盧偉

摘要：S模式克服了以往單脈沖A/C模式的缺陷，因其諸多優(yōu)越性在空中交通管制等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)略地闡述了S模式的相關(guān)內(nèi)容，包括其基本原理、數(shù)據(jù)格式和干擾問題。研究表明S模式的引入能有效地降低二次雷達(dá)的干擾，極大提升了雷達(dá)的性能。

關(guān)鍵詞：SSR;S模式;干擾

中圖分類號(hào)：TP391 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0254-03

隨著航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，飛機(jī)的密度逐步增加，現(xiàn)行的空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)（ATCRBS）的容量就顯得特別緊張，傳統(tǒng)的單脈沖A/C模式已不能滿足空中交通管制（ATC）的需求。為滿足空中交通日益增長(zhǎng)的需要，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)研究機(jī)構(gòu)開展了先進(jìn)雷達(dá)詢問系統(tǒng)的研究工作，研制了S模式雷達(dá)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，以此來改進(jìn)和提高空中交通管制能力。目前S模式已被國(guó)際民航組織（ICAO）接受并作為二次監(jiān)視雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [1]-[5]。S模式雷達(dá)主要優(yōu)勢(shì)有：抗干擾能力強(qiáng)，精度更高，更加豐富的可交換信息，應(yīng)答機(jī)地址碼足夠使用。

S模式是一種利用離散地址詢問的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，這種技術(shù)的核心是利用地址碼對(duì)特定的航空器進(jìn)行詢問，只有指定的航空器才對(duì)這種詢問進(jìn)行應(yīng)答。S模式具有基本監(jiān)視、增強(qiáng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)鏈等多種功能，在空中交通管制、飛機(jī)防撞、多點(diǎn)定位、ADS—B等系統(tǒng)和軍用敵我識(shí)別系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 S 模式綜述

S模式主要特征是在與現(xiàn)有的ATCRBS系統(tǒng)大體兼容的基礎(chǔ)上，給每一架飛機(jī)分配一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的地址碼，由計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行一對(duì)一的點(diǎn)名，并能夠進(jìn)行自適應(yīng)詢問。地址碼為24比特二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這樣使得離散地址數(shù)目達(dá)到了一千六百萬(wàn)個(gè)，這就解決了系統(tǒng)容量不足的問題。同時(shí)地空之間可以自動(dòng)交換豐富的信息。

現(xiàn)行的ATCRBS一般工作在1030MHZ和1090MHZ兩個(gè)頻率上，為了使新系統(tǒng)能夠適用于老標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的兼容性，S模式使用同樣的詢問及應(yīng)答頻率。

1.1 S模式詢問信號(hào)

常規(guī)二次雷達(dá)在詢問格式上一般只采用模式3/A（識(shí)別碼）和模式C（高度碼）的交替詢問，使用P1、P2、P3脈沖序列，從而達(dá)到獲得航空器識(shí)別碼和高度碼的目的，其中P2脈沖用于旁瓣抑制。

如圖1所示，模式3/A P1、P3脈沖間隔為8?s，模式C P1、P3脈沖間隔為21?s ，P1、P2脈沖間隔恒為2?s，P2脈沖用于詢問旁瓣抑制。

圖2所示為最常用的S模式詢問信號(hào)，前兩個(gè)脈沖P1和P2的脈寬均為0.8us，脈沖間隔2us，非S模式的應(yīng)答器對(duì)這些脈沖的接收將會(huì)抑制對(duì)詢問脈沖后續(xù)部分的解碼，并使應(yīng)答機(jī)進(jìn)入抑制期，在P2脈沖后面是一個(gè)長(zhǎng)脈沖P6，持續(xù)期為16.25us或30.25us，其中有許多相位反轉(zhuǎn)脈沖，用來攜帶所要發(fā)射的數(shù)據(jù)。第一個(gè)相位反轉(zhuǎn)脈沖在P6上升沿后的1.25us處，即同步相位反轉(zhuǎn)，提供給S模式應(yīng)答器作為時(shí)鐘同步，從而對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)解碼。同步相位反轉(zhuǎn)脈沖也用作應(yīng)答信號(hào)發(fā)射的時(shí)鐘參考，與A/C模式中P3脈沖的作用類似。詢問機(jī)通過計(jì)算同步相位反轉(zhuǎn)脈沖的發(fā)射和接收到的第一個(gè)應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔來測(cè)量飛機(jī)的距離。

