航管一、二次雷达信号质量分析浅析

2021-07-28刘义

数字技术与应用 2021年6期

刘义

(中国民用航空华北地区空中交通管理局,北京 100621)

0 引言

民航雷达信号源从使用场景分类可以分成两类,一类是机场场面雷达,一类是进近和航路雷达。机场场面雷达包括场面监视雷达(SMR)和场面多点相关监视系统(MLAT)。进近和航路雷达一般包括一次雷达(PSR)和二次雷达(SSR)以及广域多点相关监视系统(WAM)。另外广播式自动相关监视系统(ADS-B)在一定条件下即可以用于场面监视,也可以用于进近和航路监视。在本文中,笔者仅以一次雷达和二次雷达作为目标对象进行论述。

1 影响航管一、二次雷达信号质量的因素

航管一、二次雷达信号主要提供给自动化系统使用,用于在管制员的屏幕上显示目标的位置、标识等信息。在整个信号的传输路径上,共涉及三个不同的专业:雷达、网络传输和自动化专业,这三部分因素都有可能影响到雷达输出的信号质量。就雷达自身来说,有以下两个因素可能影响雷达的信号质量:

1.1 雷达设备原因造成的输出信号质量下降

当雷达的电气性能下降、参数配置错误或阵地优化有问题时都会导致雷达信号质量下降。比如,雷达的方位编码器出现问题时,雷达对目标方位的探测会失准;发射功率或接收机灵敏度下降时,可能会导致覆盖范围缩小;当处理阈值配置不正确,可能会导致目标分裂;当雷达未屏蔽场面目标时,会导致管制员不需要看到的目标出现。

1.2 雷达输出的假目标

雷达不可避免会产生假目标。就一次雷达来说,提高发现概率,虚警概率就会上升。我们需要把雷达的虚警概率保持在一定的范围内即可。一次雷达受气象条件影响较大,特殊天气也会造成假目标的出现。对于二次雷达,有同步干扰、异步串扰、反射等原因会形成假目标,这些假目标的出现会影响管制员正常指挥飞机。

网络传输原因造成雷达信号质量下降也是一个重要的因素。在传输质量不佳的环境,传输错误包较多,雷达数据报丢失,使雷达点迹时有时无,影响到后端自动化系统的融合工作。笔者也曾经遇到过无时标的老雷达,在传输延时较大的情况下,由于自动化融合时无法通过时标来丢弃有问题的数据,进而造成大量目标分裂的现象。自动化系统多雷达融合算法是保障多雷达目标融合后正确显示的重要一环,如果出现问题,将直接反馈在管制员的屏幕上,这也是影响雷达信号质量的最终要素,该算法也处在不断的改进之中。

2 判断雷达信号质量的数据指标

航管一、二次雷达的信号质量数据指标有很多种,大致可以分为三类。第一类是雷达数据性能指标。比如目标的检测概率。检测概率是指探测目标数量和预期目标数量之间的比率,预期目标数量通常由测试软件曲线拟合后的数值给出。目标检测概率用来表示雷达对目标的捕获和位置检测性能。一次雷达和二次雷达通常要求该指标大于98%、90%。除此之外,还有代码有效性、合成率、虚假目标率、方位或位置的精度和分辨力等。这些指标可以很直观的评估雷达信号的总体质量。

在实际的设备保障中,对雷达输出数据进行在线测试分析,是提供连续可靠的监视服务的关键。当前对一、二次雷达信号质量的评估软件主要分三大类:第一类为官方评估工具,广泛使用Eurocontrol的SASS-C和FAA的RBAT[1];第二类为商业公司的评估工具,权威工具是IE的R A S S-R;第三类是各雷达厂家的专用评估工具,如SELEX公司的ARTES-AES,这类工具可对其系统进行更深入的分析。所有工具都是对雷达输出数据进行重构得出基准数据进行相应的评估(SASS-C软件重建的雷达航迹,如图1所示)。

图1 SASS-C软件重建的雷达航迹Fig.1 The radar track reconstructed by SASS-C software

判断雷达信号质量数据指标的第二类是传输质量指标,主要包括雷达输出的ASTERIX格式数据CAT01、02或34、48的数据包中正北、扇区包的准确性;对比数据报的时标及外接仪表的时标来获得传输延时的大小;FCS错误量以及数据占用带宽等。通常测试雷达传输质量,使用最多的仪表是恒光8810。通过在不同测试场景下,可以测试从雷达处理器到自动化系统前端的数据传输质量。例如接在雷达头处理器下可以测试处理延时,接在传输设备输出端口可以测试总体传输延时。第三类是S模式数据指标。S模式雷达对比传统二次雷达,能够提供更多的信息。近年来,在对S模式雷达的运维过程中发现了不少问题,比如增强型S模式雷达输出的寄存器信息,有时并不会在每个雷达周期进行更新,导致自动化显示信息滞后,与空中信息不对称。通常测试S模式数据指标,我们会使用定制工具,统计雷达数据包内S模式数据项,进而调整或优化S模式雷达的配置策略。

3 解决雷达信号质量问题的方法

现行的设备保障故障处理模式是基于属地化的管理并且要下沉一级,对雷达来讲,就是负责雷达故障处理及协助判断传输问题。在欧控文件中,对处理雷达信号问题的模型共有三级[2]。第一级是针对雷达整机的性能分析:使用信号质量的评估软件,分析雷达输出的数据质量指标是否满足规范要求。第二级是详细的技术性分析。分析信号质量下降的具体原因:如某区域目标检测概率下降,结合覆盖图进行分析,是否受到硬件原因影响或是否受到了干扰;如产生假目标,分析是何种类型的假目标,具体区域是否固定,是否是应答机问题。第三级是模块化分析。在明确了影响信号质量的大体方向上,继续测量雷达模块的电气或机械参数,确定并排除故障点。在排除故障点之后,再次使用评估软件测试雷达数据是否满足标准。

笔者应用该理论解决过两个具体问题。某日,对某雷达录制的数据进行分析,发现二次雷达B通道检测概率92%,A通道检测概率99%。自动化未反应雷达信号异常。在现场观察信号发现,主用B通道多个目标的航迹输出不平滑,但应还处于自动化合成综合航迹门限以内,未给用户造成影响,A通道观察信号正常,随即切换至A路提供使用。观察B通道OBA图不正常,随即调整B通道三通道增益平衡,调整后分析B通道输出数据,检测概率达标,信号质量正常。

某日,进近管制报在某雷达本场北20～30km处有多个航班出现矢量线摆动情况,对管制指挥有影响(某航班在降落时航迹摆动情况,如图2所示)。根据雷达原理,电磁波沿直线传播,由于地球曲率原因,某雷达在探测低空目标时,在某些角度条件下可能受到高大建筑物遮挡影响(市内的高楼)。根据IE软件分析,该区域某雷达探测角度为0.3°至-1.5°范围,该范围雷达垂直覆盖可能出现波束开裂情况,探测目标位置可能出现偏差。另外,由于某雷达运行于S模式,S模式回波数量较A/C模式少,且在飞机转弯时回波强度起伏较大,对方位的检测可能存在偏差。通过对雷达数据进行分析,从回波数量着手,调整了某雷达在该区域的相关参数。调整后,管制部门再无反映该问题。