基于自主动态构建S模式雷达锁定地图的研究

摘要：模式S二次雷达是对传统A/C雷达工作方式的变革，扩展出数据链能力，提供更丰富的监视信息，逐步成为空管监视领域主要的探测系统。随着S模式雷达推广使用，询问码短缺和1090MHZ信道拥塞问题也突显出来，让S模式雷达走向集群组网，成为一个协同监视体系。在协同监视工作模式下，每部雷达必须设置锁定地图（LockoutMap），而地图的设置是一个比较复杂的问题，这里提出了一种基于自主机制动态构建锁定地图的方法，提高组网运行效率，降低风险。

关键词：雷达S模式;锁定地图;飞机雷达

一、引言

S模式数据链是民航监视体系重要的低空数据链技术，它支持二次监视雷达（SSR）、防相撞系统（TCAS）、广播式自动相关监视（ADS-B）以及多点系统（MLAT）的运行。由于支持的探测系统较广，而其频率带宽有限，在飞行流量密集区域，信号的拥塞严重，会存在目标丢失的现象，为解决这类问题，欧控（EUROCONTROL）早在本世纪初就制定S模式二次雷达组网运行体制。组网体制中核心解决的两类问题，一是将多个站点进行聚类集群，二是解决一个集群中的协同运行，即锁定地图的设置策略。如何设置锁定地图，就需要对S模式二次雷达运行机制进行分析。

（一）S模式雷达运行方式

S模式二次雷达采用全呼（ALL-CALL，AC）和选呼（ROLL-CALL，RC）两种询问方式。一般情况下AC和RC是交替进行的，在AC阶段，雷达完成对目标的捕获，获取其唯一的24位ICAO地址;在RC阶段，利用获取的24位ICAO地址对该目标进行点名询问，获取高度、航空器标识及BDS等信息。

1.ALL-CALL运行模式

S模式雷达全呼叫模式采用UF11的数据链询问，飞机以DF11数据链应答，上下行格式如图1。其中，全呼询问中以24个“1”作为地址，所有未被锁定的飞机依据询问捕获概率（PR字段）进行应答。飞机收到UF11后进行全呼应答，雷达获取飞机的大致位置和S模式地址，并将其加入选呼列表。全呼的过程中，雷达需要依据锁定地图来进行PR字段设置，确定是否锁定飞机应答机。

2.ROLL-CALL运行模式

飞机被全呼捕获后，雷达依据选呼列表开始跟踪目标并进行点名询问。选呼中包含目标地址且在预期的目标位置进行询问。选呼过程中也会依据锁定地图发送锁定命令，通过锁定询问器代码来抑制全呼应答。选呼询问的格式有四种分别是UF4、UF5、UF20、UF21，对应的应答格式是DF4、DF5、DF20、DF21，数据链格式如图2，其中SD包含锁定信息，对4、5两种类型的格式没有MA或MB字段。

3.锁定地图

组网中的雷达通过锁定地图来实现锁定，锁定地图由三维空间格组成。空间格的大小依据管制运行间隔设定，一个空间格有大约5NM×5NM×200ft的。空间格含有锁定的状态，如状态值为1，则该空间格的飞机被雷达锁定，如状态值为0，则飞机不会被锁定，如图3所示。

二、动态锁定地图运行构建

本文主要解决组网后雷达之间的地图锁定问题。将雷达覆盖区域分成5NM×5NM×200ft的空间单元，每个空间单元给出锁定状态，如1表示锁定，0表示未锁定，形成一张雷达组网的锁定地图。这张地图看似容易生成，实则考虑到真实覆盖的情况和雷达离线情况，准备的地图将会很多。我们利用雷达组网之间的信息交互，动态的实现锁定地图的更新。

（一）组网锁定地图描述

同一组网中，我们给每个S模式站点设置锁定地图（LockoutMap），只要相邻站点之间的关系稳定，就无需改变锁定地图的状态。

当前的锁定地图分配存在两个问题。首先，很难创建最佳锁定图。为了创建锁定地图，我们通过基于地形数据的计算机模拟使用视线监视覆盖范围，模拟覆盖不能够完全匹配真实覆盖，存在一定的差异性。其次，随着站点数量的增加，必须准备许多地图，如果n（n=2，3，4，...）个站点接入网络，则需要2n个锁定地图。管理2n个锁定地图是十分复杂的。因此，让每个站点动态自主构建锁定地图，问题将变得简单化。

