劉義

(中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局,北京 100621)

0 引言

民航雷達(dá)信號源從使用場景分類可以分成兩類,一類是機場場面雷達(dá),一類是進(jìn)近和航路雷達(dá)。機場場面雷達(dá)包括場面監(jiān)視雷達(dá)(SMR)和場面多點相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(MLAT)。進(jìn)近和航路雷達(dá)一般包括一次雷達(dá)(PSR)和二次雷達(dá)(SSR)以及廣域多點相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(WAM)。另外廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)在一定條件下即可以用于場面監(jiān)視,也可以用于進(jìn)近和航路監(jiān)視。在本文中,筆者僅以一次雷達(dá)和二次雷達(dá)作為目標(biāo)對象進(jìn)行論述。

1 影響航管一、二次雷達(dá)信號質(zhì)量的因素

航管一、二次雷達(dá)信號主要提供給自動化系統(tǒng)使用,用于在管制員的屏幕上顯示目標(biāo)的位置、標(biāo)識等信息。在整個信號的傳輸路徑上,共涉及三個不同的專業(yè):雷達(dá)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和自動化專業(yè),這三部分因素都有可能影響到雷達(dá)輸出的信號質(zhì)量。就雷達(dá)自身來說,有以下兩個因素可能影響雷達(dá)的信號質(zhì)量:

1.1 雷達(dá)設(shè)備原因造成的輸出信號質(zhì)量下降

當(dāng)雷達(dá)的電氣性能下降、參數(shù)配置錯誤或陣地優(yōu)化有問題時都會導(dǎo)致雷達(dá)信號質(zhì)量下降。比如,雷達(dá)的方位編碼器出現(xiàn)問題時,雷達(dá)對目標(biāo)方位的探測會失準(zhǔn);發(fā)射功率或接收機靈敏度下降時,可能會導(dǎo)致覆蓋范圍縮小;當(dāng)處理閾值配置不正確,可能會導(dǎo)致目標(biāo)分裂;當(dāng)雷達(dá)未屏蔽場面目標(biāo)時,會導(dǎo)致管制員不需要看到的目標(biāo)出現(xiàn)。

1.2 雷達(dá)輸出的假目標(biāo)

雷達(dá)不可避免會產(chǎn)生假目標(biāo)。就一次雷達(dá)來說,提高發(fā)現(xiàn)概率,虛警概率就會上升。我們需要把雷達(dá)的虛警概率保持在一定的范圍內(nèi)即可。一次雷達(dá)受氣象條件影響較大,特殊天氣也會造成假目標(biāo)的出現(xiàn)。對于二次雷達(dá),有同步干擾、異步串?dāng)_、反射等原因會形成假目標(biāo),這些假目標(biāo)的出現(xiàn)會影響管制員正常指揮飛機。

網(wǎng)絡(luò)傳輸原因造成雷達(dá)信號質(zhì)量下降也是一個重要的因素。在傳輸質(zhì)量不佳的環(huán)境,傳輸錯誤包較多,雷達(dá)數(shù)據(jù)報丟失,使雷達(dá)點跡時有時無,影響到后端自動化系統(tǒng)的融合工作。筆者也曾經(jīng)遇到過無時標(biāo)的老雷達(dá),在傳輸延時較大的情況下,由于自動化融合時無法通過時標(biāo)來丟棄有問題的數(shù)據(jù),進(jìn)而造成大量目標(biāo)分裂的現(xiàn)象。自動化系統(tǒng)多雷達(dá)融合算法是保障多雷達(dá)目標(biāo)融合后正確顯示的重要一環(huán),如果出現(xiàn)問題,將直接反饋在管制員的屏幕上,這也是影響雷達(dá)信號質(zhì)量的最終要素,該算法也處在不斷的改進(jìn)之中。

2 判斷雷達(dá)信號質(zhì)量的數(shù)據(jù)指標(biāo)

航管一、二次雷達(dá)的信號質(zhì)量數(shù)據(jù)指標(biāo)有很多種,大致可以分為三類。第一類是雷達(dá)數(shù)據(jù)性能指標(biāo)。比如目標(biāo)的檢測概率。檢測概率是指探測目標(biāo)數(shù)量和預(yù)期目標(biāo)數(shù)量之間的比率,預(yù)期目標(biāo)數(shù)量通常由測試軟件曲線擬合后的數(shù)值給出。目標(biāo)檢測概率用來表示雷達(dá)對目標(biāo)的捕獲和位置檢測性能。一次雷達(dá)和二次雷達(dá)通常要求該指標(biāo)大于98%、90%。除此之外,還有代碼有效性、合成率、虛假目標(biāo)率、方位或位置的精度和分辨力等。這些指標(biāo)可以很直觀的評估雷達(dá)信號的總體質(zhì)量。

在實際的設(shè)備保障中,對雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行在線測試分析,是提供連續(xù)可靠的監(jiān)視服務(wù)的關(guān)鍵。當(dāng)前對一、二次雷達(dá)信號質(zhì)量的評估軟件主要分三大類:第一類為官方評估工具,廣泛使用Eurocontrol的SASS-C和FAA的RBAT[1];第二類為商業(yè)公司的評估工具,權(quán)威工具是IE的R A S S-R;第三類是各雷達(dá)廠家的專用評估工具,如SELEX公司的ARTES-AES,這類工具可對其系統(tǒng)進(jìn)行更深入的分析。所有工具都是對雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)得出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的評估(SASS-C軟件重建的雷達(dá)航跡,如圖1所示)。

