S模式二次雷达协同监视功能系统仿真

水泉 余飞侠

摘  要：S模式二次雷达协同监视功能是将多个S模式二次雷达站通过地面通信网络组成集群，集群内的S模式雷达通过共享目标航迹数据，实现目标的协同捕获和跟踪。文章介绍了一个详细的S模式二次雷达协同组网仿真系统设计和测试方法，该仿真系统通过采用计算机和以太网模拟了S模式雷达站点、集群网络和集群控制器，实现了协同监视功能和接口协议，对民航S模式雷达协同组网技术的研究、应用以及测试具有较好的指导意义。

关键词：空中交通管理;S模式二次雷达;协同监视功能;仿真

中图分类号：TN955+.1       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）06-0039-04

Abstract：The cooperative surveillance function of S-mode secondary radar is to form a cluster of multiple S-mode secondary radar stations through the ground communication network. The S-mode radar in the cluster can realize the cooperative acquisition and tracking of the target by sharing the target track data. This paper introduces the design and test method of a detailed S-mode secondary radar cooperative networking simulation system，which simulates the S-mode radar station，cluster network and cluster controller by using computer and Ethernet，realizes the cooperative monitoring function and interface protocol，and has good guidance for the research，application and test of civil aviation S-mode radar cooperative networking technology righteousness.

Keywords：air traffic management;S-mode secondary radar;collaborative monitoring function;simulation

0  引  言

S模式二次雷達作为传统A/C模式二次雷达的技术升级，其所采用的选呼询问和锁定协议，可有效减少空中异步干扰和多径反射。但由于询问机代码（II/SI）数量的限制，在S模式雷达重叠覆盖区域，如果相邻雷达询问机代码相同，将导致飞行目标被锁定而无法获取全呼应答。S模式协同监视功能是将多个S模式二次雷达站通过地面通信链路进行互连，构成一个集群网络，网络中的雷达节点通过地面网络进行目标数据交换，采用相同的询问机代码（II/SI）以协作的方式实现飞行器的捕获和跟踪。欧洲航空安全组织在欧洲多个地区已经建立了多个协同监视网络，有效地解决了二次雷达询问机代码冲突问题并降低了雷达之间的异步干扰。近年来随着S模式技术在国内的推广应用，中国民航已要求新建雷达站具备协同监视组网功能，并同时开展了S模式协同监视功能相关课题研究，本文为本公司所承担的民航科技项目子课题“S模式协同监视组网研究”的成果之一。在S模式协同组网研究中构建多雷达组网环境代价高昂难以实现，S模式协同组网仿真系统通过计算机局域网构建了一个协同监视网络，实现了S模式二次雷达协同监视功能的仿真和验证;通过对协同监视数据的记录和分析，实现了S模式协同监视关键技术性能的测试和评估。

1  协同监视网络系统概述

S模式协同监视网络由多个雷达站节点、集群控制器以及地面通信网络组成，雷达站节点之间以及雷达站和集群控制器之间采用ITU-T X.25或者TCP/IP网络建立全双工通信链路，根据网络拓扑架构，协同监视可以有两种运行模式：

（1）中心式。中心式网络由一个独立的集群控制器和多个雷达站组成，集群控制器负责雷达站之间的数据交互，并组织协同监视工作。

（2）分布式。雷达站之间分别建立多个点对点的通信链路，直接进行数据交换，每个雷达站自行管理和维护相互之间的协同监视工作。

根据协同监视网络组成，本文构建了一个协同组网系统模型，该模型包括协同网络中的雷达站节点、集群控制器节点、网络通讯环境，以及相关协同协议、网络监视协议及接口的框架组成。协同监视系统模型如图1所示。

每个地面站包括S模式询问机、协同监视处理以及通讯处理三部分。

询问机和飞行器空中接口遵循ICAO附件10规定询问应答协议，雷达站在非联网独立工作时可自行通过全呼和选呼询问获取和跟踪飞行目标，在组网工作时询问机通过协同监视功能获取飞行器的目标信息，直接创建和维护目标航迹。

通讯处理采用网络监测协议（NMP）检查网络拓扑结构，确定集群的稳定性并设定当前节点运行模式和状态。每个集群节点根据运行模式和状态选择合适的运行参数，包括确定覆盖图、雷达站询问代码II/SI以及锁定策略等。

