初探S模式二次雷达的基本原理

王磊

摘 要：二次监视雷达是一种应用于空中交通管制中的，包含传递信息和检测飞机等功能的雷达系统。我国的空管雷达的使用要追溯到上个世纪，国家对于这一项技术在我国的航空领域中的相当重视，曾多次委派研究团队赴外参考学习，将这一项技术引进至国内，从最早的A/C模式的雷达系统再到现代的S模式雷达系统，我国在空中管制雷达这一块的技术已经渐趋成熟。本文将以S模式二次雷达为议题中心，着重探讨一下这一项技术的基本原理，并谈一谈这项技术在在我国航空领域的应用。

关键词：S模式;二次雷达;接收信号;基本原理

中图分类号：TN958.96 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0211-02

0 前言

S模式二次雷达的开发起源于美国和英国，当时飞机数量大量增加，自动控制ATC系统中涌现众多异步干扰问题，为此科研人员将每架飞机编上离散地址码，对雷达扫描波束内的目标进行点名性的询问，被点到名的飞机才予以回答[1]。这样就可以避免A/C交互模式中的A、C两种模式相关问题，大大降低雷达的询问率，进一步减少异步干扰问题。S模式二次雷达安装了数据链通信功能，提高了管制系统自动化水平。为此，将S模式询问定义为离散选址信标系统，雷達询问是针对于特定地址编码的目标进行定向呼叫的询问。安装S模式应答机的飞机都有特殊的地址码，飞机对雷达询问的应答信息中必须包含本机地址码。

1 S模式基本概念及特性

1.1 S模式基本概念

S模式主要是考虑到未来航空航天科技发展，低高空交通密集情况下，能够准确对空中情报进行实时监控，获取可靠的数据链通信以保证航空安全[2]。S模式支持当下的地面传感部门二次雷达系统。S模式由空中防撞、地空数据沟通、地面数据网等模块组成。以S模式支持的数据链是飞机和地面之间的通信基础，地空数据链进行数据传输时，是地面二次雷达系统和S模式空中应答设备之间的通信沟通。

采用S模式系统雷达和应答机实现数据通信，一方面可以将雷达天线使设置为定向天线，获取较高增益，实现远距离数据传输;另一方面，雷达自身工作频率高，数据实际传输可靠。

在现有ADS-B系统中，应用了S模式工作，以固定天线为支持，天线形式为全向天线，增益较低，为实现远距离传输，ADS-B系统采用甚高频频段传输数据，数据传输效率可靠[3]。

S模式属于一种离散寻址询问数据链路技术，以雷达自身可靠性支持，实现双通道传输数据。通过地面雷达设备和机载应答机支持，将询问目标身份信息发送给飞机，目标24位地址模二加到消息后24位奇偶校验位，指明需相应目标[4]。此外，每架飞机单独询问，由一频率收发机通报应编码24位ICAO地址识别。飞机扫描接收到后以单脉冲技术应答，将飞机各应答分割开来，避免A、C模式应答和S模式混淆，避免飞机通讯受到异步干扰。

1.2 基本特征

S模式具有以下四种特征：

（1）选择性寻址，S模式信号可选择性询问S模式应答机，整体地址数量在16000000个以上，确保各个飞机都能有唯一的地址。（2）雷达站和飞机应答机之间以S模式传输数据，采用56/112为合适3类帧支持。（3）可自动检错纠错。（4）单次天线扫描，采取单个询问、应答支持。自适应再询问可对未作应答飞机询问，提高检错概率。

2 S模式相较于传统模式的优越性

S模式二次雷达不单单是传统A/C模式监视雷达的升级，S模式以A/C模式为支持，再此基础上进行了一定的优化改进，但是其有对A/C模式的兼容及改进。

对A/C模式而言，其二次监视以一次雷达支持完成，在兼容上，S模式是二次雷达，遵循一次雷达1090MHz应答频率及1030MHz询问频率[5]。此外，S模式二次雷达应用中，不能对A/C系统无影响，不能对传统A/C系统运行方式及设备稳定性无任何影响或改变。

因此，要求S模式二次雷达应用中需符合以下要求：一方面，S模式二次雷达询问中，发射P2脉冲，需以旁瓣抑制方式支持，在数据发射完毕前，抑制时间完成P6脉冲;另一方面，传统A/C模式询问及接收机执行稳定性关系到数据传输效率及质量，此时S模式应答时不可做出干扰。S模式脉冲位宽及应答格式属于独立存在个体，传统A/C模式确立飞机位置，需多个同步应答确定，而S模式无需多个同步应答确定，定位效率大大提高。

S模式是信息时代的技术产物，本身具有A/C模式优势，又对A/C模式进行升级，在技术的上涉及到A/C系统无法满足的高精度数据交互控制[6]。S模式应答中数据链中包含大量需求性数据，而在A/C系统中其数据梳理复杂，准确性偏低，针对最近历史天线扫描接收数据进行的比对，得到分析结果。而S模式采用“点对点”模式，不再使用信号幅度和OBA辨识，即使两飞机距离较近，S模式也可定位飞机具体位置，实时监控。此外，S模式确定监控目标时，不需要通过询问解决异步干扰，对飞机位置确认询问量少，针对一架飞机询问，节省大量时间。

