二次雷达S模式询问与应答研究
摘 要：二次雷达是民航空管运行的重要监视设备，S模式询问与应答则是民航二次监视雷达技术的重点和难点。文章通过理论分析二次雷达询问应答脉冲波形和S模式上行、下行链路数据格式，以及示波器捕捉的信号详细解析了全呼、选呼询问和应答，对于技术人员维护维修S模式雷达以及自动化信号处理有积极的参考价值。
关键词：二次雷达；S模式；询问；应答
一 引言
随着中国经济以及民航行业的快速发展，空中交通管制的飞机数量在不断的增加，传统的A/C模式二次雷达固有的缺陷也越发地突显：异步干扰、同步串扰、高度编码最小100英尺、编码数量最多为4096等问题严重制约着二次雷达的技术应用[1-3]。由于S模式二次雷达给每架飞机分配了唯一的24位地址，可以实现全球飞机一机一码，采用选择性询问可以明显减少异步干扰和同步串扰的发生。S模式询问和应答数据块可容纳56比特或112比特的数据，可以得到目标的A模式识别码、步进25英尺的高度报告、24位地址、数据链路性能报告、选择垂直意向高度、跟踪报告和速度报告等丰富信息。从20世纪80年代开始，经过多年的研究和探索，S模式逐渐被国际民航组织ICAO接受，成为二次监视雷达的行业标准。S模式脉冲询问和应答、功率发射以及上行下行链路数据格式是二次雷达S模式技术应用的核心和难点。
二 询问和应答脉冲
S模式询问通过询问波束发射P1、P2、P6脉冲，控制波束发射P5脉冲实现。如图1所示，其中P1和P2脉宽为0.8μs，间隔为2.0μs，主要用于阻止A/C应答机应答，非模式S应答机不会应答这些脉冲，也不会对剩余询问信号进行解码。在P2脉冲后是一个脉冲串P6，包含送到飞机的DPSK调制信息，短P6脉冲信息为56位（脉宽为16.25μs），长P6脉冲信息为112位（脉宽为30.25μs）。在P6脉冲之内，存在很多反相，用其携带询问数据。第一个反相位于脉冲前沿后1.25μs，应答机利用它同步其自身脉冲以方便对后续数据进行解码。同步反相也被用作应答信号发射的时间基准。询问机对目标距离的测量是通过发射同步反相位信号与接收到应答信号的第一个脉冲的时间延迟来进行的。DPSK调制时，0表示同相，1表示反相。控制波束P5脉冲主要用于实现询问旁瓣抑制功能。
图1 二次雷达S模式发射的询问脉冲
图2 二次雷达S模式收到的应答脉冲
S模式应答由检波器检测前四个前导脉冲来确认，四个脉冲中的任何一个前沿都可以用来测量距离。应答数据内容包含在前导脉冲后面的数据块中，采用脉冲位置调制PPM。每一数据位持续时间为1μs，有脉冲和空脉冲各为0.5μs，合在一起为一个脉冲周期，前0.5μs有脉冲表示“1”，无脉冲表示“0”，其后0.5μs反相。应答数据为56位或者112位，其中最后24位是地址和校验的组合。
三 上行/下行链路
国际民航组织ICAO附件10中定义了25种S模式的UF（uplink format）上行链路格式和DF（downlink format）下行链路格式。目前我国单脉冲二次雷达S模式主用使用了其中5种。UF/DF11是S模式全呼询问与应答；UF/DF4和UF/DF5用于监视高度和识别；UF/DF20和UF/DF21用于监视和地-空通信。
表1 ICAO规定的25种S模式上行UF和下行DF链路格式
四 询问与应答数据解析
（一）全呼询问与应答
二次雷达S模式询问上行链路开始于UF11全呼，飞机应答机捕获了UF11信号后会将飞机的24位AA地址码以DF11下行格式发送给雷达，并锁定该询问机18秒，期间不再应答该询问机的UF11询问（但可以应答其他二次雷达询问机的询问），而该雷达询问机在这期间可以对飞行目标进行UF4、UF5、UF20、UF21等选择性询问。
上行格式UF11为S模式全呼询问。如图3所示，询问脉冲P6经过DPSK调制后56位数据前5位表示上行链路序号UF11=01011。PR（Probability of reply）占4位数据，表示应答概率，其中PR值等于0、1、2、3、4时分别表示应答机以1、1/2、1/4、1/8、1/16的概率应答，PR值等于8、9、10、11、12时表示应答机忽略锁定协议并以1、1/2、1/4、1/8、1/16的概率应答，其余值未指定含义。IC（Interrogator Code）表示询问机代码，包含II和SI码，其中II（Interrogator Identifier）询问机识别码4位（值为0-15），SI（Surveillance Identifier）监视识别码（值为0-63）。CL（Code label）定义了IC字段的内容，如果CL=000，表示IC字段包含II码；如果CL=001，表示IC字段包含SI码，且为1-15；如果CL=010，表示IC字段包含SI码，且为16-31；如果CL=011，表示IC字段包含SI码，且为32-47；如果CL=100，表示IC字段包含SI码，且为48-63。AP（Address Parity）为24位飞机地址奇偶校验码。上行链路AP字段的编码产生将由飞机地址、全呼叫地址或广播地址形成。下行链路AP字段的编码从24位模式S地址序列(a1,a2,…, a24)中直接产生，其中ai是全呼叫应答信号中的飞机地址(AA)字段的第i位。
