相鄰II碼的不確定，需考慮其對(duì)固定雷達(dá)的影響。

3.3 鎖定策略地圖

每個(gè)S模式雷達(dá)系統(tǒng)地圖涉及鎖定策略地圖、監(jiān)視及數(shù)據(jù)鏈等3大功能。在重疊覆蓋區(qū)域的相鄰地面站使用鎖定策略技術(shù)，以獲得有效的信號(hào)偵測(cè)覆蓋。

在S模式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)地面站都有鎖定策略地圖，鎖定策略用于地面站與目標(biāo)應(yīng)答機(jī)之間的通信，當(dāng)目標(biāo)應(yīng)答機(jī)接收到地面站的鎖定命令后，目標(biāo)應(yīng)答機(jī)將在周期18秒期間不會(huì)應(yīng)答此地面站的全呼詢問(wèn)。鎖定策略地圖規(guī)定了地面站鎖定目標(biāo)的區(qū)域。在實(shí)際使用中，分配和管理多個(gè)地面站II碼、優(yōu)化鎖定策略地圖工作復(fù)雜，隨著地面站數(shù)量不斷增加，需為每一個(gè)地面站準(zhǔn)備更多的地圖。

地面站根據(jù)鎖定策略地圖執(zhí)行鎖定功能。如在重疊區(qū)域的兩個(gè)相鄰站點(diǎn)的鎖定策略地圖有重疊，兩個(gè)地面站爭(zhēng)先詢問(wèn)重疊區(qū)域的目標(biāo)，則使得鎖定策略具有不確定性，在相鄰覆蓋區(qū)域中，在重疊區(qū)域僅使用一種鎖定策略。鎖定策略地圖以塊為單位，每個(gè)塊大小為5海里*5海里，高度以200英尺遞增。每個(gè)塊都被賦予一個(gè)狀態(tài)值。狀態(tài)值為1時(shí)，目標(biāo)應(yīng)答在此區(qū)域中將被地面站鎖定；為0時(shí)，目標(biāo)應(yīng)答不被鎖定。在制作鎖定策略地圖時(shí)，鎖定策略地圖必須涵蓋整個(gè)監(jiān)視覆蓋區(qū)域。如果在監(jiān)視區(qū)域中沒(méi)有定義鎖定策略地圖規(guī)則，目標(biāo)應(yīng)答機(jī)在此區(qū)域不使用鎖定策略，應(yīng)答所有的全呼詢問(wèn)，增加了空間的射頻發(fā)射。在實(shí)驗(yàn)中的2個(gè)地面站，在每個(gè)站分別制作了重疊區(qū)域的地圖及未發(fā)生重疊區(qū)域的地圖。由于手工定義覆蓋地圖的每一個(gè)塊，還需考慮每一個(gè)塊涉及的地形數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)偵測(cè)的影響，優(yōu)化鎖定策略地圖工作量繁重。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際使用中，由于S模式雷達(dá)的參數(shù)配置復(fù)雜，在飛行密度不太高的地區(qū)，需慎重考慮安裝。相對(duì)于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)S模式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)還處于剛剛起步的發(fā)展階段。本文初步探討了雷達(dá)II碼分配問(wèn)題、兩個(gè)地面站之間網(wǎng)絡(luò)互連模型及鎖定策略，并給出鎖定策略地圖實(shí)施方案，解決了相同II碼且相鄰S模式地面站的信號(hào)覆蓋問(wèn)題，為S模式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)的使用和發(fā)展提供一點(diǎn)建議。

[1]International Civil Aviation Organization,Surveillance radar and collision avoidance systems[M]//Annex 10 to the convention on international civil aviation,USA,International Civil Aviation Organization,1998.

[2]EUROCONTROL，Principles of Mode S Operation and Interrogator Codes[M]，F(xiàn)rance,EUROCONTROL,2003