协同监视处理采用目标获取和维护协议（TASP）进行航迹获取和维护，该协议用于站点之间的目标移交，也用于发送信息到存在航迹缺失的雷达站点。

集群控制器通过每个节点上报的CAT048目标报告建立整个集群的航迹列表，执行中心模式系统控制协议，更新相关雷达节点的目标信息。图2是协同监视功能协议组成。

2  协同监视仿真系统设计

协同监视功能仿真系统通过一组计算机模拟雷达站节点和集群控制器，所有仿真节点均接入一台网络交换机组成一个小型的局域网，实现协同监视地面通信网络的模拟，如图3所示。

整个仿真系统包括6个雷达站节点、1台集群控制器以及1台目标模拟器。其中雷达站节点采用CentOS7 Linux系统，运行雷达协同仿真软件和相关支撑软件系统，集群控制器同样采用CentOS7 Linux系统，并运行集群控制器协同仿真软件和相关支撑软件系统，目标模拟计算机用于模拟飞行目标航迹。另外在仿真网络接入一台GPS/BD授时设备，所有节点计算机均通过NTP协议进行时间同步。

2.1  雷达站节点设计

雷达站仿真节点基于Linux系统开发，主要实现三个功能模块：网络链路管理、协同监视功能模块（SCF）和询问机模拟器，如图4所示。

2.1.1  询问机模拟器

询问机模拟器实现对雷达询问机航迹获取、跟踪和维护的仿真，主要包括以下功能：

（1）接收来自协同监视功能模块发送来的选呼目标数据，建立雷达站选呼列表。

（2）由内部定时器产生模拟方位信号，产生询问数据消息发送给目标模拟器。

（3）接收目标模拟器的目标数据，进行模拟目标的航迹创建、跟踪和终止等处理。

（4）更新选呼目标列表，并通知周期监视处理模块接收航迹数据。

2.1.2  协同监视功能

协同监视功能包括以下功能模块：

（1）周期监测处理。周期监测处理模块（PMP）定期监测选呼列表，如果有目标状态发生改变，将通知网络和故障控制模块。PMP模块也定期检测网络状态列表，如果发现网络拓扑结构发生变化也将通知网络和故障控制模块进行处理。

（2）网络和故障控制。网络和故障控制模块主要执行目标获取和维护协议（TASP）以及网络监测协议，实现雷达站节点和其他节点之间目标航迹获取，并监测网络连接状态决定网络拓扑结构和系统状态。

（3）网络系统状态列表。网络状态列表保存了本节点和网络上其他节点连接状态、网络拓扑结构、运行类型、组网模式以及所对应的覆盖图设置等。

（4）覆盖图管理。支持覆盖图的导入和更新，根据当前工作模式选择合适的覆盖图。覆盖图按照功能划分，包含锁定区域、监视区域和数据链区域。

2.1.3  网络链路管理

网络链路管理模块提供输出链路管理（OLM）服务，在仿真系统里通过网络接口提供基于TCP/IP连接管理服务，以及询问机模拟器和目标模拟器之间通讯服务。为了仿真实际通信网的延迟和丢包，在该模块加入了故障模拟功能，可根据设定的波特率、延迟、丢包率等进行数据包的收发。

2.2  集群控制器节点

集群控制器节点包括协同监视功能、监视处理模块、网络链路管理等模块组成，如图5所示。

2.2.1  全局选呼目标列表

集群控制器接收来自各个站点ASTERIX CAT048目标报文，通过目标航迹数据，建立和维护以下目标列表：

（1）全局已跟踪目标列表，主要包含当前每个相连的雷达站正在跟踪的目标信息。

（2）单站已跟踪目标列表，该表包含单个雷达站已经起始正在跟踪的目标。

（3）单站临时航迹目标列表，该表包含单个雷达站已经发现正在起始的目标。

2.2.2  航迹监视数据处理

航迹监视数据处理通过协同监视网络接收雷达站发送的航迹信息，建立和维护全局选呼列表，并将航迹数据加入到对应的站点选呼列表中;如果没有航迹、没有数据接收则删除该航迹。航迹监视数据处理也具备坐标系转换功能，可以把航迹数据的坐标系转换为雷达站本地坐标。

2.2.3  协同监视模块设计

协同监视模块需要实现以下功能：

（1）周期监测处理。监控网络状态列表和集群控制器全局目标选呼列表，根据集群拓扑结构选择覆盖图并维护对应的全局选呼列表。如果全局选呼目标列表中一个目标状态或者集群网络拓扑发生改变，将更新全局选呼目标列表并确保网络和故障控制模块对受影响的目标进行处理。

