基于通用服務器平臺的S模式二次雷達系統研制

水泉 黃濤

（1.安徽四創電子股份有限公司 安徽省合肥市 230092 2.中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 概述

近年來隨著航空業的快速發展，傳統基于全呼體制的A/C 模式二次雷達在使用中出現了諸多問題:因飛行密度的增加，應答信號脈沖的同步和異步干擾越來越嚴重；受A/C 模式編碼長度限制，飛機代碼重復引起飛行計劃相關錯誤；機場周邊建筑物的增多造成多徑和反射帶來的虛假目標等，這些問題對空中交通管制影響日益嚴重，給飛行安全帶來較大的隱患。為解決傳統A/C 模式二次雷達體制缺陷，國際民航組織制定了S 模式二次雷達標準，在S 模式系統每架飛機應答機分配了全球唯一的24 位地址碼，S 模式雷達通過基于地址的選擇性詢問對飛機進行跟蹤，在S 模式下雷達詢問脈沖調制方式由幅度調制改為了差分相位調制，有效的增加了上行鏈路帶寬，因此S 模式雷達除可完成正常的目標監視詢問外還具備了地空數據通信能力，地面自動化管制系統通過S 模式雷達可獲取更多的機載飛行參數，進而提高空中交通管制能力。

目前中國民航已在全國范圍推廣S 模式技術應用，華東、中南等飛行密度較高地區已啟用了S 模式增強監視應用。但國內在用的具備完善S 模式能力的二次雷達主要還是泰雷茲、Indra、Selex 等進口型號雷達，而國內部分廠家的二次雷達的S 模式也已具備基本監視能力，但增強監視功能不夠完善，數據鏈和協同組網功能尚不具備。針對目前國內外二次雷達現狀，為滿足中國民航S 模式應用需求，中國電科集團四創電子立項研制新一代具備全S 模式功能的空管二次監視雷達。

2 系統組成和關鍵模塊實現

本項目所研制的S 模式二次雷達主要由大垂直口徑天線、天線驅動系統、發射機、接收機、信號和數據處理服務器組成，如圖1所示。和傳統的二次雷達不同本雷達的信號處理、航跡處理都是基于一臺通用服務器實現，該服務器采用高性能多核X86 架構處理器，軟件平臺采用開源的LINUX 系統。基于開放的通用服務器平臺實現了精細化的信號處理和航跡跟蹤算法，特別是服務器計算能力強和編程靈活特點，實現了更加靈活的基S 模式自適應選址詢問，提高了雷達的目標處理容量和抗異步干擾能力。

2.1 大垂直口徑天線

天線采用大垂直口徑設計，余割平方賦形，在垂直面形成低空銳截至波束形狀，在水平方向形成和、差、控制三個波束。其中和波束由前向35 根列饋合成為高增益、低副瓣、窄波束的筆形波束，主要用于目標探測；左右各17 根列饋組成兩個子陣面合成為差波束，與和波束一起用于單脈沖測角；背饋輻射單元和前向列饋一起合成為控制波束，控制波束為全向波束用于副瓣抑制。如圖2 所示。

2.2 高占空比發射機

S 模式二次雷達要求具備擴展數據鏈通信能力，該功能需要能夠連續對48 個飛行目標進行詢問的同時發送56bit 數據，在此模式下要求二次雷達發射機的瞬時占空比達到63.7%，平均占空比達到5%以上。

為滿足全S 模式功能的技術要求，雷達發射機采用集中合成式全固態設計，核心放大模塊采用固態發射機管進行合成，使其滿足高發射占空比要求并增加功率管的可靠性。采用了軟件可配置的發射機脈沖調制技術，可通過軟件對二次雷達詢問信號的脈沖上升沿和下降沿進行精確設定，抑制發射機高次諧波，使其滿足國際民航對S 模式雷達發射頻譜要求。發射機原理框圖如圖3 所示。

2.3 數字接收機

圖1：雷達系統組成框圖

表1：S 模式基本監視和增強監視錄取策略

圖2：天線垂直和水平方向圖

本雷達的接收機包括三通道接收前端和數字中頻處理兩個組件。三通道接收組件將天線接收的三路1090MHz 和、差、控制信號進行放大，下變頻為60MHz 中頻信號。該組件采用了基于平衡式放大器的接收機設計，主要由限幅低噪聲放大模塊、鏡頻抑制濾波模塊、下變頻模塊、中頻濾波模塊、中頻放大器、低通濾波器、衰減器等組成，具有噪聲低、穩定性好、輸入輸出駐波小、抗干擾能力強以及寬動態范圍等特點。

