張 銀，王 強，夏喜龍

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

二次雷達是一種空管雷達信標系統(tǒng)，由西方的敵我識別系統(tǒng)發(fā)展而來，采用詢問應(yīng)答協(xié)同式工作原理，即詢問機對監(jiān)視空域內(nèi)的飛機發(fā)出詢問信號，飛機應(yīng)答機接收到詢問后產(chǎn)生應(yīng)答信號，通過對應(yīng)答信號的接收處理來實現(xiàn)飛機定位。由于二次雷達采用協(xié)同方式工作，所以還能獲取飛機的身份(3/A代碼)和高度(C模式氣壓高度)等信息，因此二次雷達具備雷達和通信的雙重功能[1]，是提供空中飛行情報及態(tài)勢的主要信息來源，不僅是現(xiàn)代空管系統(tǒng)必配設(shè)備之一，還廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[2]。

相控陣天線不必機械轉(zhuǎn)動就可在所要觀察的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)波束電掃描，非常方便靈活，很多平臺開始應(yīng)用相控陣技術(shù)來提升二次雷達的能力，如文獻[3]利用圓環(huán)相控陣天線實現(xiàn)S模式技術(shù)；美國“尼米茲”航母用圓環(huán)相控陣天線提升二次雷達的能力[1]。

1 相控陣二次雷達測角原理

二次雷達多采用幅度和差單脈沖原理來測量目標方位角。如圖1所示，和差波束的幅度反映了偏離波束中心的角度，差波束左右兩邊相位相差180°，反映了目標方向。二次雷達系統(tǒng)測角時，事先測得天線方向圖數(shù)據(jù)，將測角區(qū)域和差幅度值、差相位制作成OBA表，探測時根據(jù)和差接收通道幅度值、符號位(差相位)查OBA表得到目標偏離波束中心的角度，再加上波束指向即可得到目標方位角。

圖1 和差方向圖

相控陣二次雷達測角原理與機掃二次雷達一樣，都是利用幅度和差單脈沖原理。不同的是，機掃二次雷達只有一個波束，利用機械轉(zhuǎn)動達到360°范圍的空域掃描，相控陣二次雷達通過控制相位在不同方向形成波束并依次調(diào)動波束來完成全空域掃描。

以線性相控陣天線為例，由于在不同的方向形成波束，各TR加權(quán)系數(shù)不一樣，離天線法向越遠，波束變形就越嚴重，因此相控陣二次雷達各個方向的波束方向圖是不一樣的，需要對每一個波位(相掃時根據(jù)探測的區(qū)域編排一定數(shù)量的波束來覆蓋，每個波束指向特定的方位，稱為波位)單獨進行方向圖測量，并制作成OBA表。

2 波束指向修正方法

2.1 目前波束指向修正存在的問題

由于相控陣二次雷達天線波束在不同方向存在差異，需先在天線暗室測得每個波位方向圖，制作成基本OBA表，再裝入設(shè)備。設(shè)備安裝完成后，由于陣地、平臺的環(huán)境影響和安裝導(dǎo)致的誤差，天線的部分波位還會存在指向偏差，與天線暗室良好環(huán)境下測得的方向圖有一定誤差，嚴重時會影響測角精度，必須重新進行天線波束指向修正。

相控陣二次雷達系統(tǒng)架裝后，重新進行天線波束指向修正的方法有以下幾種：

(1)儀器標校

在天線周圍架設(shè)航管應(yīng)答機模擬器或天線方向圖專用信號測試儀，以真實環(huán)境無線測試每個波束的實際指向。該方法的優(yōu)點是能在陣地或平臺真實環(huán)境下測得天線波束的實際指向，缺點是需要覆蓋360°每個波位的指向，工作量大，同時受環(huán)境地形地物的制約，某些方位無法部署儀器、人員進行測試，如高山、灘涂、大海等。

(2)飛機標校

利用飛機配備的航管應(yīng)答機進行標校。該方法的優(yōu)點是以真實環(huán)境測得天線波束的實際指向，且不受環(huán)境地形地物的影響，缺點是價格昂貴，標校試驗費用可能遠遠超過設(shè)備本身的價格，給項目帶來沉重的經(jīng)濟負擔(dān)。

(3)結(jié)合檢飛試驗標校

在產(chǎn)品檢飛試驗中，利用其中的標校架次進行標校。該方法的優(yōu)點是以真實環(huán)境測得天線波束的實際指向，不受環(huán)境地形地物的影響；且檢飛試驗多由上級單位組織，不需二次雷達廠家花費試驗費用；缺點是檢飛試驗是檢驗各個傳感器的綜合試驗，不一定專門為二次雷達覆蓋360°方向，即使完全覆蓋，但是受經(jīng)費影響，飛機標校的架次數(shù)量不會太多，造成樣本量過少，對二次雷達的波束修正也有限。

2.2 本文修正方法

本文提出一種利用ADS-B對相控陣二次雷達天線波束指向進行修正的方法：利用民航飛機已具有的ADS-B OUT能力，在二次雷達站點部署ADS-B IN設(shè)備來實時接收全空域內(nèi)所有民航飛機的GPS位置，并轉(zhuǎn)換成相對于二次雷達的方位，以此修正天線波束指向，需要投入的人力物力財力較少，也不受地形地物環(huán)境的制約。更有甚者，某些二次雷達集成了ADS-B IN功能，在設(shè)備內(nèi)部就可以自動采集數(shù)據(jù)進行波束指向修正。

