Selex二次雷达增强型S模式询问应用分析

梁烈勇

【摘  要】近期民航空管局全面推进空地一致性告警相关应用工具，为配合该项工作，桂林空管站对本站的Selex二次雷达进行了升级和相关设置，使之具备增强型S模式询问能力。论文以该Selex雷达为实例，对雷达的工作方式、原理和应用进行分析。

【Abstract】Recently， CAAC comprehensively promoted the application tools related to air-to-ground consistent warning. In order to cooperate with this work， Guilin Air Traffic Control Station upgraded and set up the Selex secondary radar of this station， making it equipped with enhanced S-mode interrogation capability. This paper takes the Selex radar as an example to analyze the working mode， principle and application of the radar.

【关键词】二次雷达;S模式;应用

【Keywords】secondary radar; S-mode; application

【中图分类号】TN957.5                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）07-0172-04

1 A/C模式全呼询问

Selex雷达兼容传统A/C模式，使用A/C模式全呼进行询问，其波形如图1所示。按ICAO规定，如果询问波形的P4脉冲脉宽为0.8μs，其即为A/C模式全呼询问。它会触发A/C模式应答机产生监视应答，S模式应答机不产生应答，减少窜扰发生。

A/C模式应答机产生的应答信号波形如图2所示。A、B、C、D是信息脉冲，表明一个回答的数据，在模式A和模式C中含义不同。X是备用位（S模式定义逻辑0，高度码单位为英尺，逻辑1单位为公尺）目前恒为逻辑0。SPI是特殊位置识别脉冲。

图2  A/C模式应答信号

雷达通过计算发出P3脉冲和接收到F1框架脉冲的时间间隔tr来测量飞机的距离。其计算公式为：R=c（tr-3μs）/2，其中R为飞机到雷达站的斜距，3μs是应答机响应的延时，c为光速，如果t=tr-3μs，则公式转化为R=0.15t，距离单位是公里。

其方位测量采用单脉冲测角原理，θ=α±Δβ，θ为测得目标方位，α为依据雷达14位编码器得到角度值（瞄准轴方向），Δβ是由OBA法得到的偏离瞄准轴（大小）信息，偏离瞄准轴方向（符号信息）决定“±”值。

2 增强型S模式

S模式中S=Selective即选址模式，在飞机被选中后，雷达对飞机进行选呼以获取信息，这个过程中其他飞机保持静默，降低了同步串扰问题。S模式具有24位飞机编码，大大增加了空中交通管制容量。S模式可采用数据链通信，可交换更丰富，信息更丰富。

P1～P2为模式S询问的前导脉冲，间隔2μs，脉冲宽度为0.8μs，P2脉冲可以抑制A/C模式的应答机误应答。P6是数据脉冲（数据块），宽度16.25μs对应56位数据链，宽度30.25μs对应112位数据链。P6脉冲调制方式采用差动移相键控（DPSK），其速率为4Mbps，每个数据片位是0.25μs。P6的第一个相位反转（phase reversal）位置距P6脉冲前沿1.25μs，称同步相位反转，它是回答定时参考基准并与应答机时钟同步作为DPSK译码开始。P5脉冲用于实现询问的旁瓣抑制（ISLS）。

回答格式由前导脉冲和数据块组成。S模式雷达通过计算同步相位反转脉冲的发射与接收到的第1个应答脉冲之间的时间间隔来测量与飞机的距离。如果有干扰覆盖了前导脉冲的一部分时，4个脉冲中的任何1个脉冲上升沿均可用于测距。其对方位的测量，仍然采用单脉冲测角法。其数据块的长度是56μs或112μs，每一位持续1μs。在片位的1μs里，前0.5μs存在脉冲代表二进制的逻辑1，而后0.5μs存在脉冲代表二进制的逻辑0。

S模式询问和回答数据块各有相对应的25种上行（UP）和下行（DF）格式。目前国际民航组织规定了其中的8种，每个UF总有与其相对应的DF，如表1所示。

关于具体的UF和DF数据格式ICAO附件10第IV卷第三章有详细描述，本文篇幅有限不可能全部讲完。为了更好地理解S模式的工作过程，在此会把一些重要的东西经过归纳总结写出来。

