機動多功能航管雷達系統研究

張家勇　徐鵬　任翔

摘 要： 機動多功能航管雷達系統是在傳統固定站式航路監視雷達研究基礎上，具有高機動、高可靠、多功能、智能化、高數據率的新雷達技術系統，以滿足在特定環境下對中低空和機場空域航路監視的要求。該雷達系統按照功能劃分為雷達子系統、ATC子系統、應急通信子系統。敘述了機動多功能航管雷達系統的設計原理和技術特點。

關鍵詞： 航管雷達； 高機動性雷達系統； 多功能航管雷達； 機場空域航路監視

中圖分類號： TN957?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0004?04

0 引 言

傳統固定站式航管一、二次雷達一直作為航路飛行器監視最主要、最直接的工具，已經具備相當成熟的技術，并廣泛應用于國內外民航及軍事空管領域[1]。但在某些特定環境下，諸如突發性事件或重大自然災害發生時，固定站式航管雷達由于設備無法移動或無電力供應保障等因素，系統運行可能會出現問題，這勢必將對飛行安全造成重要影響，甚至會釀成災難性的后果。機動多功能航管雷達系統是適應新一代空管系統需求面向航空應急、災備支持、低空開放急需的有效監視工具，可作為現有固定站式航管雷達的應急備份。機動多功能航管雷達系統具有高機動、高可靠、多功能、智能化、高數據率等特點，具備在惡劣環境下代替傳統固定式航管雷達對航路飛行器進行監視的功能。

目前國外針對機動航管雷達的研究，民航領域主要是集中于單脈沖二次雷達[2]，而在軍事空管領域則采用一、二次雷達合裝的形式較多。國內對機動航管雷達的研究也主要集中于機動式二次雷達，以及對軍用雷達改裝的一、二次合裝雷達，但這種雷達一般采用單套結構，數據率和可靠性也難以滿足空域監視的技術要求。未來國內外對機動式航管雷達的研究主要集中采用一、二次雷達合裝形式，并且具備24小時全天候連續開機功能，即系統要求采用雙套冗余結構。

本文所研究的機動多功能航管雷達系統隸屬于空管系統中的導航與監視領域，屬于通用航空綜合飛行服務系統研究方向，是整個空管系統的雷達信息源。基于通用航空中的低空補盲、機場空域應急監視和自然災害的應急空管需求，機動多功能航管雷達系統采用一二次合裝雷達的形式，利用航管一次雷達的主動監視、航管二次雷達的協同監視以及ADS?B的相關監視功能，獲得多傳感器的目標點、航跡信息，同時通過航管一次雷達的氣象通道獲得空中降水分布信息，具有管制功能的雷達終端系統把多種信息源進行融合，完成對空中目標的監視和應急空中交通管理，引導飛機起降和規避危險氣象區域。

1 設計原理

機動多功能航管雷達系統由雷達子系統、終端ATC子系統、應急通信子系統構成。雷達子系統由S波段近程空管一次雷達、S模式單脈沖二次雷達及ADS?B接收機組成，利用一次雷達的主動監視、二次雷達的協同監視以及ADS?B的相關監視功能，獲取一、二次雷達的點航跡目標信息和兼容1090ES格式ADS?B的目標位置信息，同時利用一次雷達的獨立氣象通道獲取監視空域的降水分布信息。終端ATC子系統主要由高性能的服務器、網管、顯示、存儲設備組成，主要完成接收一次雷達數據、二次雷達數據、ADS?B數據、一次雷達氣象數據，并進行多元數據融合處理。終端ATC分系統同時接收飛行電報數據，進行飛行計劃數據處理，將監視數據與飛行計劃數據進行相關后，在顯示處理機上進行顯示，并支持基本的空中交通管制操作。應急通信子系統包括通用應急平臺、甚高頻通信天線、內話系統，主要任務是完成信息的有效傳遞，利用傳統有線接入網絡、無線通信網絡、衛星通信等方式實現雷達終端車與空中飛機、其他ATC系統或者應急指揮中心之間的互連互通。機動多功能航管雷達系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 機動多功能航管雷達系統原理框圖

