航管一、二次雷達信號質量分析淺析

劉義

(中國民用航空華北地區空中交通管理局,北京 100621)

0 引言

民航雷達信號源從使用場景分類可以分成兩類,一類是機場場面雷達,一類是進近和航路雷達。機場場面雷達包括場面監視雷達(SMR)和場面多點相關監視系統(MLAT)。進近和航路雷達一般包括一次雷達(PSR)和二次雷達(SSR)以及廣域多點相關監視系統(WAM)。另外廣播式自動相關監視系統(ADS-B)在一定條件下即可以用于場面監視,也可以用于進近和航路監視。在本文中,筆者僅以一次雷達和二次雷達作為目標對象進行論述。

1 影響航管一、二次雷達信號質量的因素

航管一、二次雷達信號主要提供給自動化系統使用,用于在管制員的屏幕上顯示目標的位置、標識等信息。在整個信號的傳輸路徑上,共涉及三個不同的專業:雷達、網絡傳輸和自動化專業,這三部分因素都有可能影響到雷達輸出的信號質量。就雷達自身來說,有以下兩個因素可能影響雷達的信號質量:

1.1 雷達設備原因造成的輸出信號質量下降

當雷達的電氣性能下降、參數配置錯誤或陣地優化有問題時都會導致雷達信號質量下降。比如,雷達的方位編碼器出現問題時,雷達對目標方位的探測會失準;發射功率或接收機靈敏度下降時,可能會導致覆蓋范圍縮小;當處理閾值配置不正確,可能會導致目標分裂;當雷達未屏蔽場面目標時,會導致管制員不需要看到的目標出現。

1.2 雷達輸出的假目標

雷達不可避免會產生假目標。就一次雷達來說,提高發現概率,虛警概率就會上升。我們需要把雷達的虛警概率保持在一定的范圍內即可。一次雷達受氣象條件影響較大,特殊天氣也會造成假目標的出現。對于二次雷達,有同步干擾、異步串擾、反射等原因會形成假目標,這些假目標的出現會影響管制員正常指揮飛機。

網絡傳輸原因造成雷達信號質量下降也是一個重要的因素。在傳輸質量不佳的環境,傳輸錯誤包較多,雷達數據報丟失,使雷達點跡時有時無,影響到后端自動化系統的融合工作。筆者也曾經遇到過無時標的老雷達,在傳輸延時較大的情況下,由于自動化融合時無法通過時標來丟棄有問題的數據,進而造成大量目標分裂的現象。自動化系統多雷達融合算法是保障多雷達目標融合后正確顯示的重要一環,如果出現問題,將直接反饋在管制員的屏幕上,這也是影響雷達信號質量的最終要素,該算法也處在不斷的改進之中。

2 判斷雷達信號質量的數據指標

航管一、二次雷達的信號質量數據指標有很多種,大致可以分為三類。第一類是雷達數據性能指標。比如目標的檢測概率。檢測概率是指探測目標數量和預期目標數量之間的比率,預期目標數量通常由測試軟件曲線擬合后的數值給出。目標檢測概率用來表示雷達對目標的捕獲和位置檢測性能。一次雷達和二次雷達通常要求該指標大于98%、90%。除此之外,還有代碼有效性、合成率、虛假目標率、方位或位置的精度和分辨力等。這些指標可以很直觀的評估雷達信號的總體質量。

在實際的設備保障中,對雷達輸出數據進行在線測試分析,是提供連續可靠的監視服務的關鍵。當前對一、二次雷達信號質量的評估軟件主要分三大類:第一類為官方評估工具,廣泛使用Eurocontrol的SASS-C和FAA的RBAT[1];第二類為商業公司的評估工具,權威工具是IE的R A S S-R;第三類是各雷達廠家的專用評估工具,如SELEX公司的ARTES-AES,這類工具可對其系統進行更深入的分析。所有工具都是對雷達輸出數據進行重構得出基準數據進行相應的評估(SASS-C軟件重建的雷達航跡,如圖1所示)。