除了格式24外，UF和DF的数据格式码段可分以下几类：格式号、24位S模式地址、雷达识别码（II/SI码）、信息码段（MB、二次代码、高度码）及控制字段组成。

其中格式号如UFxx、DFxx，是一个5位二进制码，如UF11为“01011”，其十进制数就是11。只有UF24（DF24）是例外，只要前兩位为“11”，就认为是UF24（DF24），因为格式0～23的前两位都不会是二进制数“11”，其后3位就安排其他用途，提高数据利用率。

每个数据块都包含了一个AP码段，它是一个用模2加了与G（x）相乘的飞机地址的奇偶字段，它可以解出24位S模式地址码信息，并用于整个数据块的校验。只有UF11例外，因为全呼开始时，雷达不可能知道飞机的地址，所以它的AR码段24位全为“1”。

雷达识别码II/SI，它用于多站锁定协议。例如，在UF11格式中，CL字段为0，表示该雷达支持II码（询问机识别），其IC字段（4位）即为II码，II码总共16个。如果CL不为0，两者组合成SI码（监视识别码），SI码总共64个。其组合规则如下：CL=000，IC值即为II值0～15;CL=001，IC值为SI值0～15;CL=010，IC值即为SI值16～31，以此类推。例如，CL=010，IC=1110，则SI=30（CL和IC，为二进制，SI，II为十进制表示）。

信息类码段有AC码段（高度信息），ID码段（二次代码），MA（MB）56位信息码（BDS信息就是占用这个码段送至雷达的）。

控制类码段，ICAO设计了相当复杂的规则，用于控制雷达和应答机对各种信息的传递，相当枯燥不好理解。要理解其意义，最好从以下几方面考虑：①雷达的能力差异大，且覆盖日益密集;②飞机应答机能力差异大，且飞行流量越来越大;③雷达和飞机都有获取更多信息的需求;④雷达飞机增加造成询问和应答数量增加，窜扰严重，在这种情况下，仍要保证信息的准确有效的传递;⑤所有的技术应用，最终目的是保证飞行的安全。

例如，雷达识别码为什么有两种（II/SI）？可以如此解读：II码总共16个，II=0被ICAO预留，II=14被中国民航局预留用于设备测试，实际上只有14个，编码资源不够。在雷达数量密集的地区，如果两个相邻地区用了相同的II码，可能造成就由某管制区的管控的飞行目标被其他雷达锁定，如两地雷达没联网，它不会在该区管制席位屏幕上出现，目标可能无管制飞行，危及飞行安全。为了保证飞行安全，于是II码扩展为SI码。这又造成新问题，应答机并不都能支持SI码，如果用SI码询问只支持II码的飞机，飞机无法锁定，不能选呼。中国民航局又为此规定：SI应用的前提是覆盖范围内所有S模式应答机具备SI能力，目前暂时不用。桂林的SELEX雷达目前不支持SI，只使用II。

又如，UF11中为何要设计PR码段？PR码段为应答器指定一个应答概率，应答器根据内部算法，以相应概率决定是否回答。其使用意义在于，在窜扰密集区，减少应答概率，即减少了窜扰。如PR=2，应答概率=1/4，理论上全呼询问4次之后，飞机应会被叫到。如果有飞机会在概率算法作用下，在多次呼叫之后也不应答无法捕获时，雷达就会使用II=0进行补充捕获，这个II=0的全呼只有未获取未锁定的飞机会应答。PR字段和II=0规则的设定，保证了在窜扰严重的地区，更准确传递信息，捕获目标，又尽可能地不产生窜扰。

以前文内容为基础，有助于理解下面S模式雷达的一般工作过程：

①雷达发送UF11（全呼），飞机收到后解读II（SI），向雷达发送DF11（见图6），锁定站址。

②雷达接收到DF11（见图6），解读出飞机24位地址（AA）并进行奇偶校验，然后根据CA（能力值）确定下一步动作（开始选呼）。

图6  DF11数据格式

③CA=0，表示这是水平1收发机，仅能用于监视，于是向它发送UF4，UF5（56位）。飞机解码后要验证AP、II（SI）信息，才进行应答。应答格式为DF4、DF5，该格式只能获取高度、二次代码、飞机24位地址码等信息。

④CA=4、5、6、7时，雷达向飞机发送UF20、UF21（见图7），它们会向飞机索取高度、二次代码，还会发送BDS请求;BDS1码（高4位）在RR字段后4位中定义，当DI=7时，BDS2码（低4位）在SD字段RRS子段中定义，如果没有指定BDS2码，则为0。

