IRS-20MP/L型空管二次雷達系統組成及其作用

曾偉文

（中國民用航空中南地區空中交通管理局，廣東 廣州510000）

空管系統的基本要求是安全、迅速和有秩序地將乘客和貨物從某一個地點空運到另一個指定地點，空中交通管制就是為達到此目的而建立的重要服務體系。正如地面交通有交通規則一樣，空中交通也有飛行規則，只有空中交通的使用者和管理者共同遵守和依據這些規則，才有可能保證空中交通安全有序地進行[1]。

20世紀80年代以來，空中交通管制逐漸由程序管制過渡到雷達管制方式。通過地面雷達對空中的飛行目標進行掃描，管制員可以從雷達屏幕上看到飛機的代碼、空間位置、上升下降等參數，再加上地空通信系統和自動化系統的不斷完善，雷達管制逐漸取代了程序管制。隨著國內民航業的高速發展，航班量逐年增加，管制員對空管雷達的依賴性正與日俱增。隨著區域管制中心多雷達自動化系統的投入使用，雷達的重要性更進一步得到了體現。

1　空管二次雷達系統的組成及其工作原理

目前，國內的空管二次雷達系統基本是采用了單脈沖技術的空管二次監視雷達。單脈沖空管二次監視雷達一般由室外和室內兩大部分組成。室外部分主要包含大垂直孔徑（LVA）陣列天線、驅動馬達、變速箱、旋轉鉸鏈、方位編碼器以及安全互鎖開關等單元。室內部分主要包括了雙通道詢問機、天線控制單元、本地監視與控制器、雷達維護顯示器等單元。而作為空管二次雷達系統核心組成單元的詢問機又包含了射頻驅動模塊、功率放大器、接收機、模式產生器以及點跡錄取器等部分。由此可見，單脈沖空管二次雷達是一個精密而復雜的高度集成無線電系統，各個組成單元嚴格按照系統時序進行工作。

與常規的一次雷達利用目標對雷達自身發射電磁波（射頻脈沖）的反射回波主動發現目標并且確定其位置的工作原理不同，地面的空管二次雷達需要與機載應答機協同合作才能完成對目標的檢測。它是由地面的二次雷達設備通過天線的方向性波束輻射頻率為1 030 MHz的一組詢問編碼脈沖，當天線的波束指向裝有機載應答機的飛行器時，機載應答機接收到這組詢問信號，然后根據所詢問的內容自動發射回頻率為1 090 MHz的一組約定的回答編碼（射頻）脈沖。通過地面二次雷達設備的接收和檢測處理，最終完成對目標的定位[2]。空管二次雷達的工作原理如圖1所示。

圖1　空管二次雷達工作原理

單脈沖空管二次雷達給地面管制員所提供的飛機信息包括方位、距離、高度與識別碼，其中方位和距離由二次雷達根據天線波束指向角與應答信號的延時分別計算得到，而飛機的識別碼與海拔高度則包含在應答編碼脈沖內。當詢問脈沖P1與P3的脈沖間隔為8 μs時，此時雷達采用模式A進行詢問，所詢問的內容是飛機的識別碼；當詢問脈沖P1與P3的脈沖間隔為21 μs時，此時雷達采用模式C進行詢問，所詢問的是飛機的海拔高度。通常地面站的二次雷達設備都采用模式A和模式C兩種模式進行交替詢問，即同時獲得飛機的識別碼和高度碼。飛機的距離、方位、高度與識別碼這些信息通過網絡傳送至管制席位的大屏幕顯示器上，由地面管制員與飛行員通過語音通話，對各空域上的飛行器進行安全、高效的指揮調度管理。

2　Indra IRS-20MP/L型空管二次雷達系統的組成及其作用

Indra公司的IRS-20MP/L型二次雷達作為最新型的空管二次雷達系統，不僅采用了單脈沖技術，同時還支持最新的S模式。具備S模式功能的二次雷達系統不僅具有更好的監視能力，解決了常規單脈沖二次雷達固有的異步干擾及同步竄擾等問題，而且還提供了空中和地面的數據鏈接能力，所能提供給管制員的信息更為豐富。S模式二次雷達同樣要與機載的S模式應答器進行協同工作，為了兼容常規的A/C模式應答器以及獲取到更豐富的目標信息，當前國內裝備的IRS-20MP/L型二次雷達均采用了A/C模式與S模式的交替詢問模式，即A/C/S交替的詢問模式。

