風電場對航管二次監視雷達S模式的影響分析

吳仁彪 馬晨曦 王曉亮 何煒琨

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風電場對航管二次監視雷達S模式的影響分析

吳仁彪*馬晨曦 王曉亮 何煒琨

(中國民航大學 天津 300300)

風電場作為一種運動的大型障礙物可能對航管二次監視雷達的性能產生影響。目前航管二次監視雷達正在經歷逐步由A/C模式到S模式的轉變升級，研究風電場對航管二次監視雷達S模式的影響，對保障民航飛行安全具有重要意義。該文在S模式和A/C模式信號特征對比分析的基礎上，分析了S模式詢問信號和應答信號可能受到風電場影響的條件，并由此給出了S模式二次雷達附近可能受風電場影響的飛行范圍的計算方法，同時給出了其與A/C模式影響范圍的定量化比較。該文所提方法及相關結論可以為風電場附近的雷達選址(或新建風電場選址)和飛行程序的設計提供依據。

航管二次雷達；S模式；空中交通管制；風電場；干擾影響評估

1 引言

為應對全球氣候變暖，世界各國對清潔能源產生了巨大需求，風力發電作為一種清潔能源在全世界受到高度關注。根據全球風能理事會和中國風能協會的數據統計[1,2]，近十多年來世界和我國風電累計裝機容量呈指數飛速增長。自2010年起，我國風電累計裝機容量穩居世界第一位。此外，風力發電機的幾何尺寸近年來也快速增長。

風電場結構龐大并且成片分布，對雷達信號造成阻擋；風電場葉片會隨風向、風速改變其旋轉面方向和旋轉速度，導致雷達回波信號多普勒頻譜復雜，2000年英國報道了風電場會對一次雷達造成影響[3]，此后其他發達國家如美國、德國、西班牙、荷蘭等國陸續開展對航管一次監視雷達受風電場的影響研究。目前，對航管二次監視雷達(以下簡稱為二次雷達)受風電場影響的研究雖已開展了一些工作，但對于風電場對S模式二次雷達的影響，尚沒有系統的研究報道。

二次雷達，是目前民航使用最廣泛的監視手段。新一代S模式二次雷達相較于傳統A/C模式二次雷達，除了監視飛機位置和速度信息外還具有數據鏈傳輸能力，可以提供更多的諸如航空交通管制指令，氣象及環境等信息。在國際民航組織ICAO的計劃中，S模式二次雷達將替代A/C模式二次雷達[12]。

S模式信號相較于A/C模式信號具有較為復雜的編碼方式，造成風電場對S模式造成的影響范圍、影響方式有所不同。本文在S模式和A/C模式信號特征對比分析的基礎上，分析了S模式詢問信號和應答信號可能受到風電場影響的條件，并由此給出了S模式二次雷達附近可能受風電場影響的飛行范圍的計算方法，同時給出了其與A/C模式影響范圍的定量化比較。本文所提方法及相關結論可以為風電場附近的雷達選址(或新建風電場選址)和飛行程序的設計提供依據。

2 影響分析

S模式和A/C模式二次雷達受風電場影響分別從定性和定量兩個方面分析。

2.1航管二次監視雷達S模式風電場影響區域定性分析

S模式二次雷達是A/C模式二次雷達基礎上繼承并發展得到的產物。為了與現行二次雷達兼容，S模式二次雷達繼承了A/C模式詢問頻率(1030 MHz)和應答頻率(1090 MHz)，并且全呼叫信號能夠兼容現行A/C模式應答機。S模式二次雷達選擇性詢問，并且地面站之間互相配合，減少因為其他雷達旁瓣詢問造成的應答機抑制而降低檢測概率[13]。根據國際民航組織ICAO所頒布的《國際民用航空公約》附件10[12]以及我國民用航空行業標準《空中交通管制二次雷達設備技術規范》[14]對S模式和A/C模式信號進行比較，結果列于表1。

S模式與A/C模式相比具有較低的詢問頻次，并且詢問具有目的性和預定性并且具有自我校正能力，源頭上減少發生異步和同步干擾概率[15]。發生多徑干擾時，S模式信號編碼方式會導致障礙物(如風電場)對其的影響范圍與A/C模式不同。

風電場對S模式二次雷達信號可能產生的影響包括：詢問信號錯誤抑制，詢問和應答信號錯誤解碼，產生虛假目標，詢問和應答信號遮擋。

詢問信號發生錯誤的詢問旁瓣抑制會造成應答機不予應答，與A/C模式類似S模式詢問信號也有旁瓣抑制的功能，但是其工作方式與A/C模式有所不同。圖1[12]是S模式詢問信號信號格式。在S模式中，旁瓣抑制脈沖P5由全向天線發射，在時間上與P6脈沖中的同步相位反轉脈沖重疊。當應答機接收到詢問機旁瓣方向的信號時P5脈沖強于P6脈沖，此時應答機無法檢測到P6脈沖中的同步相位反轉，終止對后續內容解碼；相反，如果在詢問信號主瓣方向接收信號，P6信號會強于P5信號，此時應答機可以檢測到同步相位反轉，會繼續對后續內容解碼[15]。風電場可能會反射詢問信號，造成反射信號與P6脈沖段中的同步相位在時間上疊加，可能造成應答機無法識別同步相位反轉而不予應答，詢問機在詢問周期內未接收到應答信號，會重新安排詢問。

