趙 博

(中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局，上海 200335)

基于距離矩陣的二次雷達(dá)S模式詢(xún)問(wèn)器代碼分配方法研究

趙 博

(中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局，上海 200335)

S模式是一項(xiàng)可逐步取代傳統(tǒng)A/C模式的二次雷達(dá)新技術(shù)。S模式雷達(dá)使用詢(xún)問(wèn)器代碼作為與具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達(dá)進(jìn)行區(qū)分的身份信息。當(dāng)轄區(qū)內(nèi)S模式雷達(dá)的位置關(guān)系及共同覆蓋區(qū)域較復(fù)雜時(shí)，直接為每部雷達(dá)進(jìn)行詢(xún)問(wèn)器代碼賦值比較困難。闡述了S模式詢(xún)問(wèn)器代碼的功能和類(lèi)別。通過(guò)構(gòu)造距離矩陣研究S模式二次雷達(dá)詢(xún)問(wèn)器代碼的分布特性，提出了一種利用距離矩陣進(jìn)行詢(xún)問(wèn)器代碼分配的方法。該方法解決了復(fù)雜位置關(guān)系下的S模式雷達(dá)詢(xún)問(wèn)器代碼分配較困難的問(wèn)題，通過(guò)華東地區(qū)空管S模式雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)該方法的可靠性進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

二次雷達(dá)；S模式；詢(xún)問(wèn)器代碼；距離矩陣

0 引言

空管二次雷達(dá)是一種用于監(jiān)視飛機(jī)飛行航跡及狀態(tài)的地面?zhèn)鞲衅?，隨著空中交通流量的快速增加，傳統(tǒng)A/C模式二次雷達(dá)所固有的技術(shù)缺陷已導(dǎo)致其不能滿(mǎn)足空中交通管制指揮的需求。為此，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA) 推出了一種稱(chēng)為S 模式的新的二次雷達(dá)詢(xún)問(wèn)工作模式，并被國(guó)際民航組織(ICAO)接受，相關(guān)規(guī)定納入國(guó)際民航組織規(guī)范附件10(ICAO ANNEX10) 中作為二次雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。S模式采用選址詢(xún)問(wèn)的工作模式，有效地克服了同步竄擾和異步干擾；采用24位地址碼進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，解決了二次代碼不夠用的問(wèn)題；通過(guò)擴(kuò)展數(shù)據(jù)鏈功能，擴(kuò)大了目標(biāo)信息量[2-3]。

詢(xún)問(wèn)器代碼作為對(duì)具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達(dá)進(jìn)行區(qū)分的身份信息[4-6]，是S模式技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用。有限的詢(xún)問(wèn)器代碼數(shù)量與S模式二次雷達(dá)不斷增加形成矛盾，尤其是當(dāng)S模式二次雷達(dá)位置分布及共同覆蓋區(qū)域較復(fù)雜時(shí)，直接為每部雷達(dá)進(jìn)行詢(xún)問(wèn)器代碼賦值比較困難。如何快速、有效地為轄區(qū)內(nèi)的每部S模式二次雷達(dá)分配詢(xún)問(wèn)器代碼成為了目前亟待解決的重要問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]對(duì)S模式雷達(dá)的“捕獲”和“鎖定”功能進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[8]對(duì)S模式詢(xún)問(wèn)器代碼的分類(lèi)和功能進(jìn)行了闡述，文獻(xiàn)[9]介紹了S模式雷達(dá)協(xié)調(diào)網(wǎng)和鎖定策略地圖。本文對(duì)復(fù)雜位置關(guān)系下的S模式雷達(dá)詢(xún)問(wèn)器代碼分配問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要思路將轄區(qū)內(nèi)的所有S模式二次雷達(dá)看作一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)造該系統(tǒng)的距離矩陣研究S模式二次雷達(dá)詢(xún)問(wèn)器代碼的分布特性，并利用詢(xún)問(wèn)器代碼分布特性進(jìn)行代碼分配。