數字中頻處理組件包括數字下變頻和波形產生兩個模塊，其中數字下變頻模塊通過高速AD 對接收機輸出的三路中頻信號進行過采樣，在FPGA 進行DDC 后，分別形成三路IQ 信號，通過光纖接口將IQ、方位、時間戳等數據打包成數據幀傳輸給服務器。波形產生模塊通過光纖接收服務器發來的發射波形列表，按照模式對應的調制方式動態產生調制信號送給發射機。相對于傳統數字中頻處理，本雷達數字功能更加簡化，減少了對FPGA 算法處理復雜度，降低了芯片成本和開發成本。

2.4 信號和數據處理服務器

目前國內外廠家二次雷達的信號處理和航跡處理系統依賴于FPGA、DSP、嵌入式計算機等多個設備組件實現，信號接口和種類繁多，而FPGA/DSP 芯片編程復雜度較高，使得二次雷達信號處理算法研制開發、仿真調試難度較高，特別是受限于芯片內部資源，很難在后期對算法進行改進和功能升級；受FPGA/DSP 芯片廠商供貨周期影響，雷達廠商需要考慮雷達長達15-20年內生命周期內的備件生產，提高了整個雷達的使用和維護成本。另外航跡處理計算機大都采用了授權費用高昂的實時商用操作系統，一方面帶來整機成本增加，另一方面也導致了雷達數據處理軟件受制于國外非開放的操作系統，帶來系統改進升級的風險。

采用基于全軟件化的二次雷達信號處理和數據處理系統架構，將二次雷達原來通過FPGA/DSP 實現的信號處理功能，以及嵌入式計算機實現的航跡處理功能，全部由一臺基于X86 架構的機架式服務器實現。

圖3：發射機原理框圖

圖4：錄取服務器組成和接口

服務器軟件平臺采用開源的Linux 系統，雷達的功能模塊自底向上分為三層：信號處理層、數據處理層及應用接口層，每層又有若干個軟件模塊構成。所有軟件模塊均采用標準C 語言開發。服務器內信號處理軟件主要采用線程池技術，在同一接收時間窗內創建多個線程，并行處理多個時間片的應答信號；對每個時間片的原始IQ 信號進行幅相校正、取模、脈沖提取、應答解碼、抗異步干擾等處理以獲取目標應答數據。服務器數據處理軟件主要包括監視數據處理，主要包括點跡處理和航跡處理，以及通信鏈路管理主要選址詢問列表管理、數據鏈管理等。服務器應用接口軟件主要實現和自動化系統的接口協議處理、協同監視網絡接口控制協議以及數據鏈接口協議等處理。

軟件化的二次雷達架構極大方便了二次雷達產品研發和調試，減少了雷達開發周期和維護費用，特別是采用Linux 系統作為信號處理平臺，擺脫了對國外商業操作系統的依賴，另外得益于服務器高計算性能和大容量存儲，本項目研制的二次雷達實現了更加智能的自適應選址詢問方法，復雜環境下的精細化航跡處理算法，提高了抗異步干擾能力。錄取服務器組成和接口如圖4 所示。

3 關鍵技術

3.1 自適應目標選呼詢問方法

S 模式選呼詢問是S 模式二次雷達的技術關鍵，選呼詢問安排的合理性是決定了二次雷達S 模式目標處理能力。和常規采用定向或者全向天線的無線移動通信體制不同，S 模式二次雷達的陣列天線為保證目標的方位探測精度，一般天線波束較窄（小于2.5°），同時天線采用機械掃描方式工作以及飛機運動速度較快，使得目標駐留在天線波束時間極短。為保證波束內的所有目標能夠被準確捕獲、跟蹤并完成數據傳輸，需要設計高效的基于時間和空間的選址詢問算法。本雷達實現了一種自適應的目標選呼詢問方法，可針對雷達使用場景和飛機密度，自動調整目標詢問順序；可根據目標任務優先級高低，優先處理監視詢問；可根據波束內目標數量，動態調制全呼和選呼周期。

