S模式二次雷達虛假目標處理方法研究

車衛(wèi)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)了S模式二次雷達系統(tǒng)，S模式二次雷達通過1090ES數(shù)據(jù)鏈來實現(xiàn)地面雷達與空中飛機進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(chuàng)電子等國內(nèi)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(fā)展和推廣應(yīng)用的過程中，也出現(xiàn)了一些兼容性問題，例如應(yīng)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(chǔ)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(tǒng)A/C模式與S模式，傳統(tǒng)A/C模式使用全呼模式（All Call）監(jiān)視空域中裝備了A/C模式應(yīng)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(jiān)視空域中裝備了S模式應(yīng)答機的飛機。為了防止S模式二次雷達無法監(jiān)視裝備A/C模式應(yīng)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(jiān)視裝備了A/C模式應(yīng)答機和S模式應(yīng)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(jù)實際需要進行靈活編碼，既可以完成目標監(jiān)視任務(wù)，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(xiàn)二次雷達系統(tǒng)工作異常的問題，甚至出現(xiàn)虛假目標，該文所述現(xiàn)象就是因S模式全呼詢問不合理而導(dǎo)致的。

1.1 A/C模式詢問

根據(jù)國際民航組織標準（ICAO），傳統(tǒng)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(shè)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(yīng)答機，傳統(tǒng)的A/C模式應(yīng)答機無法應(yīng)答；ACS兼容模式詢問可以同時詢問S模式應(yīng)答機和A/C模式應(yīng)答機。

S模式UF11的詢問脈沖的持續(xù)時長為19.75 μs，其中P脈沖的持續(xù)時長為 2.00 μs，P脈沖的持續(xù)時長為 1.50 μs，P脈沖的持續(xù)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(yīng)答機與A/C模式應(yīng)答機。在二次雷達系統(tǒng)由傳統(tǒng)的A/C模式應(yīng)答機向S模式應(yīng)答機的過渡過程中，為了同時監(jiān)視新舊2種類型的應(yīng)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(tǒng)的A/C詢問模式功能相同，僅詢問A/C模式應(yīng)答，而ACS（長P）模式可以同時詢問S模式應(yīng)答機和A/C模式應(yīng)答機。

A模式短P的詢問脈沖的持續(xù)時間為10.80 μs，C模式短P4的詢問脈沖的持續(xù)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(yīng)答機收到二次雷達發(fā)射的詢問信號后，將根據(jù)詢問模式自動地應(yīng)答一串脈沖，這串脈沖稱為應(yīng)答信號。根據(jù)詢問模式的不同，應(yīng)答信號脈沖的編碼也不同，如圖4所示。A/C模式的應(yīng)答脈沖的持續(xù)時間為20.30 μs，DF11的應(yīng)答脈沖的持續(xù)時間為64.00 μs。

圖4 應(yīng)答信號

為了同時監(jiān)視A/C模式應(yīng)答機與S模式應(yīng)答機，該文所述的二次雷達系統(tǒng)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(shè)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(nèi)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(nèi)部處理延時）。

該文所述二次雷達系統(tǒng)采用的以上詢問模式可以很好地完成空管監(jiān)視任務(wù)，目標探測質(zhì)量和性能也可以得到保障。在具體使用過程中，可以通過調(diào)整UF11詢問信號中的應(yīng)答概率（）來控制S模式應(yīng)答機的應(yīng)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(yīng)答概率（）提高到一定數(shù)值后，會出現(xiàn)大量A/C模式虛假目標，經(jīng)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(yīng)答信號相互交織，被作為A/C應(yīng)答信號解析而產(chǎn)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(yīng)答脈沖無交織，不會出現(xiàn)A/C模式虛假目標。對臨界狀態(tài)來說，兩者之間的距離間隔正好可以傳輸1個全呼應(yīng)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(guān)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(yīng)答干擾

當目標S與S的距離間隔小于時，應(yīng)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(shù)據(jù)錯誤，因此會導(dǎo)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(yīng)答消息。

當R的頭部被識別為AC應(yīng)答時，與S相比，AC應(yīng)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(yīng)答距離與S的距離差為△，如公式（1）所示；C應(yīng)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(yīng)答時，與S相比，AC應(yīng)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(yīng)答距離 與 S的距離差為△ R，如公式（3）所示；C應(yīng)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(jù)DF11的前導(dǎo)脈沖（8.00 μs ）和前 5 bit的 DF 數(shù)據(jù)（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(guān)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(yīng)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(yīng)答進行解析，可能識別為多個AC應(yīng)答消息。

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

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

根據(jù)脈沖相對關(guān)系，虛假目標判斷條件設(shè)置如下：1） 所有目標的方位處于3 dB波束內(nèi)（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(shè)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(shè)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(xiàn)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(huán)境復(fù)雜，威力覆蓋范圍內(nèi)進場出現(xiàn)多個目標距離較近的情況，是理想的試驗場所。

采用常規(guī)虛假目標處理方法的處理結(jié)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(guī)虛假目標處理方法

采用改進的虛假目標處理方法處理結(jié)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(jié)語

隨著國內(nèi)空中交通監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展，S模式技術(shù)作為新一代監(jiān)視技術(shù)受到越來越多的重視。受歷史原因的影響，早期有一些應(yīng)答機的能力參差不齊，這些老式的應(yīng)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(yīng)答機，包括詢問格式的編排以及應(yīng)答信號字段信息的判別等方面。該文根據(jù)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(yīng)答脈沖有關(guān)技術(shù)，對S模式二次雷達在實際使用過程中出現(xiàn)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(chǎn)生，并提高空管運行的效率。