IRS-20MP/L型二次雷達系統的組成同樣包括了室外與室內兩大部分。其系統結構圖如圖2所示。

圖2　IRS-20MP/L型二次雷達系統組成

2.1　室外部分

2.1.1大垂直孔徑陣列天線（LVA）

IRS-20MP/L型二次雷達天線其型號為CLS-M，由34個輻射柱組成，每個輻射柱包含10個偶極子，輻射柱都附于一個輕合金結構上。天線正面有33個輻射柱，背面有1個輻射柱（SLS背部天線），背部SLS天線有一個獨立的仰角調整裝置。在輻射柱之間還分布著一些反射桿，這是為了減少背向輻射，使天線主瓣有更好的增益效果。

CSL-M天線有三個射頻通道，即∑、Δ與Ω三個通道。其中∑與Ω用于發射/接收，Δ只用于接收。每個通道有其特殊的方位波瓣圖。所有天線通道都采用垂直極化，三個通道在輻射特性方面完全獨立。

2.1.2大盤（Pedestal）

二次雷達天線（Antenna）與大盤（Pedestal）安裝在距離地面幾十米高的雷達塔基座房中。大盤不僅作為二次雷達天線的旋轉支撐，還為天線與室內部分提供了電氣化與機械化的接口。馬達電機、旋轉鉸鏈、方位編碼器等部件都集成在大盤里面。馬達電機驅動雷達天線按照設定的轉數旋轉，不間斷地對空中的目標進行機械掃描。旋轉鉸鏈作為天線旋轉部分與詢問機之間的射頻通路，完成射頻信號（發射與接收）的傳輸。而方位編碼器則掛在大盤的齒輪上，跟隨著雷達天線同步轉動，向詢問機輸出正北脈沖（ARP）與方位增量脈沖（ACP），用于目標方位的測量。

2.2　室內部分

2.2.1S模式詢問機系統

空管二次雷達詢問機一般采用雙通道的冗余配置，即兩個同樣配置的詢問機互為冗余備份。在用通道連接到天線，而備用通道則連接到假負載上。當在用的詢問機通道出現告警或故障時，系統自動切換到備用通道上，這樣使得雷達輸出的點跡或航跡保持連續。IRS-20MP/L型二次雷達系統框圖如圖3所示。

圖3中，詢問機CHANNEL1和CHANNEL2的配置完全一樣，都由發射機、接收機、錄取器、網絡交換機、時鐘服務器以及電源與風扇這些部分組成。

圖3　IRS-20MP/L型二次雷達系統框圖

（1）S模式發射機。S模式發射機為雙通道全固態發射機，一路為∑信號通道，一路為Ω信號通道。S模式發射機的4個組件及其作用如下：

1）EMU（激勵調制單元）：∑通道的幅度與相位調制，Ω通道的幅度調制與功率預放大。

2）SDU（∑通道驅動單元）：將EMU單元送來的∑射頻信號進行驅動放大。

3）SAU（∑通道功放單元）：∑通道的功率末級放大以及∑通道的功率編程控制。

4）CTU（Ω通道發射單元）：Ω通道的功率末級放大以及Ω通道的功率編程控制。

∑信號與Ω信號的脈沖峰值功率都是65 dBm，可根據實際情況進行功率編程，總共有7級。功率編程指令由錄取器的MIC03板發出，分別控制SAU與CTU單元內不同組的晶體放大管的供電來完成。

（2）多通道接收機單元（MRU）。相比其他空管二次雷達的接收機，IRS-20MP/L型二次雷達的接收機在集成度、功耗、體積等方面都有了很大的改進。整個接收機單元幾乎就是一塊電路板。由飛機應答產生的1 090 MHz的應答信號被MRU的∑、Δ、Ω三個通道同時接收到，經過了低噪放大、混頻解調、中頻放大濾波、檢波以及A/D轉換等處理流程后，最終生成并向雷達錄取器輸出4路視頻信號，分別是：∑視頻、Δ視頻、Ω視頻與單脈沖視頻。

