S模式二次雷达协同监视组网的研究

摘要：当前，中国民航部署了大量的航管二次雷达，其中S模式二次雷达比例正稳步攀升，这给民航空管提供了优质监视探测保障的同时，雷达间的无线电干扰也日趋严重，雷达II/SI码资源不足的问题也日渐突出。为了解决这些问题，中国正在积极推进S模式二次雷达协同监视组网的研究与测试工作。

关键词：S模式; 二次雷达; 组网

1  S模式二次雷达应用现状

随着民航业的发展，中国民航部署了航管二次雷达123套，其中S模式二次监视雷达达到了74套，实现了东部地区主要航路、航线的双重覆盖和西部地区主要航路、航线的连续覆盖，常规单脉冲二次雷达向S模式二次雷达的迭代过程仍在进行中。维持二次监视雷达近期规划的规模，与广播式自动相关监视等其他监视技术共同提供监视服务，实现二次监视雷达与ADS-B的综合应用将是中期航管监视源的发展重点。2032年之前，二次监视雷达仍将作为合作监视技术之一，在航路、航线和终端 （进近）管制区保持二次监视雷达的连续覆盖，与ADS-B等其他监视技术共同满足空中交通服务对监视的运行需求。[1]

1.1 S模式二次雷达的II/SI码问题

S模式二次雷达是在常规二次雷达的传统模式基础上发展起来的。常规二次雷达在探测两架相邻飞行的飞机时往往会因严重的同步窜扰现象而无法分辨[2]，同时在常规雷达体制下，飞行器的识别码只有4096个（最大值为7777[8进制]），而在S模式体系中则可以提供多达1677万个身份ID（最大值为FFFFFF[16进制]）。S模式的二次雷达除了提供了丰富的空中和地面数据链能力外，还因其具备选择性点名询问功能而具备更好的监视抗干扰性能。

然而S模式地空数据链也存在瓶颈，S模式二次雷达只能使用为数不多的II/SI码向飞行器表达自身ID。我们知道II码和SI码在仅S模式全呼叫询问（上行数据链UF11）中由IC和CL两个字段共同表示，其中II码只有16个，SI码则有63个。假若二次雷达均使用II码来表达自己身份，在一个固定区域内架设的雷达越多，则相邻两套雷达的II码重复的概率就越大。

1.2 S模式二次雷达的锁定协议

我们还知道在S模式地空数据链中，存在一种特有的协议机制（锁定协议），它能大幅减少询问和应答信号数量，从而降低空间电磁信号干扰影响[3]。锁定协议的核心思想就是：当航空器A被II/SI码=“X”的雷达1通过全呼询问捕获后，雷达1可要求航空器A与其锁定，即航空器在18S内不再应答带有II/SI码为“X”信息的询问信号，从而减少了空间回应雷达1全呼询问的应答信号数量，进而降低了不同航空器应答信号的窜扰概率。航空器可以同时被不同II/SI码的雷达锁定。

然而锁定协议又导致了另一个问题的出现，如果雷达2使用了跟雷达1同样的II/SI码“X”，那雷达2还能否探测到航空器A呢？我们以图1进行说明：

图1 锁定协议对相同II/SI码询问机的影响

（1）飞行器A在 b 点至 c 点之间区域，是两套雷达的重复覆盖区域。此区域内，由于飞行器A已经对II/SI=“X”的雷达1锁定，雷达2无法通过全呼询问捕获到飞行器A，因此雷达2的选呼列表中无法建立飞行器A的信息，进而不会对该飞行器进行选呼询问。而雷达1则保持对飞行器的选呼询问，飞行器A对雷达1选呼应答。

（2）当飞行器A过了c点后，飞出了雷达1的覆盖范围，应答机不再收到雷达1的选呼询问，在最后一次收到雷达1的选呼询问18秒后，解除对II/SI=“X”的雷达锁定，可以再次应答II/SI=“X”的雷达全呼询问。随后，II/SI=“X”的雷达2通过全呼询问捕获航空器A，对A建立选呼列表，并对飞机持续发送带有锁定指令的选呼询问，使航空器A保持对II/SI=“X”雷达2的锁定。而雷达1也因为天线连续扫描3圈未收到航空器A的选呼应答，而将其移出选呼列表，不再发送对航空器A的选呼询问。