1.1 一次雷達

機動多功能航管雷達系統中的一次雷達選用S波段近程空管一次雷達[3]，采用全固態、全相參、脈沖壓縮技術和自適應MTD體制[4]。為了保證一次雷達運行的可靠性，除天線和旋轉組合外，其他所有設備均采用雙套冗余結構。

一次雷達是用于機場終端區的監視雷達，它必須有效監視所在機場空域內飛機的飛行動態，并能提供所監視空域的降水分布情況，因此本雷達天線采用了雙波束、雙極化、低仰角銳截止和高仰角超余割平方設計[5]。固態發射機由4個2.2 kW大功率末級組件構成，前級激勵組件采用雙套冗余的系統結構，系統故障時可以與接收機和信號處理一起實施不停機雙機切換[6]。接收機采用了具有射頻自適應時間靈敏度控制的大動態數字化接收機[7]，可以有效減少近距離強雜波造成的丟目標和假目標。信號處理系統采用自適應動目標檢測器（AMTD），能在強雜波和惡劣氣象條件下提供良好的檢測性能[8]。為了探測降水分布情況，一次雷達還設有獨立的氣象處理通道。一次雷達的仰角威力覆蓋圖如圖2所示。

圖2 一次雷達的仰角威力覆蓋圖

1.2 二次雷達

機動多功能航管雷達系統中的二次雷達選用S模式單脈沖二次雷達，以“收發賦形+數字接收”為基本技術體制，采用振幅型和差單脈沖測角技術，具有獨立的ADS?B接收通道，可下載機載ADS?B信息。同樣，二次雷達設備也采用雙套冗余結構來保證系統可靠性。

天線垂直面采用超余割平方賦形，低仰角銳截止設計，能量分配合理，大大降低由于多徑效應引起的干擾和鏡像目標，同時保證了很好的仰角覆蓋范圍。數字信號處理支持通道幅相在線校正、N?CFAR處理，在應答脈沖的量化精度、解應答混淆、置信度判定等方面具有較大優勢，提高了二次雷達的測角精度。

1.3 終端ATC系統

終端ATC系統的主要功能是將接收的一次雷達數據、二次雷達數據、ADS?B數據、飛行電報數據等進行融合處理，并在終端顯示器中顯示出目標航跡、飛行計劃等信息，同時支持監視區域的空中交通管制操作。

終端ATC系統的核心問題是如何保證系統運行的高度可靠性，機動多功能航管雷達系統終端ATC采用冗余配置與分布式網絡拓撲結構，其設備組成如圖3所示，圖3中所配硬件設備為成熟商業貨架產品。終端ATC系統的特點如下：

（1） 冗余熱備份結構，保證了ATC服務器和工作站間信息交換的可靠性，冗余的服務器能為主處理器提供熱備份，主用服務器發生錯誤時能夠自動進行主備切換，確保數據處理服務不中斷；

（2） 配備了與外界多種通信設備進行通信接口，能夠通過這些通信接口與外界其他ATC、飛行器進行實時通信；

（3） 監控系統內嵌在終端ATC中，能夠通過遠端對雷達設備進行控制。

圖3 終端ATC系統結構圖

1.4 應急通信系統

應急通信系統通過裝配在終端車上的各種通信設備實現終端ATC系統與飛行器、外界其他ATC系統及應急指揮中心進行通信。應急通信系統可把無線通信系統（對講系統、短波、超短波、手持移動設備等）、常規通信（有線電話網、互聯網）的信號進行數字化處理，封成網絡傳輸的IP包，然后通過軟交換融合，從而達到多個通信終端語音互相匯合。

2 技術特點

機動式多功能航管雷達系統最重要特點是系統的高機動性，實現系統的高機動性主要通過系統的整體結構設計、天線的展開及拆收設計、電子設備方艙設計等。

2.1 整體結構設計

機動多功能航管雷達所包含的設備包括：具有雙套冗余設備的一次雷達系統、S模式二次雷達系統、雷達終端系統、電站系統等。按照公路運輸狀態，可以將整個系統劃分為三輛車單元：Ⅰ號車單元（雷達車）、Ⅱ號車單元（雷達終端車）和Ⅲ號車單元（電站車）。三輛車之間通過電纜組成一個整體系統，其中Ⅰ號車單元和Ⅱ號車單元配合工作可以替代空域監控的ATC系統，Ⅲ號車單元為Ⅰ號和Ⅱ號車提供能源保障。為保障在惡劣天氣下，系統的安全運行，機動式多功能雷達系統裝配了可移動的避雷針，并且三輛車都設計了安全可靠的接地和防雷系統。其陣地工作示意圖如圖4所示。

