基于SuperMode的二次雷达询问编码方法

刘 娟 李正勇 王爱国

(四川九洲空管科技有限责任公司 四川绵阳 621000)

0 引言

二次雷达系统工作时,询问机和应答机之间通过“一问一答”的协同工作方式完成对目标的探测和识别。传统询问方式是在一个询问周期内完成一次询问和应答。当询问机需要提供高可靠的监视时,为了迅速获得不同类型目标的信息,可通过在相邻的询问周期之间交替[1]进行不同类型模式的询问来实现。

交替询问时,由于各模式在询问天线有效波束宽度中的询问次数减少,应答机应答各模式的次数也会对应减少,可能导致询问机对目标的探测概率降低,甚至可能无法完成目标的有效识别。

针对现有技术的缺陷,本文研究了一种基于SuperMode的询问编码方法,通过对不同类型的模式间进行时序控制,使同一个询问周期内完成两种不同类型模式的询问,对提高二次雷达系统探测概率具有重要意义。

1 系统原理

1.1 询问模式

二次雷达系统主要由询问机、询问天线、应答机和应答天线组成,二次雷达系统的工作原理框图如图1所示。

图1 二次雷达系统工作原理框图

询问机和应答机的信息交换,是通过对上行询问信号和下行应答信号进行脉冲编码来实现的[1]。不同的询问脉冲编码格式对应不同的询问模式,应答机收到询问信号时,自动发射相应模式的应答编码信号。常用的询问模式类型有以下几种:

1)SIF模式:模式1、模式2、模式3/A、模式C,也包括A/C/S全呼和A/C全呼;

2)S模式;

3)模式4;

4)模式5。

询问机常用询问模式的详细说明见表1所示。

表1 询问模式说明

询问机为了迅速获得不同类型目标的信息,可在相邻的询问周期之间进行交替询问,如图2所示,S模式和A/C模式可以通过交替询问,在最快三个询问周期内就可获取飞机的地址、编号和高度信息,交替方式为第一个询问周期询问S模式、第二个询问周期询问模式A、第三个询问周期询问模式C、第四个询问周期开始重复第二轮交替询问,以此类推。

图2 交替询问示意图

1.2 询问编码信号分析

SIF模式包括M1、M2、M3/A和MC,也包括A/C/S全呼和A/C全呼。

M1、M2、M3/A和MC模式的询问编码格式如图3所示,询问编码脉冲由P1、P2和P3组成,脉冲宽度为0.8μs。询问模式应由P1和P3的脉冲间隔决定,P2相对于P1的位置是固定的。

图3 M1、M2、M3/A和MC模式询问编码格式图

A/C/S全呼和A/C全呼的询问编码格式如图4所示[4],P4为全呼叫脉冲。P4脉冲宽度为0.8μs时表示模式A/C全呼,P1和P3脉冲宽度为0.8μs,间隔8μs时为模式A询问,间隔为21μs时为模式C询问,此时S模式的应答机对该询问不作应答。P4脉冲宽度为1.6μs时表示模式A/C/S全呼,此时模式A、模式C和S模式的应答机均要应答[2]。

图4 A/C/S全呼和A/C全呼询问编码格式图

S模式的询问编码格式如图5所示[3],S模式询问脉冲P1和P2的位置是固定的,在P2脉冲后是一个信息脉冲P6,用其传输上行数据,其脉宽为16.25或30.25μs[2]。S模式的询问数据包含在脉冲P6中,通过DPSK(差分相移键控)调制来传输[4]。

图5 S模式询问编码格式图

模式4的询问编码格式如图6所示[3],模式4询问编码脉冲间隔2μs,脉冲宽度0.5μs,前5个脉冲P1、P2、P3、P4、P5的位置是固定的,P1～P4为同步脉冲信号,P5为询问旁瓣抑制脉冲[1],加密后的信息通过后面32个脉冲的编码传输。

