提高航管二次雷達近程目標跟蹤穩(wěn)定性的方法*

鄧 欣(中國西南電子技術研究所,成都610036)

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提高航管二次雷達近程目標跟蹤穩(wěn)定性的方法*

鄧 欣**
(中國西南電子技術研究所,成都610036)

**通信作者:xind829@163. com Corresponding author:xind829@163. com

摘 要:針對相控陣體制航管二次雷達系統在雷達近程探測空域內無法穩(wěn)定監(jiān)視目標的問題,提出了一種提高航管二次雷達系統對近程目標跟蹤穩(wěn)定性的方法?；诂F有航管二次雷達系統的硬件架構,設計了在對監(jiān)視空域進行航管掃描詢問過程中密集插入對近程目標跟蹤詢問的工作方式,并給出了航管近程跟蹤詢問流程和波位隨機同步跳轉控制時序的詳細設計方法以及對航管近程跟蹤能力的估算方法。仿真計算結果驗證了該方法的可行性和有效性。

關鍵詞:相控陣天線；航管二次雷達；近程探測；掃描詢問；穩(wěn)定監(jiān)視；近程跟蹤詢問

1 引 言

航管二次雷達(Secondary Surveillance Radar, SSR)系統[1-2]作為對空域目標的識別和監(jiān)視系統,在空中交通管制、目標識別、信標跟蹤等多方面得到了廣泛應用,配置在如機場、航路、飛機和艦船等軍事和民用領域的各類平臺。航管二次雷達系統可完成對雷達覆蓋空域的自主掃描探測,實現對協同飛機的定位、定高、身份識別及飛機航跡的顯示,已成為空中交通管制的重要手段。

相對于傳統的基于機械掃描的航管二次雷達系統,為了適應重點空域警戒功能而發(fā)展起來新體制航管二次雷達系統,采用相控陣詢問天線體制,可實現對掃描波束的快速、靈活控制[2],且基于安裝平臺的不同需求,需兼具有進近管制和航路監(jiān)視的能力。為保證對整個雷達探測空域的實時監(jiān)控和穩(wěn)定監(jiān)視,要求航管二次雷達系統能夠實時獲取連續(xù)、穩(wěn)定的飛機航跡信息[3-4]。但采用現有的航管工作方式,在雷達近程探測范圍內存在監(jiān)視不穩(wěn)定區(qū)域,尤其當飛機進行大機動飛行(速度快、轉彎半徑小) 時,會出現飛機航跡斷續(xù)不連貫的問題。存在近程航路監(jiān)視不穩(wěn)定問題的主要原因是:為保證航管目標航跡的準確度,對目標角度變化率設置了相應的門限τ,超出該門限值,則判定接收數據為無效數據而剔除;對遠距離的目標進行掃描監(jiān)視時,在掃描周期內目標運動相對雷達視角變化較小,兩次測量目標的角度差在門限范圍內,可進行航跡相關[5],但當飛機相對于航管二次雷達近距離飛行時,目標相對雷達角度變化大,測量角度數據極易超出門限值而被剔除。因此,出現目標航跡斷續(xù)現象。

針對以上問題,現有的國內外航管二次雷達系統大多采用進近管制二次雷達和航路監(jiān)視二次雷達組合配置的方式[5],確保同時滿足對近、遠程目標精確、穩(wěn)定監(jiān)視的使用需求。

本文基于采用相控陣詢問天線的航管二次雷達系統,提出了一種提高對近程目標精確探測和穩(wěn)定跟蹤能力的方法。通過對航路監(jiān)視二次雷達的工作時序優(yōu)化設計,在航管掃描詢問的工作方式下插入對近程目標的跟蹤詢問,無需增加二次雷達數量便可實現對雷達覆蓋空域內飛機的全程穩(wěn)定監(jiān)視和提供準確的目標特征信息。

2 航管二次雷達系統工作原理

航管二次雷達系統主要由相控陣詢問天線、旁瓣抑制天線和詢問主機等組成,如圖1所示。其中詢問天線由天線輻射口面、T/ R組件、波束形成網絡和波控器等組成,詢問主機由詢問信道、航管信號處理分機和航管主控分機等組成。

圖1 航管二次雷達系統組成框圖Fig. 1 Block diagram of SSR system

航管二次雷達采用和差單脈沖測角方法,只需進行一次詢問即可精確測量飛機應答脈沖信號的到達方位,并將該方位數據用于建立飛機航跡。來自飛機的航管應答信號經過T/ R組件的移向和放大后,再通過波束形成中的功率合成器和和差器形成和信號和差信號,送入詢問主機進行信號解析和測角、測距等工作。