2.1.1 Ⅰ號車單元

Ⅰ號車單元作為整個系統的雷達車，是整個機動式航管雷達系統的最核心部分，設計為具有獨立工作能力的航管雷達系統，其組成主要是由安裝一、二次雷達電子設備的電子方艙及一、二次合裝天線。

Ⅰ號車單元平臺上裝設備包括載車自動調平支撐系統、天線轉臺及支座、天線及天線倒伏機構、電子設備及設備艙，其上裝布局圖如圖5所示。工作狀態時，先將一二次天線安裝好，再把邊塊固定架從方艙頂部放到平臺中間位于轉臺和方艙之間的空位上。運輸狀態時，拆卸二次天線，放置并固定于方艙中間的平臺上；再將一次天線邊塊拆卸下來，放置于邊塊固定架上；之后通過天線倒伏機構控制將一次天線中塊向后倒伏至運輸位置并固定，最后將調平撐腿收回到平臺下方。為了減輕整個雷達車的載車重量，將一次雷達天線設計為碳纖維復合材料的反射面天線。

圖4 機動式多功能雷達陣地工作示意圖

圖5 Ⅰ號車單元上裝布局圖

2.1.2 Ⅱ號車單元

Ⅱ號車單元為整個系統的終端車，一般采用大中型客車改裝形式，將終端顯示等設備安裝在該車中。Ⅱ號車單元內部一般安裝電子設備機柜、終端顯示設備，頂部安裝車載空調、衛星天線、ADS?B和其他通信設備天線。通過從雷達車傳輸過來的數據進行處理和顯示，以實現應急空管的功能。

2.1.3 Ⅲ號車單元

Ⅲ號車單元為整個系統的電站車，其主要功能是在復雜情況下給雷達系統提供能源保障作用。電站車主要是由四米方艙和底盤車構成，方艙的結構設計應滿足野外工作條件，方艙內安裝供野外工作發電的大功率柴油發電機組。為了提高安全性和可靠性，發電機采用雙備份配置，正常情況下開動一臺發電機就能夠滿足整個系統的用電需要，同時發電機自帶大容量油箱，支持長時間的工作，單臺油機功率余量充足，滿足長時間連續工作需要，也能夠滿足其他用電需求。

2.2 天線展開及拆收設計

機動多功能航管雷達系統天線由一次雷達天線和二次雷達天線構成[9]，為了保證系統的高機動性，一次天線為雙曲率反射面天線，使用碳纖維復合材料，為避免天線在運輸狀態超寬，將一次天線分為可拆卸的三塊。二次雷達天線通過帶俯仰調節功能的連接機構，實現與一次雷達的合裝。工作狀態時，如圖6所示，將一次天線三拼塊組裝到一起，二次天線通過支架固定在天線中塊相應的固定端。運輸狀態時，如圖7所示，將一次天線整體向后倒伏，手工拆除左右邊塊及二次天線，將邊塊放置在電子方艙上部的邊塊箱中，二次天線放置在兩個電子方艙中間的空位處，滿足道路運輸條件。為了滿足空管要求，系統工作時一次雷達天線與二次雷達天線采用合裝的形式，共用一個天線平臺。

圖6 天線工作整體

圖7 天線運輸狀態

2.3 電子設備方艙設計

機動多功能航管雷達系統電子設備主要裝配于雷達車單元（Ⅰ車），主要由一次雷達電子設備、二次雷達電子設備組成。考慮到載車長度和平臺空間，并結合整個雷達車緊湊設計思想，將電子設備方艙設計為兩個獨立結構，分別位于載車的兩側。方艙1主要布置了一次雷達數字設備部分，方艙2布置了一次雷達射頻設備、電源控制設備及二次雷達設備。兩個方艙面向外面的板可以繞方艙頂部掀起90°，在門板的側面安裝撐桿，以便將門板完全打開并固定，方便檢查與維修。各艙對應的后板為可拆卸門板，利用螺栓固定。當維修時，根據需要可方便地拆卸[10]。

