基于距离矩阵的二次雷达S模式询问器代码分配方法研究

赵 博

(中国民用航空华东地区空中交通管理局，上海 200335)

基于距离矩阵的二次雷达S模式询问器代码分配方法研究

赵 博

(中国民用航空华东地区空中交通管理局，上海 200335)

S模式是一项可逐步取代传统A/C模式的二次雷达新技术。S模式雷达使用询问器代码作为与具有共同覆盖区域的相邻雷达进行区分的身份信息。当辖区内S模式雷达的位置关系及共同覆盖区域较复杂时，直接为每部雷达进行询问器代码赋值比较困难。阐述了S模式询问器代码的功能和类别。通过构造距离矩阵研究S模式二次雷达询问器代码的分布特性，提出了一种利用距离矩阵进行询问器代码分配的方法。该方法解决了复杂位置关系下的S模式雷达询问器代码分配较困难的问题，通过华东地区空管S模式雷达系统对该方法的可靠性进行了实例验证。

二次雷达；S模式；询问器代码；距离矩阵

0 引言

空管二次雷达是一种用于监视飞机飞行航迹及状态的地面传感器，随着空中交通流量的快速增加，传统A/C模式二次雷达所固有的技术缺陷已导致其不能满足空中交通管制指挥的需求。为此，美国联邦航空管理局(FAA) 推出了一种称为S 模式的新的二次雷达询问工作模式，并被国际民航组织(ICAO)接受，相关规定纳入国际民航组织规范附件10(ICAO ANNEX10) 中作为二次雷达的行业标准[1]。S模式采用选址询问的工作模式，有效地克服了同步窜扰和异步干扰；采用24位地址码进行目标识别，解决了二次代码不够用的问题；通过扩展数据链功能，扩大了目标信息量[2-3]。

询问器代码作为对具有共同覆盖区域的相邻雷达进行区分的身份信息[4-6]，是S模式技术的一个重要应用。有限的询问器代码数量与S模式二次雷达不断增加形成矛盾，尤其是当S模式二次雷达位置分布及共同覆盖区域较复杂时，直接为每部雷达进行询问器代码赋值比较困难。如何快速、有效地为辖区内的每部S模式二次雷达分配询问器代码成为了目前亟待解决的重要问题。文献[7]对S模式雷达的“捕获”和“锁定”功能进行了分析，文献[8]对S模式询问器代码的分类和功能进行了阐述，文献[9]介绍了S模式雷达协调网和锁定策略地图。本文对复杂位置关系下的S模式雷达询问器代码分配问题进行了研究，主要思路将辖区内的所有S模式二次雷达看作一个系统，通过构造该系统的距离矩阵研究S模式二次雷达询问器代码的分布特性，并利用询问器代码分布特性进行代码分配。

1 S模式询问器代码的功能和类别

与传统A/C模式相异，S模式二次雷达通过全呼和选呼2个过程获取目标信息。通过全呼，雷达将探测范围内的目标识别入库，目标将对捕获它的雷达进行“锁定”，即18 s内不再应答该雷达的全呼询问，只应答该雷达的选呼询问，以减少混扰(Gable)。S模式雷达使用询问器代码(Interrogator Code，IC)作为与具有共同覆盖区域的相邻雷达进行区分的身份信息。飞行目标会在雷达的全呼询问中收到询问器代码信息以识别自己是被哪一部雷达捕获，从而对其“锁定”。具有共同覆盖区域的相邻雷达的IC码不能相同，否则，当某个目标被其中一部雷达捕获并“锁定”时，另一部雷达在“锁定”期间便无法探测该目标，从而造成目标丢失[7-8]。

询问器代码包括“II码(Interrogator Identifier Code)”和“SI码(Surveillance Identifier Code)”2种类型，II码一般取值范围为1～15，SI码一般取值范围为1～63。SI码虽然数量较多，但并非所有的机载应答机都支持，现阶段我国还是利用II码来区别具有共同覆盖区域的相邻S模式二次雷达。当II码数量不够分配，且无法使用SI码时，理论上还可使用监视协调网络(Surveillance coordination network，SCN)将具有共同覆盖区域的几个相邻雷达进行编组，共用同一个II码[10]。

