淺談二次雷達S模式及其抗干擾性能

陳超

四川九洲空管科技有限責任公司 四川綿陽 621000

隨著航空運輸的發展，飛機的密度逐步增加，現行的空中交通管制雷達信標系統（ATCRBS）的容量就顯得特別緊張，傳統的單脈沖A／C模式已不能滿足空中交通管制(ATC)的需求。為滿足空中交通日益增長的需要，美國MIT林肯實驗室和英國研究機構開展了先進雷達詢問系統的研究工作，研制了S模式雷達與數據通信系統，以此來改進和提高空中交通管制能力。目前S模式已被國際民航組織(ICAO)接受并作為二次監視雷達的行業標準。S模式雷達主要優勢有：抗干擾能力強，精度更高，更加豐富的可交換信息，應答機地址碼足夠使用[1]。

S模式是一種利用離散地址詢問的數據鏈技術，這種技術的核心是利用地址碼對特定的航空器進行詢問，只有指定的航空器才對這種詢問進行應答。S模式具有基本監視、增強監視、數據鏈等多種功能，在空中交通管制、飛機防撞、多點定位、ADS—B等系統和軍用敵我識別系統中得到了廣泛應用。

1 S模式綜述

S模式主要特征是在與現有的ATCRBS系統大體兼容的基礎上，給每一架飛機分配一個獨一無二的地址碼，由計算機控制進行一對一的點名，并能夠進行自適應詢問。地址碼為24比特二進制數據，這樣使得離散地址數目達到了一千六百萬個，這就解決了系統容量不足的問題。同時地空之間可以自動交換豐富的信息。現行的ATCRBS一般工作在1030MHZ和1090MHZ兩個頻率上，為了使新系統能夠適用于老標準，具有良好的兼容性，S模式使用同樣的詢問及應答頻率[2]。

1.1 S模式

詢問信號常規二次雷達在詢問格式上一般只采用模式3/A（識別碼）和模式C（高度碼）的交替詢問，使用P1、P2、P3脈沖序列，從而達到獲得航空器識別碼和高度碼的目的，其中P2脈沖用于旁瓣抑制。

數據通過DPSK（差分相移鍵控）方式發射，有180°相位改變表示二進制1，沒有相位改變表示二進制0。P5脈沖用于旁瓣抑制，它從控制波束發射，與P6的相位反轉脈沖在時間上重疊，如果P5脈沖強于P6脈沖，應答器不可能檢測到同步相位反轉脈沖，因而不會對詢問信號進行解碼/應答；如果P5脈沖弱于P6脈沖，應答器可以檢測到同步相位反轉脈沖，并繼續接收及解碼P6脈沖。

1.2 S模式應答

S模式應答信號。解碼設備根據檢測到4個前導脈沖的格式來確認。應答信號的數據部分跟隨在4個前導脈沖后的數據脈沖塊內，通過脈沖位置的調制來編碼，數據比特率是4MHZ。應答數據塊的每個碼位為1μs，由兩0．5μs片組成。前半片有脈沖后半片沒有脈沖表示二進制1，前半片無脈沖后半片有脈沖表示二進制0。這種編碼形式對抗干擾具有非常強的能力[3]。

應答數據塊由信息碼和24位地址或奇偶效驗碼組成。奇偶效驗碼用作校驗判斷解碼數據的準確性。解碼時將每個應答位的兩片幅度進行比較來獲得1或0。用應答前導脈沖做參考電平，用來相關比較每個應答位中脈沖的幅度，相關即表示一個高置信度位，是1還是0取決于該應答位脈沖在1．0μs位的哪一片。在S模式應答中，如果應答數據由于某個SSR應答脈沖的21us持續期所破壞，采用奇偶效驗系統可將錯誤更正。

1.3 S模式詢問應答格式

詢問格式即為上行格式，用UF（UPFORMAT）表示；應答格式即為下行格式，用DF(DOWNFORMAT)表示。UF和DF分別有25種格式，國際民航組織已經明確定義并分配用途的格式有下述幾種：UF0是“短”TCAS/ACAS空-空監視，DF0應答中包含模式C高度、模式S地址。UF16是“長”TCAS/ACAS空-空監視，是UF0的加長模式。DF0的長度是56位，DF16的長度是112位。唯一不同的是，DF16中包含56位的MV字段，用來進行空-空信息交換和應答協調。UF4是“短”地面站監視高度請求，與UF0類似，只不過是由地面站發出的。DF4應答中包含模式C高度、模式S地址。UF20是UF4的加長模式。DF4的長度是56位，DF20的長度是112位。UF5是“短”地面站監視識別請求。DF5應答中包含航空器的識別碼（ID字段）和模式S地址。UF21是UF5的加長模式。DF5的長度是56位，DF21的長度是112位。UF11用來詢問航空器的模式S地址。DF11被稱為全呼叫應答，其中包含航空器的地址碼（間歇應答地址碼）以及能力字段（CA）、奇偶校驗/詢問器識別字段（PI）、詢問器識別碼（II）和監視識別碼（SI）[4]。

