一种相控阵二次雷达波束指向修正方法

张 银，王 强，夏喜龙

(四川九洲空管科技有限责任公司，四川 绵阳 621000)

0 引 言

二次雷达是一种空管雷达信标系统，由西方的敌我识别系统发展而来，采用询问应答协同式工作原理，即询问机对监视空域内的飞机发出询问信号，飞机应答机接收到询问后产生应答信号，通过对应答信号的接收处理来实现飞机定位。由于二次雷达采用协同方式工作，所以还能获取飞机的身份(3/A代码)和高度(C模式气压高度)等信息，因此二次雷达具备雷达和通信的双重功能[1]，是提供空中飞行情报及态势的主要信息来源，不仅是现代空管系统必配设备之一，还广泛应用于军事领域[2]。

相控阵天线不必机械转动就可在所要观察的空间范围内实现波束电扫描，非常方便灵活，很多平台开始应用相控阵技术来提升二次雷达的能力，如文献[3]利用圆环相控阵天线实现S模式技术；美国“尼米兹”航母用圆环相控阵天线提升二次雷达的能力[1]。

1 相控阵二次雷达测角原理

二次雷达多采用幅度和差单脉冲原理来测量目标方位角。如图1所示，和差波束的幅度反映了偏离波束中心的角度，差波束左右两边相位相差180°，反映了目标方向。二次雷达系统测角时，事先测得天线方向图数据，将测角区域和差幅度值、差相位制作成OBA表，探测时根据和差接收通道幅度值、符号位(差相位)查OBA表得到目标偏离波束中心的角度，再加上波束指向即可得到目标方位角。

图1 和差方向图

相控阵二次雷达测角原理与机扫二次雷达一样，都是利用幅度和差单脉冲原理。不同的是，机扫二次雷达只有一个波束，利用机械转动达到360°范围的空域扫描，相控阵二次雷达通过控制相位在不同方向形成波束并依次调动波束来完成全空域扫描。

以线性相控阵天线为例，由于在不同的方向形成波束，各TR加权系数不一样，离天线法向越远，波束变形就越严重，因此相控阵二次雷达各个方向的波束方向图是不一样的，需要对每一个波位(相扫时根据探测的区域编排一定数量的波束来覆盖，每个波束指向特定的方位，称为波位)单独进行方向图测量，并制作成OBA表。

2 波束指向修正方法

2.1 目前波束指向修正存在的问题

由于相控阵二次雷达天线波束在不同方向存在差异，需先在天线暗室测得每个波位方向图，制作成基本OBA表，再装入设备。设备安装完成后，由于阵地、平台的环境影响和安装导致的误差，天线的部分波位还会存在指向偏差，与天线暗室良好环境下测得的方向图有一定误差，严重时会影响测角精度，必须重新进行天线波束指向修正。

相控阵二次雷达系统架装后，重新进行天线波束指向修正的方法有以下几种：

(1)仪器标校

在天线周围架设航管应答机模拟器或天线方向图专用信号测试仪，以真实环境无线测试每个波束的实际指向。该方法的优点是能在阵地或平台真实环境下测得天线波束的实际指向，缺点是需要覆盖360°每个波位的指向，工作量大，同时受环境地形地物的制约，某些方位无法部署仪器、人员进行测试，如高山、滩涂、大海等。

(2)飞机标校

利用飞机配备的航管应答机进行标校。该方法的优点是以真实环境测得天线波束的实际指向，且不受环境地形地物的影响，缺点是价格昂贵，标校试验费用可能远远超过设备本身的价格，给项目带来沉重的经济负担。

(3)结合检飞试验标校

在产品检飞试验中，利用其中的标校架次进行标校。该方法的优点是以真实环境测得天线波束的实际指向，不受环境地形地物的影响；且检飞试验多由上级单位组织，不需二次雷达厂家花费试验费用；缺点是检飞试验是检验各个传感器的综合试验，不一定专门为二次雷达覆盖360°方向，即使完全覆盖，但是受经费影响，飞机标校的架次数量不会太多，造成样本量过少，对二次雷达的波束修正也有限。

