四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 李海軍 羊洪國(guó) 張 江

二次雷達(dá)是空中交通管理部門(mén)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)管制的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)保障飛行器飛行安全發(fā)揮了重要作用。隨著二次雷達(dá)實(shí)際運(yùn)行保障的需求提升，本文設(shè)計(jì)了一種二次雷達(dá)地面詢問(wèn)機(jī)的數(shù)據(jù)記錄方法，并對(duì)記錄誤差的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。對(duì)于地面詢問(wèn)機(jī)，可以詳細(xì)記錄每次詢問(wèn)的發(fā)射時(shí)間及譯碼時(shí)間，并將這些帶有時(shí)標(biāo)的點(diǎn)跡信息發(fā)送到顯控端。在顯控端可詳細(xì)分析：詢問(wèn)周期及其精度、隨機(jī)抖動(dòng)值及其精度、譯碼時(shí)間、詢問(wèn)及譯碼一致性等信息。該方法可較好的滿足實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行保障需求。

二次雷達(dá)作為監(jiān)視飛行器的主要手段，在空中交通管制中發(fā)揮著重要作用。二次雷達(dá)主要由地面詢問(wèn)機(jī)及機(jī)載應(yīng)答機(jī)組成，通過(guò)一問(wèn)一答的方式，通過(guò)對(duì)飛行器的詢問(wèn)與接收飛行器對(duì)詢問(wèn)的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的空間三維定位與數(shù)據(jù)通信。對(duì)于地面詢問(wèn)機(jī)，詢問(wèn)和譯碼的數(shù)據(jù)記錄是二次雷達(dá)重要的人機(jī)接口，為技術(shù)人員分析雷達(dá)性能、排查故障、分析詢問(wèn)應(yīng)答概率等問(wèn)題提供重要參考信息。本文根據(jù)二次雷達(dá)運(yùn)行保障需求，設(shè)計(jì)了一種二次雷達(dá)地面詢問(wèn)機(jī)的數(shù)據(jù)記錄方法，對(duì)每一次的詢問(wèn)發(fā)射和譯碼標(biāo)記時(shí)間信息，并上報(bào)顯控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、回放、分析等功能，可為二次雷達(dá)的安全運(yùn)行提供有力保障。

按照ICAO規(guī)范，傳統(tǒng)空管二次雷達(dá)共有6種詢問(wèn)模式，分別為1、2、3/A、B、C、D模式。如圖1所示，不同模式的詢問(wèn)信號(hào)格式差異主要在P1和P3的脈沖間隔不同。

圖1 詢問(wèn)信號(hào)格式

1 詢問(wèn)和譯碼的時(shí)間信息標(biāo)注方法

在二次雷達(dá)開(kāi)機(jī)運(yùn)行之初，如圖2所示，通過(guò)受時(shí)模塊對(duì)地面詢問(wèn)機(jī)進(jìn)行一次校時(shí)，受時(shí)模塊提供的時(shí)間精度為秒級(jí)，詢問(wèn)機(jī)內(nèi)部FPGA獲取實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，此時(shí)間基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)部細(xì)分計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)精度為25ns（FPGA邏輯運(yùn)行時(shí)鐘40MHz），受時(shí)模塊每秒鐘向地面詢問(wèn)機(jī)發(fā)射秒脈沖pps，地面詢問(wèn)機(jī)以秒脈沖pps進(jìn)行秒及以上時(shí)間更新，毫秒及以下時(shí)間更新由FPGA內(nèi)部計(jì)時(shí)產(chǎn)生。詢問(wèn)發(fā)射時(shí)間和譯碼時(shí)間標(biāo)記格式相同，精度均為25ns，格式為：xx年xx月xx日xx時(shí)xx分xx秒xx毫秒xx微妙xx納秒。