圖1 SASS-C軟件重建的雷達航跡Fig.1 The radar track reconstructed by SASS-C software

判斷雷達信號質量數據指標的第二類是傳輸質量指標,主要包括雷達輸出的ASTERIX格式數據CAT01、02或34、48的數據包中正北、扇區包的準確性;對比數據報的時標及外接儀表的時標來獲得傳輸延時的大小;FCS錯誤量以及數據占用帶寬等。通常測試雷達傳輸質量,使用最多的儀表是恒光8810。通過在不同測試場景下,可以測試從雷達處理器到自動化系統前端的數據傳輸質量。例如接在雷達頭處理器下可以測試處理延時,接在傳輸設備輸出端口可以測試總體傳輸延時。第三類是S模式數據指標。S模式雷達對比傳統二次雷達,能夠提供更多的信息。近年來,在對S模式雷達的運維過程中發現了不少問題,比如增強型S模式雷達輸出的寄存器信息,有時并不會在每個雷達周期進行更新,導致自動化顯示信息滯后,與空中信息不對稱。通常測試S模式數據指標,我們會使用定制工具,統計雷達數據包內S模式數據項,進而調整或優化S模式雷達的配置策略。

3 解決雷達信號質量問題的方法

現行的設備保障故障處理模式是基于屬地化的管理并且要下沉一級,對雷達來講,就是負責雷達故障處理及協助判斷傳輸問題。在歐控文件中,對處理雷達信號問題的模型共有三級[2]。第一級是針對雷達整機的性能分析:使用信號質量的評估軟件,分析雷達輸出的數據質量指標是否滿足規范要求。第二級是詳細的技術性分析。分析信號質量下降的具體原因:如某區域目標檢測概率下降,結合覆蓋圖進行分析,是否受到硬件原因影響或是否受到了干擾;如產生假目標,分析是何種類型的假目標,具體區域是否固定,是否是應答機問題。第三級是模塊化分析。在明確了影響信號質量的大體方向上,繼續測量雷達模塊的電氣或機械參數,確定并排除故障點。在排除故障點之后,再次使用評估軟件測試雷達數據是否滿足標準。

筆者應用該理論解決過兩個具體問題。某日,對某雷達錄制的數據進行分析,發現二次雷達B通道檢測概率92%,A通道檢測概率99%。自動化未反應雷達信號異常。在現場觀察信號發現,主用B通道多個目標的航跡輸出不平滑,但應還處于自動化合成綜合航跡門限以內,未給用戶造成影響,A通道觀察信號正常,隨即切換至A路提供使用。觀察B通道OBA圖不正常,隨即調整B通道三通道增益平衡,調整后分析B通道輸出數據,檢測概率達標,信號質量正常。

某日,進近管制報在某雷達本場北20～30km處有多個航班出現矢量線擺動情況,對管制指揮有影響(某航班在降落時航跡擺動情況,如圖2所示)。根據雷達原理,電磁波沿直線傳播,由于地球曲率原因,某雷達在探測低空目標時,在某些角度條件下可能受到高大建筑物遮擋影響(市內的高樓)。根據IE軟件分析,該區域某雷達探測角度為0.3°至-1.5°范圍,該范圍雷達垂直覆蓋可能出現波束開裂情況,探測目標位置可能出現偏差。另外,由于某雷達運行于S模式,S模式回波數量較A/C模式少,且在飛機轉彎時回波強度起伏較大,對方位的檢測可能存在偏差。通過對雷達數據進行分析,從回波數量著手,調整了某雷達在該區域的相關參數。調整后,管制部門再無反映該問題。

圖2 某航班在降落時航跡擺動情況Fig.2 The track swing of a certain flight during landing

在雷達信號質量保障的具體實踐中,筆者建議對雷達信號質量進行定期分析,進行預防性維護,把安全關口前移,避免因雷達信號質量問題給管制部門造成影響。

4 結語

筆者在本文中介紹了影響航管一、二次雷達信號質量的因素、判斷雷達信號質量的數據指標以及解決雷達信號質量問題的方法。由于作者水平所限,文章內容僅供參考。