在这种情况下，S模式还提供了漠视锁定（Lockout override）和间歇性锁定（Intermittent Lockout）功能[4]。

漠视锁定：当雷达1全呼询问数据链UF11的PR字段=8～12时，航空器A采用忽略锁定状态的概率应答，忽视对SI/II=“X”雷达的锁定状态，使雷达1和雷达2都能捕获航空器A。表1给出了PR字段的定义：

2 S模式二次雷达协同监视组网架构

然而，绕了一圈又回到了原点：如果所有雷达都采用漠视锁定策略，空间同步窜扰情况便不会得到明显改善。仍以图1为例，假设雷达1和雷达2之间存在地面信息交互，两套雷达之间存在某种约定：当航空器A即将飞跃b点时雷达1将航空器A的选呼列表数据共享给雷达2，雷达2就能继续完成对航空器A的选呼接力。甚至更大胆一点，将两套雷达的航空器探测目标共享，则任何一套雷达都能实现两套雷达覆盖共集区域的探测。同时多套覆盖重叠的雷达能够共享一个II/SI码，使得II/SI码分配资源紧张的情况得以缓解，如图2所示：

由此我们提出了S模式二次雷达协同监视组网概念：基于S模式的协同监视业务，由一些S模式二次雷达站通过地面网络相连，它们具有相同II码或者SI码，组成一个集群，共同完成目标监视功能。集群网络在雷达站的基础上加入集群控制器、监视协调单元及相关传输设备。为了保证雷达集群网络的可靠性和健壮性，集群网络可以工作在集中式和分布式两种拓扑状态，如图3所示：

CC： Cluster Controller（集群控制器），是集中模式下集群各单元节点的监视协调控制。

SCF：Surveillance Coordination Function（监视协调单元），实现监视协调网络中的询问器实现信息交换及角色功能的单元。具体可分为沟通和协调两部分。

对于每个加入集群的二次雷达站都有三种工作模式：自治模式、分布模式与集中模式。任一时刻，二次雷达站根据环境条件的不同，在三种工作模式之间的切换，切换关系如图4所示：

当雷达站的集群网络中断、集群不稳定、或雷达开机启动初期，雷达站都工作在自治模式下，即雷达独立运行对外提供监视探测服务。当网络连接且稳定后，雷达站与集群中的其它雷达取得联系，如果此时集群网络中有CC则进入集中模式，如果此时没有CC则进入分布模式状态运行。

图5 监视协同网中的集群控制器

CC是独立于S模式雷达站站部分，其操作不需要对S模式地面站进行任何修改。图5显示了带有集群控制器的经典集中式集群的总体布局。它由多个S模式雷达站点组成，这些站点都使用相同的II码。CC通过网络连接到多个地面站SCF，以提供集中控制功能。雷达站SCF也通过网络互联，以便能在CC失效时按照分布式运行。该视图通过以下两种方式之一建立：（a）利用ASTERIX的CAT17格式中将节点的航迹数据传递给CC。由CC对这些信息进行处理，构建起全局选呼列表；（b）通过利用雷达数据处理系统（RDPS）中航迹数据。此方法中的CC和RDPS在配置集群及优化系统性能方面更具灵活性。若在CC和RDP之间提供合适的接口，则CC可以进行预处理[6]

集群控制器应包括CC监控协调功能，设计用于通过监控协调网络进行操作。

3 S模式监视组网实现技术

3.1 目标坐标变换

我们知道雷达站给出的目标位置都是建立在以雷达站为中心点的站心极坐标系下的位置，在组网集群中，站与站之间的目标方位数据是不能直接融合使用，必须经过一系列坐标变换到同一个坐标系下才能融合使用。假设B雷达站向A雷达站调用目标数据，每个目标方位都必须经过A站心极坐标、A站心球面坐标、A站心笛卡尔坐标、地心大地坐标、地心笛卡尔坐标、B站心笛卡尔坐标、B站心极坐标的一系列变换才能使用，如图6所示。当然，为了减少坐标变化计算误差，我们可以将集群内的所有坐标系都统一变换到地心大地坐标系（俗称经纬度坐标）下。

