城市化進程對二次監視雷達效能影響探究

李 璐 陳 偉 劉偉偉

四川九洲空管科技有限責任公司 四川 綿陽 621000

1 引言

二次監視雷達是由詢問設備和應答設備共同組成的無線電電子探測和識別系統，詢問設備發射電磁波[1]，應答設備(亦稱“雷達信標”)接收到詢問電磁波后被觸發，發射應答電磁波，詢問雷達根據接收到的應答電磁波，實現探測和識別[2]。誕生之初稱之為敵我識別系統，是為了使雷達能夠分辨出敵我雙方的飛機。二戰后，敵我識別系統的基本原理用于民航的空中交通管制，就誕生了二次監視雷達系統。

軍民用二次監視雷達系統在選擇安裝地點時會參照相關標準執行，盡量避免安裝環境對二次監視雷達系統的影響。以民航為例，將會參照《民用航空通信導航監視臺(站)設置選址技術審查辦法(試行)》對安裝實施地點進行預選、實地勘察、現場測量和技術分析，了解地形、地質條件、氣象、水文和電磁環境情況[3]，重點對影響雷達性能電磁環境、陣地遮蔽進行評估分析，盡可能選擇影響較小的實施地點。

但隨著城市快速發展與擴展，原來偏僻的雷達陣地變成快速發展的高新區，一座座高樓拔地而起，一片片生產廠房全面鋪開，一個個通信基站遍地開花，由此帶來復雜的電磁環境和地形環境，致使二次監視雷達系統部分區域出現虛假的反射虛假目標、目標代碼錯誤、目標高度錯誤、目標分裂、目標丟失甚至部分區域出現航跡扭曲偏航無法融合等現象。下面我們將從二次雷達指標體系出發，研究以上的城市化進程帶來影響的機理，提出相應的優化建議或措施。

2 指標體系

按照《MHT4010-2016空中交通管制二次監視雷達系統技術規范》之規定，二次監視雷達系統主要的性能指標體系參數包括[4]。

(1) 單脈沖體制空管二次監視雷達的最大儀表作用距離不應小于250海里；該參數主要詢問機和應答機的發射功率、接收機靈敏度以及陣地遮蔽等因素影響[5]。

(2) 距離分辨力不應大于75m，測距精度不應大于29m(不包含應答機應答延時引入的測距誤差)；該參數主要受詢問機距離計數時鐘采樣頻率、時序控制準確性等因素影響。

(3) 單脈沖體制空管二次監視雷達的方位分辨力不應大于0.6°(條件為模式A和模式C交替)，測角精度不應大于0.05°；該參數主要受詢問機轉臺編碼器位數、轉臺指向精度、方位偏離視軸(Offset Boresight Angle，OBA)表的準確性、信號提取質量等因素影響。

(4) 模式A代碼有效性應大于98%，模式C代碼有效性應大于97%；該參數主要受詢問機接收機性能、信號提取質量等因素影響。

以上二次監視雷達系統的性能參數可通過雷達實時分析支持系統(RASS-R)記錄、分析、評估。

3 影響分析

3.1 電磁影響

雖然在城市管理中城市無線電管理機構按照《中華人民共和國無線電管理條例》對城市環境電磁環境實時監測與管理，確保二次監視雷達系統的收發工作中心頻率1030MHz與1090MHz頻點不受干擾，但隨著無線電通信技術的進步和發展，各種無線電業務廣泛應用于各個行業領域，隨之而來的無線電干擾問題也越來越多。其中，尤其以民航為代表，地空通信頻率受到的干擾花樣繁多，情況日益嚴重[6]。當1030MHz干擾信號串入應答機接收通道時，可能致使應答機不應答詢問機的真實信號，從而造成目標丟失；當1090MHz干擾信號串入詢問機接收通道時，可能產生虛假框架影響目標探測，形成虛假目標或影響正常目標譯碼，嚴重時甚至造成接收機過載性能降級。

3.2 遮蔽影響

由二次監視雷達原理可知，雷達波理論采用直線傳播，當目標仰角低于遮蔽角時，應答機無法獲取有效的詢問信號而不應答，從而造成目標丟失，探測威力降低。所以雷達站選址一般在高山或地勢相對較高遮蔽較小的地點，但隨著城市發展越來越快，城市建設帶來的移動基站的鐵塔、傳輸高壓線的鐵塔、高大的建筑物、施工工地的塔架、高山、供水的水塔、電線桿、居民樓等障礙物都對老舊的雷達陣地帶來遮蔽，距離越近影響越大，遮蔽越大影響越大。

例如，柳州某雷達站在建站初期地處城市郊區，較為偏遠，周邊普遍以低矮建筑為主，雷達站架高僅有40m，對設備探測威力影響不大，但近年隨著雷達周邊快速發展城市居民樓、廠房等建筑明顯高于雷達站位置，如圖1所示，居民樓距離1.5公里，高度超120m，由此在該方位存在2～4°的遮蔽，致使有效探測僅有250公里左右。

圖1 柳州某雷達站周邊建筑遮蔽實景圖

3.3 多徑效應

城市建設給雷達陣地附近帶廠房鐵皮屋頂、居民樓、鐵塔等障礙物會對雷達站帶來多徑效應。按照二次監視雷達直射路徑和反射路徑的方位間隔來進行劃分，可分為3類[7]：A類是直射路徑和反射路徑在同一個垂直平面內；B類是直射路徑和反射路徑有一個小的水平夾角，但兩者處于同一個波束內；C類是直射路徑和反射路徑存在較大的夾角，該種情況可用幾何模型來表示。按照直射路徑和反射路徑的時間間隔來進行劃分，多徑可分為2類[8]：A類是時間間隔較小，應答脈沖幾乎完全重疊，因兩條路徑長度差值較小，所以也被稱為短路徑；B類是時間間隔較大，應答脈沖無重疊或部分重疊，因兩條路徑長度差值較大，所以也被稱為長路徑，如圖2所示，大角度反射就屬于較為普遍現象，直接造成兩個大角度方位出現兩批二次代碼和高度、距離相近的目標，融合進入空管自動化系統會產生虛假告警，若未能正確識別嚴重時可能造成飛行沖突啟動避讓管制程序，擾亂飛行計劃，嚴重影響飛行生產安全。

