IRS-20MP/L型空管二次雷达系统组成及其作用

曾伟文

（中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东 广州510000）

空管系统的基本要求是安全、迅速和有秩序地将乘客和货物从某一个地点空运到另一个指定地点，空中交通管制就是为达到此目的而建立的重要服务体系。正如地面交通有交通规则一样，空中交通也有飞行规则，只有空中交通的使用者和管理者共同遵守和依据这些规则，才有可能保证空中交通安全有序地进行[1]。

20世纪80年代以来，空中交通管制逐渐由程序管制过渡到雷达管制方式。通过地面雷达对空中的飞行目标进行扫描，管制员可以从雷达屏幕上看到飞机的代码、空间位置、上升下降等参数，再加上地空通信系统和自动化系统的不断完善，雷达管制逐渐取代了程序管制。随着国内民航业的高速发展，航班量逐年增加，管制员对空管雷达的依赖性正与日俱增。随着区域管制中心多雷达自动化系统的投入使用，雷达的重要性更进一步得到了体现。

1　空管二次雷达系统的组成及其工作原理

目前，国内的空管二次雷达系统基本是采用了单脉冲技术的空管二次监视雷达。单脉冲空管二次监视雷达一般由室外和室内两大部分组成。室外部分主要包含大垂直孔径（LVA）阵列天线、驱动马达、变速箱、旋转铰链、方位编码器以及安全互锁开关等单元。室内部分主要包括了双通道询问机、天线控制单元、本地监视与控制器、雷达维护显示器等单元。而作为空管二次雷达系统核心组成单元的询问机又包含了射频驱动模块、功率放大器、接收机、模式产生器以及点迹录取器等部分。由此可见，单脉冲空管二次雷达是一个精密而复杂的高度集成无线电系统，各个组成单元严格按照系统时序进行工作。

与常规的一次雷达利用目标对雷达自身发射电磁波（射频脉冲）的反射回波主动发现目标并且确定其位置的工作原理不同，地面的空管二次雷达需要与机载应答机协同合作才能完成对目标的检测。它是由地面的二次雷达设备通过天线的方向性波束辐射频率为1 030 MHz的一组询问编码脉冲，当天线的波束指向装有机载应答机的飞行器时，机载应答机接收到这组询问信号，然后根据所询问的内容自动发射回频率为1 090 MHz的一组约定的回答编码（射频）脉冲。通过地面二次雷达设备的接收和检测处理，最终完成对目标的定位[2]。空管二次雷达的工作原理如图1所示。

图1　空管二次雷达工作原理

单脉冲空管二次雷达给地面管制员所提供的飞机信息包括方位、距离、高度与识别码，其中方位和距离由二次雷达根据天线波束指向角与应答信号的延时分别计算得到，而飞机的识别码与海拔高度则包含在应答编码脉冲内。当询问脉冲P1与P3的脉冲间隔为8 μs时，此时雷达采用模式A进行询问，所询问的内容是飞机的识别码；当询问脉冲P1与P3的脉冲间隔为21 μs时，此时雷达采用模式C进行询问，所询问的是飞机的海拔高度。通常地面站的二次雷达设备都采用模式A和模式C两种模式进行交替询问，即同时获得飞机的识别码和高度码。飞机的距离、方位、高度与识别码这些信息通过网络传送至管制席位的大屏幕显示器上，由地面管制员与飞行员通过语音通话，对各空域上的飞行器进行安全、高效的指挥调度管理。

2　Indra IRS-20MP/L型空管二次雷达系统的组成及其作用

Indra公司的IRS-20MP/L型二次雷达作为最新型的空管二次雷达系统，不仅采用了单脉冲技术，同时还支持最新的S模式。具备S模式功能的二次雷达系统不仅具有更好的监视能力，解决了常规单脉冲二次雷达固有的异步干扰及同步窜扰等问题，而且还提供了空中和地面的数据链接能力，所能提供给管制员的信息更为丰富。S模式二次雷达同样要与机载的S模式应答器进行协同工作，为了兼容常规的A/C模式应答器以及获取到更丰富的目标信息，当前国内装备的IRS-20MP/L型二次雷达均采用了A/C模式与S模式的交替询问模式，即A/C/S交替的询问模式。