（3）S模式錄取器單元（MEX）。IRS-20MP/L型二次雷達錄取器單元的組件與作用如下：

1）MICA02板，作為所有硬件設備I/O信號（如外部觸發，方位脈沖ACP、ARP等）的接口。

2）MICA03板，作為錄取器與發射機及TRA單元信號的接口，如詢問編碼信號、功率編程及測試目標等。

3）MCPU板，是雷達錄取器單元的核心組件，其作用是接收MRU送來的應答視頻信號，完成目標信息的解碼、檢測，生成目標報告，輸出點跡或航跡目標信息并送至管制員席位與本地雷達維護顯示器。

（4）電源部分，分別是發射機電源組件TPS與錄取器電源組件MFEX.接收機MRU單元由于也處于錄取器框內，因此其供電也由MFEX提供。

（5）時鐘服務器NTP單元，包含了GPS天線與時鐘服務器兩部分，NTP單元通過本地局域網持續地為雷達系統各組成部分提供時鐘信息以進行系統同步，譬如UTC時間。同時，在雷達生成目標報告時，也在目標報告中打上時間戳，對目標報告進行標記。

（6）本地網局域網，每個詢問機機柜中都包含了兩臺交換機。雷達各主要單元通過網線接入到交換機中，并被分配了不同的IP地址，與兩臺交換機共同組成了兩個本地局域網絡（LAN）。所有設備間的控制與狀態信息通過UDP/IP協議來進行交換，VR3000上的本地雷達目標信息也是雷達錄取器通過網絡進行傳輸得來的。

以上6個組成單元加上發射機風扇，都集成在一個625 mm×795 mm×1 850 mm機柜里，形成了一個完備的詢問機機柜。

2.2.2天線大盤控制箱（PCB）

天線大盤控制箱中集成了變頻器、PLC控制模塊、EMC濾波器、以太網通信模塊、過壓保護設備、電源以及空氣開關、繼電器等設備。天線的啟停控制、油位狀態、馬達狀態、溫度監視、編碼器的供電與開關等都由天線大盤控制箱來完成。同時，大盤控制箱也同樣分配了IP地址并接入到局域網（LAN）中，大盤的所有狀態信息也直觀地呈現在本地管理系統（SLG）的界面上，天線啟停、天線轉速控制、編碼器開關等也都可以在SLG上進行操作。

2.2.3本地管理系統（SLG）

本地管理系統（SLG）上運行的UCS（控制與監視單元）程序是一個功能非常強大的Unix應用程序，雷達各組成部分的運行狀態都很直觀的顯示在UCS的程序界面上，同時所有的控制與配置都可在UCS上完成，例如開關發射、通道切換、天線啟停、功率編程、詢問策略、反射區設置等等，UCS程序界面如圖4所示。

圖4　IRS-20MP/L二次雷達UCS界面

雷達的運行狀態有以下幾種顏色進行相對應：

1）綠色-----正常工作

2）黃色-----熱備份

3）紅色-----嚴重告警

4）橙色-----一般告警

5）白色-----未連接

遠程管理系統SRG與SLG的配置完全一樣，只不過一個在雷達站現場，一個在遠端（如航管樓）。在兩個管理系統上做的任何操作與配置，其數據庫都會進行實時同步更新。

2.2.4VR3000

VR3000是運行在個人電腦主機上的一個Windows應用程序，該程序功能也同樣非常強大。不僅能直觀地顯示雷達目標的飛行軌跡，獲取到非常豐富的目標信息，同時還可以進行地圖、航線以及導航點的編輯，還可以對雷達目標飛行軌跡進行記錄與回放等等。圖2中的SDCS與PCAUX在國內各個雷達現場基本沒有配置，在此省略不述。

3　結束語

隨著中國民航業的高速發展，相應的作為民航飛行重要的安全保障設備，國家民航局近些年來也在不斷加大空管一二次監視雷達的部署與建設，既有國外的雷達廠家的設備，也有國內的。西班牙Indra公司的IRS-20MP/L型空管二次雷達系統，其系統結構模塊化程度較高，目標處理性能優異，雷達監控的配置較為簡單易懂，售后服務覆蓋全面且售價比較實惠，因此受到廣大用戶的青睞。自投入服務中國民航業以來，該二次雷達系統以其較高的性價比，完備的系統組成以及穩定的雷達信號質量，為民航空管的飛行安全保障做出了巨大的貢獻。