在航管掃描詢問時,首先,由航管主控分機向詢問天線的波控器發(fā)送天線指向信息,波控器將天線指向轉換成包含所有T/ R組件移相信息的移相碼,控制天線指向切換至航管詢問方位;其次,由航管主控分機將詢問參數送至航管信號處理分機,并觸發(fā)航管信號處理分機產生航管詢問信號和旁瓣抑制信號,在航管信號處理分機中完成對接收的飛機應答信號進行信號處理、測角、測距和形成目標點跡信息;最后,由航管主控分機進行點跡融合和建立目標航跡。航管主控分機對詢問信道進行收發(fā)控制和工作狀態(tài)控制。

基于近程目標相對于雷達天線快速機動的特點,本文方法采用對近程目標的定位和跟蹤算法,由航管主控分機統一管理航管工作流程和對各分機、模塊的綜合調度,航管主控分機根據對飛機各次測量數據的相關度,建立對近程目標跟蹤詢問的任務需求,在航管掃描流程中插入近程跟蹤詢問。

3 本文方法

3. 1 近程目標跟蹤詢問流程

在預先設定的相對雷達天線的近程區(qū)域內,對于已建立航跡的近程目標,選取其中距離航管二次雷達最近的P批目標進行自動跟蹤詢問,或者通過人工干預的方式在人機交互界面手動選取跟蹤目標。

對近程目標的航管跟蹤詢問流程如圖2所示,主要在航管主控分機中完成,具體說明如下:

(1)對詢問信道進行掃描詢問功率、靈敏度時間控制(Sensitivity Time Control,STC)后,啟動航管掃描詢問,航管主控分機對已建立航跡的目標進行篩選,如存在近程目標則進入第2步;

(2)判斷在一個跟蹤周期內已跟蹤的近程目標數量是否超過預先設定的跟蹤目標批數P,如是則返回第1步,否則轉至第3步;

(3)判斷在掃描詢問中近程目標的航跡穩(wěn)定性,即在掃描限制數范圍內檢測到的點跡數據與已建立的航跡數據是否具備相關條件(在幅度和位置信息判決門限的范圍內),如是則返回第1步,否則判定近程目標的航跡不穩(wěn)定,建立近程跟蹤詢問的任務需求,轉至第4步;

(4)暫停航管掃描詢問,緩存掃描參數,對詢問信道進行近程跟蹤詢問功率、STC控制;

(5)定位 將詢問天線的波束寬度作為大步進波束躍度,以最近一次探測到的目標位置為中心,進行連續(xù)三個方位的近程跟蹤詢問;

(6)預推 根據以往的目標數據計算出目標的運動方向、速度等參數,并根據目標跟蹤詢問周期預測下一次跟蹤詢問的方位[6];

(7)跟蹤 在下一跟蹤詢問周期到來時,根據預測的目標方位,在航管掃描詢問中插入對目標的近程跟蹤詢問,在一個跟蹤周期內只需進行一個方位的跟蹤詢問便可獲得準確的目標態(tài)勢信息,建立穩(wěn)定的航跡;在每個跟蹤周期的近程跟蹤詢問完成后,恢復航管掃描設置,返回至第1步。

圖2 近程目標跟蹤詢問流程圖Fig. 2 Flow chart of short-range tracking interrogation

3. 2 波位快速同步跳轉控制時序設計

在航管二次雷達系統中,航管掃描詢問周期應不超過航管的數據更新時間。因此,在航管的工作時序方面,提出了波位快速同步跳轉控制的時序設計方法,以實現航管掃描詢問中密集插入近程跟蹤詢問且滿足數據更新時間的要求。

將航管監(jiān)視空域均勻劃分為以波位號代表波束指向、每一波位預留相同時間窗的N個連續(xù)波位,為確保掃描波束對航管監(jiān)視空域的全覆蓋并提高測角精度,如圖3所示,相鄰波位間隔的經驗取值為不超過詢問天線波束寬度的1/2,表達式為