3 S模式二次雷达工作原理

3.1 工作模式

二次雷达工作模式具有多样化特征，其以不同编码方式为支持，可以划分出多种不同的工作模式。当下，我们对S模式二次雷达工作模式划分主要依靠国际规定划分，由ICAO通用的SSR工作模式，将S模式二次雷达工作模式划分为1、2、A、B、C、D和S类型。当下常用A（获取飞机航管编号）、C（获取飞机气压高度信息）两种方式支持。

3.2 询问应答模式

询问（上行格式）以UF（UPLINK FORMAT）支持， 应答（下行格式）采用DF（DOWNLIK FORMAT）支持。其中，S模式二次雷达应答模式的“应答”分为DF4、DF5、DF11、DF20、DF21、DF24等，以格式4、5实现询问应答短消息的监视，对飞机高度进行识别。20、21主要是在询问应答标准长度信息的通信A/B，对其高度识别。11是在询问应答中实施S模式呼叫。24在询问应答扩展长度信息通信C、D。

应答机以1090MHz频率发送信号，信号有解码设备经检测前四个脉冲识别。应答报头脉冲间隔的距离限制，导致其不可被偶然两个模式A、C应答交叠伪造。若另一应答遮住四个脉冲其中一些，则别的脉冲上升沿可用作目标距离测试。应答数据在报头脉冲后的数据块当中，通过脉冲位置进行调制，将数据编码处理。对各个位来说，持续1μs，有脉冲和无脉冲时间段，二进制1以脉冲后加无脉冲表示，二进制0以无脉冲加脉冲表示。在每个前0.5μs内，应答数据以有脉冲表示1，无脉冲表示0，且以相反方式出现在接下来的0.5μs中、采用这种编码方式，其稳定性良好，可抵抗大多干扰，不会干扰某一位置脉冲或在邻近位置插入脉冲。一次询问中，应答数据以56位短形式或112长形式。

3.3 S模式二次雷达询问应答过程

过程为：在雷达有效支持范围内，飞机进入，S模式UF11被二次雷达发射，飞機接收到对应数据信息。在呼叫中，呼叫询问地址码、询问器信息互相作用，应答机以24地址信息及询问器代码确定信息，之后进行应答，雷达应答后，飞机地址码识别锁定。

4 S模式使用协议分析

S模式二次雷达使用协议也具有多样性，由LOCKOUT（锁定协议）、MULTISITE（多现场协议）、NONSELECTIVE（非选择性协议）组成，以下就三种协议详细分析。

4.1 LOCKOUT

为锁定飞机，获取询问器代码机地址，雷达发送S模式全呼，点名轮呼LOS字段，锁定飞机。之后，为避免雷达间无异步干扰或减少异步干扰，纯S模式的全呼锁定18s后应答。

4.2 MULTISITE

单独工作模式才能使用MULTISITE，雷达有自身II码，各雷达的可独立对数据链信息控制。主要是II码将储存在应答机中，下次接受讯息后能迅速辨别响应。

4.3 MULTISITE

MULTISITE和SCN协议主要应用于雷达II码不够使用，或雷达覆盖区域产生大量重复覆盖时使用的。选择该协议，需满足雷达间有同样II码，且不同雷达覆盖区域重复。但是，应用该协议需满足两方面条件，一方面，要求雷达间有相同II码，在SCN上运行;另一方面，SCN有分布式和集中式协议，都可满足数据及信息交流共享需求。

5 S模式特点的及优点

采用S模式支持，在A/C模式下，对数据传输、交互等进行改进。

（1）S模式监视下的单脉冲功能可以确保ATCRBS适当减少查询次数，提高目标定位精准性及时效性。ATCRBS查询减少，则RF（射频）对传输环境的干扰也得到有效控制。（2）即使两飞机距离较近，以S模式支持，可以通过查询定位，准确判断彼此位置，避免彼此产生干扰。（3）地空、空地通信以S模式为支持，在航空领域中应用广泛，一些飞行密集区域，为确保飞机飞行稳定，以S模式数据规划具体飞行路线，为航空员提供精准的实时定位，避免事故发生。

从S模式二次雷达优点分析，发现S模式重点及适用性较好，在航空领域有广阔应用价值，对推进航空事业稳定发展具有重要意义。

6 结语

综上所述，在航空发展中，一次雷达属传统雷达范畴，在我国航空事业发展中已经得到普遍应用。二次雷达属于信息技术革新后的产物，二次雷达历经多方面发展，从常规雷达、单脉冲雷达最终发展到S模式支持的二次雷达，获取大量信息，技术逐渐向高精端发展。

参考文献

[1] 王刚，徐坤，董怀停.浅析S模式二次雷达的基本原理[J].民营科技，2017（4）：47-47.

[2] 孙擎宇.S模式二次雷达目标速度跳变研究[J].无线互联科技，2018，135（11）：7-8.

[3] 周水平.二次雷达S模式询问与应答研究[J].电子世界，2017（5）：57-58.

[4] 唐伟盛，陈强超.增强型S模式雷达在空中交通管制中的应用研究[J].科技经济导刊，2017（16）：61-62.

[5] 左明瑞.S模式二次雷达的原理及应用初探[J].信息通信，2015（8）：188-189.

[6] 邹殿臣.S模式空管二次雷达询问与监视技术研究[J].数字技术与应用，2016（9）：86-87.