S模式二次雷達虛假目標處理方法研究

車衛龍

（民航江蘇空管分局，江蘇 南京 210013）

0 引言

二次雷達是空中交通管制系統的重要組成部分，也是目前空中交通管制提高空域容量、縮小管制間隔的最重要手段。由于傳統的二次雷達A/C模式限制了空域流量的進一步增長，因此出現了S模式二次雷達系統，S模式二次雷達通過1090ES數據鏈來實現地面雷達與空中飛機進行數據通信的功能，地面雷達站和空中目標通過Comm-A和Comm-B進行通信，可獲取航班號、空速、航向、上升率、下降率以及飛行員意圖信息等數據。法國Thales、西班牙Indra等國外廠家在中國部署的最新型號二次雷達都具備了增強型S模式能力，恩瑞特、四創電子等國內廠家的增強型S模式能力也達到了國際先進水平。在二次雷達S模式快速發展和推廣應用的過程中，也出現了一些兼容性問題，例如應答機對S模式詢問的支持能力。有的飛機僅支持AC模式詢問，因此對這一類飛機要在保證S模式詢問的基礎上，采用IAS/ICS詢問，以保證僅支持AC模式詢問的飛機的獲取。

1 二次雷達目標詢問原理

二次雷達的目標詢問模式分為傳統A/C模式與S模式，傳統A/C模式使用全呼模式（All Call）監視空域中裝備了A/C模式應答機的飛機，S模式同時使用全呼模式（All Call）和選呼模式（Roll Call）監視空域中裝備了S模式應答機的飛機。為了防止S模式二次雷達無法監視裝備A/C模式應答機的飛機，S模式二次雷達一般使用過渡詢問模式（UF11+IAS/ICS）進行目標詢問，同時監視裝備了A/C模式應答機和S模式應答機的飛機。

S模式二次雷達一般使用全呼詢問捕獲目標，再使用選呼詢問對捕獲目標進行跟蹤，具體的詢問脈沖可以根據實際需要進行靈活編碼，既可以完成目標監視任務，又可以獲取更豐富的目標信息。但是，如果詢問脈沖編碼不合理，則可能出現二次雷達系統工作異常的問題，甚至出現虛假目標，該文所述現象就是因S模式全呼詢問不合理而導致的。

1.1 A/C模式詢問

根據國際民航組織標準（ICAO），傳統空管二次雷達共有6種詢問模式，分別稱為1、2、3/A、B、C以及D模式。其中，1、2模式專用于軍用識別詢問，3/A（常簡稱A模式）模式兼用于軍用識別和民用識別詢問，B模式只用于民用識別，C模式用于高度詢問，而D模式作為備用模式。這6種模式由時間間隔不同的脈沖對組成，在二次雷達設備實際工作中，主要使用3/A、C詢問模式，簡稱A/C模式。

二次雷達A/C模式的詢問脈沖如圖1所示，A模式詢問脈沖為 8.00 μs，C 模式的詢問脈沖為 21.00 μs。

圖1 A/C模式詢問脈沖

1.2 S模式UF11全呼詢問

S模式二次雷達的工作模式分為S模式全呼詢問和S模式點名詢問，S模式全呼詢問包括僅S模式全呼詢問和ACS兼容模式詢問。其中，僅S模式全呼詢問也稱為UF11詢問模式，只能詢問S模式應答機，傳統的A/C模式應答機無法應答；ACS兼容模式詢問可以同時詢問S模式應答機和A/C模式應答機。

S模式UF11的詢問脈沖的持續時長為19.75 μs，其中P脈沖的持續時長為 2.00 μs，P脈沖的持續時長為 1.50 μs，P脈沖的持續時長為16.25 μs，如圖2所示。

圖2 S模式UF11詢問脈沖

1.3 ACS（短 P4）詢問

ACS兼容詢問模式是一種兼容詢問模式，可以同時詢問S模式應答機與A/C模式應答機。在二次雷達系統由傳統的A/C模式應答機向S模式應答機的過渡過程中，為了同時監視新舊2種類型的應答機，可以采用ACS詢問模式。ACS詢問模式具體又包括2種類型：ACS（短P）脈沖詢問 和ACS（長P）脈沖詢問，ACS（短P）模式與傳統的A/C詢問模式功能相同，僅詢問A/C模式應答，而ACS（長P）模式可以同時詢問S模式應答機和A/C模式應答機。

A模式短P的詢問脈沖的持續時間為10.80 μs，C模式短P4的詢問脈沖的持續時間為23.80 μs，如圖3所示。

圖3 IAS/ICS模式詢問脈沖

2 二次雷達目標識別原理

機載應答機收到二次雷達發射的詢問信號后，將根據詢問模式自動地應答一串脈沖，這串脈沖稱為應答信號。根據詢問模式的不同，應答信號脈沖的編碼也不同，如圖4所示。A/C模式的應答脈沖的持續時間為20.30 μs，DF11的應答脈沖的持續時間為64.00 μs。

圖4 應答信號

為了同時監視A/C模式應答機與S模式應答機，該文所述的二次雷達系統采用了S模式全呼詢問與S模式點名詢問交替的詢問模式設計。其中，S模式全呼詢問脈沖為UF11+ IAS/ICS，UF11的P后沿與IAS的P前沿的時間間隔是101.25 μs（內部處理延時），UF11的P后沿與ICS的P前沿的時間間隔是88.25 μs（內部處理延時）。

