论文部分内容阅读
摘 要： 二次雷达组网要求实现水平及高度的完全覆盖，但现有二次雷达探测威力的下限与雷达锥形顶空盲区的交叉所形成的锥间盲区对此要求造成问题。特别是S模式对雷达组网后的数据传输与处理提出更高的要求。依据雷达网重叠系数定义，分析二次雷达组网的两种配置形式，优选等边三角形配置方案。并基于此方案，结合近年出现的多点相关监视和ADS-B技术，提出实现高度全覆盖的新的组网配置形式，以取得消除锥间盲区及优化数据传输与融合的目的。
关键词： 锥间盲区；多点相关；S模式；广播式自动相关监视
中图分类号：V355.12 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0910062－02
0 引言
对于当前空管系统，要求使用多部二次雷达组网以实现平面完全覆盖，特别是重点区域则要求实現交叉覆盖。但由于每部雷达锥形顶空盲区的存在，及低空空域探测下限的制约，高度的全覆盖成为现实的难题，增加了二次雷达站选址和组网难度。S模式信号格式的出现使此类问题尤为突出。
本文根据已有的雷达网重叠系数相关定义，首先确立了二次雷达联网的两种配置形式，分别计算出相应的单部雷达平均覆盖面积和独立覆盖面积并做出比较。根据雷达交叉覆盖后形成的锥间高度下的盲区及低空盲区，结合近年出现的多点相关监视和ADS-B技术，提出了实现高度全覆盖的二次雷达网新的配置形式，以取得消除锥间盲区及改善数据链接目的。
1 二次雷达组网的配置方案
1.1 雷达网重叠系数
对二次雷达组网而言，其主要性能是覆盖连续性和严密性。因此可依照已有的雷达网重叠系数作为评价指标，雷达网重叠系数是指同时观察到空中同一架飞机的雷达数量。通常情况下，雷达网的最佳重叠系数为3，而重要区域或重要飞机的重叠系数可达到4。因此可对空管二次雷达网配置成三角形和正方形两种形式。
1.2 三角形配置形式
如图1所示，按等边三角形方式配置，并使用相同作用距离的二次雷达，即各部雷达探测半径均为 。
1.3 正方形配置形式
如果按照图2所示的正方形配置，一部雷达的平均覆盖面积近似等于图中标记的圆内接正方形的面积。
由此不难得出一部雷达交叉和独立覆盖的空域面积分别为2.28 ，0.86 。从经济角度分析，等边三角形的配置可保证每部雷达平均覆盖面积大，所以覆盖相同面积的空域所需雷达数量要少于正方形配置。民航雷达组网监控，可优先考虑等边三角形配置。
2 当前航管二次雷达组网两个突出问题
2.1 锥间盲区造成的高度覆盖问题
图3显示由雷达探测下限高度与雷达锥顶盲区相交形成的一个高度
2.2 S模式信号传输的局限性
采用旋转单脉冲天线的S模式二次雷达正逐步普及，但由于其探测波束较窄，天线在每个方向只能停留很短的时间。在此时间段内，由于应答机能力限制，每个应答机交换的最大值为16段的ELM（一帧ELM），其它的数据段交换将在天线旋转扫描的下一个周期进行。对于可达几帧ELM数据组来传输数据，势必延长信号处理周期或数据丢失，阻碍数据传输与融合的进程。
3 新技术条件下组网方案的优化
3.1 多点相关监视技术的应用
针对每一部雷达在高度层 以下的锥间盲区，无论用三部同型号雷达以等边三角形形式补充配置实现水平面无缝隙交叉覆盖，还是在原有两部雷达直线连接位置上配备低空雷达补充盲区，都需要配置多部雷达消除锥间盲区，成本消耗过大。
多点相关监视系统只需安装一部发射机，并相应配备多个地面接收站点，构成一个分布式二次雷达监视网，在系统时间一致性和各个站点接收时间非一致性基础上，依靠多个站点的相关性实现对目标的定位。系统时间的一致性可保证所有接收站所接收的信号具有一致的时间基准，通常可通过GPS时钟系统实现；而接收时间不一致才能通过计算接收信号到达的时间差来确定航空器的位置。此类型的分布式监视系统，可用于普通二次雷达组网，也可用于消除锥间盲区的补网配置。所需雷达数量明显减少，设备简单，便于安装和维护，成本较低。
