基于二次雷达的机场雷达探测终端的设计与应用

廖毅轩

摘要：随着航空技术的发展，机场雷达终端系统得到了广泛的应用。其设计过程以二次雷达原理为基础，引导和控制飞机。文章对二次雷达探测终端的工作原理和系统组成进行说明，从系统设备组成以及系统设计要求两个方面对二次雷达系统的设计方式进行概述。文章通过实验的方式对提出的机场雷达探测终端进行检验，结果发现设计的机场雷达探测终端在探测范围和探测距离精度两个方面均符合探测标准，以期通过对机场雷达探测终端的研究提升机场运转的稳定性。

关键词：二次雷达；航空技术；终端系统

中图分类号：TN958.96  文献标志码：A

0 引言

随着我国航空事业的发展，通用机场的数量持续增加。相关数据显示，截至2022年6月，通用机场数量达384个，受飞机起飞架次数量扩大的影响，飞行管理难度明显提升［1］。在飞行过程中，交织码元幅度信息的变化不是规则的，这使得在飞机的应答信号交织时，传统的二次雷达识别和提取精确度有所降低，如提取错误的代码、高度测角精度不够等方面。加强飞行管理是航空事业发展的重要一环，这就要求机场的终端系统具有较强的处理能力和抗干扰能力［2］。余苗［3］针对二次雷达设计出一种补偿系统，通过实验验证后发现该系统具有降低时间及人力成本和提高精准程度等优点。本文提出了机场雷达终端的设备组成及设计要求，以期能够为我国未来机场雷达系统的开发提供参考，为终端系统的实际应用提供借鉴。

1 二次雷达探测终端原理

1.1 工作原理

二次雷达在开机状态下，可以初始化信号处理机和信号交换机等设备，其工作方式为电源模块发送电压到其他模块中。在初始化过程中，由于接收命令和控制数据的不同，系统对命令和控制的响应方式也不同。主程序不受这一规则限制，不会受到任何命令或数据的影响［4］。

二次雷达通常由操作员通过雷达监视或本地监视的方式，将获取的查询模式与方向等数据传输到信号处理机，就可以达到定位目标位置的目的。其内部的工作模式略显复杂，将信息通过数据融合单元进行处理，并把查询处理后的信息传输给其他单元。能够接收这种信息的单元有两个，分别为编码单元和解码单元。其会根据请求方式的不同，用修改或混合的方式来处理发射机的频率码与编码符号等，通过开关发送无线电信号。

二次雷达依靠主雷达显示的点航迹数据来判断目标位置，点航迹数据的获取则通过3条信道和接收机获得。信道主要为Ω天线通道、∑天线信道以及Δ天线信道。接收机的主要作用就是将产生的基带IQ信号发送至信号处理机，此设备处理方式包括幅度压缩、点迹凝集等。

1.2 目标检测原理

二次雷达作为雷达终端设计的重要部分，系统进行目标检测期间与飞机的反射面积不存在相关性，即一次雷达与二次雷达在对目标进行检测中的方式存在差异。与一次雷达相比，二次雷达在信息传输过程中产生的数据量更低。系统在进行目标检测的过程中，不是检测飞机的反射能量，而是由其接收飞机发射信号后产生的信号回波。因此，雷达终端系统的检测与飞机的反射面積无关，回波强度不会发生改变。除此以外，雷达终端系统在接收和发送信号期间的频率存在差异。当地面或气象目标发射信号时，由于其信号接收为1 030MHz接收机，无法对1 090MHz接收机接收系统终端信号造成干扰。其信号类型不仅包括目标的距离，还涵盖了目标的代码、高度等信息内容。本研究通过对雷达终端系统目标检测原理的说明，阐述了系统组成及系统设计的要求，以此为基础，为后续进行雷达终端系统实验奠定基础。

1.3 系统组成

雷达终端系统由3种系统组成，如图1所示。其中，主机分系统包括两个部分：处理和转化分机。

天馈分系统又被称为二次雷达天线，其组成部分可以分为3种，第一种为左半部分，由相应的辐射单元构成，其中包含35个前向辐射振子和1个反向辐射振子，所有辐射振子构成方式相同，由11个耦集子构成。此系统第二部分和第三部分同样由辐射单元构成［5］。

主机分系统根据各分机负责的内容不同，将内部分机分为两种。第一种为处理分机，它主要负责各个模块的构成，例如信号处理模块的构成、电源模块的构成等。第二种为转换分机，它主要作用为可筛选多   种射频信号，选择信号传输和接收的最佳路径［6］。

监控分系统通过网线与主机系统连接。该系统主要由两部分组成，分别为维护软件和计算机。其中，维护软件主要依靠计算机来运行，在传输监控数据方面有着重要的作用。

2 二次雷达系统设计

2.1 系统设备组成

雷达终端系统由3个部分组成。第一种为天馈系统，主要负责通过天线传输电磁波来实现辐射询问信号和接收应答信号的功能。第二种为主机系统，是雷达系统中最重要的组成部分，整个系统中主要的工作都由其内部的处理分机和转换分机完成。第三种为监控系统，主要负责控制二次雷达接收机的工作以及通过监控维终端完成对接收机的监控工作。二次雷达系统设计的设备组成功能及数量如表1所示。