詢問信號錯誤解碼是S模式所特有的， A/C模式無此問題。當飛機和風輪機在二次雷達主瓣方向上時可能會發生信號反射，反射信號與直達信號中承載信息的部分疊加造成應答機解碼過程中出現錯誤。

應答信號錯誤解碼錯誤與A/C模式類似，飛機收到詢問后會進行應答，應答信號經過風電場反射與直達應答信號疊加造成解碼過程中出現錯誤。

虛假目標是由于詢問信號經風電場反射后被飛機應答機接收，該飛機應答此次詢問后可能會導致該錯誤發生。

規模龐大的風電場會對信號造成的阻擋，可能造成應答機無法接收到詢問信號，或衰減的信號低于詢問或應答接收機靈敏度(詢問和應答分別為85 dBm,74 dBm)。

表1 S模式和A/C模式信號特征比較

2.2航管二次監視雷達S模式風電場影響區域定量分析

2.2.1詢問信號 S模式詢問信號格式如圖1所示，P6脈沖分為56 bit短格式和112 bit長格式，寬度分別為16.25 μs和30.25 μs，脈寬誤差為0.25 μs (只出現于脈沖后沿)，P1, P2脈沖寬度為0.800.10 μs。P6的前沿應在同步相位反轉前1.250.05 μs, P2的前沿與P6的同步相位反轉之間間隔為2.750.05 μs, P1和P2之間間隔為2.000.05 μs，因此P1前沿與同步相位反轉之間間隔為4.750.10 μs。

圖1 詢問信號格式

由此，當反射信號相對直達信號的時延分別為：(1)反射信號延時從0時刻起到P6上升沿：(0, 1.25) μs。若考慮誤差為(0, 1.25+0.05)，即(0, 1.30) μs；(2)反射信號延時為P2脈沖寬度：(2.750.80, 2.75)即(1.95, 2.75) μs。若考慮誤差為[(2.750.05)(0.80+0.10), 2.75+0.05]，即(1.80, 2.80) μs；(3)反射信號延時為P3脈沖寬度：(4.750.80, 4.75)即(3.95, 4.75) μs。若考慮誤差為[(4.750.10)(0.80 +0.10), 4.75+0.10]，即(3.75, 4.85) μs這3種情況時，反射信號將可能對同步相位反轉的識別造成干擾，導致應答機不對后續數據進行解碼。3段時延區間端點為：0,,,,,如圖2(a)所示，3段區間分別為對應圖2(b)的3塊陰影區。

另一種是被反射的詢問信號與直達信號中承載信息的部分疊加，112 bit詢問信號長度為(4.75 +0.10)+(30.25+0.25)(1.250.05)(P1前沿與P6同步相位反轉之間間距和P6脈沖之和)，即34.15μs。發生該影響的反射信號與直達信號的時延差為詢問信號時間長度與上述影響區間的補集：(1.30, 1.80) μs, (2.90, 3.75) μs, (4.95, 34.15) μs，記。

當飛機和風電場某臺風輪機在雷達主瓣方向上，如果被該風輪機反射的詢問信號相對直達信號的時延小于詢問信號的長度，則詢問信號可能受到影響。定義由時延得到的影響條件為路程差條件，則根據上述兩種不同影響類型路程差條件分為兩部分。

發生錯誤的詢問信號旁瓣抑制的路程差條件為

(2)

(3)

發生詢問信號錯誤解碼的路程差條件為

(5)

(6)

2.2.2應答信號 圖3[12]為應答信號格式，對于數據位為112 bit的應答信號，發生脈沖疊加的時延范圍為整個應答脈沖長度。前導脈沖組寬度為8 μs，數據段寬度為112 μs，考慮脈沖誤差0.05 μs，則應答信號發生脈沖疊加的時延范圍為：[0, (8+0.05)+ (112+0.05)] μs，即(0, 120.10) μs。記。

當飛機和風電場某臺風輪機在雷達主瓣方向上，如果被該風輪機反射的應答信號相對直達信號的時延小于應答信號的長度，則反射信號與直達信號發生重疊；如果直達信號與反射信號的信干比小于一定閾值，則應答信號可能錯誤解碼。前者對應路程差條件，后者對應信干比條件[16]：

