王愛國

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川綿陽 621000)

0 引言

二次監(jiān)視雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar, SSR)是一種空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)，采用詢問應(yīng)答協(xié)同式工作原理，由布置在地面上的二次監(jiān)視雷達(dá)詢問機(jī)和飛機(jī)上的機(jī)載應(yīng)答機(jī)來實(shí)現(xiàn)。二次監(jiān)視雷達(dá)具備雷達(dá)和通信的雙重功能，不僅能探測飛機(jī)的方位和距離，還能通過交換編碼內(nèi)容來獲取飛機(jī)的識別代碼和氣壓高度，是提供空中飛行情報(bào)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。

相控陣天線無需伺服控制系統(tǒng)，安裝使用方便，波束掃描靈活，隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，采用一維相控陣天線的二次監(jiān)視雷達(dá)逐步在機(jī)載、艦載、車載等移動平臺上推廣應(yīng)用。一維相控陣天線波束在俯仰面上存在傾斜現(xiàn)象，對一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)的測角精度帶來了一定的影響，本文針對一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)高仰角目標(biāo)測角誤差較大的問題，提出一種有效測角精度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

1 二次監(jiān)視雷達(dá)測角原理

二次監(jiān)視雷達(dá)廣泛采用幅度和差波束單脈沖測角方法[2][5]，如圖1所示，單脈沖體制天線形成和波束與差波束，和波束用于發(fā)射、檢測和測距，差波束用于測角。當(dāng)存在目標(biāo)應(yīng)答信號時(shí)，應(yīng)答信號同時(shí)被天線和波束與差波束接收，應(yīng)答信號偏離天線波束指向角度由和差信號幅度比值確定，差信號相位(符號)表示目標(biāo)偏離天線波束指向的方向，差信號在天線波束指向左右兩邊相位相差180°，和信號相位與目標(biāo)偏向無關(guān)，用和信號為相位基準(zhǔn)，通過測量和差信號的相位差確定目標(biāo)偏離天線波束指向的方向。

圖1 天線和差波束方向圖

目標(biāo)方位角是當(dāng)前天線波束指向加上目標(biāo)偏離天線波束指向角度，目標(biāo)方位角滿足關(guān)系式(1)為

ω=φB+δB

(1)

式(1)中，ω表示目標(biāo)方位角；φB表示天線波束指向；δB表示偏離天線波束指向角度。

由式(1)可知，二次監(jiān)視雷達(dá)測向誤差由天線波束指向誤差和偏離天線波束指向角度測量誤差兩部分組成，因此，相控陣天線波束指向精度對二次監(jiān)視雷達(dá)的測角精度有非常重要的影響。

2 一維相控陣天線波束傾斜現(xiàn)象

方位上一維相位掃描天線波束在方位方向上為窄波束，而在仰角方向上則為寬波束。確定移相碼后，在仰角θB=0°的方向，天線波束指向?yàn)棣誃，由于天線仰角波束很寬，在不同于0°的θB角度方向，天線波束指向?qū)⒙晕⑵xφB，指向φB+ΔφBθ，從而產(chǎn)生天線波束的傾斜現(xiàn)象[1]。

天線波束指向隨仰角不同而發(fā)生的方位偏移量ΔφBθ滿足關(guān)系式(2)為

(2)

式(2)中，ΔφBθ和θB以弧度表示，φB以(°)表示。

圖2所示為天線波束指向隨仰角變化而發(fā)生偏移的示意圖。由圖2可見，天線波束指向會隨著仰角的變化而產(chǎn)生偏移，隨著方位掃描角的增大與仰角的增大，天線波束指向偏移逐漸變大。