以处理分机为例，其由询问电源、发射机、信号处理等模块构成，处理分机的组成如图2所示。

2.2 系统设计要求

机场雷达的终端系统对性能的要求很高，具体数据的精准程度指标如表2所示。

环境条件要求如下：（1）温度要求。室内温度最低温度要求为0℃、最高温度要求为45℃，室外温度最低温度要求为-50℃、最高温度要求为70℃；（2）湿度要求。在室内工作时，如果温度为30℃，工作环境的最低湿度为30%，最高湿度应≤98%；（3）供电要求。雷达系统主机工作电流为220 V，最佳工作电压为50 Hz，电压为交变电压，主机系统的耗电量不大于3 kVA，系统功耗要求低于10 kVA。

本次测试的雷达系统通过对工作设备进行了冗余设计，使得到的测试结果具有时效性强、准确度高等优点。冗余设计根据设计方法的不同，分为双重热备份和模块冗余备份两个部分。虽然双重热备份相比模块冗余备份，系统有更高的稳定性和独立性，但是基于可靠性和成本、功耗等方面考虑，本研究选择了更适合项目测试。

3 应用效果分析

为证明本次设计的系统性能指标可以满足雷达终端系统的设计要求，可以作为该系统的数据基础。在进行实验前，本研究仔细检测了主机分系统等所有参加测试的系统是否能够正常工作并将雷达系统整体调试到最佳状态。准备工作完成后，本次实验将在某实验地点进行。

3.1 实验方法

3.1.1 雷达终端系统探测范围检验方法

测试雷达终端系统的范围应用以下方法：（1）在雷达终端系统保持开机状态下，连续24h对目标进行探测；（2）通过雷达探测得到的结果，记录被探测目标可以达到的最远距离，记录方法可以为人工记录或分析终端分系统所提供的数据等。

合格判据：从实验结果中挑取探测高度超过10 km的数据，若雷达的探测距离超过380km，则符合探测范围测试设计要求。

3.1.2 雷达终端系统探测精度检验方法

测试雷达终端系统的探测精度应用以下方法：（1）在雷达终端系统保持开机的状态下，连续24h探测空中民航飞机；（2）在终端系统工作时同时记录分系统的工作数据；（3）利用ADS-B地面站自动获取其监测范围内飞机的位置信息；（4）将测量的数据结果和系统测量结果进行对比，分析后计算距离精确度和方位精确度的平均方根值，以此来判断系统的精确度。

合格判据：系统测试以距离和方位两个指标为判断依据，方位精度和距离精度设计要求分别为<0.1°和<45m。

3.2 结果统计

此基于二次雷达的机场雷达探测终端实验，通过对探测范围以及探测距离精度进行检验，实验数据结果如表3所示。

通过表3中的数据统计结果可见，提出的系统探测范围和探测距离精度检验的数据分别为459.2km、19.8m，证实本次实现设计的指标符合雷达终端系统的设计标准。

4 结语

本文通过对雷达终端系统的研究，获取关键性的技术手段。本文通过雷达探测终端系统对飞机监测数据与ADS-B地面站数据进行对比分析的结果，提出的机场雷达终端系统在探测范围和探测距离精度方面均满足设计要求，在航空飞行管理的整体改进和机场雷达终端系统的实际应用方面有着重要的理论价值。

参考文献

［1］李红兵.二次雷达显控终端的设计与实现［J］.舰船电子对抗，2019（1）：112-116.

［2］刘嵩义.二次雷达系统干扰等问题的解决方法［J］.电子测试，2019（23）：124-126.

［3］余苗.高精度窄波束二次雷达指向精度补偿［J］.现代导航，2020（2）：136-139，145.

［4］陈伟，巫文俊，邹亮.ADS-BIN在二次雷达系统中的应用［J］.电子技术与软件工程，2022（11）：160-163.

［5］水泉，黃涛.基于通用服务器平台的S模式二次雷达系统研制［J］.电子技术与软件工程，2020（7）：91-95.

［6］杨思.二次雷达仿真和实测数据质量评估［D］.天津：中国民航大学，2020.

（编辑 王永超）

Design and application of airport radar detection terminal based on secondary radar

Liao  Yixuan

（Civil Aviation Guangzhou ATM Systems Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510410， China）

Abstract：  With the development of aviation technology， the airport radar terminal system has been widely used. Its design process is based on the principle of secondary radar to realize the purpose of aircraft guidance and control. The working principle and system composition of the secondary radar detection terminal are explained， and the design mode of the secondary radar system is summarized from two aspects of the system equipment composition and the system design requirements. The proposed airport radar detection terminal is tested by experiment， and the results are found that the designed airport radar detection terminal meets the detection range and detection distance accuracy， in order to improve the stability of the airport operation through the research of the airport radar detection terminal.

Key words： secondary radar; aeronautical technology; terminal system