民用飛機TCAS/S模式應答機激勵器設計

徐揚

摘要：依據機載TCAS/S模式應答機系統集成驗證的要求，需要在試驗室激勵TCAS/S模式應答機系統，減少TCAS/S模式應答機系統試飛試驗的次數。本文對民用航空TCAS/S模式應答機系統信號進行了分析，得到了TCAS/S模式應答機系統激勵方法，完成了TCAS/S模式應答機系統設計方案，用以滿足機載TCAS/S模式應答機系統的試驗室試驗。

關鍵詞：TCAS；S模式應答機；機載；激勵器；

中圖分類號：V22文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

Abstract：According to the test needs of TCAS and Mode S transponder system， the TCAS and Mode S transponder system shall be stimulated in lab to decrease the flight test of TCAS and Mode S transponder system. This paper analyses the TCAS and Mode S transponder system signal， gets the TCAS and Mode S transponder system stimulator method， and designs the TCAS and Mode S transponder system stimulator， which will be used in airborneTCAS and Mode S transponder system test on the lab.

Keyword： Traffic Alert and Collision Avoidance System； Mode S transponder； Airborne；Stimulator

1. 引言

為了提高飛行過程中的安全，民用飛機普遍安裝了TCAS和S模式應答機系統，TCAS和S模式應答機聯合工作， 在本機與其他飛機之間存在潛在碰撞沖突時， 提供交通提示和告警，有效提高飛行安全程度。TCAS是一種空中交通警戒與防撞系統。目前世界范圍內使用的TCAS系統大多屬十TCASII系統。該系統通過詢問本機周圍飛機的ATC應答機，運用自身計算機系統識別和顯示潛在的碰撞威脅。TCAS II能夠為飛行員提供語音和視覺告警，提醒飛行員潛在的威脅以及如何應對可能的沖突[1]。應答機的作用是接收和識別他機TCAS或者二次雷達地面站的詢問，在滿足適航規范的條件下，作出相應的應答。S模式是西方國家研制出的一種新的空中交通管理模式，可以解決A/C模式二次監視雷達（SSR）存在的目標分辨力差、串擾、混擾等問題。S模式系統是一個A/C模式二次監視雷達和數據鏈的組合系統，可以提供比當前的二次監視雷達更強的監視能力、更高的精度和更高的可靠性[2]。機載TCAS/S模式應答機系統的集成和測試具有其技術特殊性，其主要特點為系統嚴重依賴地面、空中和高空設備配合，只能通過飛行驗證的方式才能較好地利用這些資源，但是其缺點是系統測試嚴重依賴試飛，因此，將那些分布在地面、空中和高空的設備“搬移”到實驗室內，并能根據需要隨意控制其參數和模式，以實現TCAS/S模式應答機系統在實驗室條件下的“飛行”驗證，具有非常重大的現實意義。

本文研究了適合實驗室條件的TCAS/S模式應答機系統激勵器實現技術，完成了TCAS/S模式應答機系統系統激勵器設計，用以滿足機載TCAS/S模式應答機系統系統的試驗室試驗。

2. S模式應答機激勵技術

2.1 空中交通管制（ATC）系統功能及原理

空中交通管制雷達信標系統（ATCRBS）是實現ATC的主要手段，是保證空中交通安全的主要系統。空中交通管制應答機是ATCRBS的機載設備，它需要與地面的二次雷達配合工作，通過它可以向地面管制中心報告飛機的識別代碼、飛機的氣壓高度等。機載應答機分為A/C模式應答機和S模式應答機，A/C模式應答機與地面的ATCRBS配合工作，S模式應答機與地面的離散尋址信標系統配合工作。二次雷達工作過程是：由地面詢問雷達發射一定模式的詢問信號，機載應答機收到這個模式的詢問信號后，經過信號處理、譯碼，然后由應答機發回編碼的回答信號。地面雷達收到這個回答信號，從中解出飛機代號、高度、方位和距離，從而實現對飛機的跟蹤、監控和指揮。

2.2 S模式應答機激勵方法

S模式應答機的激勵需要仿真機載ATC天線接收到的地面二次雷達的詢問信號，這個信號的脈沖編碼格式、編碼方式和信號頻率等參數與ATC地面二次雷達發射的詢問信號是完全一致的，僅有的區別是射頻信號功率，激勵信號功率只需在機載S模式應答機的接收靈敏度范圍內即可。

圖1所示是S模式應答機激勵器功能框圖，信號處理器接收激勵控制送來的激勵命令和參數，按照相關標準生成A/C模式、S模式或TCASII的詢問脈沖序列，對頻率源產生的1030MHz的載波信號進行ASK調制，經功率放大后輸出射頻詢問信號。