图6 模式4询问编码格式图

由于模式5的特殊性,本文不对其询问编码信号格式进行说明。

二次雷达系统工作时,需要使用同步脉冲信号进行同步编码,使整机工作在同步状态。下文利用SIF模式的同步编码进行分析说明。

对于SIF模式的同步编码,是使询问脉冲P3与整机同步脉冲信号的时间差取一固定的值,这个值至少应大于最长询问模式(MC)的P1和P3的时间间隔,而P1与TRIG(同步脉冲信号)的时间间隔因模式而异,因此采用SIF模式时,指定信号确定为P3信号。具体时序关系如图7所示,询问机需在同一个询问周期内完成询问编码和应答解码工作(本文主要研究询问编码,解码的相关内容不作分析),同步脉冲信号是整个系统工作的时间基础。

图7中,TRIG为同步脉冲信号;T0为询问脉冲P3与整机同步脉冲信号的时间差;T1为一个询问周期。

1.3 探测概率原理分析

目标探测概率是二次雷达系统设计过程中的一个核心指标,二次雷达系统的探测概率是指系统准确检测应答目标的概率。

在实际环境中,应答机可能受到其他设备的抑制、天线遮挡以及电磁波传播多径引起的信号起伏和衰落等影响,而不产生回答信号,降低了目标探测概率。因此需要进行多次询问来克服这些因素的影响。

目标的探测概率取决于应答机的应答概率(注意:假设只取决于应答机的应答概率,而不考虑接收概率、信噪比等影响)和判断目标存在所需的最小应答信号数目[5],具体可通过等式(1)来表示:

(1)

其中:Pd为目标探测概率;N为窗口长度,即有效波束内同一类模式的询问次数;t为最小应答门限,即检测目标所需要的最小应答信号数目;P为单个应答机的应答概率;(1-P)为单个应答机不应答的概率;N≥t,k取值从t到N。

下面通过举例计算对公式(1)进行分析说明。假设窗口长度N为8次询问,最小应答门限t为6次,应答概率P=0.90,不应答概率(1-P)=0.1。8次询问中,可能在前6次就达到最小应答门限(t=6),也可能在7次询问或8次询问后才达到,根据公式(1)可得到如下结果:

若采用滑窗处理方式,通常应答信号数目的需求至少为6[5],才可以获得较好的真实目标并确认应答数据的准确性,表2为三种不同的应答机应答概率(P)下,对于给定的窗口长度,获得至少6个(t)应答信号的概率(Pd)。

表2 滑窗处理方式目标探测概率

对于单脉冲[6]处理方式,为了完成去异步干扰等处理,至少需要2个应答信号就可以探测目标[5],表3为三种不同的应答机应答概率(P)下,对于给定的窗口长度,获得至少2个(t)应答信号的概率(Pd)。

表3 单脉冲处理方式目标探测概率

1.4 询问重复频率原理分析

二次雷达以稳定的询问重复询问频率发射询问信号,每个模式的发射间隔相同。

对于使用机械扫描旋转天线的二次雷达询问机,询问重复频率与天线有效波束宽度、天线转速和窗口长度有关,具体可以通过等式(2)进行计算[5]:

(2)

其中:PRF(Pulse Repetition Frequency)为询问重复频率,即每秒询问次数;RPM(revolutions per minute)为天线转速,即天线每分钟旋转的圈数;N为窗口长度,即每个有效波束宽度内的有效询问次数;EBW(Effective Beam Width)为天线有效波束宽度。

从公式(2)可以得出,对于给定的天线有效波束宽度和天线转速,询问重复频率是窗口长度的函数。

如图8所示为天线旋转时,天线有效波束发现目标的示意图,图中Ω代表天线旋转方向,目标在天线有效波束内收到的询问为有效询问。

图8 天线发现目标示意图

为了减少不必要的应答触发导致非同步的应答响应概率增加,考虑到询问天线有效波束宽度、天线旋转速度等因素,DoD AIMS 03-1000A标准[7](Technical Standard for the ATCRBS/IFF/Mark XIIA Electronic Identification and Military Implementation ofMode S)对询问机的每秒询问次数进行了约束:

1)SIF模式和模式4,平均1s的询问重复率应为每秒不超过450次;

2)S模式的全向询问速率包括S模式、模式A和模式C的全向询问,平均1s的询问重复率应为每秒不超过250次;