該文所述二次雷達系統采用的以上詢問模式可以很好地完成空管監視任務，目標探測質量和性能也可以得到保障。在具體使用過程中，可以通過調整UF11詢問信號中的應答概率（）來控制S模式應答機的應答概率，在提高目標捕獲效率的同時，降低間隔距離較近目標的相互干擾。當應答概率（）提高到一定數值后，會出現大量A/C模式虛假目標，經過分析，判斷其原因是由于多個S模式目標間隔距離較近，因此它們的S模式應答信號相互交織，被作為A/C應答信號解析而產生虛假目標，具體分析如下。

2.1 無虛假目標的情況

當目標S與S之間的距離間隔足夠大時，它們的全呼應答脈沖無交織，不會出現A/C模式虛假目標。對臨界狀態來說，兩者之間的距離間隔正好可以傳輸1個全呼應答脈沖，即 64.00 μs，則此時的最小距離間隔為=64μs/2=9600 m（為光速）目標與雷達之間的位置關系如圖5所示。

圖5 探測正常時的兩目標信號時序

2.2 遠距離目標全呼應答干擾

當目標S與S的距離間隔小于時，應答消息R的尾部與R的頭部存在交織。如果R的頭部沒有被R交織，則R可以被解析出來，但是尾部數據錯誤，因此會導致CRC校驗錯誤，無法被正常使用；R的頭部被交織，無法識別，從而被當作AC脈沖進行解析，可能被解析出多個AC應答消息。

當R的頭部被識別為AC應答時，與S相比，AC應答的距離多計算了UF11的詢問脈沖時間（19.75+101.25/88.25） μs，則A應答距離與S的距離差為△，如公式（1）所示；C應答距離與S的距離差為△，如公式（2）所示。

當R的尾部被識別為AC應答時，與S相比，AC應答的距離多計算了UF11的詢問脈沖時間（19.75+101.25/88.25+64-20.3） μs，則 A 應答距離 與 S的距離差為△ R，如公式（3）所示；C應答距離與S的距離差為△，如公式（4）所示。

目前，二次雷達信號處理對DF11的識別方法是根據DF11的前導脈沖（8.00 μs ）和前 5 bit的 DF 數據（5.00 μs）進行判斷的，因此為了保證R不被干擾，須保證R與R間隔距離不能小于。如公式（5）所示。

目標與雷達之間的位置關系如圖6所示。

圖6 探測異常時的兩目標信號時序

2.3 近遠距離目標全呼應答同時受到干擾

當R與R間隔距離小于時，R與R都無法解析，全部作為AC應答進行解析，可能識別為多個AC應答消息。

當R與R間隔距離等于時，R的頭部被識別為AC應答，與S相比，則A應答距離與S的距離差為△，如公式（6）所示；C應答距離相比于S的距離差為△，如公式（7）所示（此時AC應答距離S最近）。

綜上所述，產生AC虛假目標的原因是多個模式S目標距離間隔較小，導致全呼應答脈沖交織，出現S模式目標全呼應答被作為AC應答解析（近距離目標全呼應答交織暫不考慮）的現象，從而產生了AC虛假目標。

根據脈沖相對關系，虛假目標判斷條件設置如下：1） 所有目標的方位處于3 dB波束內（即所有目標方位差小于4°）。2） 2個S目標的距離間隔為＜9600 m≈10 km。3） AC點跡與遠距離S目標的距離間隔-5911 m＜＜4544 m，設置fabs（）＜7 km（fabs為求絕對值運算符號）。4） AC 點跡與近距離S目標的距離間隔。（-3961 m+）＜＜（4514 m+），設置 fabs（）＜17 km。5） AC 點跡是虛假目標，S模式目標是真實目標。

3 現場有效性驗證

實際選取正在運行的某DLD-100C型二次雷達站進行驗證，該雷達距離跑道較近，周圍環境復雜，威力覆蓋范圍內進場出現多個目標距離較近的情況，是理想的試驗場所。

采用常規虛假目標處理方法的處理結果如圖7所示。圖7為2個真實目標A3753（距離為206.332 km，方位為155.632°，地址碼為86D59C）和A5317（距離為212.076 km，方位為155.797°，地址碼為4851B1），解碼出虛假目標A0736，無地址碼，說明是A/C模式虛假目標。

圖7 常規虛假目標處理方法

采用改進的虛假目標處理方法處理結果如圖8所示。圖8為2個真實目標A1631（距離為256.871 km，方位為241.293°，地址碼為70E069）和A0744（距離為253.507 km，方位為240.628°，地址碼為4D0110），未解碼出虛假目標。

圖8 改進的虛假目標處理方法

4 結語

隨著國內空中交通監視技術的發展，S模式技術作為新一代監視技術受到越來越多的重視。受歷史原因的影響，早期有一些應答機的能力參差不齊，這些老式的應答機要求雷達廠家在處理S模式信號時，需要兼顧以前老式應答機，包括詢問格式的編排以及應答信號字段信息的判別等方面。該文根據S模式二次雷達的工作原理，主要是二次雷達詢問脈沖與應答脈沖有關技術，對S模式二次雷達在實際使用過程中出現的虛假目標問題進行合理分析，并提出了有效的解決方法。通過實際驗證，該方法可有效抑制虛假目標的產生，并提高空管運行的效率。