2 二次雷達的干擾

二次雷達干擾主要有以下幾類：（1）混淆（phantom）干擾：應答信號在時間距離上小于20．3us，從而產生的混淆干擾現象，可以發生在兩個應答脈沖重疊的時候也可以發生在不重疊的應答之間；（2）異步干擾（fruit）：本雷達接收機收到其他雷達詢問引起的應答從而對本雷達造成干擾；（3）反射(Ghost)：由于地物反射引起的假目標。S模式的引入為這些二次雷達干擾問題提供了解決的方法：

（1）混淆（phantom）干擾：同步竄擾（grable）、交織（interleave）等都會引起虛假目標，產生混淆干擾，識別碼和高度碼解碼錯誤。

其中（1）應答信號的表示格式；（2）A模式代碼為5047的應答脈沖；（3）A模式代碼為6331的應答脈沖；（4）5047和6331的應答脈沖串擾后的A模式應答脈沖（解碼為7377）。

二次雷達應答信號檢測過程就是對框架脈沖F1和F2的檢測，檢測是否存在一對脈沖前沿間隔為20．3us，但是這對脈沖可能是框架，也可以是串擾或交織引起的混淆干擾。如果兩個不相互重疊的應答距離小于20．3us或者一個應答中C2脈沖和SPI脈沖同時存在，也會引起混淆干擾。

S模式的引入從根本上解決的此類干擾，因為ModeS詢問策略包括選擇性詢問，在進行群呼后，進行點呼詢問中都包含飛機地址碼，被尋址的飛機應答，未被尋址的飛機不應答。由于提供了選擇性的詢問和更合理的應答時序，這樣即使兩架飛機距離很近，通過地址碼點呼，也不會同時應答，從而很容易分辨開來。

（2）異步干擾（fruit）：異步干擾的形成是由于飛機天線的無方向性，飛機對A站的應答被B站所接受，從而對B站產生異步干擾，對雷達站會造成譯碼錯誤，從而出現標牌相同，方位和距離不同的假目標。A站發射詢問信號在接收到應答信號后，正確計算出飛機的距離，但同時，B站也接收到這個應答信號（還沒有發射詢問，正在上一次發射詢問信號之后的接收期間），因而就處理它并將其顯示在錯誤位置上。間隔500NM內的兩個站相互間可能會產生這樣的異步干擾。

針對異步干擾可以使用RSLS技術識別從旁瓣進入系統的異步干擾信號，也可以降低脈沖重復頻率PRF，使空間中應答信號減少，以及使用交錯（STAGGER）技術改變每個詢問起始位置，從而降低異步干擾的可能性。

S模式的引入有效地減少了異步干擾的產生，由于選擇性詢問得到了飛機的唯一地址碼，通過核對地址碼來剔除錯誤的應答。根據MSSR技術特性，理論上只需要一個應答便可以分辨目標并精確定位，因此S模式有效降低了目標的詢問率，降低了異步干擾發生的概率。

（3）反射（Ghost）：由于地面或人工目標反射引起多徑干擾所產生的。在無線通信領域，多徑指無線電信號從發射天線經過多個路徑抵達接收天線的傳播現象。大氣層對電波的散射、電離層對電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對電波的反射都會造成多徑傳播。直射路徑和反射路徑間的關系有多種情況，從直射方向和反射方向的方位間隔來區分，大致可以分為三類：①地面反射信號與直射信號位于同一個垂直平面；②物體或者傾斜地面反射信號與直射信號有一個小的水平夾角，但可在同一個波束駐留時間內檢測；③物體或者傾斜地面反射信號與直射信號有大水平夾角[5]。

S模式有效地降低詢問率也降低了反射假目標的產生。同時在文獻中研究了S模式二次雷達詢問機航跡錄取技術，詳細介紹了在S模式雷達中如何消除反射干擾的方法：通過適當的航跡關聯策略和航跡關聯算法，設定方位和距離高度門限去除反射目標。此策略和算法都有效地解決了二次雷達的干擾問題。

3 結語

模式的SSR因其數字通訊、無模糊識別等一系列根本的優勢終將代替當前的MSSR，隨著民航空管事業的發展，帶S模式二次雷達必將發揮重要作用。