為充分利用方艙的有限空間，方艙1的側面安裝波導組件，從射頻機柜接出的波導通過方艙2的背板連出，穿過方艙1的背板進入方艙1，與方艙1前部的諧波濾波器、四端環形器等波導組件連接，再從方艙1的側板連出去，最后連接到旋轉組合的波導口。兩個方艙在車未一側均留有線纜轉接板，以便方艙之間、雷達車到電站車和終端車間的電源、信號的傳輸。線纜轉接板為防雨性結構。

由于艙內集中了大量的電子設備，設備工作時發熱量會很大，為了保證設備都能夠可靠的長時間工作，在方艙頂部的前后兩端安裝了兩臺置頂空調，對方艙進行制冷，使方艙始終保持在一個合理的溫度范圍內。

3 結 語

機動多功能航管雷達系統作為“中國民航協同空管技術綜合應用與示范項目”子課題，包括雷達子系統、終端ATC子系統、應急通信子系統，通過系統整體結構、一、二次天線、電子設備方艙等設計，實現系統的高機動性、多信息融合、高數據率等功能。目前，系統正在加工調試階段，通過多種創新性設計，它必將實現面向航空應急、災備支持、低空開放急需的有效監視工具。

參考文獻

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[2] 王曉松.S模式新技術在航管二次雷達中的應用[J].空中交通管理，2011（2）：17?20.

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[8] 楊衛鵬，宋萬杰，吳順君.基于DSP的雷達目標檢測模塊設計[J].火控雷達技術，2008（1）：83?86.

[9] 任勝利.車載航管雷達的機動性設計[J].電子機械工程，2013（1）：14?17.

[10] 劉魯軍.緊湊型機動式航管雷達結構設計[J].現代電子技術，2011，34（6）：104?108.

為充分利用方艙的有限空間，方艙1的側面安裝波導組件，從射頻機柜接出的波導通過方艙2的背板連出，穿過方艙1的背板進入方艙1，與方艙1前部的諧波濾波器、四端環形器等波導組件連接，再從方艙1的側板連出去，最后連接到旋轉組合的波導口。兩個方艙在車未一側均留有線纜轉接板，以便方艙之間、雷達車到電站車和終端車間的電源、信號的傳輸。線纜轉接板為防雨性結構。

由于艙內集中了大量的電子設備，設備工作時發熱量會很大，為了保證設備都能夠可靠的長時間工作，在方艙頂部的前后兩端安裝了兩臺置頂空調，對方艙進行制冷，使方艙始終保持在一個合理的溫度范圍內。

3 結 語

機動多功能航管雷達系統作為“中國民航協同空管技術綜合應用與示范項目”子課題，包括雷達子系統、終端ATC子系統、應急通信子系統，通過系統整體結構、一、二次天線、電子設備方艙等設計，實現系統的高機動性、多信息融合、高數據率等功能。目前，系統正在加工調試階段，通過多種創新性設計，它必將實現面向航空應急、災備支持、低空開放急需的有效監視工具。

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為充分利用方艙的有限空間，方艙1的側面安裝波導組件，從射頻機柜接出的波導通過方艙2的背板連出，穿過方艙1的背板進入方艙1，與方艙1前部的諧波濾波器、四端環形器等波導組件連接，再從方艙1的側板連出去，最后連接到旋轉組合的波導口。兩個方艙在車未一側均留有線纜轉接板，以便方艙之間、雷達車到電站車和終端車間的電源、信號的傳輸。線纜轉接板為防雨性結構。

由于艙內集中了大量的電子設備，設備工作時發熱量會很大，為了保證設備都能夠可靠的長時間工作，在方艙頂部的前后兩端安裝了兩臺置頂空調，對方艙進行制冷，使方艙始終保持在一個合理的溫度范圍內。

3 結 語

機動多功能航管雷達系統作為“中國民航協同空管技術綜合應用與示范項目”子課題，包括雷達子系統、終端ATC子系統、應急通信子系統，通過系統整體結構、一、二次天線、電子設備方艙等設計，實現系統的高機動性、多信息融合、高數據率等功能。目前，系統正在加工調試階段，通過多種創新性設計，它必將實現面向航空應急、災備支持、低空開放急需的有效監視工具。

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