2.2 本文修正方法

本文提出一种利用ADS-B对相控阵二次雷达天线波束指向进行修正的方法：利用民航飞机已具有的ADS-B OUT能力，在二次雷达站点部署ADS-B IN设备来实时接收全空域内所有民航飞机的GPS位置，并转换成相对于二次雷达的方位，以此修正天线波束指向，需要投入的人力物力财力较少，也不受地形地物环境的制约。更有甚者，某些二次雷达集成了ADS-B IN功能，在设备内部就可以自动采集数据进行波束指向修正。

在进行相控阵二次雷达天线波束指向修正时，不管是用仪器或飞机，还是结合检飞试验，或借用民航飞机的ADS-B能力，若样本量太少，数据将是发散的、混乱的。图2为一型相控阵二次雷达某个波位的标校数据，根据图中曲线完全无法辨别波束的真正指向。只有当数据量积累到一定程度，才能看出波束的真正指向，如图3所示，数据的众数在0.1°左右，即该波束的真正指向为0.1°。

图2 二次雷达某波位标校数据(小样本量)

图3 二次雷达某波位标校数据(大样本量)

也正是由于借用民航飞机ADS-B OUT能力所带来的便利，可以利用大样本数据修正相控阵二次雷达天线波束指向。本文所描述的相控阵二次雷达波束指向修正系统框图如图4所示。

在图4中，ADS-B IN设备部署在二次雷达周围，通过匹配二次雷达的3/A代码和ADS-B的航班号来关联每个民航飞机两个传感器的探测值，具体实现步骤如下：

图4 系统框图

(1)相控阵二次雷达须在天线暗室测得天线每个波位的基本指向表，并置入设备；

(2)在二次雷达周围部署ADS-B IN设备，两者天线尽量靠近，并使ADS-B IN全向天线周围无遮挡，记录二次雷达站点经纬度、高度，用于将目标的经纬度、高度信息转换为相对于本站点的方位、距离信息；

(3)开启二次雷达、ADS-B IN设备，实时记录空域中民航飞机数据，同时从两个传感器的显示屏上匹配同一个目标的3/A代码、航班号；

(4)记录一段时间后，提取二次雷达、ADS-B IN设备的记录数据，以ADS-B测量值为方位真值，按时间插值计算每个样本点数据的一次差ΔX，按式(1)计算一次差均值，按式(2)计算标准差，然后将一次差中大于3倍标准差的数据剔掉，重新计算一次差均值、标准差，如此反复3～4个周期后可将异常值去掉，找到数据中的众数，最后将该波位一次差均值作为波束指向修正值置入设备进行天线波束修正。

(1)

(2)

本文方法需要一定的样本量，每个波位样本须达到1 000个左右才能起到修正效果。本文提出的基于大样本数据的修正方法不仅能修正波束指向偏差，还能修正AD量化误差、OBA修正误差等其他系统误差。

3 试验及结果

某型相控阵二次雷达在天线暗室测得的基本指向如表1所示(按2°一个波位进行编排)。波束指向修正前的系统方位误差如表2所示。

表1 部分波位基本指向表

表2 波束指向修正前方位误差

该型相控阵二次雷达借助ADS-B 采集空域内民航飞机的位置信息，用大样本数据方法计算每个波位的方位测量一次差均值，重新得到的波束指向如表3所示。

表3 修正后部分波位指向表

由表1、表3可知：受环境及安装误差影响，波位2、3、6、7修正比较大，4、5修正小，1、8不用修正。波束指向修正后的系统方位误差如表4所示，可以看出：在波束指向修正后，方位精度进一步提高。

表4 波束指向修正后方位误差

4 结束语

随着二次雷达的技术发展，很多平台开始运用相控阵技术，安装平台的固有环境影响使得相控阵二次雷达在架装后部分波束指向发生偏差，与暗室测得的基本指向相差很大，甚至会影响系统的探测精度。常规标校方法不是受环境制约部分方位无法测试，就是要花费昂贵的经费，给项目的实施带来一定的难度。本文所述方法利用ADS-B采集民航飞机数据，以ADS-B探测值为真值，采用大样本数据方法来对每个波位进行指向修正。该方法不但不受环境制约、容易实施，而且不会带来巨大的试验费用，有的二次雷达系统集成了ADS-B IN功能，更能随时随地利用ADS-B对波束指向进行修正，进一步提高系统的探测性能。该方法除了能修正环境和安装误差带来的波束指向偏差，也能去除AD量化误差、OBA修正误差等其他方位系统误差，这对系统的方位测量精度大有裨益。该方法已成功应用于多个工程项目，效果显著。