（2）网络和故障控制器。如果全局选呼目标列表目标航迹状态发生改变，则发送协同监视消息给覆盖责任区的雷达节点，通知该节点更新航迹。通过网络监测协议实现集群拓扑和状态判定，以及故障管理功能;當SCF出现故障时能够对集群进行重组，并对故障进行隔离而不影响集群其他部分的正常工作。

（3）网络链路管理。网络链路管理提供和协同监视网络的通讯接口以及集群控制器的监控接口。集群控制器作为一个TCP Server，接受来自其他节点的连接请求，和每个节点建立一个TCP连接。

2.3  目标模拟器

目标模拟器根据设定参数产生多个飞行目标航迹数据，当模拟器接收到各雷达节点发送的询问请求数据（包括雷达的坐标，当前天线方位、波束宽度、触发周期等参数）时，根据雷达的坐标和覆盖范围计算出该雷达站当前波束方向内是否存在目标，如果存在则将该目标数据（24位地址、高度、模A码等飞机下行参数）发送给雷达节点。

3  性能测试

协同监视功能的性能测试主要包括数据记录和数据分析两个过程，由独立的测试软件模块完成，该软件独立运行在一台计算机上，接收网络上各节点发送的CAT048目标数据报、CAT017协同监视消息以及雷达节点和模拟目标器之间的询问/应答数据，按照航迹地址、节点、天线扫描周期顺序存储在文件里。通过对数据包中CAT048、CAT017以及询问应答数据的时间戳以及航迹信息统计，实现以下性能评估和分析。

3.1  集群稳定性分析

包括对雷达节点和集群控制器之间链路延迟和丢包率的统计，局部节点或者集群控制器出现故障时，节点工作模式切换时间以及集群从中心式切换到分布式的延迟统计等，如图6所示。

3.2  目标获取和维护时间

目标进入集群覆盖范围后，从发现目标到将目标数据转发邻近雷达站的延迟实际，以及相邻雷达站收到数据后反的馈时间;雷达站在重叠覆盖区域丢失目标后重新请求目标数据到接收邻近雷达站目标数据之间的延迟实际。

3.3  航迹质量分析

分析雷达站节点输出CAT048的数据项，对航迹数量、目标探测概率等进行统计。

4  结  论

当前中国民航正在实施S模式监视技术，逐步采用S模式二次雷达替换以前的A/C模式二次雷达，在这过程中同欧洲一样也遇到了询问机代码冲突和不足的问题。通过多个雷达站组网实现协同监视功能，可有效解决询问机代码冲突问题，并降低空中的射频干扰。协同监视功能仿真系统通过计算机网络模拟了协同监视网络以及集群控制器、雷达站节点，解决了协同监视网络需要多个雷达站远程进行跨地区连接，建立真实试验环境较为困难的问题。在仿真系统中实现了协同监视协议模型和软件架构，以及对协同监视网络性能进行测试的工具和方法，可供雷达厂商以及用户单位在开发和实施S模式协同监视技术时加以参考和借鉴。

参考文献：

[1] Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation Aeronautical Telecommunications：Volume III Communication Systems [S].ICAO，2007.

[2] Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation Aeronautical Telecommunications：Volumes IV Surveillance and Collision Avoidance Systems [S].ICAO，2007.

[3] European Organisation for the Safety of Air Navigation. EUROCONTROL EUROCONTROL Specification for Surveillance Data Exchange-ASTERIX Part 4 Appendix A Category 048：Monoradar Target Reports–REF：EUROCONTROL-SPEC-0149-4A [S/OL].（2017-07-31）. https：//www.eurocontrol.int/publication/cat048-eurocontrol-specification-surveillance-data-exchange-asterix-part-4-category-0.

[4] European Organisation for the Safety of Air Navigation. EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR SURVEILLANCE DATA EXCHANGE Part 5：Category 017 Mode S Surveillance Coordination Function Messages：SUR.ET2.ST03.3111-SPC-02-00 [S/OL].（2019-01-01）.https：//www.eurocontrol.int/publication/cat017-eurocontrol-specification-surveillance-data-exchange-part-5-category-017.

[5] European Organisation for the Safety of Air Navigation. European Mode S station surveillance co-ordination interface control document：SUR.ET2.ST02.1000-CNP-01-00 [S/OL].（1996-11-28）.https：//www.eurocontrol.int/publication/european-mode-s-station-surveillance-co-ordination-interface-control-document.

作者簡介：水泉（1975.11-），男，汉族，安徽合肥人，电子专家，高级工程师，本科，研究方向：空管二次雷达。