式中:φa為航管監(jiān)視空域范圍(方位面);θ3dB為詢問天線方位面的波束寬度。

圖3 掃描波位間隔示意圖Fig. 3 Diagram of scan beam position space

為保證近程跟蹤詢問能夠隨時暫停航管掃描詢問,且不影響航管掃描詢問的航跡質量,時序設計示意圖如圖4所示。

圖4 航管控制時序設計示意圖Fig. 4 Diagram of SSR control time sequence design

具體設計為:按照波位號對應的方位φ1,φ2, …,φN上依次完成航管掃描詢問,以實現對整個雷達覆蓋空域的掃描監(jiān)視。航管主控分機根據航管掃描詢問和航管近程跟蹤詢問的詢問駐留時間計時產生同步脈沖信號;在對方位φ1進行掃描詢問時,航管主控分機預先將掃描方位φ2的波位號和詢問參數分別置入波控器和航管信號處理分機,在航管主控分機對方位φ1的掃描詢問計時結束后,向波控器和航管信號處理分機同時發(fā)出方位φ2掃描詢問的同步脈沖信號,同步脈沖信號觸發(fā)波控器切換天線指向至φ2,并觸發(fā)航管信號處理分機開始掃描方位φ2的詢問處理工作。如在方位φ2的掃描詢問期間,航管主控分機檢測到在方位φm有近程目標且目標航跡不穩(wěn)定,則重新向波控器和航管信號處理分機發(fā)送近程跟蹤方位φm的波位號和詢問參數,待方位φ2的掃描詢問結束后,暫停航管掃描詢問,發(fā)送同步脈沖,進行對方位φm的近程跟蹤詢問,并將計時調整為近程跟蹤詢問時間。在近程跟蹤詢問期間,航管主控分機預先將掃描方位φ3的波位號和詢問參數分別置入波控器和航管信號處理分機,待近程跟蹤詢問結束后恢復航管掃描詢問。

波位快速同步跳轉控制的時序設計實現了航管工作效率的最優(yōu)化,且同時確保了航管近程跟蹤詢問不會影響航管掃描詢問的目標航跡穩(wěn)定性,具體分析如下:以相對雷達天線30 km的近程目標為例,對近程目標進行一次跟蹤詢問(根據測角精度要求在一個方位連續(xù)詢問至少8次)的時間在8 ms之內,以目標方位為中心,最多進行連續(xù)3個波位近程跟蹤詢問后便立即返回航管掃描詢問,且天線指向由掃描方位切換至近程跟蹤方位的時間是微秒級的,因此航管近程跟蹤詢問對航管掃描詢問的占據時間小于24 ms,在近程跟蹤詢問期間,飛機位移相對航管二次雷達的角度變化遠小于天線的波束寬度,不會影響航管掃描詢問中對除近程跟蹤目標外的飛機的航跡質量。

3. 3 航管近程跟蹤能力估算

航管掃描數據更新時間Tsud可用以下關系式表示:

式中:Tscw為掃描波位的駐留時間窗;Ttk為暫停一次航管掃描詢問的近程跟蹤詢問的占據時間;Ntk為在航管掃描數據更新周期內近程跟蹤詢問次數。

為保證航管測角的準確度,每個波位的詢問次數應大于8次,則每個波位駐留時間窗應滿足

式中:Tss為航管掃描詢問中單次詢問信號處理時間;Tpls為同步脈沖的脈寬,為微秒量級,相對于毫秒量級的Tscw可忽略,即

同理,為滿足測角精度要求,近程跟蹤詢問在一個方位的詢問次數應大于8次,且在一次暫停航管掃描詢問的時間內,以目標方位為中心,最多進行連續(xù)3個波位的近程跟蹤詢問。因此,一次近程跟蹤詢問的占據時間Ttk表示為

式中:Tts為航管近程跟蹤詢問中單次詢問信號處理時間。

將式(4)和式(5)代入式(2)中,并結合式(1) 中N的取值范圍,可得以下關系式:

在一個航管掃描數據更新周期內,近程跟蹤詢問的占據次數Ntk滿足

式中:P為航管能夠同時近程跟蹤的目標批數,單位為批/ s。

將式(7)代入式(6)中可得P的取值范圍,即

根據航管二次雷達系統的詢問頻率不能超過航管最大詢問率的要求[7],P還需滿足以下關系式:

式中:fSSR為航管最大詢問率。將式(1)代入式(9),可得出

因此,P需同時滿足式(8)和式(10)的取值條件,由此可得出航管二次雷達系統能夠跟蹤近程目標的最大數量Pmax,這個數值也反映出航管二次雷達系統對近程目標的跟蹤能力。

實際應用中,在滿足航管近程跟蹤能力的同時,還需確保近程跟蹤目標在各種機動飛行情況下的航跡質量。因此,航管二次雷達系統對近程目標的跟蹤詢問周期可由飛機的飛行軌跡和機動情況進行自適應調整。如當飛機進行大機動飛行時縮短近程跟蹤詢問周期,反之亦然。但在航管掃描數據更新時間內,總的近程跟蹤詢問波位數不能超過3PmaxTsud。

