机动多功能航管雷达系统研究

张家勇　徐鹏　任翔

摘 要： 机动多功能航管雷达系统是在传统固定站式航路监视雷达研究基础上，具有高机动、高可靠、多功能、智能化、高数据率的新雷达技术系统，以满足在特定环境下对中低空和机场空域航路监视的要求。该雷达系统按照功能划分为雷达子系统、ATC子系统、应急通信子系统。叙述了机动多功能航管雷达系统的设计原理和技术特点。

关键词： 航管雷达； 高机动性雷达系统； 多功能航管雷达； 机场空域航路监视

中图分类号： TN957?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0004?04

0 引 言

传统固定站式航管一、二次雷达一直作为航路飞行器监视最主要、最直接的工具，已经具备相当成熟的技术，并广泛应用于国内外民航及军事空管领域[1]。但在某些特定环境下，诸如突发性事件或重大自然灾害发生时，固定站式航管雷达由于设备无法移动或无电力供应保障等因素，系统运行可能会出现问题，这势必将对飞行安全造成重要影响，甚至会酿成灾难性的后果。机动多功能航管雷达系统是适应新一代空管系统需求面向航空应急、灾备支持、低空开放急需的有效监视工具，可作为现有固定站式航管雷达的应急备份。机动多功能航管雷达系统具有高机动、高可靠、多功能、智能化、高数据率等特点，具备在恶劣环境下代替传统固定式航管雷达对航路飞行器进行监视的功能。

目前国外针对机动航管雷达的研究，民航领域主要是集中于单脉冲二次雷达[2]，而在军事空管领域则采用一、二次雷达合装的形式较多。国内对机动航管雷达的研究也主要集中于机动式二次雷达，以及对军用雷达改装的一、二次合装雷达，但这种雷达一般采用单套结构，数据率和可靠性也难以满足空域监视的技术要求。未来国内外对机动式航管雷达的研究主要集中采用一、二次雷达合装形式，并且具备24小时全天候连续开机功能，即系统要求采用双套冗余结构。

本文所研究的机动多功能航管雷达系统隶属于空管系统中的导航与监视领域，属于通用航空综合飞行服务系统研究方向，是整个空管系统的雷达信息源。基于通用航空中的低空补盲、机场空域应急监视和自然灾害的应急空管需求，机动多功能航管雷达系统采用一二次合装雷达的形式，利用航管一次雷达的主动监视、航管二次雷达的协同监视以及ADS?B的相关监视功能，获得多传感器的目标点、航迹信息，同时通过航管一次雷达的气象通道获得空中降水分布信息，具有管制功能的雷达终端系统把多种信息源进行融合，完成对空中目标的监视和应急空中交通管理，引导飞机起降和规避危险气象区域。

1 设计原理

机动多功能航管雷达系统由雷达子系统、终端ATC子系统、应急通信子系统构成。雷达子系统由S波段近程空管一次雷达、S模式单脉冲二次雷达及ADS?B接收机组成，利用一次雷达的主动监视、二次雷达的协同监视以及ADS?B的相关监视功能，获取一、二次雷达的点航迹目标信息和兼容1090ES格式ADS?B的目标位置信息，同时利用一次雷达的独立气象通道获取监视空域的降水分布信息。终端ATC子系统主要由高性能的服务器、网管、显示、存储设备组成，主要完成接收一次雷达数据、二次雷达数据、ADS?B数据、一次雷达气象数据，并进行多元数据融合处理。终端ATC分系统同时接收飞行电报数据，进行飞行计划数据处理，将监视数据与飞行计划数据进行相关后，在显示处理机上进行显示，并支持基本的空中交通管制操作。应急通信子系统包括通用应急平台、甚高频通信天线、内话系统，主要任务是完成信息的有效传递，利用传统有线接入网络、无线通信网络、卫星通信等方式实现雷达终端车与空中飞机、其他ATC系统或者应急指挥中心之间的互连互通。机动多功能航管雷达系统的原理框图如图1所示。