基于多点相关监视技术配置的二次雷达网，其分布式结构允许每个雷达接收站点在检测报告进行数据融合前，运用自己的数据处理器产生局部多目标跟踪航迹，然后把处理后的信息送入雷达综合自动化系统，实施航迹与航迹的关联融合，最终形成全局估计。这就保证该分布式系统不仅具有局部独立跟踪能力，还具备了全局性监视和评估特性。就多点相关监视技术本身而言，完全避免了与应答机有关的误差，也就避免了S模式信号的丢失或延迟，充分加快数据传输与融合进程。多点相关监视技术不采用传统二次雷达旋转天线，而是使用非旋转定向增益接收天线来实现远距离的覆盖，各接收站不但能够用多帧ELM数据组来传输数据，而且依靠少量的接收站就能覆盖较大的空域，适用于进近监视。
3.2 ADS-B技术的应用
广播式自动相关监视技术中，具有ADS-B OUT功能。ADS-B OUT通过广播航空器自身位置的方法向ATC或其它航空器提供监视信息。
机载发射机以一定周期发送航空器的各种信息，包括：航空器识别信息、位置、高度、速度、方向和爬升率等。地面雷达系统通过接收机载设备发送的ADS-B OUT信息，监视空中交通状况。二次雷达网可借助GNSS卫星的高度和超大覆盖面积，有效消除锥间盲区和低空盲区，实现高度层的无盲区监视。
对于雷达区，地面监视可同时使用二次雷达和ADS-B OUT作为监视信息源。目的是缩小雷达组网空域覆盖边缘区域内飞机最小间隔标准，减少所需的二次雷达数量。如果受地形地貌的限制而无法实现雷达组网覆盖，则ADS-B OUT将作为唯一可用的监视数据源用于地面对空中交通的监视，以减小飞机间隔标准，在较大空域内实现不间断的实时监视，全面改善航路监视效果。
3.3 集成新技术的二次雷达组网方案
基于前面论述，最终形成如图4所示的二次雷达组网方案。在此系统中，不改变各个雷达站等边三角形位置关系，只把二次雷达发射机和接收机分开配置，各接收站点采用多点相关技术标准进行设计。每个接收机将处理后的航迹数据传输到雷达综合自动化系统中，进行航迹关联和融合。提高系统的可靠性，并减少对系统通信容量的需求。发射机和接收机均使用可定向增益的多波束扇区天线，以提高数据链接能力，防止出现前面所述的S模式数据组中断和丢失现象。
ADS-B OUT作为分布式组网系统的辅助监视信息源，它的信号可以跟二次雷达组网信号组合或分开使用，分别应用于进近监视和航路监视，作为二次雷达分布式系统的备份和补充。特别是在特殊天气状况下，或是在山川地形阻隔下无法实现组网时，将其转变为主用手段，以提高系统安全性，防止信号损失。
4 结束语
本文论述了二次雷达组网覆盖的基本方法，存在的盲区问题及S模式信号丢失问题，初步探讨了应用多点相关监视技术和ADS-B OUT功能解决此类问题的可能性，并给出新的雷达组网配置方案，仅期望能对同志们有所启发。
参考文献：
[1]郦能敬，监视雷达网效能评价研究[J].现代雷达，2000（2）：25-26.
[2]邵锡军、周琳，预警探测系统雷达组网技术价研究[J].现代雷达，2001（5）：20-21.
[3]张尉，二次雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2007：176-177.
[4]庞震，多点相关技术与单脉冲二次雷达定位误差分析与比较[J].空中交通管理，2010（10）：18-20.