數(shù)據(jù)通過DPSK（差分相移鍵控）方式發(fā)射，有180°相位改變表示二進(jìn)制1，沒有相位改變表示二進(jìn)制0。P5脈沖用于旁瓣抑制，它從控制波束發(fā)射，與P6的相位反轉(zhuǎn)脈沖在時(shí)間上重疊，如果P5脈沖強(qiáng)于P6脈沖，應(yīng)答器不可能檢測(cè)到同步相位反轉(zhuǎn)脈沖，因而不會(huì)對(duì)詢問信號(hào)進(jìn)行解碼/應(yīng)答;如果P5脈沖弱于P6脈沖，應(yīng)答器可以檢測(cè)到同步相位反轉(zhuǎn)脈沖，并繼續(xù)接收及解碼P6脈沖。

1.2 S模式應(yīng)答信號(hào)

如圖3所示為S模式應(yīng)答信號(hào)。解碼設(shè)備根據(jù)檢測(cè)到4個(gè)前導(dǎo)脈沖的格式來確認(rèn)。應(yīng)答信號(hào)的數(shù)據(jù)部分跟隨在4個(gè)前導(dǎo)脈沖后的數(shù)據(jù)脈沖塊內(nèi)，通過脈沖位置的調(diào)制來編碼，數(shù)據(jù)比特率是4MHZ。應(yīng)答數(shù)據(jù)塊的每個(gè)碼位為1?s，由兩0.5?s片組成。前半片有脈沖后半片沒有脈沖表示二進(jìn)制1，前半片無(wú)脈沖后半片有脈沖表示二進(jìn)制0。這種編碼形式對(duì)抗干擾具有非常強(qiáng)的能力。

應(yīng)答數(shù)據(jù)塊由信息碼和24位地址或奇偶效驗(yàn)碼組成。奇偶效驗(yàn)碼用作校驗(yàn)判斷解碼數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。解碼時(shí)將每個(gè)應(yīng)答位的兩片幅度進(jìn)行比較來獲得1或0。用應(yīng)答前導(dǎo)脈沖做參考電平，用來相關(guān)比較每個(gè)應(yīng)答位中脈沖的幅度，相關(guān)即表示一個(gè)高置信度位，是1還是0取決于該應(yīng)答位脈沖在1.0?s位的哪一片。在S模式應(yīng)答中，如果應(yīng)答數(shù)據(jù)由于某個(gè)SSR應(yīng)答脈沖的21us持續(xù)期所破壞，采用奇偶效驗(yàn)系統(tǒng)可將錯(cuò)誤更正。

1.3 S模式詢問應(yīng)答格式

詢問格式即為上行格式，用UF（UP FORMAT）表示;應(yīng)答格式即為下行格式，用DF（DOWN FORMAT）表示。

UF和DF分別有25種格式，國(guó)際民航組織已經(jīng)明確定義并分配用途的格式有下述幾種[6]：

UF0 是“短”TCAS/ACAS空-空監(jiān)視，DF0 應(yīng)答中包含模式C高度、模式S地址。UF16 是“長(zhǎng)”TCAS/ACAS空-空監(jiān)視，是UF0的加長(zhǎng)模式。DF0的長(zhǎng)度是56位，DF16的長(zhǎng)度是112位。唯一不同的是，DF16中包含56位的MV字段，用來進(jìn)行空-空信息交換和應(yīng)答協(xié)調(diào)。

UF4 是“短”地面站監(jiān)視高度請(qǐng)求，與UF0類似，只不過是由地面站發(fā)出的。DF4應(yīng)答中包含模式C高度、模式S地址。UF20 是UF4的加長(zhǎng)模式。DF4的長(zhǎng)度是56位，DF20的長(zhǎng)度是112位。