3.2覆盖图

在构建雷达组网集群时，由于雷达的覆盖范围和顶空盲区随高度层变化而呈现不同的特性，会将集群中雷达所覆盖的整个区域按经纬度和高度层分割成许多个立方体单元（目前在欧洲建议使用的立方体单元大小为长5NM X 宽5NM X 高200ft）。针对这些单元从4个方面属性定义成4张地图文件，以供集群控制器根据目标所在单元对应的属性进行相应的决策。集群中所有雷达站按照预先制作的集群覆盖图文件统一进行监视处理，实现协同监视功能。覆盖图文件的制作是预先设定好的，再手动输入集群节点的协同处理软件进行使用。

监视覆盖图：每个雷达站对每个覆盖单元都分配一个数据描述位，表示此覆盖单元的监视状态。如果这位数据被设置为“1”，则二次雷达站期望在这个单元进行监视；如果这位数据被设置为“0”，则二次雷达站在这个单元不进行监视。假设一个集群内有3个雷达站（分别为“1”“2”“3”），我们将某一高度层集群覆盖区域划分成多个单元格，在每个格中填入能覆盖该区域的相应雷达编号，即得到一张单层的监视覆盖示意图，如图7所示：

临时锁定覆盖图：此覆盖图定义二次雷达在什么区域进行锁定。

数据链路覆盖图：对于每个覆盖单元，定义一个数据链路位，用于指示当目标进入覆盖单元时，二次雷达站是否通知GDLP（Ground Data Link Processor）和LU（Local User）对目标进行数据链操作。

漠视锁定覆盖图：此覆盖图分扇区定义每个二次雷达站是否使用漠视锁定。此覆盖图由每个二次雷达站单独编制，单独形成文件，按照扇区设置内容。

值得注意的是，由于处理器处理能力、模型算法差异、系统延时要求等因素的限制，对集群覆盖区域所划分的立方体单元大小并非都统一按照长5NM X 宽5NM X 高200ft来划分，实际情况中可能使用更大的单元来划分覆盖区域；另一个需要指出的问题是，因为雷达探测存在一定的位置误差，为了兼容这个误差，立方体单元划分的网格分界线并不是一条精确的线，而是一条条有一定宽度的区域。这在低纬度地区并不会产生太大影响，但在高纬度地区（如南北两极）会应为墨卡托投影在两级的变形严重而不得不考虑放大一部分高纬度的立方体单元。

4 结束语

S模式雷达协同监视组网有许多优势：1）可以大大减少空中射频信号，有效避免相互干扰；2）解决了现有II/SI码资源短缺问题；3）覆盖互补，有效解决单部二次雷达出现的监视盲区、虚假目标等问题；4）集群中多部雷达监视区域重叠，一部雷达出现异常，立即切换使用其它雷达监视信号，提高了目标监视性能，增强了集群系统的健壮性。本文通过介绍S模式雷达组网的前因后果、系统构架和实现形式，促进S模式雷达在民航空管监视中发挥最大效能提供了发展参考。

参考文献

[1] 中国民用航空局. 民用航空监视技术应用政策（AC-115-TM-2018-02）[M]. 北京： 中国民用航空局， 2018年.

[2] 张尉. 二次雷达原理[M]， 北京： 国防工业出版社， 2007年.

[3] 夏涛. S模式二次雷达锁定协议的研究[J]. 军民两用技术与产， 2018年， 第18期： 220-221.

[4] ICAO. Annex 10 to the Convention International Civil Aviation Volume IV Fourth Edition[M].  ICAO， 2007.

[5] European Mode S Station Surveillance Co-ordination Interface Control Document[M]. v2.06， EUROCONTROL ， 2005.

[6] EUROCONTROL Specification for European Mode S Station （EMS）[M]. v4.0， EUROCONTROL， 2021.