浅谈二次雷达S模式及其抗干扰性能

浅谈二次雷达S模式及其抗干扰性能作者：卢伟
来源：《电脑知识与技术》2019年第13期
摘要：S模式克服了以往单脉冲A/C模式的缺陷，因其诸多优越性在空中交通管制等领域得到广泛的应用。

本文简略地阐述了S模式的相关内容，包括其基本原理、数据格式和干扰问题。

研究表明S模式的引入能有效地降低二次雷达的干扰，极大提升了雷达的性能。

关键词：SSR;S模式;干扰
中图分类号：TP391 ; ; ; ;文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）13-0254-03
随着航空运输的发展，飞机的密度逐步增加，现行的空中交通管制雷达信标系统（ATCRBS）的容量就显得特别紧张，传统的单脉冲A/C模式已不能满足空中交通管制（ATC）的需求。

为满足空中交通日益增长的需要，美国MIT林肯实验室和英国研究机构开
展了先进雷达询问系统的研究工作，研制了S模式雷达与数据通信系统，以此来改进和提高空中交通管制能力。

目前S模式已被国际民航组织（ICAO）接受并作为二次监视雷达的行业标准 [1]-[5]。

S模式雷达主要优势有：抗干扰能力强，精度更高，更加丰富的可交换信息，应答机地址码足够使用。

S模式是一种利用离散地址询问的数据链技术，这种技术的核心是利用地址码对特定的航空器进行询问，只有指定的航空器才对这种询问进行应答。

S模式具有基本监视、增强监视、数据链等多种功能，在空中交通管制、飞机防撞、多点定位、ADS—B等系统和军用敌我识别系统中得到了广泛应用。

1 S 模式综述
S模式主要特征是在与现有的ATCRBS系统大体兼容的基础上，给每一架飞机分配一个独一无二的地址码，由计算机控制进行一对一的点名，并能够进行自适应询问。

地址码为24比特二进制数据，这样使得离散地址数目达到了一千六百万个，这就解决了系统容量不足的问题。

同时地空之间可以自动交换丰富的信息。

现行的ATCRBS一般工作在1030MHZ和1090MHZ两个频率上，为了使新系统能够适用于老标准，具有良好的兼容性，S模式使用同样的询问及应答频率。

1.1 S模式询问信号
常规二次雷达在询问格式上一般只采用模式3/A（识别码）和模式C（高度码）的交替询问，使用P1、P2、P3脉冲序列，从而达到获得航空器识别码和高度码的目的，其中P2脉冲用于旁瓣抑制。

如图1所示，模式3/A P1、P3脉冲间隔为8µs，模式C P1、P3脉冲间隔为21µs ，P1、P2脉冲间隔恒为2µs，P2脉冲用于询问旁瓣抑制。

图2所示为最常用的S模式询问信号，前两个脉冲P1和P2的脉宽均为0.8us，脉冲间隔2us，非S模式的应答器对这些脉冲的接收将会抑制对询问脉冲后续部分的解码，并使应答机进入抑制期，在P2脉冲后面是一个长脉冲P6，持续期为16.25us或30.25us，其中有许多相位反转脉冲，用来携带所要发射的数据。

第一个相位反转脉冲在P6上升沿后的1.25us处，即同步相位反转，提供给S模式应答器作为时钟同步，从而对后续的数据进行对应解码。

同步相位反转脉冲也用作应答信号发射的时钟参考，与A/C模式中P3脉冲的作用类似。

询问机通过计算同步相位反转脉冲的发射和接收到的第一个应答脉冲之间的时间间隔来测量飞机的距离。

数据通过DPSK（差分相移键控）方式发射，有180°相位改变表示二进制1，没有相位改变表示二进制0。

P5脉冲用于旁瓣抑制，它从控制波束发射，与P6的相位反转脉冲在时间上重叠，如果P5脉冲强于P6脉冲，应答器不可能检测到同步相位反转脉冲，因而不会对询问信
号进行解码/应答;如果P5脉冲弱于P6脉冲，应答器可以检测到同步相位反转脉冲，并继续接收及解码P6脉冲。