圖2 大路徑反射虛假目標示意圖

當近距離存在大面積反射面時，如圖3所示，會產生大量的短路徑應答，會導致直射信號和反射信號的重疊。通過兩個路徑到達的天線的波形會進行疊加，如果兩個信號相位相同，那么疊加后的信號強度最強，如果反相，則信號強度最小，直接影響信號質量，輕則信號失真測角精度降低航跡扭曲或信號分裂產生多目標，重則無法正確提取目標信息造成代碼錯誤或高度錯誤(A或C碼代碼有效性降低)，甚至目標丟失。

圖3 短路徑幾何關系示意圖

同樣在柳州某雷達站，如圖4所示，正常接收的應答信號質量穩定航跡連續平滑；但在某方位存在大量的近區存在板房金屬屋頂大面積不規則的反射面，如圖5所示，造成目標信號失真，航跡探測嚴重扭曲。

圖4 柳州某雷達站目標正常應答原始信號及跟蹤航跡平滑示意

圖5 柳州某雷達站目標應答信號失真及跟蹤航跡扭曲示意

4 優化建議

4.1 概述

當陣地環境的改變帶來的影響較為嚴重時，同時契合城市發展規劃的情況下可通過站點搬遷徹底解決，但由此產生的費用較高，而且在新站點重點評估當前和未來城市發展的電磁、地形的影響。如果無法搬遷，只能在原站點對二次監視雷達系統的天線、譯碼、點跡錄取、航跡跟蹤等環節進行優化處理，盡可能降低影響。

4.2 天線俯仰調整

二次監視雷達系統一般采用大垂直口徑天線，采用垂直極化，天線的垂直波束具備修正余割平方和底部銳截止的特性，天線俯仰一般可調。可根據多徑效應模型和實際數據分析，在保證有效的探測威力下調整俯仰角降低近距離打地信號能量，減少多徑信號疊加影響。

4.3 譯碼處理優化

根據二次監視雷達系統工作原理，譯碼處理主要完成原始應答視頻或中頻處理提取生成數字信號。此階段一般采用半電壓6dB門限檢測與提取目標信號，可以通過測量低于峰值6dB部分來確定接收脈沖的寬度，調整6dB檢測門限可以抑制部分干擾將應答信號展寬的影響，提高信號的檢測精度；同時增加信號處理輸出數據類別，為后續處理提供數據基礎，例如將所有脈沖信號幅度都輸出，后端數據可選擇框架(F1/F2)幅度或平均幅度，可根據各碼位脈沖幅度進行剔除抑制干擾，提高精度。

4.4 點跡錄取優化

根據二次監視雷達系統工作原理，點跡錄取主要完成原始應答的提取、濾波、信息(代碼、高度)提取、凝聚輸出點跡。此階段可采取。

(1) 加強應原始答信號一致性檢查。剔除正常應答序列中異常應答的影響，通過對單個目標應答信號的幅度變化率(曲線單調性、曲率等)檢測，剔除異常值或剝離多應答信號，降低虛假或異常應答信號的干擾。

(2) 提升OBA表的陣地適配能力。根據實際陣地布置，錄取真實應答信號分距離和方位制作多個OBA表，使OBA滿足遮蔽或反射區域的幅度降低的特性。

(3) 設置區域抑制異常點跡。通過區域參數調整錄取參數，提高目標的應答次數和幅度門限進行異常點跡抑制，降低錯誤點跡對目標航跡跟蹤的影響(特別是航向、速度、相關門限)。

4.5 航跡跟蹤優化

根據二次監視雷達系統工作原理，航跡跟蹤主要完成目標點跡跟蹤輸出穩定的目標航跡。此階段可以優化航跡跟蹤參數，在航跡扭曲區域設置航跡濾波參數調整區，根據點跡質量動態調整航平滑濾波參數，動態調節航跡起始、航向航速濾波參考幀數，即當目標點跡質量低時，增加航跡起始的門限，上調航跡預測權重，使航跡偏向于預測位置；當目標點跡質量高時，下調航跡預測權重，使目標航跡向真實目標點跡靠近；由此抑制點跡方位測量波動的影響，從而使得航跡平滑而不偏離太大。

5 總結

隨著城市化進程加速推進，城市建設使得部分城市邊緣的二次監視雷達陣地發展成為“城中村”，周邊出現大量的鐵塔、高樓、廠房等障礙物或反射體，無線電快速發展也為二次監視雷達使用帶來電磁干擾隱患，由此造成二次監視雷達系統在使用中出現探測距離下降、目標交織、代碼錯誤、高度錯誤、航跡扭曲等現象，直接影響二次監視雷達的威力、精度、分辨力等效能。本文通過二次監視雷達系統的威力、精度、分辨力、代碼有效性等指標體系分解，結合柳州某雷達站案例，深入淺出的分析城市環境帶來遮蔽和多徑效應對二次監視雷達效能影響，并提出站點搬移、天線俯仰調整、譯碼處理優化、點跡錄取優化、航跡跟蹤優化等有效可行的優化建議，可為現實中具有該問題隱患的二次監視雷達系統提供一定的解決思路。