图1 机动多功能航管雷达系统原理框图

1.1 一次雷达

机动多功能航管雷达系统中的一次雷达选用S波段近程空管一次雷达[3]，采用全固态、全相参、脉冲压缩技术和自适应MTD体制[4]。为了保证一次雷达运行的可靠性，除天线和旋转组合外，其他所有设备均采用双套冗余结构。

一次雷达是用于机场终端区的监视雷达，它必须有效监视所在机场空域内飞机的飞行动态，并能提供所监视空域的降水分布情况，因此本雷达天线采用了双波束、双极化、低仰角锐截止和高仰角超余割平方设计[5]。固态发射机由4个2.2 kW大功率末级组件构成，前级激励组件采用双套冗余的系统结构，系统故障时可以与接收机和信号处理一起实施不停机双机切换[6]。接收机采用了具有射频自适应时间灵敏度控制的大动态数字化接收机[7]，可以有效减少近距离强杂波造成的丢目标和假目标。信号处理系统采用自适应动目标检测器（AMTD），能在强杂波和恶劣气象条件下提供良好的检测性能[8]。为了探测降水分布情况，一次雷达还设有独立的气象处理通道。一次雷达的仰角威力覆盖图如图2所示。

图2 一次雷达的仰角威力覆盖图

1.2 二次雷达

机动多功能航管雷达系统中的二次雷达选用S模式单脉冲二次雷达，以“收发赋形+数字接收”为基本技术体制，采用振幅型和差单脉冲测角技术，具有独立的ADS?B接收通道，可下载机载ADS?B信息。同样，二次雷达设备也采用双套冗余结构来保证系统可靠性。

天线垂直面采用超余割平方赋形，低仰角锐截止设计，能量分配合理，大大降低由于多径效应引起的干扰和镜像目标，同时保证了很好的仰角覆盖范围。数字信号处理支持通道幅相在线校正、N?CFAR处理，在应答脉冲的量化精度、解应答混淆、置信度判定等方面具有较大优势，提高了二次雷达的测角精度。

1.3 终端ATC系统

终端ATC系统的主要功能是将接收的一次雷达数据、二次雷达数据、ADS?B数据、飞行电报数据等进行融合处理，并在终端显示器中显示出目标航迹、飞行计划等信息，同时支持监视区域的空中交通管制操作。

终端ATC系统的核心问题是如何保证系统运行的高度可靠性，机动多功能航管雷达系统终端ATC采用冗余配置与分布式网络拓扑结构，其设备组成如图3所示，图3中所配硬件设备为成熟商业货架产品。终端ATC系统的特点如下：

（1） 冗余热备份结构，保证了ATC服务器和工作站间信息交换的可靠性，冗余的服务器能为主处理器提供热备份，主用服务器发生错误时能够自动进行主备切换，确保数据处理服务不中断；

（2） 配备了与外界多种通信设备进行通信接口，能够通过这些通信接口与外界其他ATC、飞行器进行实时通信；

（3） 监控系统内嵌在终端ATC中，能够通过远端对雷达设备进行控制。

图3 终端ATC系统结构图

1.4 应急通信系统

应急通信系统通过装配在终端车上的各种通信设备实现终端ATC系统与飞行器、外界其他ATC系统及应急指挥中心进行通信。应急通信系统可把无线通信系统（对讲系统、短波、超短波、手持移动设备等）、常规通信（有线电话网、互联网）的信号进行数字化处理，封成网络传输的IP包，然后通过软交换融合，从而达到多个通信终端语音互相汇合。