圖1 SASS-C軟件重建的雷達(dá)航跡Fig.1 The radar track reconstructed by SASS-C software

判斷雷達(dá)信號質(zhì)量數(shù)據(jù)指標(biāo)的第二類是傳輸質(zhì)量指標(biāo),主要包括雷達(dá)輸出的ASTERIX格式數(shù)據(jù)CAT01、02或34、48的數(shù)據(jù)包中正北、扇區(qū)包的準(zhǔn)確性;對比數(shù)據(jù)報的時標(biāo)及外接儀表的時標(biāo)來獲得傳輸延時的大小;FCS錯誤量以及數(shù)據(jù)占用帶寬等。通常測試?yán)走_(dá)傳輸質(zhì)量,使用最多的儀表是恒光8810。通過在不同測試場景下,可以測試從雷達(dá)處理器到自動化系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。例如接在雷達(dá)頭處理器下可以測試處理延時,接在傳輸設(shè)備輸出端口可以測試總體傳輸延時。第三類是S模式數(shù)據(jù)指標(biāo)。S模式雷達(dá)對比傳統(tǒng)二次雷達(dá),能夠提供更多的信息。近年來,在對S模式雷達(dá)的運維過程中發(fā)現(xiàn)了不少問題,比如增強型S模式雷達(dá)輸出的寄存器信息,有時并不會在每個雷達(dá)周期進(jìn)行更新,導(dǎo)致自動化顯示信息滯后,與空中信息不對稱。通常測試S模式數(shù)據(jù)指標(biāo),我們會使用定制工具,統(tǒng)計雷達(dá)數(shù)據(jù)包內(nèi)S模式數(shù)據(jù)項,進(jìn)而調(diào)整或優(yōu)化S模式雷達(dá)的配置策略。

3 解決雷達(dá)信號質(zhì)量問題的方法

現(xiàn)行的設(shè)備保障故障處理模式是基于屬地化的管理并且要下沉一級,對雷達(dá)來講,就是負(fù)責(zé)雷達(dá)故障處理及協(xié)助判斷傳輸問題。在歐控文件中,對處理雷達(dá)信號問題的模型共有三級[2]。第一級是針對雷達(dá)整機的性能分析:使用信號質(zhì)量的評估軟件,分析雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。第二級是詳細(xì)的技術(shù)性分析。分析信號質(zhì)量下降的具體原因:如某區(qū)域目標(biāo)檢測概率下降,結(jié)合覆蓋圖進(jìn)行分析,是否受到硬件原因影響或是否受到了干擾;如產(chǎn)生假目標(biāo),分析是何種類型的假目標(biāo),具體區(qū)域是否固定,是否是應(yīng)答機問題。第三級是模塊化分析。在明確了影響信號質(zhì)量的大體方向上,繼續(xù)測量雷達(dá)模塊的電氣或機械參數(shù),確定并排除故障點。在排除故障點之后,再次使用評估軟件測試?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

筆者應(yīng)用該理論解決過兩個具體問題。某日,對某雷達(dá)錄制的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)二次雷達(dá)B通道檢測概率92%,A通道檢測概率99%。自動化未反應(yīng)雷達(dá)信號異常。在現(xiàn)場觀察信號發(fā)現(xiàn),主用B通道多個目標(biāo)的航跡輸出不平滑,但應(yīng)還處于自動化合成綜合航跡門限以內(nèi),未給用戶造成影響,A通道觀察信號正常,隨即切換至A路提供使用。觀察B通道OBA圖不正常,隨即調(diào)整B通道三通道增益平衡,調(diào)整后分析B通道輸出數(shù)據(jù),檢測概率達(dá)標(biāo),信號質(zhì)量正常。

某日,進(jìn)近管制報在某雷達(dá)本場北20～30km處有多個航班出現(xiàn)矢量線擺動情況,對管制指揮有影響(某航班在降落時航跡擺動情況,如圖2所示)。根據(jù)雷達(dá)原理,電磁波沿直線傳播,由于地球曲率原因,某雷達(dá)在探測低空目標(biāo)時,在某些角度條件下可能受到高大建筑物遮擋影響(市內(nèi)的高樓)。根據(jù)IE軟件分析,該區(qū)域某雷達(dá)探測角度為0.3°至-1.5°范圍,該范圍雷達(dá)垂直覆蓋可能出現(xiàn)波束開裂情況,探測目標(biāo)位置可能出現(xiàn)偏差。另外,由于某雷達(dá)運行于S模式,S模式回波數(shù)量較A/C模式少,且在飛機轉(zhuǎn)彎時回波強度起伏較大,對方位的檢測可能存在偏差。通過對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從回波數(shù)量著手,調(diào)整了某雷達(dá)在該區(qū)域的相關(guān)參數(shù)。調(diào)整后,管制部門再無反映該問題。

圖2 某航班在降落時航跡擺動情況Fig.2 The track swing of a certain flight during landing

在雷達(dá)信號質(zhì)量保障的具體實踐中,筆者建議對雷達(dá)信號質(zhì)量進(jìn)行定期分析,進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),把安全關(guān)口前移,避免因雷達(dá)信號質(zhì)量問題給管制部門造成影響。

4 結(jié)語

筆者在本文中介紹了影響航管一、二次雷達(dá)信號質(zhì)量的因素、判斷雷達(dá)信號質(zhì)量的數(shù)據(jù)指標(biāo)以及解決雷達(dá)信號質(zhì)量問題的方法。由于作者水平所限,文章內(nèi)容僅供參考。