UF5 是“短”地面站監(jiān)視識(shí)別請(qǐng)求。DF5應(yīng)答中包含航空器的識(shí)別碼（ID字段）和模式S地址。UF21 是UF5的加長(zhǎng)模式。DF5的長(zhǎng)度是56位，DF21的長(zhǎng)度是112位。

UF11用來詢問航空器的模式S地址。DF11被稱為全呼叫應(yīng)答，其中包含航空器的地址碼（間歇應(yīng)答地址碼）以及能力字段（CA）、奇偶校驗(yàn)/詢問器識(shí)別字段（PI）、詢問器識(shí)別碼（II）和監(jiān)視識(shí)別碼（SI）。

2 二次雷達(dá)的干擾

二次雷達(dá)干擾主要有以下幾類[7]：a.混淆（phantom）干擾：應(yīng)答信號(hào)在時(shí)間距離上小于20.3us，從而產(chǎn)生的混淆干擾現(xiàn)象，可以發(fā)生在兩個(gè)應(yīng)答脈沖重疊的時(shí)候也可以發(fā)生在不重疊的應(yīng)答之間;b.異步干擾（fruit）：本雷達(dá)接收機(jī)收到其他雷達(dá)詢問引起的應(yīng)答從而對(duì)本雷達(dá)造成干擾;c.反射（Ghost）：由于地物反射引起的假目標(biāo)。

S模式的引入為這些二次雷達(dá)干擾問題提供了解決的方法：

a.混淆（phantom）干擾：同步竄擾（grable）、交織（interleave）等都會(huì)引起虛假目標(biāo)，產(chǎn)生混淆干擾，識(shí)別碼和高度碼解碼錯(cuò)誤。特例如下圖4所示：

其中（a）應(yīng)答信號(hào)的表示格式，（b）A模式代碼為5047的應(yīng)答脈沖，（c） A模式代碼為6331的應(yīng)答脈沖，（d） 5047和6331的應(yīng)答脈沖串?dāng)_后的A模式應(yīng)答脈沖（解碼為7377）。

二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)檢測(cè)過程就是對(duì)框架脈沖F1和F2的檢測(cè)，檢測(cè)是否存在一對(duì)脈沖前沿間隔為20.3us，但是這對(duì)脈沖可能是框架，也可以是串?dāng)_或交織引起的混淆干擾。如果兩個(gè)不相互重疊的應(yīng)答距離小于20.3us或者一個(gè)應(yīng)答中C2脈沖和SPI脈沖同時(shí)存在，也會(huì)引起混淆干擾。

S模式的引入從根本上解決的此類干擾，因?yàn)镸ode S 詢問策略包括選擇性詢問，在進(jìn)行群呼后，進(jìn)行點(diǎn)呼詢問中都包含飛機(jī)地址碼，被尋址的飛機(jī)應(yīng)答，未被尋址的飛機(jī)不應(yīng)答。由于提供了選擇性的詢問和更合理的應(yīng)答時(shí)序，這樣即使兩架飛機(jī)距離很近，通過地址碼點(diǎn)呼，也不會(huì)同時(shí)應(yīng)答，從而很容易分辨開來。

b.異步干擾（fruit）：

異步干擾的形成是由于飛機(jī)天線的無(wú)方向性，飛機(jī)對(duì)A站的應(yīng)答被B站所接受，從而對(duì)B站產(chǎn)生異步干擾，對(duì)雷達(dá)站會(huì)造成譯碼錯(cuò)誤，從而出現(xiàn)標(biāo)牌相同，方位和距離不同的假目標(biāo)。如圖5所示： A站發(fā)射詢問信號(hào)在接收到應(yīng)答信號(hào)后，正確計(jì)算出飛機(jī)的距離，但同時(shí)，B站也接收到這個(gè)應(yīng)答信號(hào)（還沒有發(fā)射詢問，正在上一次發(fā)射詢問信號(hào)之后的接收期間），因而就處理它并將其顯示在錯(cuò)誤位置上。間隔500NM內(nèi)的兩個(gè)站相互間可能會(huì)產(chǎn)生這樣的異步干擾 [8]。