圖2 詢問信號發生旁瓣抑制條件

圖3 應答信號格式

(8)

式(7)可以通過求解數值解得到路程差條件下的風電場影響區域距雷達的最近和最遠距離。式(8)中，令，可以計算信干比條件下的風電場影響區域距雷達的最近和最遠距離，應答信號受風電場影響的飛行區域為上述兩者的交集。結果列于表2[16]。

應答信號采用脈沖位置調制(PPM)，相當于先用雙相碼進行碼型變化再進行振幅鍵控(ASK)調制。二進制數0用“01”兩位碼表示，二進制數1用“10”兩位碼表示。接收端解碼中判斷0和1的一種方法是判斷前后兩位碼電平大小。假設在加性高斯白噪聲信道下信號經過接收端帶通濾波器無失真通過。設發送高電平(即“01”或“10”中的“1”)時接收端的采樣值為隨機變量，發送低電平時接收端的采樣值為隨機變量，則,。記，由高斯分布特性可知。發送一個碼元，如果該碼元為二進制數1，則解碼無錯誤發生條件為前一個碼位比后一個碼位電平高，否則為誤碼。記為碼元錯判的概率，則應答信號數據段誤碼率可表示為

(10)

A/C模式應答信號采用脈沖編碼，其相干解調誤碼率為

由上述分析可知，當S模式和A/C模式誤碼率相同時，所要求的信噪比S模式為A/C模式的1/2。

2.2.3虛假目標 虛假目標是應答機接收到風電場反射的詢問信號后而錯誤應答所形成的，其發生的條件為：(1)反射信號相對于直達信號時延在25 μs以上(應答機發生旁瓣抑制的時間為3510 μs，當相對時延小于旁瓣抑制時間時，應答機不再應答)；(2)反射信號功率大于最小觸發電平[14]。

影響范圍由路程差條件(時延條件)和詢問信號功率條件共同決定，分別為[17]

表2應答信號受風電場影響區域距雷達的最近和最遠距離

d的取值范圍最小影響范圍最大影響范圍 無窮遠 0無窮遠 00

(12)

(13)

令式(12)不等號相等，即

同樣令式(13)不等號相等，即

虛假目標影響區域俯視圖如圖4[17]所示，陰影部分右側曲線是式(14)中雙曲線的一部分，陰影部分左側曲線是對應式(15)圓的一段弧。

圖4 虛假目標影響區域

2.2.4陰影區分析 風輪機對電磁波信號的遮擋將在其背后形成雷達陰影區，飛機在陰影區中飛行時信號傳輸質量將受顯著影響。陰影區是一個立體空間。陰影區長度為二次雷達最大工作距離。陰影區高度計算須考慮風力發電機和雷達的高度、地球曲率、電磁波的非直線傳播等因素。陰影區寬度計算利用反射信號和直達信號疊加后的功率特征和多徑幾何關系。風電場的陰影區影響對于S模式和A/C模式是相同的，具體計算方法可參照文獻[10]。

3 分析結果

為了分析風電場對S模式和A/C模式二次雷達信號的影響差別，利用上述分析結果，計算在相同條件下，飛機在某一高度下風電場與雷達處于不同水平距離時風電場對二次雷達信號產生的影響范圍。

3.1詢問信號影響范圍計算

圖5和圖6分別是飛機相對雷達高度為1000 m和7000 m時詢問信號可能發生錯誤旁瓣抑制的區域，A/C模式發生錯誤旁瓣抑制的區域計算與S模式類似，其發生錯誤旁瓣抑制的多徑時延區間為(0.95, 3.05) μs[17]，色塊區為詢問信號受風電場影響區域，區域下邊沿代表影響區域距離雷達最近距離，區域上邊沿代表影響區域距離雷達最遠距離。可以看到S模式詢問信號可能受錯誤旁瓣抑制影響的范圍更大，并且隨高度降低其受到風電場的影響范圍增大。

圖7(a)和圖7(b)是飛機處于1000 m和7000 m時，S模式和A/C模式詢問信號可能受風電場影響區域計算結果，實線之間的區域表示A/C模式信號可能受風電場影響的區域，虛線上方的區域表示S模式信號可能受風電場影響的區域。該結果A/C模式與圖5和圖6結果相同，但S模式與圖5和圖6結果不同，是詢問信號可能受到影響的區域。兩條實線之間區域表示A/C模式風電場對詢問信號影響的范圍，虛線上方區域表示風電場對S模式詢問信號的影響范圍。從圖中可以看出，無論在起飛或進近階段的1000 m高度，還是在巡航階段的7000 m高度，風電場對詢問信號的影響范圍S模式均大于A/C模式。

3.2應答信號影響范圍計算

假設S模式和A/C模式誤碼率相同，參考歐洲航空安全組織關于風電場影響評估的指南將風輪機RCS設定為35 dB, A/C模式信干比閾值設為50 dB[11]，由2.2.2節分析可得S模式信干比閾值為47 dB。