⑤飞机收到UF20、UF21，验证AP、II（SI）信息后，才进行应答。应答格式为DF20、DF21（见图8）。雷达从UF20、UF21中可获得二次代码和高度信息，还可从MB码段中获取BDS请求相对应的信息。Selex雷达能够获取BDS（1，0），BDS（1，7），BDS（2，0），BDS（4，0），BDS（5，0），BDS（6，0）的信息。具有获取这些BDS信息能力的雷达，即为增强型S模式雷达。飞机上BDS有256个（编号00～FF），具体的定义可见ICAO附件10第三卷的表5-24。雷达获取这些信息，可以更好地掌握飞行器的动态，有助于航迹的形成和预判下一周期飞机可能的位置，还能通过CAT34/48报文向管制席位发送这些信息，供空地一致性工具使用。

注：BDS（1，0）数据链能力报告，BDS（1，7）通用GIGB性能报告，BDS（2，0）航空器识别，BDS（4，0）选择垂直目的，BDS（5，0）追踪和提交报告，BDS（6，0）飞行高度和速度报告。

⑥选呼之后是失锁（分两种情况：roll call没应答，目标没在原来预判的位置或被干扰，叫不到要重新定位;或按照规则，锁定时间到了，应答机自动解锁），重新开始全呼，周而复始，整个问答过程严格遵守既定规则。

3 Selex二次雷达增强型S模式参数设置

具体Selex二次雷达增加型S模式参数如图9所示，在RCP软件上进行。

表中各参数定义为：BDS Code，BDS代码;RD（Reply destination），回答目的;PC（Periodicity constraint）周期限制;OVR（Request override），请求覆盖;EN（Enable/Disable），使能;BDS Req： BDS询问圈数限制;Periodicity：周期。注意：EN必须勾上，BDS req=0（持續询问），Periodicity=0（0为每次天线扫描都询问，设为N则每隔N圈问一次）。如果设置时RCP出现告警，说明雷达RPCM模块的软件版本较低，需要升级。

在设置好BDS询问功能后，还要按用户的需求，把相应的雷达信号输出端口设置成34/48格式输出。操作方法如下：先按程序关闭RPCM，再通过雷达RCP电脑，使用FTP登录软件逐个访问单通道RPCM，登录成功后，寻找路径home-->sirs-->TRKH-->SCP目录，修改TRACKER_SCP_FILE.dat， TRACKER_SCP_FILE.dat.0，TRACKER_SCP_FILE.dat.1三个文档中的153（230）行（见图10），即SCP_ENABLE_ASTERIX=ai=0，2，1，1，1，2，1，1，1，1，1，第1个0不动，后面的10个数字分别对应10个端口的输出，其中0=NO asterix，1=asterix 01-02，2=asterix 34-48，把需要改的端口设成2，修改完成后保存文件。

图11可以看到二次雷達增强模式的效果。图是从SMR软件的目标显示中随机截下来，从图中可直观看到目标代码为2445，S模式代码780F72，航班号，以及BDS（1，0），BDS（1，7），BDS（2，0），BDS（4，0），BDS（5，0），BDS（6，0）相应数值码串。在实际观察中，飞机应答机能力差异很大，各种应答机都有。从数量上简单统计：只具备A/C模式功能的应答机数量稀少，观察较长时间才能发现一个;只提供S模式地址码，不提供任何BDS信息的应答机数量也不多;大多数应答机能提供完全BDS的信息，在这种应答机支持下，二次雷达增强模式才能发挥作用。

桂林Selex二次雷达使用增强型S模式询问获得相应BDS信息，再把它们用34/48报文送至相应管制终端后，管制部门就可以使用相应的空地一致性告警相关应用工具对飞机进行管控。其典型应用如下，管制对一架飞机发出指令，如让它升到6000m，如果它并没有按指令执行或上升到其他高度（如7000m），自动化系统就会发出告警提醒管制员（该项操作的前提是，此飞机的应答机必须支持增强型S模式询问）。该项功能使管制员不必分配过多精力去关注指令执行情况，减轻了管制员的工作负担，降低了工作繁忙时由于人员疏忽带来差错的可能性，有效地提升了飞行安全。

【参考文献】

【1】ICAO国际民航公约附件10-航空电信（第三卷）[EB/OL].https：//www.doc88.com/p-3837325420069.html，2019-10-31.

【2】ICAO国际民航公约附件10-航空电信（第四卷）：监视和防撞系统[EB/OL].https：//www.doc88.com/p-9893923520052.html，2019-10-31.

【3】张尉.二次雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2007.