圖2 天線波束指向隨仰角變化發(fā)生偏移示意圖

3 高仰角目標(biāo)測角誤差修正方法

3.1 高仰角目標(biāo)測角存在的問題

相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)首先需測量天線方向圖，測得每個(gè)波位的天線波束指向和OBA數(shù)據(jù)(和差幅度比值、差相位)，形成天線波束指向數(shù)據(jù)和OBA表裝入設(shè)備內(nèi)，在計(jì)算目標(biāo)方位角時(shí)，根據(jù)波位號查詢得到天線波束指向數(shù)據(jù)，根據(jù)和差幅度相位查詢得到目標(biāo)偏離天線波束指向的角度。目前，相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)通常只測量應(yīng)用仰角為0°左右的一組天線方向圖數(shù)據(jù)，由于一維相控陣天線波束指向隨仰角變化會發(fā)生偏移，同一波位不同仰角的天線波束指向存在較大差異，若不對天線波束指向進(jìn)行修正，系統(tǒng)對高仰角目標(biāo)進(jìn)行測角時(shí)將產(chǎn)生較大的測量誤差。

3.2 本文修正方法

本文提出一種利用二次監(jiān)視雷達(dá)C模式詢問對一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)天線波束指向進(jìn)行修正的方法，以提高高仰角目標(biāo)的測角精度。首先按照不同仰角測量天線方向圖，形成不同仰角的天線波束指向數(shù)據(jù)裝入設(shè)備，設(shè)備工作時(shí)，目標(biāo)仰角通過二次監(jiān)視雷達(dá)的詢問獲取飛機(jī)的距離、氣壓高度經(jīng)換算得到，然后根據(jù)目標(biāo)仰角讀取設(shè)備存儲的天線波束指向數(shù)據(jù)用于目標(biāo)方位角計(jì)算，從而完成高仰角目標(biāo)的天線波束指向修正。具體步驟如下：

1)天線方向圖測量

為獲取一維相控陣天線真實(shí)的天線波束指向數(shù)據(jù)，以真實(shí)環(huán)境無線測試不同仰角每個(gè)波束的實(shí)際指向，根據(jù)仰角建立不同的天線波束指向數(shù)據(jù)。系統(tǒng)要求俯仰覆蓋范圍0°～+25°，因此仰角測量范圍為0°～+25°，以1°為步進(jìn)，分別測量各仰角(0°、+1°…+24°、+25°)的天線方向圖數(shù)據(jù)。測量方法如圖3所示，采用室外高架遠(yuǎn)場測試方法，水平遠(yuǎn)端位置放置信號源，被測天線安裝在轉(zhuǎn)臺/搖擺臺上，通過搖擺臺精確調(diào)整天線俯仰角度，通過轉(zhuǎn)臺控制天線水平方向上360°旋轉(zhuǎn)，依次完成不同仰角各個(gè)波位的天線方向圖的測量，形成天線波束指向兩維(仰角、波位)數(shù)據(jù)，存入設(shè)備用于目標(biāo)方位角計(jì)算。

圖3 天線測試示意圖

2)目標(biāo)仰角測量

根據(jù)國際民航組織(ICAO)規(guī)范，二次監(jiān)視雷達(dá)測量飛機(jī)高度采用的是C模式[3]，獲取的高度數(shù)據(jù)是飛機(jī)上氣壓高度表測量的氣壓高度數(shù)據(jù)。工作原理如圖4所示，二次監(jiān)視雷達(dá)地面詢問機(jī)對監(jiān)視空域內(nèi)的飛機(jī)發(fā)出C模式詢問信號，機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到C模式詢問信號后將飛機(jī)上氣壓高度表測量的氣壓高度數(shù)據(jù)編碼，形成C模式應(yīng)答編碼信號發(fā)回地面詢問機(jī)，地面詢問機(jī)接收并處理應(yīng)答編碼信號，從而獲取飛機(jī)的氣壓高度數(shù)據(jù)。