3. TCAS激勵技術

3.1 TCAS系統工作原理簡述

TCAS是通過“收聽-詢問-應答”方式獲取監視空域中其它飛機的信息的。在管制空域中，不論是裝備A、C模式應答機的飛機，還是裝備S模式應答機的飛機，總是在不斷地和地面二次雷達通過詢問-應答方式向ATC中心提供各自的識別碼、高度信息或S模式的24位地址碼。即使在無地面雷達詢問的情況下，裝備S模式應答機的飛機也會斷續地發射（即間歇信標），以告知其他飛機本機的存在。本機TCAS接收機的工作頻率為1090MHz，所以可以收聽到這些飛機的應答信號或斷續發射信號，從而感知周圍空域中其它飛機的存在，并記下其地址碼。

此后，TCAS通過自己的TCAS發射機發射1030MHz的詢問信號，詢問裝備A、C模式應答機的飛機。C模式應答機所應答的是其高度信息。TCAS計算機在獲得這些飛機的高度以及航向等信息后，可進而計算所需的其它數據。在完成對裝備模式A、C應答機的飛機的詢問后，TCAS計算機即根據所獲得的24位地址碼，分別詢問裝備S模式應答機的飛機，以獲得所需的信息。TCAS的“收聽-詢問-應答”過程是不斷進行的，其更新期約為1秒。

在本機的TCAS詢問對方的同時，本機的應答機也會對其它飛機的詢問作出應答。與此同時，本機的應答機保持對地面二次雷達的應答。TCAS設備通過測定發出詢問信號時刻到接收到應答信號時刻之間的時間差，來計算出自己與目標飛機之間的相對距離。TCAS接收天線是方向性天線，由四個陣子組成，四陣子之間的相對位置與1090MHz應答信號波長成一定的比例關系。由于四陣子位置的不同，接收到的應答信號存在相位差，TCAS設備通過測得這些相位差計算出目標飛機相對于本機的方位。

3.2 TCAS的激勵方法

針對TCAS的詢問功能，激勵器應仿真TCAS方向性天線接收到的四路目標機應答信號，并通過控制應答信號發射時延來仿真目標機距離，通過控制四路射頻信號相對相位差來仿真目標機的方位，其激勵功能框圖如圖4所示。

信號處理器根據機載TCAS設備發出的詢問信號產生相應模式的應答脈沖序列，并根據激勵控制命令進行應答延時和相移計算，應答脈沖序列對頻率源產生的1090MHz信號進行調制，經功率放大后分成相同的四路應答信號，每一路在移相控制下進行相位偏移，最后輸出四路相位不同的應答射頻信號。

在TCAS應答信號的激勵仿真中，四路信號的相位控制是仿真的關鍵點，而如圖3所示TCAS天線的1、2、3、4號陣子之間的相對距離是進行移相計算的重要參數，因此必須準確了解所仿真天線四陣子相對位置。ARJ21飛機TCAS天線參數是：1、3號陣子之間距離為1個波長（1090MHz），2、4號陣子之間的距離為半個波長。

若目標飛機相對方位角度設為θ，則2、3、4號陣子相對于1號陣子的相位關系分別為：

式中k為0或正整數。

在進行激勵仿真時，根據需要仿真的目標飛機相對方位θ，利用TCAS天線4個陣子的相位之間的函數關系可以計算出2、3、4號陣子相對于1號陣子的相位值φ1，φ2，φ3，信號處理器根據計算出的φ1，φ2，φ3的值產生移相碼控制3路數控移相器，實現4路相位不同的應答信號的模擬。

4. 結束語

本文介紹了機載TCAS/S模式應答機系統激勵器設計，該激勵器可以完成TCAS/S模式應答機系統激勵。使用機載TCAS/S模式應答機系統激勵器可以在試驗室完成TCAS/S模式應答機系統的功能測試，大大減少TCAS/S模式應答機系統飛行測試的次數，提升TCAS/S模式應答機系統測試的廣度和深度，保證機載TCAS/S模式應答機系統功能的順利驗證。

參考文獻：

[1] 沈佳峰； 民機TCAS機動策略與仿真研究[D]. 上海：上海交通大學， 2011

[2] 馬進； 基于FPGA的TCAS與S模式應答機綜合化數字中頻接收系統的設計與仿真[D]. 上海：上海交通大學， 2011

[3]王有隆； 從德國博歌湖撞機事件看TCAS與飛行安全[J]. 中國民航飛行學院學報，2005，16（6）

[4] 黎峰； 空中交通警戒和防撞系統的發展歷程[J].中國民用航空， 2004，10（46）： 81-83

[5]肖宇； 我國民航雷達的變遷[J]. 空中交通管理， 2000，03： 24-26

[6]蘭鵬； S模式與軍用敵我識別[J]. 電訊技術， 2006，46 （3 ）139-143