[5]何友，雷达数据处理及应用[M].北京：电子工业出版社，2009：260-264.
作者简介：
王广宇（1973-），男，辽宁沈阳人，硕士学历，主要研究方向：民航通信 导航 监视，现在职称：工程师，工作单位：东北空管局技术保障中心。
关键词： 锥间盲区；多点相关；S模式；广播式自动相关监视
中图分类号：V355.12 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0910062－02
0 引言
对于当前空管系统，要求使用多部二次雷达组网以实现平面完全覆盖，特别是重点区域则要求实現交叉覆盖。但由于每部雷达锥形顶空盲区的存在，及低空空域探测下限的制约，高度的全覆盖成为现实的难题，增加了二次雷达站选址和组网难度。S模式信号格式的出现使此类问题尤为突出。
本文根据已有的雷达网重叠系数相关定义，首先确立了二次雷达联网的两种配置形式，分别计算出相应的单部雷达平均覆盖面积和独立覆盖面积并做出比较。根据雷达交叉覆盖后形成的锥间高度下的盲区及低空盲区，结合近年出现的多点相关监视和ADS-B技术，提出了实现高度全覆盖的二次雷达网新的配置形式，以取得消除锥间盲区及改善数据链接目的。
1 二次雷达组网的配置方案
1.1 雷达网重叠系数
对二次雷达组网而言，其主要性能是覆盖连续性和严密性。因此可依照已有的雷达网重叠系数作为评价指标，雷达网重叠系数是指同时观察到空中同一架飞机的雷达数量。通常情况下，雷达网的最佳重叠系数为3，而重要区域或重要飞机的重叠系数可达到4。因此可对空管二次雷达网配置成三角形和正方形两种形式。
1.2 三角形配置形式
如图1所示，按等边三角形方式配置，并使用相同作用距离的二次雷达，即各部雷达探测半径均为 。
1.3 正方形配置形式
如果按照图2所示的正方形配置，一部雷达的平均覆盖面积近似等于图中标记的圆内接正方形的面积。
由此不难得出一部雷达交叉和独立覆盖的空域面积分别为2.28 ，0.86 。从经济角度分析，等边三角形的配置可保证每部雷达平均覆盖面积大，所以覆盖相同面积的空域所需雷达数量要少于正方形配置。民航雷达组网监控，可优先考虑等边三角形配置。
2 当前航管二次雷达组网两个突出问题
2.1 锥间盲区造成的高度覆盖问题
图3显示由雷达探测下限高度与雷达锥顶盲区相交形成的一个高度
2.2 S模式信号传输的局限性
采用旋转单脉冲天线的S模式二次雷达正逐步普及，但由于其探测波束较窄，天线在每个方向只能停留很短的时间。在此时间段内，由于应答机能力限制，每个应答机交换的最大值为16段的ELM（一帧ELM），其它的数据段交换将在天线旋转扫描的下一个周期进行。对于可达几帧ELM数据组来传输数据，势必延长信号处理周期或数据丢失，阻碍数据传输与融合的进程。
3 新技术条件下组网方案的优化
3.1 多点相关监视技术的应用
针对每一部雷达在高度层 以下的锥间盲区，无论用三部同型号雷达以等边三角形形式补充配置实现水平面无缝隙交叉覆盖，还是在原有两部雷达直线连接位置上配备低空雷达补充盲区，都需要配置多部雷达消除锥间盲区，成本消耗过大。
多点相关监视系统只需安装一部发射机，并相应配备多个地面接收站点，构成一个分布式二次雷达监视网，在系统时间一致性和各个站点接收时间非一致性基础上，依靠多个站点的相关性实现对目标的定位。系统时间的一致性可保证所有接收站所接收的信号具有一致的时间基准，通常可通过GPS时钟系统实现；而接收时间不一致才能通过计算接收信号到达的时间差来确定航空器的位置。此类型的分布式监视系统，可用于普通二次雷达组网，也可用于消除锥间盲区的补网配置。所需雷达数量明显减少，设备简单，便于安装和维护，成本较低。