針對(duì)異步干擾可以使用RSLS技術(shù)識(shí)別從旁瓣進(jìn)入系統(tǒng)的異步干擾信號(hào)，也可以降低脈沖重復(fù)頻率PRF，使空間中應(yīng)答信號(hào)減少，以及使用交錯(cuò)（STAGGER）技術(shù)改變每個(gè)每個(gè)詢問起始位置，從而降低異步干擾的可能性。

S模式的引入有效地減少了異步干擾的產(chǎn)生，由于選擇性詢問得到了飛機(jī)的唯一地址碼，通過核對(duì)地址碼來剔除錯(cuò)誤的應(yīng)答。根據(jù)MSSR技術(shù)特性，理論上只需要一個(gè)應(yīng)答便可以分辨目標(biāo)并精確定位，因此S模式有效降低了目標(biāo)的詢問率，降低了異步干擾發(fā)生的概率。

c.反射（Ghost）：

由于地面或人工目標(biāo)反射引起多徑干擾所產(chǎn)生的。在無(wú)線通信領(lǐng)域，多徑指無(wú)線電信號(hào)從發(fā)射天線經(jīng)過多個(gè)路徑抵達(dá)接收天線的傳播現(xiàn)象。大氣層對(duì)電波的散射、電離層對(duì)電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對(duì)電波的反射都會(huì)造成多徑傳播。直射路徑和反射路徑間的關(guān)系有多種情況，從直射方向和反射方向的方位間隔來區(qū)分，大致可以分為三類[8]：

（1）地面反射信號(hào)與直射信號(hào)位于同一個(gè)垂直平面;

（2）物體或者傾斜地面反射信號(hào)與直射信號(hào)有一個(gè)小的水平夾角，但可在同一個(gè)波束駐留時(shí)間內(nèi)檢測(cè);

（3）物體或者傾斜地面反射信號(hào)與直射信號(hào)有大水平夾角。

多徑干擾會(huì)帶來垂直波束分裂、編碼失真、假目標(biāo)等問題，當(dāng)二次雷達(dá)站周邊環(huán)境良好，附近無(wú)反射體時(shí)，是不會(huì)出現(xiàn)虛假目標(biāo)的;當(dāng)存在反射體時(shí)，其虛假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)如圖6所示：

S模式有效地降低詢問率也降低了反射假目標(biāo)的產(chǎn)生。同時(shí)在文獻(xiàn)[9]中研究了S模式二次雷達(dá)詢問機(jī)航跡錄取技術(shù)，詳細(xì)介紹了在S模式雷達(dá)中如何消除反射干擾的方法：通過適當(dāng)?shù)暮桔E關(guān)聯(lián)策略和航跡關(guān)聯(lián)算法，設(shè)定方位和距離高度門限去除反射目標(biāo)。此策略和算法都有效地解決了二次雷達(dá)的干擾問題。

3 結(jié)束語(yǔ)

S模式的SSR 因其數(shù)字通訊、無(wú)模糊識(shí)別等一系列根本的優(yōu)勢(shì)終將代替當(dāng)前的MSSR，隨著民航空管事業(yè)的發(fā)展，帶S模式二次雷達(dá)必將發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Surveillance radar and collision avoidance systems[Z]//Annex 10to the convention on international civil aviation. ICAO，1998.

[2] Manual on the secondary surveillance radar system[K].ICAO，2004.

[3] European Mode S station functional specification[Z].EUROCONTROL，2005.

[4] Concept of operations Mode S in Europe[Z]. EUROCONTROL，1996.

[5] 黎延璋.空中交通管制應(yīng)答機(jī)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1992.

[6] POEMS ?Preoperational European Mode S Station

[7] 蘇志剛. 二次雷達(dá)設(shè)備[M].天津：中國(guó)民航學(xué)院空中交通管理分院 ，2000.

[8] 張尉.二次雷達(dá)原理[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[9] 萬(wàn)洪容. S模式二次雷達(dá)詢問機(jī)航跡錄取技術(shù)研究[D]. 中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，2010.

【通聯(lián)編輯：唐一東】