圖4 二次監(jiān)視雷達(dá)C模式工作原理示意圖

為獲取飛機(jī)相對雷達(dá)的仰角數(shù)據(jù)，二次監(jiān)視雷達(dá)工作時(shí)開啟C模式詢問，以獲得飛機(jī)相對雷達(dá)高度，同時(shí)依據(jù)發(fā)出的詢問信號與收到的應(yīng)答信號之間的時(shí)延進(jìn)行計(jì)算獲取飛機(jī)的斜距，目標(biāo)仰角測量公式為

(3)

其中：θ為飛機(jī)相對雷達(dá)的仰角(單位：°)；H為飛機(jī)相對雷達(dá)高度(單位：m)；R為飛機(jī)到雷達(dá)之間的斜距(單位：m)。

3)天線波束指向修正

計(jì)算目標(biāo)方位角時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的仰角數(shù)據(jù)和當(dāng)前波位讀取設(shè)備存儲的天線波束指向數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的天線波束指向代入公式(1)從而得到準(zhǔn)確的目標(biāo)方位角。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)證修正方法的有效性，開展二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如圖5所示，相控陣天線架設(shè)在轉(zhuǎn)臺上，機(jī)載應(yīng)答機(jī)模擬器架設(shè)在高塔上，通過調(diào)整模擬器在高塔上的位置設(shè)置相對于相控陣天線的仰角，通過轉(zhuǎn)臺調(diào)整相控陣天線相對模擬器的掃描角度。

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)中分別設(shè)置相對仰角+15°、+20°和+25°，以4°為間隔，通過轉(zhuǎn)臺調(diào)整相控陣天線掃描角度。測角誤差如圖6～8所示，修正前(采用0°天線方向圖數(shù)據(jù))測角誤差隨仰角增大和天線掃描角度增大而逐漸變大，當(dāng)仰角為+25°、天線掃描角度為±45°時(shí)，測角誤差達(dá)到5°左右。經(jīng)修正后，測角誤差在0.5°以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了修正方法的有效性。

圖6 +15°仰角試驗(yàn)測角誤差

圖7 +20°仰角試驗(yàn)測角誤差

圖8 +25°仰角試驗(yàn)測角誤差

為進(jìn)一步驗(yàn)證，開展對空中民航飛機(jī)的測角試驗(yàn)。利用民航飛機(jī)的ADS-B OUT能力，在二次監(jiān)視雷達(dá)站點(diǎn)部署ADS-B IN設(shè)備實(shí)時(shí)接收空域內(nèi)民航飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度信息，并轉(zhuǎn)換成相對于二次監(jiān)視雷達(dá)的方位信息[4]。提取二次監(jiān)視雷達(dá)、ADS-B IN設(shè)備的記錄數(shù)據(jù)，以ADS-B測量值為方位真值，計(jì)算二次監(jiān)視雷達(dá)探測飛機(jī)的測角精度。試驗(yàn)中民航飛機(jī)測角精度見表1，從表1可看出，二次監(jiān)視雷達(dá)高仰角目標(biāo)的測角精度小于0.5°，滿足系統(tǒng)要求。

表1 民航飛機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)情況

5 結(jié)束語

隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展和二次監(jiān)視雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，很多平臺開始運(yùn)用相控陣技術(shù)，一維相控陣天線在俯仰面上的固有特性會影響二次監(jiān)視雷達(dá)在高仰角上的測角精度。本文分析了二次監(jiān)視雷達(dá)的測角原理、一維相控陣天線波束傾斜現(xiàn)象，提出了一種一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)高仰角目標(biāo)測角誤差修正方法。該方法在真實(shí)環(huán)境下測量天線不同仰角真實(shí)的天線方向圖，利用二次監(jiān)視雷達(dá)C模式獲得飛機(jī)相對雷達(dá)仰角，能實(shí)時(shí)自動地對高仰角目標(biāo)的天線波束指向進(jìn)行修正，降低了高仰角目標(biāo)的測角誤差，進(jìn)一步提高了二次監(jiān)視雷達(dá)的測角精度。該方法已成功應(yīng)用于多個(gè)工程項(xiàng)目，效果顯著。