基于相位特征的二次雷達解交織技術(shù)研究

曾湘洪 ,茍玉玲 ,唐 博

(1.四川九洲空管科技有限責任公司,四川 綿陽 621000;2.四川九洲電器集團有限責任公司,四川 綿陽 621000)

0 引言

二次雷達信號處理主要采用應(yīng)答信號幅度信息,相位信息只用來計算天線符號位。近年來,由于飛行流量大幅提高,飛行近距離接近頻繁,二次雷達系統(tǒng)缺陷日漸顯現(xiàn)。由于應(yīng)答信號交織情況下,交織碼元幅度信息發(fā)生無規(guī)律變化,單純利用應(yīng)答信號的幅度信息勢必造成二次雷達代碼和高度提取錯誤,以至監(jiān)視性能急劇下降。

《ICAO 附件10》規(guī)定,二次雷達A/C模式應(yīng)答機應(yīng)答頻率為1 090 MHz±3 MHz,S模式應(yīng)答機頻率為1 090 MHz±1 MHz。由于每個應(yīng)答機應(yīng)答頻率存在隨機的抖動,不同應(yīng)答機之間的應(yīng)答信號相位都不具有相關(guān)性。因此可通過接收信號的相位信息特征較好實現(xiàn)交織信號的分離,并正確還原交織信號的碼元,提高交織情況下二次雷達的監(jiān)視性能。

1 SSR 應(yīng)答信號交織情況分析

1.1 SSR 應(yīng)答信號特點

SSR 常規(guī)模式應(yīng)答信號采用ASK 調(diào)制方式。應(yīng)答脈沖由14個碼元+SPI特殊位置識別碼組成,可標識4 096種飛機代碼,-0.304～38.633 km 飛行高度。應(yīng)答編碼格式如圖1所示。

圖1 SSR 應(yīng)答信號格式

飛機代碼采用八進制表示方式,排列順序為:

應(yīng)答代碼中有3組碼代表危急信息,不能選作識別碼,即:7700表示飛機機械故障;7600表示飛機通信故障;7500表示飛機受非法干擾。

高度碼同樣采用八進制表示方式,排列順序為:

信號處理過程中,通過檢測F、F應(yīng)答框架,提取應(yīng)答代碼和高度數(shù)據(jù),并根據(jù)和差通道信號幅度差進行偏離視軸方向角(OBA)修正,求解應(yīng)答飛機真實方位。

1.2 交織情況下應(yīng)答信號特征分析

由于應(yīng)答信號框架寬度為20.3μs,在未開啟SPI 情況下,當2 架飛機距離間隔小于3 km(20.3μs×150 m/μs≈3 km)時,應(yīng)答框架就會產(chǎn)生交織,如圖2所示。

圖2 飛機距離小于3 km 時應(yīng)答信號交織情況

當交織產(chǎn)生碼位占據(jù)時,正常碼位的幅度發(fā)生畸變,并產(chǎn)生多個虛假框架。通過基于幅度的譯碼方式很難將多個交織信號分離開,造成監(jiān)視代碼、高度錯誤,監(jiān)視方位精度惡化。

針對代碼跳變通常采用航跡處理進行平滑外推,但在跨管制區(qū)變更應(yīng)答代碼時造成代碼探測延時,在飛機大機動拐彎時偏離真實航跡。特別是近距離編隊飛行、多徑引起的交織,通過后端軟件處理并不能達到理想的解交織效果,甚至會出現(xiàn)二次代碼、高度、方位完全紊亂,二次雷達情報質(zhì)量下降。

從圖3中可以看出,A 代碼為5154、0047的飛機飛行距離過近,應(yīng)答信號交織。造成監(jiān)視點跡扭曲嚴重,并出現(xiàn)錯誤代碼5174。

圖3 交織情況下點跡上報結(jié)果

2 基于相位特性的解交織理論分析

2.1 應(yīng)答信號相位特征

應(yīng)答機應(yīng)答編碼器將編好碼的基帶信號輸出,通過混頻方式將基帶信號調(diào)制到1 090 MHz發(fā)射頻率上。由于混頻本振存在一定的頻率抖動,一般在±200 k Hz左右,因此不同飛機應(yīng)答頻率、相位會存在一定差異。

發(fā)射調(diào)制時基帶信號類似一個開關(guān),本振在基帶信號1或0的控制下通或斷,而本振頻率短時間內(nèi)可看作不變,因此同一個應(yīng)答框架內(nèi),所有碼元的相位連續(xù),如圖4所示。

圖4 調(diào)制后信號和本振相位關(guān)系時間

從以上分析總結(jié)應(yīng)答信號特征如下:

(1) 同一飛機應(yīng)答信號到達二次雷達接收機的相位連續(xù);

(2) 不同飛機應(yīng)答信號到達二次雷達接收機的相位不一致;

(3) 相同應(yīng)答信號,經(jīng)過多徑反射前后到達二次雷達接收機的相位不一致。

通過以上3點,可以從應(yīng)答信號到達接收機后的相位特征得到可靠的解交織手段。

2.2 應(yīng)答信號相位特性的數(shù)學模型

假設(shè)2 架飛機應(yīng)答信號()、()發(fā)生交織,應(yīng)答信號數(shù)學模型為:

式中:、為基帶信號;、為應(yīng)答信號頻率;、為應(yīng)答信號相對SSR 接收機混頻源相位。

混頻后I路信號為:

經(jīng)過低通濾波后,基帶Q 路信號為:

混頻后信號Q 路信號為:

經(jīng)過低通濾波后,基帶Q 路信號為:

式中:Δ;Δ。

經(jīng)過科斯塔斯環(huán)求解幅度:

從上式可以看出,交織情況下解調(diào)出基帶信號幅度不僅跟信號功率有關(guān),還跟2個交織信號相位有關(guān)。因此信號交織部分解調(diào)幅度信息已經(jīng)不可靠,不能作為碼元提取的依據(jù)。

當2個應(yīng)答框架交織時,交織碼元解調(diào)相位為arctan(()/()),其相位與Δ、Δ、、有關(guān)。因此,交織前后碼元相位會發(fā)生突變,根據(jù)相位突變情況可準確定位交織位置,確定各碼元歸屬框架,防止代碼提取錯誤。由于同一框架內(nèi)脈沖相位連續(xù),頻率不變,結(jié)合計算出的相位信息,計算出預測相位值,預測相位值為:

通過預測相位和真實相位的比對,準確定位交織位置、碼元幅度置信度、碼元歸屬框架。

3 基于相位特性解交織仿真

Matlab中模擬2架飛機產(chǎn)生2組應(yīng)答信號,飛機方位差小于1個主波束寬度,距離1.74 km,因此在詢問波束都照射到2架飛機后,2個應(yīng)答信號會發(fā)生碼位占據(jù)交織。碼位占據(jù)交織往往會產(chǎn)生多個虛假應(yīng)答框架、虛假代碼,常規(guī)基于幅度的解交織方法幾乎失效。圖5 中模擬了2 架飛機應(yīng)答頻率一致、相位差90°的交織情況。

圖5 模擬產(chǎn)生虛假框架和幅度異常情況

從圖5可以看出,交織后產(chǎn)生多個虛假應(yīng)答框架,產(chǎn)生虛假應(yīng)答;交織后通過幅度無法確定碼元歸屬框架,代碼提取錯誤,造成對真實飛機監(jiān)視失效。

經(jīng)對混頻、濾波后的I、Q 信號相位特征進行計算,得到以[-π/2:π/2]為周期的變化相位值,相位變化率即應(yīng)答信號與混頻本振信號角頻率的差值Δ。

由于交織位置在2個框架中間,信號最前和最后脈沖未交織;因此,相位預測采用從所有檢測框架中最前框架的F開始正向推算,從最后框架的F反向推算。采用2個框架雙相位預測方式(如圖6)進行判斷。

圖6 碼位占據(jù)解調(diào)相位及雙向預測相位

碼位歸屬判斷可采用表1的決策方法。

表1 雙向相位預測碼位判決方法

由于脈沖上升和下降沿相位計算結(jié)果存在抖動,會影響角頻率計算結(jié)果的準確性;因此,可采用對解調(diào)幅度進行視頻處理后產(chǎn)生的相位處理門,使相位取值盡量選取脈沖中間部分的相位值。

利用單獨1個或2個碼元計算角頻率會產(chǎn)生一定誤差,會造成遠離計算起始點的相位預測值偏離真實相位,可能引起預測錯誤。采用逐步遞推修正法,通過多個碼元逐步將計算角頻率Δ的誤差降至最小值。

4 實驗驗證

搭建實驗平臺,詢問主機通過功分器連接2個應(yīng)答器,調(diào)節(jié)2個應(yīng)答器的應(yīng)答距離,實現(xiàn)2個應(yīng)答代碼的碼位占據(jù)交織。實驗平臺搭建示意圖如圖7所示。

圖7 基于相位特性的SSR 解交織實驗平臺示意

應(yīng)答模擬器和ATC-1400 應(yīng)答距離設(shè)置相距1.74 km,使得應(yīng)答信號1的B1碼位與應(yīng)答信號2的F1碼位占據(jù)交織。分別解算應(yīng)答信號交織下后的幅度和相位信息。圖8為應(yīng)答功率下交織信號的解調(diào)幅度和相位信息。

圖8中由于噪聲疊加的影響,造成相位解調(diào)結(jié)果抖動較大。通過對幅度信號進行6 d B視頻處理,將處理得到的相位處理門信號與相位信號相乘,剔除脈沖間的相位噪聲。

圖8 解調(diào)后原始幅度及相位信息

由于噪聲疊加到有效應(yīng)答脈沖上,造成單個碼位的相位變化率抖動,存在較大誤差。通過單個脈沖無法計算出趨近真實的角頻率Δ。

結(jié)合二次雷達譯碼的框架提取算法,找到最前、最后2個應(yīng)答框架,計算正向和反向雙向預測曲線。采用表1的判定方法,判定碼元歸屬,如圖9所示。

圖9 2個目標碼位占據(jù)解交織情況

5 結(jié)束語

當2架飛機距離較近,且長時間編隊飛行時,應(yīng)答代碼容易出現(xiàn)碼位占據(jù)交織的情況。傳統(tǒng)基于幅度的譯碼方式無法解算出正確的飛機代碼,造成二次雷達監(jiān)視失效?；谙辔惶匦缘慕饨豢椉夹g(shù)在基于幅度的基礎(chǔ)上,引入了信號的相位特性,可輕松完成兩重碼位占據(jù)交織的框架代碼分離,提高譯碼結(jié)果的可靠性,極大提高二次雷達的解交織能力。但由于受噪聲和多徑干擾的影響,對信噪比較小的信號提取角頻率Δ時,精度的下降會擴大解交織運算的模糊區(qū),影響基于相位特征的二次雷達解交織的效能。