在進行相控陣二次雷達天線波束指向修正時，不管是用儀器或飛機，還是結(jié)合檢飛試驗，或借用民航飛機的ADS-B能力，若樣本量太少，數(shù)據(jù)將是發(fā)散的、混亂的。圖2為一型相控陣二次雷達某個波位的標校數(shù)據(jù)，根據(jù)圖中曲線完全無法辨別波束的真正指向。只有當(dāng)數(shù)據(jù)量積累到一定程度，才能看出波束的真正指向，如圖3所示，數(shù)據(jù)的眾數(shù)在0.1°左右，即該波束的真正指向為0.1°。

圖2 二次雷達某波位標校數(shù)據(jù)(小樣本量)

圖3 二次雷達某波位標校數(shù)據(jù)(大樣本量)

也正是由于借用民航飛機ADS-B OUT能力所帶來的便利，可以利用大樣本數(shù)據(jù)修正相控陣二次雷達天線波束指向。本文所描述的相控陣二次雷達波束指向修正系統(tǒng)框圖如圖4所示。

在圖4中，ADS-B IN設(shè)備部署在二次雷達周圍，通過匹配二次雷達的3/A代碼和ADS-B的航班號來關(guān)聯(lián)每個民航飛機兩個傳感器的探測值，具體實現(xiàn)步驟如下：

圖4 系統(tǒng)框圖

(1)相控陣二次雷達須在天線暗室測得天線每個波位的基本指向表，并置入設(shè)備；

(2)在二次雷達周圍部署ADS-B IN設(shè)備，兩者天線盡量靠近，并使ADS-B IN全向天線周圍無遮擋，記錄二次雷達站點經(jīng)緯度、高度，用于將目標的經(jīng)緯度、高度信息轉(zhuǎn)換為相對于本站點的方位、距離信息；

(3)開啟二次雷達、ADS-B IN設(shè)備，實時記錄空域中民航飛機數(shù)據(jù)，同時從兩個傳感器的顯示屏上匹配同一個目標的3/A代碼、航班號；

(4)記錄一段時間后，提取二次雷達、ADS-B IN設(shè)備的記錄數(shù)據(jù)，以ADS-B測量值為方位真值，按時間插值計算每個樣本點數(shù)據(jù)的一次差ΔX，按式(1)計算一次差均值，按式(2)計算標準差，然后將一次差中大于3倍標準差的數(shù)據(jù)剔掉，重新計算一次差均值、標準差，如此反復(fù)3～4個周期后可將異常值去掉，找到數(shù)據(jù)中的眾數(shù)，最后將該波位一次差均值作為波束指向修正值置入設(shè)備進行天線波束修正。

(1)

(2)

本文方法需要一定的樣本量，每個波位樣本須達到1 000個左右才能起到修正效果。本文提出的基于大樣本數(shù)據(jù)的修正方法不僅能修正波束指向偏差，還能修正AD量化誤差、OBA修正誤差等其他系統(tǒng)誤差。

3 試驗及結(jié)果

某型相控陣二次雷達在天線暗室測得的基本指向如表1所示(按2°一個波位進行編排)。波束指向修正前的系統(tǒng)方位誤差如表2所示。

表1 部分波位基本指向表

表2 波束指向修正前方位誤差

該型相控陣二次雷達借助ADS-B 采集空域內(nèi)民航飛機的位置信息，用大樣本數(shù)據(jù)方法計算每個波位的方位測量一次差均值，重新得到的波束指向如表3所示。

表3 修正后部分波位指向表

由表1、表3可知：受環(huán)境及安裝誤差影響，波位2、3、6、7修正比較大，4、5修正小，1、8不用修正。波束指向修正后的系統(tǒng)方位誤差如表4所示，可以看出：在波束指向修正后，方位精度進一步提高。

表4 波束指向修正后方位誤差

4 結(jié)束語

隨著二次雷達的技術(shù)發(fā)展，很多平臺開始運用相控陣技術(shù)，安裝平臺的固有環(huán)境影響使得相控陣二次雷達在架裝后部分波束指向發(fā)生偏差，與暗室測得的基本指向相差很大，甚至?xí)绊懴到y(tǒng)的探測精度。常規(guī)標校方法不是受環(huán)境制約部分方位無法測試，就是要花費昂貴的經(jīng)費，給項目的實施帶來一定的難度。本文所述方法利用ADS-B采集民航飛機數(shù)據(jù)，以ADS-B探測值為真值，采用大樣本數(shù)據(jù)方法來對每個波位進行指向修正。該方法不但不受環(huán)境制約、容易實施，而且不會帶來巨大的試驗費用，有的二次雷達系統(tǒng)集成了ADS-B IN功能，更能隨時隨地利用ADS-B對波束指向進行修正，進一步提高系統(tǒng)的探測性能。該方法除了能修正環(huán)境和安裝誤差帶來的波束指向偏差，也能去除AD量化誤差、OBA修正誤差等其他方位系統(tǒng)誤差，這對系統(tǒng)的方位測量精度大有裨益。該方法已成功應(yīng)用于多個工程項目，效果顯著。