提高二次監(jiān)視雷達(dá)解碼有效性的方法

周海林

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng)，621000）

0 引言

地面二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)利用地面航管詢問(wèn)機(jī)發(fā)射詢問(wèn)、機(jī)載航管應(yīng)答機(jī)應(yīng)答對(duì)目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行探測(cè)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)同飛機(jī)的空間位置、代碼、高度及飛機(jī)航跡的顯示。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代空中交通的日益繁忙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的空中交通管制對(duì)二次監(jiān)視雷達(dá)的探測(cè)能力和解碼準(zhǔn)確性都要求較高。而實(shí)際中，二次監(jiān)視雷達(dá)與飛機(jī)之間除直達(dá)路徑外的還存在地面反射電磁波信號(hào)的路徑，即多徑信號(hào)影響會(huì)降低二次監(jiān)視雷達(dá)的解碼有效性。本文針對(duì)該類情況，提出了一種提高地面二次監(jiān)視雷達(dá)解碼有效性的方法，運(yùn)用對(duì)機(jī)載航管應(yīng)答信號(hào)框架脈沖全譯碼，同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整一致性參數(shù)，并在仿真測(cè)試中得到了有效驗(yàn)證。

1 二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

按照國(guó)際民航組織（ICAO）規(guī)范，傳統(tǒng)航管二次監(jiān)視雷達(dá)共有6種詢問(wèn)模式，分別稱為1、2、3/A、B、C、D模式。實(shí)際民航常用3/A、C兩種模式，其中3/A（簡(jiǎn)稱A模式）模式兼用于軍用識(shí)別和民用識(shí)別詢問(wèn)，C模式用于高度詢問(wèn)。

機(jī)載航管應(yīng)答機(jī)接收到地面二次監(jiān)視雷達(dá)發(fā)射的詢問(wèn)信號(hào)后，根據(jù)詢問(wèn)的模式選擇應(yīng)答內(nèi)容（一串脈沖），這串脈沖序列即為機(jī)載的航管應(yīng)答信號(hào)。A/C詢問(wèn)模式的應(yīng)答碼格式是一致的。如圖1所示，應(yīng)答碼由16個(gè)信息碼為組成，這些信息碼位的順序是F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2和SPI。每一個(gè)信息碼位有兩種狀態(tài)，有脈沖時(shí)信息為“1”，無(wú)脈沖時(shí)信息為“0”。其中F1和F2叫做框架脈沖，這兩個(gè)脈沖信息必須為“1”。

圖1 應(yīng)答信號(hào)格式

航管應(yīng)答機(jī)響應(yīng)A模式詢問(wèn)時(shí)，12個(gè)信息碼從高位到低位的排列順序是：A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1、D4D2D1，地面二次監(jiān)視雷達(dá)按照A、B、C、D每四位數(shù)碼按八進(jìn)制進(jìn)行的數(shù)字顯示。

2 多徑信號(hào)對(duì)地面詢問(wèn)機(jī)解碼錯(cuò)誤的影響

2.1 多徑信號(hào)產(chǎn)生原理

根據(jù)電磁波傳輸理論，二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的電磁波發(fā)射/接收是在非自由空間的地球表面上進(jìn)行的。由于地表、地形與地物等因素的影響，接收到的電磁波是由直射波和經(jīng)地表地物反射的多個(gè)路徑傳輸來(lái)的電磁波合成波，即多徑傳輸。一般情況下，除直射波以外，對(duì)合成波影響最大的是地表發(fā)射路徑形成的電磁波。

對(duì)于收發(fā)共用一個(gè)天線的二次監(jiān)視雷達(dá)，多路徑傳輸示意圖如圖2所示。

圖2 理想情況多徑幾何關(guān)系

需要計(jì)算信號(hào)反射點(diǎn)：

通過(guò)計(jì)算，可得出路徑差δ、擦地角φ的計(jì)算公式。

2.2 解碼錯(cuò)誤的原因

在某實(shí)際工程中，飛機(jī)航管應(yīng)答機(jī)設(shè)置應(yīng)答碼為危機(jī)識(shí)別碼7700，飛機(jī)航管應(yīng)答機(jī)響應(yīng)地面二次監(jiān)視雷達(dá)A模式識(shí)別詢問(wèn)后，二次監(jiān)視雷達(dá)監(jiān)控視頻卻顯示為“7767”，而且該應(yīng)答碼持續(xù)顯示了一段時(shí)間。事后分析不能正確解碼的原因?yàn)槎鄰叫?yīng)的影響。

直射信號(hào)和多徑信號(hào)在時(shí)間上形成交錯(cuò)，兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差會(huì)改變應(yīng)答脈沖的視在數(shù)目，從而導(dǎo)致地面二次監(jiān)視雷達(dá)錯(cuò)誤的解碼。從圖3可知，當(dāng)應(yīng)答的直達(dá)信號(hào)為7700時(shí)，應(yīng)答經(jīng)過(guò)地面反射形成多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)的路程差為1305m左右，時(shí)間延遲剛好4.35μs，根據(jù)原有應(yīng)答的框架脈沖F1和F2，同時(shí)將直達(dá)信號(hào)與多徑信號(hào)在組合后進(jìn)行譯碼，可知只有C1碼位沒(méi)有脈沖，所以地面二次雷達(dá)將航管應(yīng)答機(jī)顯示為7767。