3)模式5平均1s的询问重复率应为每秒不超过225次。

2 传统交替询问模型

传统的交替询问模型包括:

1)天线旋转周期交替;

2)相邻询问周期交错询问。

天线的旋转速率控制着显控终端界面上目标位置的更新速率,其变化范围在5rpm到15rpm之间。

假设天线旋转速率为15rpm,在200n mile范围目标探测概率为99%,其应答机的应答概率为0.9,在200n mile处,8m天线的有效波束宽度为2.5°。通过表2和表3可知,若要完成目标的有效识别,采用滑窗处理方式需要的窗口长度至少为9,采用单脉冲处理方式需要的窗口长度至少为4。

以下按照S模式和模式A两种模式的交替询问进行分析,模式A的最大询问重复频率450Hz,S模式的最大询问重复频率250Hz[8],当两种模式交替询问时,应当以S模式的最大询问重复频率来进行询问,即每秒询问次数为250次。

1)天线旋转周期交替

天线旋转周期交替,即天线旋转一周内可以发射一组模式,当天线旋转到下一周时,可以自动更换发射另一组模式,具体数据见表4。

表4 天线旋转周期交替询问记录表

第N圈发射模式:S模式,S模式……

第N+1圈发射模式:模式A,模式A……

根据表4,可以看出,采用天线旋转周期交替询问方式,在有效波束窗口内S模式和模式A的询问次数符合单脉冲处理方式的要求(NATO STANAG 4193 PART 4中规定为了充分利用S模式,询问机需要单脉冲处理[4]),但是询问天线需要旋转2圈才能获取到全部的模式,探测目标在时效性上没有优势。

2)相邻询问周期交错询问

相邻询问周期交错询问,即通过每个询问周期间交替进行不同模式的询问,具体数据见表5。

表5 相邻询问周期交错询问记录表

第N圈发射模式:S模式,模式A,S模式,模式A……

采用相邻询问周期交错询问时,询问天线需要旋转1圈就能获取到全部的模式,但在有效波束范围内S模式和模式A的窗口长度比采用天线旋转周期交替的方式减少了一半,根据表5可以看出,有效波束范围内的窗口长度小于4,不能满足单脉冲处理方式对目标有效识别的窗口长度要求。

第一种方式探测目标的实时性较差,第二种方式实时性得到满足,但是交错询问后的窗口长度已无法保证探测概率,两种处理方式均对系统的性能指标存在影响。

3 基于SuperMode的编码模型

本文研究了一种新的询问编码方法,该方法是通过在同一个询问周期内控制不同类型模式间的时间间隔时序,来实现同一个询问周期内同时询问两种不同类型模式的SuperMode精准控制方法,该方法可以共享询问之后设置的接收窗口,即在每个同步脉冲信号中执行两次不同类型的询问,达到在同一个询问周期内同时获取到两种不同类型目标的信息的目的,提高了二次雷达敌我识别系统的识别时效,探测概率、识别性能和可靠性,从而进一步提高了二次雷达系统的战技指标。

本文所涉及的SuperMode询问装置工作流程图如图9所示。

图9 SuperMode询问装置工作流程图

同步定时器,用于提供询问的同步信号,保证周期性的询问。在本文中涉及不同类型模式的组合询问,采用同步定时器同步的目的是防止不同类型的询问模式超出DoDAIMS 03-1000A标准允许的最大频率传输询问。

SuperMode编码器,用于根据SuperMode编码脉冲和同步信号的时序关系进行脉冲的编码和发射。当二次雷达系统需要提供高可靠监视时,可以通过在同一询问周期内交替使用两种不同类型的询问模式来实现SuperMode询问。两类询问模式可以在成功的询问周期里面交替使用,可根据不同的平台和使用需求进行不同类型模式的组合设计。

本文所研究的基于SuperMode的询问编码模型主要包括以下五种:

1)S模式和SIF模式组合询问编码模型;

2)模式4和SIF模式组合询问编码模型;

3)模式5和模式4组合询问编码模型;

4)模式5和S模式组合询问编码模型;