1 S模式詢(xún)問(wèn)器代碼的功能和類(lèi)別

與傳統(tǒng)A/C模式相異，S模式二次雷達(dá)通過(guò)全呼和選呼2個(gè)過(guò)程獲取目標(biāo)信息。通過(guò)全呼，雷達(dá)將探測(cè)范圍內(nèi)的目標(biāo)識(shí)別入庫(kù)，目標(biāo)將對(duì)捕獲它的雷達(dá)進(jìn)行“鎖定”，即18 s內(nèi)不再應(yīng)答該雷達(dá)的全呼詢(xún)問(wèn)，只應(yīng)答該雷達(dá)的選呼詢(xún)問(wèn)，以減少混擾(Gable)。S模式雷達(dá)使用詢(xún)問(wèn)器代碼(Interrogator Code，IC)作為與具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達(dá)進(jìn)行區(qū)分的身份信息。飛行目標(biāo)會(huì)在雷達(dá)的全呼詢(xún)問(wèn)中收到詢(xún)問(wèn)器代碼信息以識(shí)別自己是被哪一部雷達(dá)捕獲，從而對(duì)其“鎖定”。具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰雷達(dá)的IC碼不能相同，否則，當(dāng)某個(gè)目標(biāo)被其中一部雷達(dá)捕獲并“鎖定”時(shí)，另一部雷達(dá)在“鎖定”期間便無(wú)法探測(cè)該目標(biāo)，從而造成目標(biāo)丟失[7-8]。

詢(xún)問(wèn)器代碼包括“II碼(Interrogator Identifier Code)”和“SI碼(Surveillance Identifier Code)”2種類(lèi)型，II碼一般取值范圍為1～15，SI碼一般取值范圍為1～63。SI碼雖然數(shù)量較多，但并非所有的機(jī)載應(yīng)答機(jī)都支持，現(xiàn)階段我國(guó)還是利用II碼來(lái)區(qū)別具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰S模式二次雷達(dá)。當(dāng)II碼數(shù)量不夠分配，且無(wú)法使用SI碼時(shí)，理論上還可使用監(jiān)視協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)(Surveillance coordination network，SCN)將具有共同覆蓋區(qū)域的幾個(gè)相鄰雷達(dá)進(jìn)行編組，共用同一個(gè)II碼[10]。

2 S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)距離矩陣的構(gòu)造及其特性分析

2.1 距離矩陣的構(gòu)造

設(shè)某個(gè)區(qū)域有n部S模式二次雷達(dá)，稱(chēng)其為S模式雷達(dá)系統(tǒng)A，A內(nèi)各站點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離可由n階矩陣Ad表示,

(1)

S模式二次雷達(dá)一般作用距離為200海里，當(dāng)2部雷達(dá)之間的距離小于400海里時(shí)，覆蓋區(qū)域便會(huì)交疊，必須賦予不同的II值，于是，Ad矩陣內(nèi)各元素值定義為：當(dāng)dij>400海里時(shí)，aij=0；當(dāng)dij<400海里時(shí)，aij=1，得

(2)

n階矩陣A表示的是系統(tǒng)A中所有站點(diǎn)的覆蓋范圍是否有交疊的相對(duì)關(guān)系。

2.2S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)距離矩陣的性質(zhì)

基于系統(tǒng)A所構(gòu)造的距離矩陣A具有如下性質(zhì)：

性質(zhì)1：矩陣A關(guān)于主對(duì)角線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，且主對(duì)角線(xiàn)元素值全部為1；

性質(zhì)2：當(dāng)矩陣A的第i行中所有元素均滿(mǎn)足aij=0(i≠j，j=1,2,…，n)時(shí)，表示在系統(tǒng)A中，i站與其余各站點(diǎn)的直線(xiàn)距離均大于400海里，可稱(chēng)其為系統(tǒng)A中的無(wú)關(guān)站，從而i站的II碼賦值與系統(tǒng)A內(nèi)其他各站點(diǎn)都無(wú)關(guān)，可賦予1～15的任意值；

性質(zhì)3：當(dāng)矩陣A的第i行中所有元素均滿(mǎn)足aij=1(j=1,2,…，n)時(shí)，表示在系統(tǒng)A中，i站與其余各站點(diǎn)的直線(xiàn)距離均小于400海里，可稱(chēng)其為系統(tǒng)A中的全相關(guān)站，從而i站必須賦予與系統(tǒng)A內(nèi)其他站點(diǎn)都不同的II碼值；