2 技术特点

机动式多功能航管雷达系统最重要特点是系统的高机动性，实现系统的高机动性主要通过系统的整体结构设计、天线的展开及拆收设计、电子设备方舱设计等。

2.1 整体结构设计

机动多功能航管雷达所包含的设备包括：具有双套冗余设备的一次雷达系统、S模式二次雷达系统、雷达终端系统、电站系统等。按照公路运输状态，可以将整个系统划分为三辆车单元：Ⅰ号车单元（雷达车）、Ⅱ号车单元（雷达终端车）和Ⅲ号车单元（电站车）。三辆车之间通过电缆组成一个整体系统，其中Ⅰ号车单元和Ⅱ号车单元配合工作可以替代空域监控的ATC系统，Ⅲ号车单元为Ⅰ号和Ⅱ号车提供能源保障。为保障在恶劣天气下，系统的安全运行，机动式多功能雷达系统装配了可移动的避雷针，并且三辆车都设计了安全可靠的接地和防雷系统。其阵地工作示意图如图4所示。

2.1.1 Ⅰ号车单元

Ⅰ号车单元作为整个系统的雷达车，是整个机动式航管雷达系统的最核心部分，设计为具有独立工作能力的航管雷达系统，其组成主要是由安装一、二次雷达电子设备的电子方舱及一、二次合装天线。

Ⅰ号车单元平台上装设备包括载车自动调平支撑系统、天线转台及支座、天线及天线倒伏机构、电子设备及设备舱，其上装布局图如图5所示。工作状态时，先将一二次天线安装好，再把边块固定架从方舱顶部放到平台中间位于转台和方舱之间的空位上。运输状态时，拆卸二次天线，放置并固定于方舱中间的平台上；再将一次天线边块拆卸下来，放置于边块固定架上；之后通过天线倒伏机构控制将一次天线中块向后倒伏至运输位置并固定，最后将调平撑腿收回到平台下方。为了减轻整个雷达车的载车重量，将一次雷达天线设计为碳纤维复合材料的反射面天线。

图4 机动式多功能雷达阵地工作示意图

图5 Ⅰ号车单元上装布局图

2.1.2 Ⅱ号车单元

Ⅱ号车单元为整个系统的终端车，一般采用大中型客车改装形式，将终端显示等设备安装在该车中。Ⅱ号车单元内部一般安装电子设备机柜、终端显示设备，顶部安装车载空调、卫星天线、ADS?B和其他通信设备天线。通过从雷达车传输过来的数据进行处理和显示，以实现应急空管的功能。

2.1.3 Ⅲ号车单元

Ⅲ号车单元为整个系统的电站车，其主要功能是在复杂情况下给雷达系统提供能源保障作用。电站车主要是由四米方舱和底盘车构成，方舱的结构设计应满足野外工作条件，方舱内安装供野外工作发电的大功率柴油发电机组。为了提高安全性和可靠性，发电机采用双备份配置，正常情况下开动一台发电机就能够满足整个系统的用电需要，同时发电机自带大容量油箱，支持长时间的工作，单台油机功率余量充足，满足长时间连续工作需要，也能够满足其他用电需求。

2.2 天线展开及拆收设计

机动多功能航管雷达系统天线由一次雷达天线和二次雷达天线构成[9]，为了保证系统的高机动性，一次天线为双曲率反射面天线，使用碳纤维复合材料，为避免天线在运输状态超宽，将一次天线分为可拆卸的三块。二次雷达天线通过带俯仰调节功能的连接机构，实现与一次雷达的合装。工作状态时，如图6所示，将一次天线三拼块组装到一起，二次天线通过支架固定在天线中块相应的固定端。运输状态时，如图7所示，将一次天线整体向后倒伏，手工拆除左右边块及二次天线，将边块放置在电子方舱上部的边块箱中，二次天线放置在两个电子方舱中间的空位处，满足道路运输条件。为了满足空管要求，系统工作时一次雷达天线与二次雷达天线采用合装的形式，共用一个天线平台。