IRS-20MP/L型二次雷达系统的组成同样包括了室外与室内两大部分。其系统结构图如图2所示。

图2　IRS-20MP/L型二次雷达系统组成

2.1　室外部分

2.1.1大垂直孔径阵列天线（LVA）

IRS-20MP/L型二次雷达天线其型号为CLS-M，由34个辐射柱组成，每个辐射柱包含10个偶极子，辐射柱都附于一个轻合金结构上。天线正面有33个辐射柱，背面有1个辐射柱（SLS背部天线），背部SLS天线有一个独立的仰角调整装置。在辐射柱之间还分布着一些反射杆，这是为了减少背向辐射，使天线主瓣有更好的增益效果。

CSL-M天线有三个射频通道，即∑、Δ与Ω三个通道。其中∑与Ω用于发射/接收，Δ只用于接收。每个通道有其特殊的方位波瓣图。所有天线通道都采用垂直极化，三个通道在辐射特性方面完全独立。

2.1.2大盘（Pedestal）

二次雷达天线（Antenna）与大盘（Pedestal）安装在距离地面几十米高的雷达塔基座房中。大盘不仅作为二次雷达天线的旋转支撑，还为天线与室内部分提供了电气化与机械化的接口。马达电机、旋转铰链、方位编码器等部件都集成在大盘里面。马达电机驱动雷达天线按照设定的转数旋转，不间断地对空中的目标进行机械扫描。旋转铰链作为天线旋转部分与询问机之间的射频通路，完成射频信号（发射与接收）的传输。而方位编码器则挂在大盘的齿轮上，跟随着雷达天线同步转动，向询问机输出正北脉冲（ARP）与方位增量脉冲（ACP），用于目标方位的测量。

2.2　室内部分

2.2.1S模式询问机系统

空管二次雷达询问机一般采用双通道的冗余配置，即两个同样配置的询问机互为冗余备份。在用通道连接到天线，而备用通道则连接到假负载上。当在用的询问机通道出现告警或故障时，系统自动切换到备用通道上，这样使得雷达输出的点迹或航迹保持连续。IRS-20MP/L型二次雷达系统框图如图3所示。

图3中，询问机CHANNEL1和CHANNEL2的配置完全一样，都由发射机、接收机、录取器、网络交换机、时钟服务器以及电源与风扇这些部分组成。

图3　IRS-20MP/L型二次雷达系统框图

（1）S模式发射机。S模式发射机为双通道全固态发射机，一路为∑信号通道，一路为Ω信号通道。S模式发射机的4个组件及其作用如下：

1）EMU（激励调制单元）：∑通道的幅度与相位调制，Ω通道的幅度调制与功率预放大。

2）SDU（∑通道驱动单元）：将EMU单元送来的∑射频信号进行驱动放大。

3）SAU（∑通道功放单元）：∑通道的功率末级放大以及∑通道的功率编程控制。

4）CTU（Ω通道发射单元）：Ω通道的功率末级放大以及Ω通道的功率编程控制。

∑信号与Ω信号的脉冲峰值功率都是65 dBm，可根据实际情况进行功率编程，总共有7级。功率编程指令由录取器的MIC03板发出，分别控制SAU与CTU单元内不同组的晶体放大管的供电来完成。

（2）多通道接收机单元（MRU）。相比其他空管二次雷达的接收机，IRS-20MP/L型二次雷达的接收机在集成度、功耗、体积等方面都有了很大的改进。整个接收机单元几乎就是一块电路板。由飞机应答产生的1 090 MHz的应答信号被MRU的∑、Δ、Ω三个通道同时接收到，经过了低噪放大、混频解调、中频放大滤波、检波以及A/D转换等处理流程后，最终生成并向雷达录取器输出4路视频信号，分别是：∑视频、Δ视频、Ω视频与单脉冲视频。