5)模式5和SIF模式组合询问编码模型。

本文以S模式和SIF模式组合询问编码模型为例进行详细分析,其时序关系图如图10所示。

图10 S模式和SIF模式组合询问编码时序图

图10中,TRIG为同步脉冲信号;SLS为询问旁瓣抑制信号;TRANGATE为询问信号发射门;SLSGATE为询问旁瓣抑制信号发射门。

同一询问周期中,在询问模式的脉冲信号中采用S模式和SIF模式组合询问编码模型时,可以实现在有效波束范围内迅速获取不同目标的S模式和SIF模式应答信息,高效率完成目标的识别,实现各模式在有效波束范围内窗口长度的最大化。

如图10所示,采用S模式和SIF模式组合询问时,SIF模式编码脉冲滞后于S模式编码脉冲,且还包括零距离起始脉冲序列,零距离起始脉冲滞后于前编码脉冲的同步相位翻转脉冲(SPR),具体时序关系分析如下:

1)T1是编码时序与系统同步信号的延时,本次设为10μs;

2)在S模式中嵌入SIF询问时,由于S模式的P1、P2脉冲对SIF模式的抑制时间为35μs±10μs,所以SIF模式编码至少在S模式后45μs;

3)为了防止发射SIF模式时干扰S模式应答,SIF模式编码需在S模式的SPR之后128μs内,设置S模式的SPR提前SIF模式的P3脉冲前沿T2为125μs,用于保证两种模式应答的零距离起始位置相同,且可以采用相同的GTC/STC曲线进行接收;

4)询问信号发射门(TRANGATE)为低有效,TRANGATE的前沿提前S模式的P1脉冲前沿T3为2μs,TRANGATE的后沿提前SIF模式的P3脉冲后沿T4为2μs;

5)询问旁瓣抑制信号发射门(SLSGATE)为低有效,T5～T8均设为1μs,用于保证SLSGATE第一个脉冲的前沿提前S模式的P5脉冲前沿1μs,后沿滞后S模式的P5脉冲后沿1μs,SLSGATE第二个脉冲的前沿提前SIF模式的P2脉冲前沿1μs,后沿滞后SIF模式的P2脉冲后沿1μs;

6)零距离起始脉冲距离S模式的P6脉冲SPR之后为固定延时128μs。

根据图10的时序关系,在同一询问周期内进行S模式和SIF模式组合询问时,当SIF模式应答机收到该组合询问时,只会响应该组合询问的SIF模式询问,而当S模式应答机收到该组合询问时,S模式应答机仅响应该组合询问的S模式这一种模式。从而实现在有效波束范围内,天线只需旋转1圈就能够迅速获取到S模式应答机和SIF模式应答机两种类型的应答信号,且两种询问模式的窗口长度达到最大。

本文仅以S模式和SIF模式的组合询问作为例子进行分析说明,其他四种询问编码组合方式可类比。SuperMode五种询问编码模式组合和传统的询问编码方式相比,其具有很强的实用价值,在对有限的时间内迅速获取组合内相关询问编码模式的应答信号,从而掌握询问机威力范围内空域内不同类型的目标信息,对军航作战应用和民航监视通信等都具有非常重要的意义。

4 分析验证

通过以下分析对本文的SuperMode询问编码方法进行进一步的分析验证。在与第三节完全相同的条件下,分析S模式和模式A的SuperMode询问,具体数据见表7。

表7 SuperMode询问记录表

发射模式:(S模式+模式A), (S模式+模式A)……

通过表7可知,使用SuperMode询问编码方式,可以在单圈内实现同一波束范围内窗口长度的最大化,与传统系统交替询问模型相比,能够有效地提高二次雷达的识别效率和探测概率。

5 结束语

本文研究了一种基于SuperMode的询问编码方法,可应用于军用敌我识别系统(IFF)和民航空中交通管制(ATC)系统,目的是在一个询问周期内同时获取两种不同类型目标的信息。在多种类型目标并存的复杂空域条件下,能够准确快速完成不同类型目标的有效探测,并保证系统的探测时效,在相同条件下该方法的探测概率和获取目标的时效性均高于传统的询问方法,提高了二次雷达系统的探测性能和可靠性。