4 仿真計算分析

為驗證本文方法的可行性,對上節(jié)給出的航管二次雷達系統能夠實現穩(wěn)定跟蹤的最大近程目標數量進行仿真計算。以某航路監(jiān)視二次雷達系統為例,該二次雷達系統采用一維相控陣詢問天線,航管掃描數據更新時間為Tsud=10 s,航管監(jiān)視空域范圍(方位面)φa= 360°,航管掃描詢問最大距離為400 km,對30 km內的目標進行航管近程跟蹤詢問, 按ICAO附件10[7]的規(guī)定,航管最大詢問頻率fSSR= 450 Hz,由此估算出Tss=3 ms,Tts=1 ms(考慮航管應答容量[7])。

表1給出了不同天線波束寬度情況下,利用第3節(jié)的估算方法,對航管二次雷達系統可進行穩(wěn)定跟蹤的最大近程目標數量的仿真計算結果。由表1可知:相比現有航管二次雷達系統不具備對近程目標的跟蹤能力且對近程目標監(jiān)視能力較弱的情況,本文方法可有效實現對近程目標的跟蹤和穩(wěn)定監(jiān)視,且?guī)追N天線波束寬度情況下的最大跟蹤目標批數Pmax也滿足實際近程監(jiān)視空域的飛機數量和使用需求。由表1的數據進行對比分析得出:天線半功率波束寬度越大,航管二次雷達系統能夠穩(wěn)定跟蹤的目標數量越多,但波束寬度增大的同時又會降低航管的測角精度。因此,在天線的設計上需同時兼顧航管二次雷達系統的近程目標跟蹤能力和測角精度的要求。

表1 航管二次雷達系統最大跟蹤目標數量仿真計算結果Tab. 1 Results of the maximum quantity of SSR system tracking short-range targets

5 結束語

本文提出了一種適用于航管二次雷達系統的提高對近程目標跟蹤穩(wěn)定性的方法,通過在對監(jiān)視空域航管掃描詢問的過程中密集插入對近程目標跟蹤詢問的工作方式,可有效提高對近程目標監(jiān)視的穩(wěn)定性和準確性,解決了現有航管二次雷達系統由于掃描詢問周期的限制無法對相對雷達天線的近距離大機動飛行目標進行穩(wěn)定監(jiān)視的問題。本文在不影響已有遠程監(jiān)視能力的前提下對航管二次雷達系統航管近程跟蹤能力進行了詳細的推導分析。幾種天線波束寬度情況下可穩(wěn)定跟蹤的最大目標數量的仿真計算結果驗證了本文方法的可行性和實用性。

本文方法是在現有相控陣體制航路監(jiān)視二次雷達系統的硬件架構基礎上實現的,只涉及航管工作流程的改進設計。因此,可應用于航管監(jiān)視二次雷達系統提升對近程目標跟蹤能力的升級改造。

本文方法僅適用于提高對已建立航跡的近程目標的跟蹤能力,但對于二次雷達系統只獲取到點跡信息、未建立航跡或無法建立航跡的目標如何進行跟蹤和建立精確航跡的問題還需做進一步的研究。

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鄧 欣(1982—),女,陜西漢中人,2007年于西安電子科技大學獲碩士學位,現為工程師,主要研究方向為二次雷達和陣列信號處理。

DENG Xin was born in Hanzhong,Shaanxi Province,in 1982. She received the M. S. degree from Xidian University in 2007. She is now an engineer. Her research concerns secondary radar system and array signal processing.

Email:xind829@163. com

A Method for Improving Secondary Surveillance Radar System’s Short-range Targets Tracking Stability

DENG Xin
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract:For the problem that short-range targets are unable to be surveilled stably by secondary surveillance radar(SSR) system based on phased array antenna(PAA),a method is proposed to improve the SSR system's stability of tracking short-range targets. Based on the hardware architecture of the existing SSR system,a new operation mode is designed to insert short-range tracking interrogations intensively in the process of SSR scan interrogation. The flow of short-range tracking interrogation and the time sequence design of beam position jumping synchronously are presented,and an estimation method of the capability to track short-range targets is also introduced. Simulation result validates the feasibility and effectiveness of the proposed method.

Key words:phased array antenna;air traffic control secondary surveillance radar;short-range detection; scan interrogation;stable surveillance;short-range tracking interrogation

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 015引用格式:陳瑤瑤,郝建華,張子博.端到端語音加密通信的同步信號設計[J].電訊技術,2016,56(2):195-200. [CHEN Yaoyao,HAO Jianhua, ZHANG Zibo. Design of synchronous signal for end-to-end speech encryption communication[J]. Telecommunication Engineering,2016,56 (2):195-200. ]

作者簡介:

中圖分類號:TN958. 96

文獻標志碼:A

文章編號:1001-893X(2016)02-0190-05

*收稿日期:2015-08-03;修回日期:2015-12-18 Received date:2015-08-03;Revised date:2015-12-18