图6 天线工作整体

图7 天线运输状态

2.3 电子设备方舱设计

机动多功能航管雷达系统电子设备主要装配于雷达车单元（Ⅰ车），主要由一次雷达电子设备、二次雷达电子设备组成。考虑到载车长度和平台空间，并结合整个雷达车紧凑设计思想，将电子设备方舱设计为两个独立结构，分别位于载车的两侧。方舱1主要布置了一次雷达数字设备部分，方舱2布置了一次雷达射频设备、电源控制设备及二次雷达设备。两个方舱面向外面的板可以绕方舱顶部掀起90°，在门板的侧面安装撑杆，以便将门板完全打开并固定，方便检查与维修。各舱对应的后板为可拆卸门板，利用螺栓固定。当维修时，根据需要可方便地拆卸[10]。

为充分利用方舱的有限空间，方舱1的侧面安装波导组件，从射频机柜接出的波导通过方舱2的背板连出，穿过方舱1的背板进入方舱1，与方舱1前部的谐波滤波器、四端环形器等波导组件连接，再从方舱1的侧板连出去，最后连接到旋转组合的波导口。两个方舱在车未一侧均留有线缆转接板，以便方舱之间、雷达车到电站车和终端车间的电源、信号的传输。线缆转接板为防雨性结构。

由于舱内集中了大量的电子设备，设备工作时发热量会很大，为了保证设备都能够可靠的长时间工作，在方舱顶部的前后两端安装了两台置顶空调，对方舱进行制冷，使方舱始终保持在一个合理的温度范围内。

3 结 语

机动多功能航管雷达系统作为“中国民航协同空管技术综合应用与示范项目”子课题，包括雷达子系统、终端ATC子系统、应急通信子系统，通过系统整体结构、一、二次天线、电子设备方舱等设计，实现系统的高机动性、多信息融合、高数据率等功能。目前，系统正在加工调试阶段，通过多种创新性设计，它必将实现面向航空应急、灾备支持、低空开放急需的有效监视工具。

参考文献

[1] 陈忠先，王景嗣.JY21全固态航管一次监视雷达[J].现代电子，2002（3）：10?16.

[2] 王晓松.S模式新技术在航管二次雷达中的应用[J].空中交通管理，2011（2）：17?20.

[3] 俞中良，王千骐，陈忠先.3821近程空管一次雷达产业化进展情况[J].空中交通管理，2010（8）：10?12.

[4] 孙实泽.航管一次机场监视雷达信号处理设计[J].现代电子技术，2007，30（23）：4?6.

[5] 张辉.航管一次监视雷达中气象通道的设计[J].现代电子，2011（2）：98?100.

[6] 颜波涛.远程航路监视一次雷达信号处理实现[J].雷达与对抗，2011，31（2）：58?62.

[7] 张焱.航管一次雷达接收/信号产生子系统[J].现代雷达，2011（6）：78?80.

[8] 杨卫鹏，宋万杰，吴顺君.基于DSP的雷达目标检测模块设计[J].火控雷达技术，2008（1）：83?86.

[9] 任胜利.车载航管雷达的机动性设计[J].电子机械工程，2013（1）：14?17.

[10] 刘鲁军.紧凑型机动式航管雷达结构设计[J].现代电子技术，2011，34（6）：104?108.

为充分利用方舱的有限空间，方舱1的侧面安装波导组件，从射频机柜接出的波导通过方舱2的背板连出，穿过方舱1的背板进入方舱1，与方舱1前部的谐波滤波器、四端环形器等波导组件连接，再从方舱1的侧板连出去，最后连接到旋转组合的波导口。两个方舱在车未一侧均留有线缆转接板，以便方舱之间、雷达车到电站车和终端车间的电源、信号的传输。线缆转接板为防雨性结构。

由于舱内集中了大量的电子设备，设备工作时发热量会很大，为了保证设备都能够可靠的长时间工作，在方舱顶部的前后两端安装了两台置顶空调，对方舱进行制冷，使方舱始终保持在一个合理的温度范围内。

3 结 语

机动多功能航管雷达系统作为“中国民航协同空管技术综合应用与示范项目”子课题，包括雷达子系统、终端ATC子系统、应急通信子系统，通过系统整体结构、一、二次天线、电子设备方舱等设计，实现系统的高机动性、多信息融合、高数据率等功能。目前，系统正在加工调试阶段，通过多种创新性设计，它必将实现面向航空应急、灾备支持、低空开放急需的有效监视工具。

参考文献

[1] 陈忠先，王景嗣.JY21全固态航管一次监视雷达[J].现代电子，2002（3）：10?16.

