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二次雷達(dá)S模式詢問與應(yīng)答研究
民航西南空管局 周水平 2017/4/6 9:26:04
摘 要：二次雷達(dá)是民航空管運(yùn)行的重要監(jiān)視設(shè)備，S模式詢問與應(yīng)答則是民航二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。文章通過理論分析二次雷達(dá)詢問應(yīng)答脈沖波形和S模式上行、下行鏈路數(shù)據(jù)格式，以及示波器捕捉的信號詳細(xì)解析了全呼、選呼詢問和應(yīng)答，對于技術(shù)人員維護(hù)維修S模式雷達(dá)以及自動化信號處理有積極的參考價值。
關(guān)鍵詞：二次雷達(dá)；S模式；詢問；應(yīng)答
一 引言
隨著中國經(jīng)濟(jì)以及民航行業(yè)的快速發(fā)展，空中交通管制的飛機(jī)數(shù)量在不斷的增加，傳統(tǒng)的A/C模式二次雷達(dá)固有的缺陷也越發(fā)地突顯：異步干擾、同步串?dāng)_、高度編碼最小100英尺、編碼數(shù)量最多為4096等問題嚴(yán)重制約著二次雷達(dá)的技術(shù)應(yīng)用[1-3]。由于S模式二次雷達(dá)給每架飛機(jī)分配了唯一的24位地址，可以實(shí)現(xiàn)全球飛機(jī)一機(jī)一碼，采用選擇性詢問可以明顯減少異步干擾和同步串?dāng)_的發(fā)生。S模式詢問和應(yīng)答數(shù)據(jù)塊可容納56比特或112比特的數(shù)據(jù)，可以得到目標(biāo)的A模式識別碼、步進(jìn)25英尺的高度報告、24位地址、數(shù)據(jù)鏈路性能報告、選擇垂直意向高度、跟蹤報告和速度報告等豐富信息。從20世紀(jì)80年代開始，經(jīng)過多年的研究和探索，S模式逐漸被國際民航組織ICAO接受，成為二次監(jiān)視雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。S模式脈沖詢問和應(yīng)答、功率發(fā)射以及上行下行鏈路數(shù)據(jù)格式是二次雷達(dá)S模式技術(shù)應(yīng)用的核心和難點(diǎn)。
二 詢問和應(yīng)答脈沖
S模式詢問通過詢問波束發(fā)射P1、P2、P6脈沖，控制波束發(fā)射P5脈沖實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，其中P1和P2脈寬為0.8μs，間隔為2.0μs，主要用于阻止A/C應(yīng)答機(jī)應(yīng)答，非模式S應(yīng)答機(jī)不會應(yīng)答這些脈沖，也不會對剩余詢問信號進(jìn)行解碼。在P2脈沖后是一個脈沖串P6，包含送到飛機(jī)的DPSK調(diào)制信息，短P6脈沖信息為56位（脈寬為16.25μs），長P6脈沖信息為112位（脈寬為30.25μs）。在P6脈沖之內(nèi)，存在很多反相，用其攜帶詢問數(shù)據(jù)。第一個反相位于脈沖前沿后1.25μs，應(yīng)答機(jī)利用它同步其自身脈沖以方便對后續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。同步反相也被用作應(yīng)答信號發(fā)射的時間基準(zhǔn)。詢問機(jī)對目標(biāo)距離的測量是通過發(fā)射同步反相位信號與接收到應(yīng)答信號的第一個脈沖的時間延遲來進(jìn)行的。DPSK調(diào)制時，0表示同相，1表示反相�？刂撇ㄊ鳳5脈沖主要用于實(shí)現(xiàn)詢問旁瓣抑制功能。
圖1 二次雷達(dá)S模式發(fā)射的詢問脈沖
圖2 二次雷達(dá)S模式收到的應(yīng)答脈沖
S模式應(yīng)答由檢波器檢測前四個前導(dǎo)脈沖來確認(rèn)，四個脈沖中的任何一個前沿都可以用來測量距離。應(yīng)答數(shù)據(jù)內(nèi)容包含在前導(dǎo)脈沖后面的數(shù)據(jù)塊中，采用脈沖位置調(diào)制PPM。每一數(shù)據(jù)位持續(xù)時間為1μs，有脈沖和空脈沖各為0.5μs，合在一起為一個脈沖周期，前0.5μs有脈沖表示“1”，無脈沖表示“0”，其后0.5μs反相。應(yīng)答數(shù)據(jù)為56位或者112位，其中最后24位是地址和校驗的組合。
三 上行/下行鏈路
國際民航組織ICAO附件10中定義了25種S模式的UF（uplink format）上行鏈路格式和DF（downlink format）下行鏈路格式。目前我國單脈沖二次雷達(dá)S模式主用使用了其中5種。UF/DF11是S模式全呼詢問與應(yīng)答；UF/DF4和UF/DF5用于監(jiān)視高度和識別；UF/DF20和UF/DF21用于監(jiān)視和地-空通信。
表1 ICAO規(guī)定的25種S模式上行UF和下行DF鏈路格式
四 詢問與應(yīng)答數(shù)據(jù)解析
（一）全呼詢問與應(yīng)答
二次雷達(dá)S模式詢問上行鏈路開始于UF11全呼，飛機(jī)應(yīng)答機(jī)捕獲了UF11信號后會將飛機(jī)的24位AA地址碼以DF11下行格式發(fā)送給雷達(dá)，并鎖定該詢問機(jī)18秒，期間不再應(yīng)答該詢問機(jī)的UF11詢問（但可以應(yīng)答其他二次雷達(dá)詢問機(jī)的詢問），而該雷達(dá)詢問機(jī)在這期間可以對飛行目標(biāo)進(jìn)行UF4、UF5、UF20、UF21等選擇性詢問。
上行格式UF11為S模式全呼詢問。如圖3所示，詢問脈沖P6經(jīng)過DPSK調(diào)制后56位數(shù)據(jù)前5位表示上行鏈路序號UF11=01011。PR（Probability of reply）占4位數(shù)據(jù)，表示應(yīng)答概率，其中PR值等于0、1、2、3、4時分別表示應(yīng)答機(jī)以1、1/2、1/4、1/8、1/16的概率應(yīng)答，PR值等于8、9、10、11、12時表（未完，下一頁）
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