1.2 S模式应答信号
如图3所示为S模式应答信号。

解码设备根据检测到4个前导脉冲的格式来确认。

应答信号的数据部分跟随在4个前导脉冲后的数据脉冲块内，通过脉冲位置的调制来编码，数据比特率是4MHZ。

应答数据块的每个码位为1µs，由两0.5µs片组成。

前半片有脉冲后半片没有脉冲表示二进制1，前半片无脉冲后半片有脉冲表示二进制0。

这种编码形式对抗干扰具有非常强的能力。

应答数据块由信息码和24位地址或奇偶效验码组成。

奇偶效验码用作校验判断解码数据的准确性。

解码时将每个应答位的两片幅度进行比较来获得1或0。

用应答前导脉冲做参考电平，用来相关比较每个应答位中脉冲的幅度，相关即表示一个高置信度位，是1还是0取决于该应答位脉冲在1.0µs位的哪一片。

在S模式应答中，如果应答数据由于某个SSR应答脉冲的21us持续期所破坏，采用奇偶效验系统可将错误更正。

1.3 S模式询问应答格式
询问格式即为上行格式，用UF（UP FORMAT）表示;应答格式即为下行格式，用DF （DOWN FORMAT）表示。

UF和DF分别有25种格式，国际民航组织已经明确定义并分配用途的格式有下述几种[6]：
UF0 是“短”TCAS/ACAS空-空监视，DF0 应答中包含模式C高度、模式S地址。

UF16 是“長”TCAS/ACAS空-空监视，是UF0的加长模式。

DF0的长度是56位，DF16的长度是112位。

唯一不同的是，DF16中包含56位的MV字段，用来进行空-空信息交换和应答协调。

UF4 是“短”地面站监视高度请求，与UF0类似，只不过是由地面站发出的。

DF4应答中包含模式C高度、模式S地址。

UF20 是UF4的加长模式。

DF4的长度是56位，DF20的长度是112位。

UF5 是“短”地面站监视识别请求。

DF5应答中包含航空器的识别码（ID字段）和模式S
地址。

UF21 是UF5的加长模式。

DF5的长度是56位，DF21的长度是112位。

UF11用来询问航空器的模式S地址。

DF11被称为全呼叫应答，其中包含航空器的地址码（间歇应答地址码）以及能力字段（CA）、奇偶校验/询问器识别字段（PI）、询问器识别码（II）和监视识别码（SI）。

2 二次雷达的干扰
二次雷达干扰主要有以下几类[7]：a.混淆（phantom）干扰：应答信号在时间距离上小于20.3us，从而产生的混淆干扰现象，可以发生在两个应答脉冲重叠的时候也可以发生在不重叠的应答之间;b.异步干扰（fruit）：本雷达接收机收到其他雷达询问引起的应答从而对本雷达造成干扰;c.反射（Ghost）：由于地物反射引起的假目标。

S模式的引入为这些二次雷达干扰问题提供了解决的方法：
a.混淆（phantom）干扰：同步窜扰（grable）、交织（interleave）等都会引起虚假目标，产生混淆干扰，识别码和高度码解码错误。

特例如下图4所示：
其中（a）应答信号的表示格式，（b）A模式代码为5047的应答脉冲，（c） A模式代码为6331的应答脉冲，（d） 5047和6331的应答脉冲串扰后的A模式应答脉冲（解码为7377）。

二次雷达应答信号检测过程就是对框架脉冲F1和F2的检测，检测是否存在一对脉冲前沿间隔为20.3us，但是这对脉冲可能是框架，也可以是串扰或交织引起的混淆干扰。

如果两个不相互重叠的应答距离小于20.3us或者一个应答中C2脉冲和SPI脉冲同时存在，也会引起混淆干扰。

S模式的引入从根本上解决的此类干扰，因为Mode S 询问策略包括选择性询问，在进行群呼后，进行点呼询问中都包含飞机地址码，被寻址的飞机应答，未被寻址的飞机不应答。