3.2 S模式基本監視和增強監視錄取策略

在S 模式系統中機載應答機包含256 個寄存器，稱為BDS（Comm-B Data Selector）。每一個寄存器有56 位長，可以被詢問機實時錄取。這些寄存器存儲了飛機信息，如飛機速度，呼號、ACAS（機載防撞系統）、選擇高度等。S 模式二次雷達可通過兩種方式獲取飛機的BDS 數據：地面發起的COMM-B 協議GICB 和基于MSP 服務的Dataflash。GICB 由S 模式詢問機發起選呼詢問，在詢問中包含指定要錄取的寄存器地址，而應答機則將56bit 寄存器數據包含在應答中，GICB 只需二級以上應答機即可支持，該協議需要地面發起按照一定周期對目標詢問，以及時獲取相應的BDS寄存器數據。Dataflash 依賴于飛機系統,按照已經確定的規則在監視詢問對應的應答中發布應答機寄存器更新的消息。因此，雷達不需要進行定期詢問，就可以檢查飛機參數的狀態。但是，由于二級應答機的最低性能標準中并不包含Dataflash 功能，它需要更高等級的應答機才能支持，所以目前S 模式二次雷達普遍采用的GICB錄取BDS 數據。本雷達實現了S 模式數據鏈的標準長度和擴展長度通信，支持1-5 級應答機通信，可實時獲取飛行器應答機寄存器數據，通過內置的GICB 支持S 模式基本監視能力和增強監視能力，可完成表1 信息的錄取。

圖5：場景一RASS 測試結果

圖6：場景二RASS 測試結果

圖7：青島詢問模式配置

3.3 基于ADS-B的盲區航跡跟蹤和校準

目前國內外二次雷達基本采用的水平機械掃描的大垂直口徑陣列天線，其不可避免的具有40 度左右的頂空盲區，這導致飛越雷達上空的飛行目標在盲區內航跡中斷，二次雷達可通過天線控制通道全向波束接收應答機的發出的1090ES 自相關廣播（ADS-B）信號，獲取目標的位置信息。當飛行器進入頂空盲區時，通過ADS-B 數據進行航跡擬合，對目標進行持續跟蹤直到目標飛出雷達盲區。

傳統的二次雷達校準一般通過應答機或者專門的標校位置來給校準雷達方位，本雷達通過接收同飛行器的ADS-B 位置信息和相同飛行器雷達航跡進行比對，統計方位誤差對雷達方位進行修正。

4 S模式性能測試和應用

4.1 增強監視性能測試

SCR-22SS 雷達采用IE（Intersoft electronics）公司的RASS-S系統來驗證和評估S 模式錄取能力，測試場景采用毆控S 模式雷達功能規范中定義的數據鏈模型B 的場景一和場景二。

4.1.1 測試場景一

如表1 所示，總共4 個3.5 度扇區，每個扇區分布48 個目標，每個目標錄取一個寄存器，錄取成功率＞95%，實際測試結果：95.31%。如圖5 所示。

4.1.2 測試場景二

如表2 所示，總共4 個扇區，每個扇區分布24 個目標，每個目標完成2 個寄存器錄取，錄取成功率＞95%，實際測試結果：95.92%。如圖6 所示。

表2：測試場景一目標分布

表3：測試場景二目標分布

表4：增強監視錄取配置

圖8：雷達現場及航跡（2020/2/5）

4.2 現場應用

本雷達在青島新機場已成功應用S 模式增強監視功能，并接入了自動化系統。青島新機場二次雷達有效覆蓋范圍設置為370KM, 全呼周期2.6ms，選呼周期5.4ms，全呼詢問頻率= 1/（2.6ms+5.4ms）=125Hz，其中全呼周期采用UF11+短P4A/C 模式。如圖7 所示。

其中增強監視模式錄取寄存器配置如表4。

圖8 為2020年2月5 日7 時青島現場航跡圖，圖中右側為地址79A03C 的飛機基本監視和增強監視實時錄取的寄存器。

5 總結

在本項目研制中首次將基于通用服務器的軟件化雷達技術應用在二次雷達產品中，在單個服務器內基于Linux 系統采用標準C 語言實現了雷達信號處理、監視數據處理以及選址通信、數據鏈路管理以及地面接口控制等通信功能，是目前首個采用全軟件化技術的S 模式二次雷達。本雷達實現了S 模式基本監視、增強監視以及S模式數據鏈等全S 模式功能，達到國際主流空管雷達技術水平。本雷達自項目驗收以來已在民航多個機場獲得應用，得到了用戶高度認可，為民航重大監視裝備國產化奠定了堅實基礎。