圖2 地面詢問(wèn)機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間獲取方式

為了方便后期分析，詢問(wèn)時(shí)間信息的標(biāo)注時(shí)刻均為P3的上升沿，并且每種模式的P3上升沿到預(yù)觸發(fā)脈沖pre的上升沿時(shí)間間隔需一致。以MA和MC交替詢問(wèn)，5ms詢問(wèn)周期為例，如圖3所示，MA P3到pre時(shí)間間隔與MC P3到pre時(shí)間間隔相同，均為T(mén)1。對(duì)于詢問(wèn)發(fā)送，MA P3和MC P3的標(biāo)注時(shí)刻分別為t1和t3，MA mark和MC mark為譯碼時(shí)刻，標(biāo)注時(shí)刻分別為t2和t4。詢問(wèn)周期為t3-t1，在添加隨機(jī)抖動(dòng)后，周期值還可以反映出隨機(jī)抖動(dòng)值大小。t2-t1為M3/A詢問(wèn)譯碼時(shí)間差，t4-t3為MC詢問(wèn)譯碼時(shí)間差。

圖3 時(shí)間信息標(biāo)注方法

2 時(shí)標(biāo)信息分析

在顯控端，收集每次詢問(wèn)的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以5ms詢問(wèn)周期為例，如圖4、圖5所示。圖4為無(wú)隨機(jī)抖動(dòng)的情況，相鄰兩次詢問(wèn)的發(fā)送時(shí)刻之差可以反映出詢問(wèn)周期大小，計(jì)算出的詢問(wèn)周期減去預(yù)設(shè)的詢問(wèn)周期5ms就是隨機(jī)抖動(dòng)值。圖5為添加0～64us隨機(jī)抖動(dòng)后的詢問(wèn)發(fā)射記錄。圖6為詢問(wèn)譯碼記錄，據(jù)此可以分析詢問(wèn)周期及其精度、隨機(jī)抖動(dòng)值及其精度、譯碼時(shí)間、詢問(wèn)和譯碼一致性等信息。這樣就可以清楚的掌握地面詢問(wèn)機(jī)的每一次詢問(wèn)和譯碼情況。

圖4 無(wú)隨機(jī)抖動(dòng)，M3/A和MC交替詢問(wèn)記錄

圖5 隨機(jī)抖動(dòng)0～64us，M3/A和MC交替詢問(wèn)記錄

圖6 M3/A和MC交替詢問(wèn)/譯碼數(shù)據(jù)記錄

3 數(shù)據(jù)記錄誤差原因分析

在實(shí)際系統(tǒng)中，計(jì)時(shí)誤差是客觀存在的。如圖7所示，主要有以下兩種情況，一是無(wú)隨機(jī)抖動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)了25ns的抖動(dòng)值，這是由于預(yù)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和詢問(wèn)計(jì)時(shí)時(shí)鐘為非同源時(shí)鐘（詢問(wèn)機(jī)內(nèi)部不同硬件模塊產(chǎn)生），導(dǎo)致不同時(shí)鐘之間同步預(yù)觸發(fā)脈沖存在誤差。另外一種情況是每次秒脈沖pps更新時(shí)存在翻秒計(jì)時(shí)誤差11.150us，受時(shí)模塊和地面詢問(wèn)機(jī)使用的不是同一個(gè)晶振，不同晶振間存在頻率偏差，導(dǎo)致翻秒計(jì)時(shí)誤差。結(jié)合工程實(shí)際情況，以上兩種計(jì)時(shí)誤差的存在，并不影響實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行保障需求。

圖7 無(wú)隨機(jī)抖動(dòng)，M3/A和MC交替詢問(wèn)記錄

結(jié)束語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了一種二次雷達(dá)地面詢問(wèn)機(jī)的時(shí)標(biāo)信息記錄方法，并對(duì)記錄誤差的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。對(duì)于地面詢問(wèn)機(jī)，詢問(wèn)和譯碼的數(shù)據(jù)記錄是二次雷達(dá)重要的人機(jī)接口，為技術(shù)人員分析雷達(dá)性能、排查故障、分析詢問(wèn)應(yīng)答概率等問(wèn)題提供重要參考信息。方便技術(shù)人員掌握地面詢問(wèn)機(jī)的每一次詢問(wèn)譯碼情況，為二次雷達(dá)的安全運(yùn)行提供了有力保障。