由于提供了选择性的询问和更合理的应答时序，这样即使两架飞机距离很近，通过地址码点呼，也不会同时应答，从而很容易分辨开来。

b.异步干扰（fruit）：
异步干扰的形成是由于飞机天线的无方向性，飞机对A站的应答被B站所接受，从而对B站产生异步干扰，对雷达站会造成译码错误，从而出现标牌相同，方位和距离不同的假目标。

如图5所示： A站发射询问信号在接收到应答信号后，正确计算出飞机的距离，但同时，B站也接收到这个应答信号（还没有发射询问，正在上一次发射询问信号之后的接收期间），因而就处理它并将其显示在错误位置上。

间隔500NM内的两个站相互间可能会产生这样的异步干扰 [8]。

针对异步干扰可以使用RSLS技术识别从旁瓣进入系统的异步干扰信号，也可以降低脉冲重复频率PRF，使空间中应答信号减少，以及使用交错（STAGGER）技术改变每个每个询问起始位置，从而降低异步干扰的可能性。

S模式的引入有效地减少了异步干扰的产生，由于选择性询问得到了飞机的唯一地址码，通过核对地址码来剔除错误的应答。

根据MSSR技术特性，理论上只需要一个应答便可以分辨目标并精确定位，因此S模式有效降低了目标的询问率，降低了异步干扰发生的概率。

c.反射（Ghost）：
由于地面或人工目标反射引起多径干扰所产生的。

在无线通信领域，多径指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播现象。

大气层对电波的散射、电离层对电波的反射和折射，以及山峦、建筑等地表物体对电波的反射都会造成多径传播。

直射路径和反射路径间的关系有多种情况，从直射方向和反射方向的方位间隔来区分，大致可以分为三类[8]：
（1）地面反射信号与直射信号位于同一个垂直平面;
（2）物体或者倾斜地面反射信号与直射信号有一个小的水平夹角，但可在同一个波束驻留时间内检测;
（3）物体或者倾斜地面反射信号与直射信号有大水平夹角。

多径干扰会带来垂直波束分裂、编码失真、假目标等问题，当二次雷达站周边环境良好，附近无反射体时，是不会出现虚假目标的;当存在反射体时，其虚假目标与真实目标如图6所示：
S模式有效地降低询问率也降低了反射假目标的产生。

同时在文献[9]中研究了S模式二次雷达询问机航迹录取技术，详细介绍了在S模式雷达中如何消除反射干扰的方法：通过适当的航迹关联策略和航迹关联算法，设定方位和距离高度门限去除反射目标。

此策略和算法都有效地解决了二次雷达的干扰问题。

3 结束语
S模式的SSR 因其数字通讯、无模糊识别等一系列根本的优势终将代替当前的MSSR，随着民航空管事业的发展，带S模式二次雷达必将发挥重要作用。

参考文献：
[1] Surveillance radar and collision avoidance systems[Z]//Annex 10to the convention on international civil aviation. ICAO，1998.
[2] Manual on the secondary surveillance radar system[K].ICAO，2004.
[3] European Mode S station functional specification[Z].EUROCONTROL，2005.
[4] Concept of operations Mode S in Europe[Z]. EUROCONTROL，1996.
[5] 黎延璋.空中交通管制應答机[M].北京：国防工业出版社，1992.
[6] POEMS ;Preoperational European Mode S Station
[7] 苏志刚. 二次雷达设备[M].天津：中国民航学院空中交通管理分院，2000.
[8] 张尉.二次雷达原理[M].国防工业出版社，2007.
[9] 万洪容. S模式二次雷达询问机航迹录取技术研究[D]. 中国西南电子技术研究所，2010.
【通联编辑：唐一东】。