3 利用距離矩陣性質(zhì)分配II碼的方法

3.1 分配步驟

具體分配步驟如下：

① 根據(jù)性質(zhì)1構(gòu)造系統(tǒng)A內(nèi)各站點(diǎn)間距離關(guān)系矩陣A；

② 根據(jù)性質(zhì)2找出無(wú)關(guān)站，將無(wú)關(guān)站的II碼賦予1～15間的任意值。劃去無(wú)關(guān)站所在的行和列，將矩陣A降階為矩陣A′；

③ 根據(jù)性質(zhì)3找出全相關(guān)站，將全相關(guān)站的II碼賦予與系統(tǒng)內(nèi)其他站點(diǎn)均不同的值。劃去全相關(guān)站所在的行和列，將矩陣A′降階為矩陣A″；

④ 根據(jù)性質(zhì)4找出等價(jià)站；

⑤ 對(duì)矩陣A″進(jìn)行變換，如能拆分為子系統(tǒng)B和子系統(tǒng)C，則可分別對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立分析；

⑥ 對(duì)各子系統(tǒng)重復(fù)步驟②～步驟⑤，直至不能降階化簡(jiǎn)或拆分子系統(tǒng)。對(duì)化至最簡(jiǎn)的各子系統(tǒng)，采用觀察法用1～15的自然數(shù)進(jìn)行II碼賦值，同時(shí)，逆推出在降階化簡(jiǎn)過(guò)程中消去的站點(diǎn)的II碼賦值，從而完成全系統(tǒng)所有站點(diǎn)的II碼賦值。

3.2 應(yīng)用舉例

設(shè)系統(tǒng)A由a、b、c、d、e、f、g共7部S模式二次雷達(dá)組成，其分布情況如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)A各站點(diǎn)分布

① 構(gòu)造距離矩陣A如下：

Aabcdefga1001001b0101100c0011001d1111101e0101100f0000010g1011001

② 根據(jù)性質(zhì)2，f站為系統(tǒng)內(nèi)的無(wú)關(guān)站，將f站的II碼賦予1～15的任意值，消去f行和f列，得降階矩陣A′：

A'abcdega100101b010110c001101d111111e010110g101101

③ 根據(jù)性質(zhì)3，d站為A′中的全相關(guān)站，其II碼必須賦予與系統(tǒng)A′內(nèi)其余臺(tái)站均不相同的值，消去d行和d列，得降階矩陣A″：

A″abcega10001b01010c00101e01010g10101

④ 將矩陣A″的b行和g行、b列和g列分別對(duì)調(diào)，得矩陣A0″，從而將系統(tǒng)A拆分為2個(gè)無(wú)關(guān)的子系統(tǒng)B和C，如下所示。

A0″agceba11000g11100c01100e00011b00011

Bagca110g111c011

Cebe11b11

⑤ 對(duì)子系統(tǒng)B和C進(jìn)行II碼賦值，根據(jù)性質(zhì)4，矩陣B中a、c兩站為等價(jià)站，可賦予相同的II碼值，令I(lǐng)Ia=IIc=1；而a、g兩站有交疊，必須賦予不同的II碼值，令I(lǐng)Ig=2。矩陣C中e、b兩站有交疊，必須賦予不同的II碼值，而子系統(tǒng)C與子系統(tǒng)B無(wú)關(guān)，故令I(lǐng)Ie=1，IIb=2。

⑥ 逆推出在降階過(guò)程中消去的站點(diǎn)的II碼賦值。在A中消去了系統(tǒng)A中的無(wú)關(guān)站f，故IIf可賦予1～15間的任意值，令I(lǐng)If=1；在A′中消去了系統(tǒng)A′的全相關(guān)站d，故IId必須賦予與系統(tǒng)A′中其他站點(diǎn)都不同的II碼，根據(jù)以上賦值情況，令I(lǐng)Id=3。至此，便完成了系統(tǒng)A中各站點(diǎn)II碼的指配，如表1所示。