圖8(a)和圖8(b)是飛機處于1000 m和7000 m時，S模式和A/C模式應答信號可能受風電場影響區域距雷達的最近距離和最遠距離計算結果。兩條實線之間區域表示A/C模式應答信號影響范圍區域，兩條虛線之間區域表示S模式應答信號影響范圍區域。圖8(a)中飛機處于進近或起飛階段高度，S模式和A/C模式分別在雷達與風電場之間距離大約為4000 m和6000 m時影響區域距雷達的最遠距離迅速下降，并且在之后一定范圍內較為穩定。圖8(b)中飛機處于巡航高度，S模式雷達與風電場之間距離大于約5000 m時應答信號將不再受風電場影響，對于A/C模式雷達，該值約為9300 m。隨著飛機高度升高，這兩個值會進一步減小。從計算結果來看，無論在起飛或進近階段的1000 m高度，還是在巡航階段的7000 m高度，風電場對S模式應答信號的影響范圍均小于A/C模式。

圖9是二次雷達信號可能受風電場影響區域，是詢問信號和應答信號受風電場影響范圍取并集得到的計算結果。實線之間的區域表示A/C模式信號可能受風電場影響的區域，虛線上方的區域表示S模式信號可能受風電場影響的區域，從計算結果來看，無論在起飛或進近階段的1000 m高度，還是在巡航階段的7000 m高度，S模式二次雷達信號受風電場影響區域均大于A/C模式。

圖5 h=1000 m時詢問信號可能發生錯誤旁瓣抑制的影響區域

圖6 h=7000 m時詢問信號可能發生錯誤旁瓣抑制的區域

圖7 詢問信號受風電場影響區域

圖8 應答信號受風電場影響區域

圖9 二次雷達信號受風電場影響區域

4 結論

S模式相較于A/C模式具有很多優點，詢問頻次較低并且詢問具有目的性和預定性，從源頭上降低發生異步和同步干擾概率。S模式與A/C模式不同的信號形式造成二者受風電場影響的影響范圍不同。綜合風電場對詢問信號和應答信號的影響范圍計算結果，結果顯示無論在起飛或進近階段的1000m高度，還是在巡航階段的7000 m高度，S模式二次雷達信號可能受風電場影響的區域范圍均大于A/C模式。本文定量分析風電場對S模式和A/C 二次雷達信號影響范圍，可以為風電場附近的雷達選址(或新建風電場選址)和飛行程序的設計提供依據。

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Analysis of Impact of Wind Farms on the Mode S Secondary Surveillance Radar in Air Traffic Control

WU Renbiao MA Chenxi WANG Xiaoliang HE Weikun

(,300300,)

Wind farms, which are motorial large obstacles, may degrade the performance of the Secondary Surveillance Radar (SSR) in Air Traffic Control (ATC). The SSR is undergoing the upgrade from Mode A/C to Mode S. Thus, it is important and meaningful to study the impact of wind farms on SSR for protecting the safety of civil aviation. The conditions ofdetermining the impacted flight region of the interrogation and response signals are analyzed based on the contrastive analysis of signal characteristics of Mode S and A/C. Also, the calculation method of impacted flight region caused by wind farms as well as the quantitative comparison are given. The method and the conclusion can be used to provide a basis for selecting proper location for the radar near the wind farms (or address for new wind farms near the radar), and for designing a flight program.

Secondary surveillance radar; Mode S; Air traffic control; Wind farms; Evaluation of interference effects

TN958.96

A

1009-5896(2017)08-1887-07

10.11999/JEIT161033

2016-10-08；

改回日期：2016-12-08；

2017-03-07

吳仁彪 rbwu@cauc.edu.cn

國家自然科學基金委員會與中國民航局聯合資助項目(U1533110, U1233109)，國家自然科學基金(61571442)，中國民用航空局空中交通管理局科技計劃項目，中央高校基本科研業務費項目(3122015D005)

The National Natural Science Foundation Committee and Civil Aviation Administration of China Jointly Funded Program (U1533110, U1233109), The National Natural Science Foundation of China (61571442), The Science and Technology Program of Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation Administration of China, The Fundamental Research Funds for the Central Universities of China (3122015D005)

吳仁彪： 男，1966年生，教授，博士，主要研究方向為自適應信號處理、陣列信號處理和現代譜分析在雷達、通信、導航中的應用.

馬晨曦： 男，1991年生，碩士生，研究方向為航管雷達信號處理.

王曉亮： 男，1982年生，講師，博士，主要研究方向為雷達信號處理、圖像處理與識別.

何煒琨： 女，1977年生，副教授，博士，主要研究方向為雷達信號處理、風電場雜波抑制.