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二次雷达S模式询问与应答研究
民航西南空管局 周水平 2017/4/6 9:26:04
摘 要：二次雷达是民航空管运行的重要监视设备，S模式询问与应答则是民航二次监视雷达技术的重点和难点。文章通过理论分析二次雷达询问应答脉冲波形和S模式上行、下行链路数据格式，以及示波器捕捉的信号详细解析了全呼、选呼询问和应答，对于技术人员维护维修S模式雷达以及自动化信号处理有积极的参考价值。
关键词：二次雷达；S模式；询问；应答
一 引言
随着中国经济以及民航行业的快速发展，空中交通管制的飞机数量在不断的增加，传统的A/C模式二次雷达固有的缺陷也越发地突显：异步干扰、同步串扰、高度编码最小100英尺、编码数量最多为4096等问题严重制约着二次雷达的技术应用[1-3]。由于S模式二次雷达给每架飞机分配了唯一的24位地址，可以实现全球飞机一机一码，采用选择性询问可以明显减少异步干扰和同步串扰的发生。S模式询问和应答数据块可容纳56比特或112比特的数据，可以得到目标的A模式识别码、步进25英尺的高度报告、24位地址、数据链路性能报告、选择垂直意向高度、跟踪报告和速度报告等丰富信息。从20世纪80年代开始，经过多年的研究和探索，S模式逐渐被国际民航组织ICAO接受，成为二次监视雷达的行业标准。S模式脉冲询问和应答、功率发射以及上行下行链路数据格式是二次雷达S模式技术应用的核心和难点。
二 询问和应答脉冲
S模式询问通过询问波束发射P1、P2、P6脉冲，控制波束发射P5脉冲实现。如图1所示，其中P1和P2脉宽为0.8μs，间隔为2.0μs，主要用于阻止A/C应答机应答，非模式S应答机不会应答这些脉冲，也不会对剩余询问信号进行解码。在P2脉冲后是一个脉冲串P6，包含送到飞机的DPSK调制信息，短P6脉冲信息为56位（脉宽为16.25μs），长P6脉冲信息为112位（脉宽为30.25μs）。在P6脉冲之内，存在很多反相，用其携带询问数据。第一个反相位于脉冲前沿后1.25μs，应答机利用它同步其自身脉冲以方便对后续数据进行解码。同步反相也被用作应答信号发射的时间基准。询问机对目标距离的测量是通过发射同步反相位信号与接收到应答信号的第一个脉冲的时间延迟来进行的。DPSK调制时，0表示同相，1表示反相。控制波束P5脉冲主要用于实现询问旁瓣抑制功能。
图1 二次雷达S模式发射的询问脉冲
图2 二次雷达S模式收到的应答脉冲
S模式应答由检波器检测前四个前导脉冲来确认，四个脉冲中的任何一个前沿都可以用来测量距离。应答数据内容包含在前导脉冲后面的数据块中，采用脉冲位置调制PPM。每一数据位持续时间为1μs，有脉冲和空脉冲各为0.5μs，合在一起为一个脉冲周期，前0.5μs有脉冲表示“1”，无脉冲表示“0”，其后0.5μs反相。应答数据为56位或者112位，其中最后24位是地址和校验的组合。
三 上行/下行链路
国际民航组织ICAO附件10中定义了25种S模式的UF（uplink format）上行链路格式和DF（downlink format）下行链路格式。目前我国单脉冲二次雷达S模式主用使用了其中5种。UF/DF11是S模式全呼询问与应答；UF/DF4和UF/DF5用于监视高度和识别；UF/DF20和UF/DF21用于监视和地-空通信。
表1 ICAO规定的25种S模式上行UF和下行DF链路格式
四 询问与应答数据解析
（一）全呼询问与应答
二次雷达S模式询问上行链路开始于UF11全呼，飞机应答机捕获了UF11信号后会将飞机的24位AA地址码以DF11下行格式发送给雷达，并锁定该询问机18秒，期间不再应答该询问机的UF11询问（但可以应答其他二次雷达询问机的询问），而该雷达询问机在这期间可以对飞行目标进行UF4、UF5、UF20、UF21等选择性询问。
上行格式UF11为S模式全呼询问。如图3所示，询问脉冲P6经过DPSK调制后56位数据前5位表示上行链路序号UF11=01011。PR（Probability of reply）占4位数据，表示应答概率，其中PR值等于0、1、2、3、4时分别表示应答机以1、1/2、1/4、1/8、1/16的概率应答，PR值等于8、9、10、11、12时表（未完，下一页）
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