（二）动态自主地图构建

实现自主构建的前提是相邻站点的信息交互，就是雷达组网中定义的ASTERIX 017格式。它由两种类型的信息，即在线信息（AliveMessage）和目标信息（TargetMessage），消息格式如图5所示。

1.初始阶段

为了简单化，我们以两个雷达站组网来进行说明。首先是依据覆盖创建初始锁定地图，图5说明两个雷达站的覆盖情况，将其划分未4个区域，其中A2和A3是重叠区域。对于雷达1来说，这四个区域代表意思如表2所示，雷达2则反之，设定在重叠区域距离近的雷达负责锁定，也可设定重叠区域内雷达相对于航线夹角大的负责锁定。

构建的初始锁定地图，并不是真实情况，下面通过两个雷达站之间通过信息交互，来进行重叠区域的确定，逐步逼近真实的重叠区域，以及对锁定地图不断优化。

2.动态自主阶段

在运行稳定的组网中，初始阶段完成了覆盖重叠区域的确认，构建最基本的锁定地图，这里涉及到覆盖地图的构建。自主阶段就是依据信息交互动态构建锁定地图。下面以顶空盲区重叠空间元来说明动态构建说定地图过程。

顶空盲区重叠空间元：依据就近原则，雷达A的顶空盲区应由雷达A来负责询问锁定，顶空盲区不确定性，很难构建。此时，通过信息交互，雷达B在4-10秒内未收到雷达A顶空盲区的目标信息，则雷达B启动对雷达A顶空盲区的询问覆盖，并修改組网中锁定地图。如果是其他遮蔽区域空间元也是一样处理方式。如果重叠区域两部雷达都不能够询问到目标，则将该区域改为A4，从锁定地图中去除。

对于某一雷达离线后，组网内的其他雷达通过在线信息（AliveMessage）确认该雷达离线，其他雷达负责接管重叠区域的锁定状态，更新锁定地图。雷达恢复正常进入组网后，同样依据在线信息，其他雷达释放该雷达重叠区域的锁定状态，由该雷达负责询问锁定，更新组网锁定地图。

这样通过信息交互的方式，实现组网监视下锁定的地图的最优配置，还可以扩展锁定条件，不断优化锁定地图。如流量密度大的情况下，获取更多S模式信息，将某部雷达部分空间元的锁定交由其他雷达处理，减少該雷达选呼频次，并达到信息最大化。

三、结论

本文立足于解决S模式组网后锁定地图的优化，提出了动态自主构建锁定地图优化方案，对于实际运行还要考虑更多，尤其是初始阶段，需要对雷达覆盖范围进行确认，这样可以更快的实现锁定地图的构建。后期研究尝试将ADS—B（自动相关监视）和MLAT（多点监视）站点信息辅助S模式二次雷达锁定地图构建，减少运行中的风险，使地图构建更加可靠。

参考文献：

[1]二次雷达原理. 张尉. 国防工业出版社 . 2009

[2]雷达通信一体化组网目标定位算法研究. 胡飞. 电子科技大学 . 2015

[3]A New Transmit Beamforming Method for Multi-User Communication in Dual-Function Radar-Communication[J]. XueYao，YuLiu，ZaichenZhang，XianxiangYu，Guolong Cui. Journal of Beijing Institute of Technology. 2021（01）

[4]S模式二次雷达协同监视功能系统仿真[J]. 水泉，余飞侠. 现代信息科技. 2020（06）

[5]王广宇.空管雷达组网覆盖和数据传输问题的改进[J].硅谷，2011（17）：62-63.

[6]European Mode S Station Functional Specification. Eurocontrol. 2015

[7]Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation Aeronautical Telecommunications Volume IV. ICAO. 2017

[8]Koga T，Mori K.Autonomous Lockout Map Construction Technique for Secondary Surveillance Radar Mode S network[J]. IEEE National Radar Conference Proceedings，2010.

作者简介：郭林辉（1983-1），男，汉族，江苏省盐城市人，硕士学历，工程师职称，现任民航安徽空管分局单位机务员，主要研究方向：空管监视系统。