西方体制M5敌我识别系统RS纠错编码研究及工程实现

常俊飞

(成都洪池科技有限公司 成都 611731)

0 引言

MARKXIIA系统或者M5敌我识别(Identification Friend or Foe,IFF)系统，是以美国为首的北约研制的新一代西方体制敌我识别系统，该敌我识别系统是MARK XII系统的升级版本。MARK XIIA系统在MARK II系统的基础上增加了M5工作模式，它的战场适用性更强，可以实现海陆空全方位的识别，更加方便地实现现代化战场的态势感知、精确打击、降低误伤概率等功能[1-2]。

MARKXIIA系统采用时间协同、信道加密、信息加密、Walsh扩频、MSK(Minimum Shift Keying,MSK)调制、态势感知、数据交换、RS(Reed Solomon，RS)纠错编码等关键技术来实现现代化战场上的精确敌我识别，以避免和减少对友军的误伤，提高系统识别概率。同时MARK XIIA系统还可以用于从作战开始到作战结束的整个作战过程，该功能主要解决作战过程中的军用飞机之间、军民用飞机之间、不同作战区域、不同空中交通管制区之间的冲突问题[1][3]。由于M5敌我识别系统信号在传输过程中容易受到噪声和干扰的影响，因此解决数据传输过程中的编码和纠错问题，提高系统的抗干扰性能是个至关重要的问题。针对M5敌我系统国内外专家学者从多个角度对M5敌我识别系统进行了研究[4-9]，主要从系统链路[4-5][7]、干扰类型识别[6]、数据格式[8-9]等方面进行了研究。这些研究推动了M5敌我系统的研究进展，但是涉及到关键技术的研究以及工程应用鲜有文献涉及。

针对M5敌我识别系统战术应用以及RS(11,9)纠错编码技术在信号链路过程中的具体应用等问题，本文对西方体制M5敌我识别系统RS纠错编码以及工程应用情况进行了研究。从系统角度对RS(11,9)纠错编码技术工作原理进行了分析，构建了RS(11,9)编译码器的理论实现模型，最后在FPGA(Field Programmable Gate Array,FPGA)中对结果进行了验证分析。

1 MARKXIIA系统RS纠错编码模型

1.1 MARK XIIA系统概述

MARK XIIA系统是在MARK XII系统基础上结合战场实际需要研发的新一代敌我识别系统。MARK XII系统则经过两伊战争、海湾战争、伊拉克战争的实战洗礼，并且在这些战争中暴露出一些如识别概率低、抗干扰性能差、容易误伤等弱点。MARK XIIA系统在MARK XII基础上进行了实战化设计，具备敌我识别和跟踪控制两大功能，具备更高的识别概率和抗干扰性能，可以快速地实现现代化战场的态势感知[1-2]。MARK XIIA系统的敌我识别功能主要应用于武器攻击瞬间，减少攻击时对友方误伤的概率；MARK XIIA系统第二大功能是跟踪和控制，主要用于飞机起飞至降落的整个作战过程，可以解决飞机在飞行多个区域过程中的冲突问题，主要涉及军用飞机与民用飞机的冲突、军用飞机之间的冲突、穿越不同防空区冲突、防空作战区冲突、空中走廊/航线、空中交通管制区等。

目前MARK XIIA相关技术标准定义了四个层级，其中第一层级和第二层级具有明确的信号格式及功能定义；第三层级和第四层级只是定义了功能，暂未明确具体的信号格式。其中第一层级主要功能是改进的询问/应答识别工作方式，用于区分编队飞行目标。第二层级的主要功能是带有全球卫星定位系统位置报告的态势感知识别工作方式。第三层级用于实现友方特定目标的选址询问，可以有效抵抗敌方电磁干扰。第四层级主要应用于各作战平台之间能实现大容量数据共享，如航速、航向、燃油状况、武器状况等。自1998年开始成立M5技术工作组到2004年第一代原理样机完成研制，目前为止世界知名雷达厂商都具备生产M5敌我识别系统的能力，并且该系统已经在北约的各协同作战平台得到广泛应用，可以实现空空、空地、空海、海空、海海、地空、地地等之间的全方位多角度的战场态势感知[8]。

1.2 MARK XIIA系统RS纠错编码原理

MARK XIIA系统中采用的RS(11,9)纠错编码,主要用于M5的第一层级、第二层级的询问数据的信道编码与纠错(Error detection and correction，EDAC)[1]。M5敌我识别系统RS(11,9)纠错编码可检测2个信道传输数据的错误，并且纠正一个传输数据错误。M5敌我识别系统流程图如图1所示[1][8]，在询问设备中加密后的数据询问数据经RS编码后，然后进行Walsh扩频、MSK调制后送至无线信道，应答设备接收询问信号，经过解调、Walsh解扩后，进行RS译码处理，然后完成数据的解密。

图1 M5敌我识别系统流程图

MARK XIIA系统经过加密后的询问数据为M1M2M3M4M5M6M7M8M9，Mi(i=1…9)为加密后的消息数据，每个消息数据为4bit，共计36bit的询问数据。EDAC编码之后产生11个消息符号D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11，每个符号4bit共44bit。D10D11是RS(11,9)码的校验位，RS(11,9)纠错编码矩阵方程如式(1)所示。