基于多点相关监视技术配置的二次雷达网，其分布式结构允许每个雷达接收站点在检测报告进行数据融合前，运用自己的数据处理器产生局部多目标跟踪航迹，然后把处理后的信息送入雷达综合自动化系统，实施航迹与航迹的关联融合，最终形成全局估计。这就保证该分布式系统不仅具有局部独立跟踪能力，还具备了全局性监视和评估特性。就多点相关监视技术本身而言，完全避免了与应答机有关的误差，也就避免了S模式信号的丢失或延迟，充分加快数据传输与融合进程。多点相关监视技术不采用传统二次雷达旋转天线，而是使用非旋转定向增益接收天线来实现远距离的覆盖，各接收站不但能够用多帧ELM数据组来传输数据，而且依靠少量的接收站就能覆盖较大的空域，适用于进近监视。
3.2 ADS-B技术的应用
广播式自动相关监视技术中，具有ADS-B OUT功能。ADS-B OUT通过广播航空器自身位置的方法向ATC或其它航空器提供监视信息。
机载发射机以一定周期发送航空器的各种信息，包括：航空器识别信息、位置、高度、速度、方向和爬升率等。地面雷达系统通过接收机载设备发送的ADS-B OUT信息，监视空中交通状况。二次雷达网可借助GNSS卫星的高度和超大覆盖面积，有效消除锥间盲区和低空盲区，实现高度层的无盲区监视。
对于雷达区，地面监视可同时使用二次雷达和ADS-B OUT作为监视信息源。目的是缩小雷达组网空域覆盖边缘区域内飞机最小间隔标准，减少所需的二次雷达数量。如果受地形地貌的限制而无法实现雷达组网覆盖，则ADS-B OUT将作为唯一可用的监视数据源用于地面对空中交通的监视，以减小飞机间隔标准，在较大空域内实现不间断的实时监视，全面改善航路监视效果。
3.3 集成新技术的二次雷达组网方案
基于前面论述，最终形成如图4所示的二次雷达组网方案。在此系统中，不改变各个雷达站等边三角形位置关系，只把二次雷达发射机和接收机分开配置，各接收站点采用多点相关技术标准进行设计。每个接收机将处理后的航迹数据传输到雷达综合自动化系统中，进行航迹关联和融合。提高系统的可靠性，并减少对系统通信容量的需求。发射机和接收机均使用可定向增益的多波束扇区天线，以提高数据链接能力，防止出现前面所述的S模式数据组中断和丢失现象。
ADS-B OUT作为分布式组网系统的辅助监视信息源，它的信号可以跟二次雷达组网信号组合或分开使用，分别应用于进近监视和航路监视，作为二次雷达分布式系统的备份和补充。特别是在特殊天气状况下，或是在山川地形阻隔下无法实现组网时，将其转变为主用手段，以提高系统安全性，防止信号损失。
4 结束语
本文论述了二次雷达组网覆盖的基本方法，存在的盲区问题及S模式信号丢失问题，初步探讨了应用多点相关监视技术和ADS-B OUT功能解决此类问题的可能性，并给出新的雷达组网配置方案，仅期望能对同志们有所启发。
参考文献：
[1]郦能敬，监视雷达网效能评价研究[J].现代雷达，2000（2）：25-26.
[2]邵锡军、周琳，预警探测系统雷达组网技术价研究[J].现代雷达，2001（5）：20-21.
[3]张尉，二次雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2007：176-177.
[4]庞震，多点相关技术与单脉冲二次雷达定位误差分析与比较[J].空中交通管理，2010（10）：18-20.
[5]何友，雷达数据处理及应用[M].北京：电子工业出版社，2009：260-264.
作者简介：
王广宇（1973-），男，辽宁沈阳人，硕士学历，主要研究方向：民航通信 导航 监视，现在职称：工程师，工作单位：东北空管局技术保障中心。