（3）S模式录取器单元（MEX）。IRS-20MP/L型二次雷达录取器单元的组件与作用如下：

1）MICA02板，作为所有硬件设备I/O信号（如外部触发，方位脉冲ACP、ARP等）的接口。

2）MICA03板，作为录取器与发射机及TRA单元信号的接口，如询问编码信号、功率编程及测试目标等。

3）MCPU板，是雷达录取器单元的核心组件，其作用是接收MRU送来的应答视频信号，完成目标信息的解码、检测，生成目标报告，输出点迹或航迹目标信息并送至管制员席位与本地雷达维护显示器。

（4）电源部分，分别是发射机电源组件TPS与录取器电源组件MFEX.接收机MRU单元由于也处于录取器框内，因此其供电也由MFEX提供。

（5）时钟服务器NTP单元，包含了GPS天线与时钟服务器两部分，NTP单元通过本地局域网持续地为雷达系统各组成部分提供时钟信息以进行系统同步，譬如UTC时间。同时，在雷达生成目标报告时，也在目标报告中打上时间戳，对目标报告进行标记。

（6）本地网局域网，每个询问机机柜中都包含了两台交换机。雷达各主要单元通过网线接入到交换机中，并被分配了不同的IP地址，与两台交换机共同组成了两个本地局域网络（LAN）。所有设备间的控制与状态信息通过UDP/IP协议来进行交换，VR3000上的本地雷达目标信息也是雷达录取器通过网络进行传输得来的。

以上6个组成单元加上发射机风扇，都集成在一个625 mm×795 mm×1 850 mm机柜里，形成了一个完备的询问机机柜。

2.2.2天线大盘控制箱（PCB）

天线大盘控制箱中集成了变频器、PLC控制模块、EMC滤波器、以太网通信模块、过压保护设备、电源以及空气开关、继电器等设备。天线的启停控制、油位状态、马达状态、温度监视、编码器的供电与开关等都由天线大盘控制箱来完成。同时，大盘控制箱也同样分配了IP地址并接入到局域网（LAN）中，大盘的所有状态信息也直观地呈现在本地管理系统（SLG）的界面上，天线启停、天线转速控制、编码器开关等也都可以在SLG上进行操作。

2.2.3本地管理系统（SLG）

本地管理系统（SLG）上运行的UCS（控制与监视单元）程序是一个功能非常强大的Unix应用程序，雷达各组成部分的运行状态都很直观的显示在UCS的程序界面上，同时所有的控制与配置都可在UCS上完成，例如开关发射、通道切换、天线启停、功率编程、询问策略、反射区设置等等，UCS程序界面如图4所示。

图4　IRS-20MP/L二次雷达UCS界面

雷达的运行状态有以下几种颜色进行相对应：

1）绿色-----正常工作

2）黄色-----热备份

3）红色-----严重告警

4）橙色-----一般告警

5）白色-----未连接

远程管理系统SRG与SLG的配置完全一样，只不过一个在雷达站现场，一个在远端（如航管楼）。在两个管理系统上做的任何操作与配置，其数据库都会进行实时同步更新。

2.2.4VR3000

VR3000是运行在个人电脑主机上的一个Windows应用程序，该程序功能也同样非常强大。不仅能直观地显示雷达目标的飞行轨迹，获取到非常丰富的目标信息，同时还可以进行地图、航线以及导航点的编辑，还可以对雷达目标飞行轨迹进行记录与回放等等。图2中的SDCS与PCAUX在国内各个雷达现场基本没有配置，在此省略不述。

3　结束语

随着中国民航业的高速发展，相应的作为民航飞行重要的安全保障设备，国家民航局近些年来也在不断加大空管一二次监视雷达的部署与建设，既有国外的雷达厂家的设备，也有国内的。西班牙Indra公司的IRS-20MP/L型空管二次雷达系统，其系统结构模块化程度较高，目标处理性能优异，雷达监控的配置较为简单易懂，售后服务覆盖全面且售价比较实惠，因此受到广大用户的青睐。自投入服务中国民航业以来，该二次雷达系统以其较高的性价比，完备的系统组成以及稳定的雷达信号质量，为民航空管的飞行安全保障做出了巨大的贡献。