(D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11)=(M1M2M3M4M5M6M7M8M9)

(1)

1.3 MARK IIA系统RS(11,9)编码器设计

根据式(1)可知，经过RS(11,9)编码的前后9位数据一致，只有D10D11数据需要根据RS编码的生成矩阵来计算。根据式(1)D10D11可以分别表示为式(2)、式(3)。由于M1M2M3M4M5M6M7M8M9的值是询问加密后的数据，那么可以根据表1中伽罗华域元素与二进制代码对应关系表[1]，就可以计算出D10D11的数值。

表1 GF(24)伽罗华域元素与二进制代码对应关系表

(2)

(3)

2 MARK XIIA系统RS纠错编码仿真分析

结合表1的数据对MARK XIIA系统RS(11,9)纠错编码进行仿真，仿真结果如表2所示。表2中RS编码前的数据为7、8、9、10、11、12、13、14、15，经过RS编码后的数据为7、8、9、10、11、12、13、14、15、8、4，其中8和4为校验位。根据图1所示的流程对该数据进行扩频、调制后，送至无线传输信道。

表2 RS纠错编码理论仿真结果

假设在信道传输过程中数据7发生了错误，那么经接收解调、解扩后的RS译码前数据为8、8、9、10、11、12、13、14、15、8、4，经RS译码后的数据为7、8、9、10、11、12、13、14、15，可见数据7的错误得到了纠正，错误指示输出为1。如果在信道传输过程中数据7和8都发生了错误，那么经接收解调、解扩后的RS译码前数据为8、7、9、10、11、12、13、14、15、8、4，经RS译码后的数据为8、7、9、10、11、12、13、14、15，数据没有得到纠正，但是有错误指示输出2。仿真结果表明MARK XIIA系统的RS(11,9)可以检测两个数据错误，纠正一个数据错误，这个与理论值一致[1][10-11]。

为了更好地研究RS纠错编码对MARK XIIA 系统识别概率的影响，本文在有无RS纠错编码情况下对MARK XIIA系统的识别概率进行了仿真。仿真参数见表3，仿真结果如图2所示。从图2可以看出RS纠错编码能够提高MARK XIIA系统的识别概率，性能增益为1～1.5dB，这也表明RS纠错编码是MARK XIIA系统99.9%的识别概率[1]得到保证的关键技术之一。

表3 MARK XIIA系统RS纠错编码仿真参数

图2 有无RS纠错编码情况下MARK XIIA系统的识别概率

3 工程实践验证

为了更好地验证算法的有效性和实用性，作者将算法应用于某项目中。基于Xilinx ISE14.7开发软件FPGA软件开发平台采用Top-Down设计方式，用Verilog HDL进行RTL级描述，在Virtex 4 XC4VFX12芯片上实现RS(11,9)的编码器设计。其RTL级的顶层综合效果图如图3所示，时序仿真如图4所示。

图3 RS(11,9)编码器的RTL综合

图4 RS(11,9)编码器的时序仿真图

RS编码器仿真输入datain=7 8 9 10 11 12 13 14 15，9个字符为例，经RS(11,9)编码后，输出时序dataout=7 8 9 10 11 12 13 14 15 8 4，info为低电平时的dataout为两个校验位8和4，校验结果与Matlab的仿真结果完全一致。从图4可以得到该编码器的处理时延仅有3个时钟节拍，对系统的处理时延影响很小。

RS(11,9)译码器RTL级的顶层综合效果图如图5所示，译码时序图如图6所示，图6(a)为一个数据发生错误的译码时序图，图6(b)为两个数据发生错误的译码时序图。blk_srt为RS译码数据输出的数据开始，info_end下降沿为RS译码有效数据的结束，blk_end为RS译码数据的结束，err_cnt为RS译码检测到错误个数，data_in_rs为RS译码的输入数据，data_out为RS译码的输出数据。

图5 RS(11,9)译码器的RTL综合

图6 RS(11,9)译码器的时序仿真

图6(a)为数据7错误为8，经RS(11,9)译码器有效的数据结果为data_out为7 8 9 10 11 12 13 14 15，可见纠正了1个数据的错误， err_cnt为1表示检测到1个字符的错误。图6(b)中数据7错误为8，8变为7，经RS(11,9)译码器有效的数据结果为data_out=8 7 9 10 11 12 13 14 15，err_cnt为2表示检测到2个数据的错误，数据错误未得到纠正。从图6中可以看出，RS纠错编码可以检测两个错误，纠正一个错误，这与前述第三节理论仿真结果一致。

4 结束语

本文以MARK XIIA系统为背景，从工程角度对MARK XIIA系统的用途进行了介绍，然后对RS(11,9)纠错编码技术工作原理进行了分析，构建了RS(11,9)编译码器的理论实现模型，并从理论角度进行了仿真分析，最后在FPGA中对进行了工程验证分析。RS纠错编码技术的研究对于MARK XIIA系统工程样机的研制以及MARK XIIA系统的研究具有重要的战略意义。由于MARK XIIA系统采用了众多新技术，本文只是对RS纠错编码技术进行了研究，Walsh扩频、信道加密、时间协同、MSK调制等影响系统性能的技术有待进一步研究。