2 S模式二次雷达系统距离矩阵的构造及其特性分析

2.1 距离矩阵的构造

设某个区域有n部S模式二次雷达，称其为S模式雷达系统A，A内各站点之间的直线距离可由n阶矩阵Ad表示,

(1)

S模式二次雷达一般作用距离为200海里，当2部雷达之间的距离小于400海里时，覆盖区域便会交叠，必须赋予不同的II值，于是，Ad矩阵内各元素值定义为：当dij>400海里时，aij=0；当dij<400海里时，aij=1，得

(2)

n阶矩阵A表示的是系统A中所有站点的覆盖范围是否有交叠的相对关系。

2.2S模式二次雷达系统距离矩阵的性质

基于系统A所构造的距离矩阵A具有如下性质：

性质1：矩阵A关于主对角线对称，且主对角线元素值全部为1；

性质2：当矩阵A的第i行中所有元素均满足aij=0(i≠j，j=1,2,…，n)时，表示在系统A中，i站与其余各站点的直线距离均大于400海里，可称其为系统A中的无关站，从而i站的II码赋值与系统A内其他各站点都无关，可赋予1～15的任意值；

性质3：当矩阵A的第i行中所有元素均满足aij=1(j=1,2,…，n)时，表示在系统A中，i站与其余各站点的直线距离均小于400海里，可称其为系统A中的全相关站，从而i站必须赋予与系统A内其他站点都不同的II码值；

3 利用距离矩阵性质分配II码的方法

3.1 分配步骤

具体分配步骤如下：

① 根据性质1构造系统A内各站点间距离关系矩阵A；

② 根据性质2找出无关站，将无关站的II码赋予1～15间的任意值。划去无关站所在的行和列，将矩阵A降阶为矩阵A′；

③ 根据性质3找出全相关站，将全相关站的II码赋予与系统内其他站点均不同的值。划去全相关站所在的行和列，将矩阵A′降阶为矩阵A″；

④ 根据性质4找出等价站；

⑤ 对矩阵A″进行变换，如能拆分为子系统B和子系统C，则可分别对子系统进行独立分析；

⑥ 对各子系统重复步骤②～步骤⑤，直至不能降阶化简或拆分子系统。对化至最简的各子系统，采用观察法用1～15的自然数进行II码赋值，同时，逆推出在降阶化简过程中消去的站点的II码赋值，从而完成全系统所有站点的II码赋值。

3.2 应用举例

设系统A由a、b、c、d、e、f、g共7部S模式二次雷达组成，其分布情况如图1所示。

图1 系统A各站点分布

① 构造距离矩阵A如下：

Aabcdefga1001001b0101100c0011001d1111101e0101100f0000010g1011001

② 根据性质2，f站为系统内的无关站，将f站的II码赋予1～15的任意值，消去f行和f列，得降阶矩阵A′：

A'abcdega100101b010110c001101d111111e010110g101101

③ 根据性质3，d站为A′中的全相关站，其II码必须赋予与系统A′内其余台站均不相同的值，消去d行和d列，得降阶矩阵A″：

A″abcega10001b01010c00101e01010g10101

④ 将矩阵A″的b行和g行、b列和g列分别对调，得矩阵A0″，从而将系统A拆分为2个无关的子系统B和C，如下所示。

A0″agceba11000g11100c01100e00011b00011

Bagca110g111c011

Cebe11b11

⑤ 对子系统B和C进行II码赋值，根据性质4，矩阵B中a、c两站为等价站，可赋予相同的II码值，令IIa=IIc=1；而a、g两站有交叠，必须赋予不同的II码值，令IIg=2。矩阵C中e、b两站有交叠，必须赋予不同的II码值，而子系统C与子系统B无关，故令IIe=1，IIb=2。

⑥ 逆推出在降阶过程中消去的站点的II码赋值。在A中消去了系统A中的无关站f，故IIf可赋予1～15间的任意值，令IIf=1；在A′中消去了系统A′的全相关站d，故IId必须赋予与系统A′中其他站点都不同的II码，根据以上赋值情况，令IId=3。至此，便完成了系统A中各站点II码的指配，如表1所示。

表1 系统A中各站点II码指配

4 实例验证

华东地区为我国民航飞行量最繁忙的地区之一，2016年华东区域全年的空管保障总量达3 609 096架次。为验证本文方法，在具有代表性的华东地区空管系统选取8部S模式二次雷达进行实验。