圖3 解碼錯(cuò)誤過(guò)程圖

針對(duì)地面二次監(jiān)視雷達(dá)解碼錯(cuò)誤，提出對(duì)應(yīng)答信號(hào)框架脈沖進(jìn)行全譯碼，同時(shí)根據(jù)目標(biāo)交織情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整譯碼幅度一致性的參數(shù)。

3 本文方法

3.1 航管應(yīng)答信號(hào)常規(guī)解碼算法

地面二次監(jiān)視雷達(dá)檢測(cè)航管應(yīng)答的存在就是對(duì)應(yīng)答中框架脈沖F1和F2的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到應(yīng)答框架出來(lái)之后，就譯碼框架內(nèi)12個(gè)信息碼位。詢問(wèn)機(jī)對(duì)應(yīng)答信號(hào)解碼采用應(yīng)答脈沖幅度進(jìn)行檢測(cè)的方法，即將1090MHz信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)后、AD數(shù)字采樣、以及數(shù)字濾波和數(shù)字下變頻等，最后解算出幅度信息，再進(jìn)行信息碼位脈沖幅度信息與框架脈沖幅度信息進(jìn)行一幅度致性的比較，門限一般常規(guī)設(shè)置為6dB，通過(guò)幅度一致性比較之后，就得到A/C應(yīng)答代碼。

3.2 航管應(yīng)答信號(hào)全譯碼

全譯碼方法要求地面二次監(jiān)視雷達(dá)軟件先搜索航管應(yīng)答信號(hào)的框架脈沖F1和F2，即找到所有的符合標(biāo)準(zhǔn)的框架脈沖，根據(jù)應(yīng)答框架脈沖可能找到N個(gè)目標(biāo)，再搜索在N個(gè)目標(biāo)內(nèi)是否存在有兩個(gè)目標(biāo)共用部分脈沖，即后面一個(gè)目標(biāo)2的部分脈沖被目標(biāo)1的用作了信息碼位的脈沖，全譯碼方法流程如圖4所示。當(dāng)目標(biāo)脈沖交織時(shí)，由于多徑信號(hào)是通過(guò)地面反射之后的信號(hào)，其信號(hào)幅度有一定的衰減，即多徑信號(hào)幅度大小一般情況下與直達(dá)信號(hào)幅度大小有一些差異，此時(shí)二次監(jiān)視雷達(dá)軟件可以動(dòng)態(tài)調(diào)整脈沖幅度一致性參數(shù)，提高一致性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到將多徑信號(hào)脈沖剔除，保留航管應(yīng)答機(jī)的直達(dá)信號(hào)脈沖。最終達(dá)到提高二次監(jiān)視雷達(dá)解碼的有效性。

圖4 全譯碼方法流程

4 仿真結(jié)果

采用Matlab軟件針對(duì)此類情況進(jìn)行仿真分析，設(shè)置仿真條件二次監(jiān)視雷達(dá)收到航管應(yīng)答信號(hào)為1個(gè)直達(dá)信號(hào)目標(biāo)和1個(gè)多徑信號(hào)目標(biāo)，同時(shí)航管應(yīng)答的A代碼隨機(jī)設(shè)置；直達(dá)信號(hào)所有脈沖幅度不一致性設(shè)置為≤1dB，同樣多徑信號(hào)所有脈沖幅度不一致性也設(shè)置為≤1dB；設(shè)置二次監(jiān)視雷達(dá)軟件調(diào)整脈沖幅度一致性參數(shù)為1dB。1個(gè)多徑信號(hào)目標(biāo)（與直達(dá)目標(biāo)）距離差分別設(shè)置為435m、870m、1305m，即時(shí)間差剛好為1.45μs、2.9μs、4.35μs，多徑信號(hào)幅度與直達(dá)信號(hào)幅度差分別設(shè)置為1dB、2dB、3dB、4dB、6dB，驗(yàn)證對(duì)多徑應(yīng)答信號(hào)脈沖剔除能力。仿真結(jié)果如表1所示。在多徑信號(hào)幅度與直達(dá)信號(hào)幅度差異越大時(shí)，其解碼的有效性越高。

表1 對(duì)航管應(yīng)答機(jī)正確解碼的概率

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用全譯碼方法，搜索所有可能的應(yīng)答框架脈沖F1、F2，從而可以知道航管應(yīng)答目標(biāo)機(jī)是否存在多徑目標(biāo)或其他航管應(yīng)答目標(biāo)，如果目標(biāo)機(jī)的框架脈沖內(nèi)存在有其他目標(biāo)的脈沖，這時(shí)二次監(jiān)視雷達(dá)軟件動(dòng)態(tài)調(diào)整幅度一致性比較的參數(shù)，從而可以提出多徑信號(hào)的脈沖，當(dāng)多徑信號(hào)的脈沖幅度與直達(dá)信號(hào)脈沖幅度差異越大時(shí)，剔除多徑目標(biāo)脈沖的概率就越高，二次監(jiān)視雷達(dá)的解碼有效性越高。