表1 系統(tǒng)A中各站點(diǎn)II碼指配

4 實(shí)例驗(yàn)證

華東地區(qū)為我國(guó)民航飛行量最繁忙的地區(qū)之一，2016年華東區(qū)域全年的空管保障總量達(dá)3 609 096架次。為驗(yàn)證本文方法，在具有代表性的華東地區(qū)空管系統(tǒng)選取8部S模式二次雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

第1步：詢(xún)問(wèn)器代碼分配。

根據(jù)本文方法對(duì)8部S模式二次雷達(dá)進(jìn)行詢(xún)問(wèn)器代碼分配：將華東地區(qū)空管系統(tǒng)的8部S模式二次雷達(dá)構(gòu)造距離矩陣如下：

華東ABCDEFGHA11111100B11111100C11111111D11111111E11111100F11111111G00110111H00110111

根據(jù)本文方法，對(duì)8部S模式二次雷達(dá)II碼分配結(jié)果如表2所示。

表2 華東地區(qū)S模式空管雷達(dá)II碼指配

第2步：觀察驗(yàn)證。

將8部雷達(dá)中的所有共同覆蓋區(qū)域繪制出來(lái)，對(duì)所有共同覆蓋區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行1 d時(shí)間的運(yùn)行觀察，并未出現(xiàn)明顯的目標(biāo)丟失現(xiàn)象。將H雷達(dá)的II碼由2更改為1，與G雷達(dá)相同，觀察1 d，發(fā)現(xiàn)共同覆蓋區(qū)域有目標(biāo)丟失現(xiàn)象。將H雷達(dá)的II碼改回2，繼續(xù)觀察1 d，發(fā)現(xiàn)共同覆蓋區(qū)域目標(biāo)恢復(fù)正常，證明之前的目標(biāo)丟失現(xiàn)象是由于具有共同覆蓋區(qū)域的G、H兩部雷達(dá)II碼設(shè)置沖突造成。通過(guò)以上驗(yàn)證，可證明采用本文提出的方法進(jìn)行詢(xún)問(wèn)器代碼分配合理可行。

5 結(jié)束語(yǔ)

要區(qū)別具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰S模式二次雷達(dá)，目前比較符合我國(guó)國(guó)情的做法是采用II碼進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)S模式二次雷達(dá)位置分布及共同覆蓋區(qū)域較復(fù)雜時(shí)，直接為每部雷達(dá)進(jìn)行II碼賦值比較困難。本文提出的通過(guò)構(gòu)造距離矩陣對(duì)一組S模式二次雷達(dá)進(jìn)行II碼分配的方法，可以有效提高代碼分配效率。當(dāng)我國(guó)未來(lái)采用SI碼區(qū)別具有共同覆蓋區(qū)域的相鄰S模式二次雷達(dá)的條件成熟時(shí)，也可通過(guò)本文提出的方法對(duì)一組S模式二次雷達(dá)進(jìn)行SI碼分配。因此，該方法在我國(guó)空管監(jiān)視領(lǐng)域S模式技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義。

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

[2] 張蔚.二次雷達(dá)原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[3] 王洪,劉昌忠,汪學(xué)剛.二次雷達(dá)S模式綜述[J].電訊技術(shù),2008,48(7):113-118.

[4] 蘭鵬.S模式與軍用敵我識(shí)別[J].電訊技術(shù),2006,46(3):139-143.

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

[6] MH/T4010-2006.空中交通管制二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備技術(shù)規(guī)范[S] .

[7] 王亞濤.空管二次雷達(dá)S 模式詢(xún)問(wèn)機(jī)目標(biāo)捕獲與監(jiān)視實(shí)現(xiàn)方案[J].電訊技術(shù),2010,50(7):71-75.

[8] 蘭鵬,曾一江,王凌.S模式地面二次監(jiān)視雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電訊技術(shù),2012,52(6):840-845.

[9] 曾令赫.S模式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題探析[J].電子測(cè)試,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

趙博.基于距離矩陣的二次雷達(dá)S模式詢(xún)問(wèn)器代碼分配方法研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程,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

趙 博 男，(1984—)，工程師。主要研究方向：民航空管設(shè)備規(guī)劃及運(yùn)行管理。