[2] 王晓松.S模式新技术在航管二次雷达中的应用[J].空中交通管理，2011（2）：17?20.

[3] 俞中良，王千骐，陈忠先.3821近程空管一次雷达产业化进展情况[J].空中交通管理，2010（8）：10?12.

[4] 孙实泽.航管一次机场监视雷达信号处理设计[J].现代电子技术，2007，30（23）：4?6.

[5] 张辉.航管一次监视雷达中气象通道的设计[J].现代电子，2011（2）：98?100.

[6] 颜波涛.远程航路监视一次雷达信号处理实现[J].雷达与对抗，2011，31（2）：58?62.

[7] 张焱.航管一次雷达接收/信号产生子系统[J].现代雷达，2011（6）：78?80.

[8] 杨卫鹏，宋万杰，吴顺君.基于DSP的雷达目标检测模块设计[J].火控雷达技术，2008（1）：83?86.

[9] 任胜利.车载航管雷达的机动性设计[J].电子机械工程，2013（1）：14?17.

[10] 刘鲁军.紧凑型机动式航管雷达结构设计[J].现代电子技术，2011，34（6）：104?108.

为充分利用方舱的有限空间，方舱1的侧面安装波导组件，从射频机柜接出的波导通过方舱2的背板连出，穿过方舱1的背板进入方舱1，与方舱1前部的谐波滤波器、四端环形器等波导组件连接，再从方舱1的侧板连出去，最后连接到旋转组合的波导口。两个方舱在车未一侧均留有线缆转接板，以便方舱之间、雷达车到电站车和终端车间的电源、信号的传输。线缆转接板为防雨性结构。

由于舱内集中了大量的电子设备，设备工作时发热量会很大，为了保证设备都能够可靠的长时间工作，在方舱顶部的前后两端安装了两台置顶空调，对方舱进行制冷，使方舱始终保持在一个合理的温度范围内。

3 结 语

机动多功能航管雷达系统作为“中国民航协同空管技术综合应用与示范项目”子课题，包括雷达子系统、终端ATC子系统、应急通信子系统，通过系统整体结构、一、二次天线、电子设备方舱等设计，实现系统的高机动性、多信息融合、高数据率等功能。目前，系统正在加工调试阶段，通过多种创新性设计，它必将实现面向航空应急、灾备支持、低空开放急需的有效监视工具。

参考文献

[1] 陈忠先，王景嗣.JY21全固态航管一次监视雷达[J].现代电子，2002（3）：10?16.

[2] 王晓松.S模式新技术在航管二次雷达中的应用[J].空中交通管理，2011（2）：17?20.

[3] 俞中良，王千骐，陈忠先.3821近程空管一次雷达产业化进展情况[J].空中交通管理，2010（8）：10?12.

[4] 孙实泽.航管一次机场监视雷达信号处理设计[J].现代电子技术，2007，30（23）：4?6.

[5] 张辉.航管一次监视雷达中气象通道的设计[J].现代电子，2011（2）：98?100.

[6] 颜波涛.远程航路监视一次雷达信号处理实现[J].雷达与对抗，2011，31（2）：58?62.

[7] 张焱.航管一次雷达接收/信号产生子系统[J].现代雷达，2011（6）：78?80.

[8] 杨卫鹏，宋万杰，吴顺君.基于DSP的雷达目标检测模块设计[J].火控雷达技术，2008（1）：83?86.

[9] 任胜利.车载航管雷达的机动性设计[J].电子机械工程，2013（1）：14?17.

[10] 刘鲁军.紧凑型机动式航管雷达结构设计[J].现代电子技术，2011，34（6）：104?108.