第1步：询问器代码分配。

根据本文方法对8部S模式二次雷达进行询问器代码分配：将华东地区空管系统的8部S模式二次雷达构造距离矩阵如下：

华东ABCDEFGHA11111100B11111100C11111111D11111111E11111100F11111111G00110111H00110111

根据本文方法，对8部S模式二次雷达II码分配结果如表2所示。

表2 华东地区S模式空管雷达II码指配

第2步：观察验证。

将8部雷达中的所有共同覆盖区域绘制出来，对所有共同覆盖区域内的雷达目标进行1 d时间的运行观察，并未出现明显的目标丢失现象。将H雷达的II码由2更改为1，与G雷达相同，观察1 d，发现共同覆盖区域有目标丢失现象。将H雷达的II码改回2，继续观察1 d，发现共同覆盖区域目标恢复正常，证明之前的目标丢失现象是由于具有共同覆盖区域的G、H两部雷达II码设置冲突造成。通过以上验证，可证明采用本文提出的方法进行询问器代码分配合理可行。

5 结束语

要区别具有共同覆盖区域的相邻S模式二次雷达，目前比较符合我国国情的做法是采用II码进行识别，当S模式二次雷达位置分布及共同覆盖区域较复杂时，直接为每部雷达进行II码赋值比较困难。本文提出的通过构造距离矩阵对一组S模式二次雷达进行II码分配的方法，可以有效提高代码分配效率。当我国未来采用SI码区别具有共同覆盖区域的相邻S模式二次雷达的条件成熟时，也可通过本文提出的方法对一组S模式二次雷达进行SI码分配。因此，该方法在我国空管监视领域S模式技术的实际应用中具有一定的指导意义。

[1] ICAO Annex 10 Volume IV.Surveillance and Collision Avoidance Systems[S].

[2] 张蔚.二次雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3] 王洪,刘昌忠,汪学刚.二次雷达S模式综述[J].电讯技术,2008,48(7):113-118.

[4] 兰鹏.S模式与军用敌我识别[J].电讯技术,2006,46(3):139-143.

[5] Doc9684 AN/ 951.Manual on the Secondary Surveillance Radar(SSR) Systems[S] .

[6] MH/T4010-2006.空中交通管制二次监视雷达设备技术规范[S] .

[7] 王亚涛.空管二次雷达S 模式询问机目标捕获与监视实现方案[J].电讯技术,2010,50(7):71-75.

[8] 兰鹏,曾一江,王凌.S模式地面二次监视雷达及其关键技术分析[J].电讯技术,2012,52(6):840-845.

[9] 曾令赫.S模式雷达网络在我国发展现状及关键问题探析[J].电子测试,2013(14):241-242.

[10] EUROCONTROL.Principles of Mode S Operation and Interrogator Codes[M].France,EUROCONTROL,2003.

Research on Method of Interrogator Code Assignment of Mode S Secondary Surveillance Radar Based on Distance Matrix

ZHAO Bo

(AirTrafficManagementBureau,CivilAviationofEastChina,Shanghai200335,China)

Mode S is a new kind of technology that can gradually replace the traditional mode A/C of secondary surveillance radar.The mode S radar uses the interrogator code as identity information that distinguishes adjacent radars with common coverage areas.It is difficult to directly assign the interrogator code to each radar when the positional relationship and the common coverage area of the mode S radar in the jurisdiction are complex.This paper describes the functions and categories of mode S interrogator code.The distribution characteristics of the interrogator code of mode S secondary surveillance radar are studied by constructing the distance matrix,and a method of interrogator code assignment using distance matrix.This method solves the problem that mode S radar interrogator code assignments are difficult when the radar positional relationship is complex.The reliability of the proposed method has been validated by using the ATM mode S radar system in East China.

secondary surveillance radar;mode S;interrogator code;distance matrix

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.22

赵博.基于距离矩阵的二次雷达S模式询问器代码分配方法研究[J].无线电工程,2017,47(7):90-93.[ZHAO Bo.Research on Method of Interrogator Code Assignment of Mode S Secondary Surveillance Radar Based on Distance Matrix[J].Radio Engineering,2017,47(7):90-93.]

2017-03-22

TN953

A

1003-3106(2017)07-0090-04

赵 博 男，(1984—)，工程师。主要研究方向：民航空管设备规划及运行管理。