图4 二次雷达S模式下行链路数据格式
下行格式DF11为全呼应答。如图4所示，应答脉冲经过PPM调制后数据前5位表示下行链路序号DF11=01011。CA（capability）为应答机通信能力的编码，占数据位3位。AA（address announced）为飞机唯一识别的S模式24位地址。PI（parity interrogator identifier）询问机识别码校验，由24位元序列产生，前17位元为0，后7位元分别为询问器CL码和IC码。
（二） 选呼询问与应答
UF4、UF5、UF20、UF21上行链路格式为S模式选呼，如图3所示。DF4、DF5、DF20、DF21下行链路格式为S模式选呼对应的应答，图4所示。格式DF20、DF21与DF4、DF5相比，增加了56位的Comm-B（MB）信息，主要是通过飞机应答机的BDS（Comm-B data selector）实现。BSD是一种8位的代码，决定了在Comm-B应答信息域哪些寄存器的值下送给询问机。
通过示波器可以检测二次雷达S模式选呼和应答脉冲，如图5所示。其中波形1是询问门信号，波形3是归一化和波束询问幅度信号，波形2是归一化和波束询问相位信号，波形4是接收到的应答信号。测试波形3和波形4的时间间隔为1.337ms，除去应答机的响应时间，可以计算出该目标飞机距离雷达的斜距为181.35Km。
图5 示波器上检测到的S模式询问与应答波形
图6 示波器上检测到S模式上行UF4选呼波形
图7 示波器上检测到S模式下行DF20应答波形
为了解析该询问信息，将询问脉冲幅度3和询问脉冲相位2的波形中的P6脉冲展开，如图6所示。经过DPSK调制后，P6脉冲56位数据值为00100000 10101111 01100000 01000000 01110001 11011101 00101010，结合图3可以解析得到该询问信息如下：UF=00100=4，表示上行链路格式序号。PC=000，表示询问协议不变。RR=10101=21，表示请求应答格式，如果大于15，则应答为Comm-B（即DF20或者DF21）。由于该询问UF=4，所以根据ICAO附件10的规定该询问请求的应答为DF20格式。RR后4位为0101=5，表示被请求的Comm-B应答的BDS1码为5。DI=111=7，为指示器识别，值为7表示识别的SD字段包含IIS码、RRS码、LOS码和TMS码。SD=0110000001000000，其中IIS=0110表示雷达询问器的II码为6，RRS=000表示请求Comm-B应答的BDS2码为0，所以BDS=BDS1(高4位)+BDS2(低4位)=5016，查询ICAO附件10可知，飞机应答机会下传航迹航转报告，LOS=1表示多站锁定命令，TMS=0000，表示航空电子设备数据链通信控制信息。AP=01110001 11011101 00101010=71DD2A。
将应答波形4脉冲数据展开，如图7所示。经过脉冲位置调制（PPM）解码后得到112位的应答数据值为10100000 00000000 00001100 00110100 11111111 10110110 10111101 00110000 01111111 11111100 10111010 01010100 01110100 11101010。结合图4解析应答信息具体如下：DF=10100=20，表示下行链路格式为DF20。FS=000，表示飞行状态为飞机在空中，且没有告警和SPI信息。DR=00000=0表示下行请求。UM=000000=0表示功效信息。高度信息AC=0110000110100，其中bit26=0表示单位为英尺，bit28=1表示高度递增为25feet，所以飞机高度值=bit20-25,27,29-32=011 0001 0100=（788x25-1000）ft =18700ft（±12.5ft）。MB=11111111 10110110 10111101 00110000 01111111 11111100 10111010；应答机将寄存器BDS 5016（航迹航转报告）插入到MB信息中，具体分析如表2所示。
表2 BDS 5016下传的MB信息
AP=01010100 01110100 11101010=5474EA16。根据ICAO附件10第IV卷地址奇偶校验产生的序列和多项式，解析UF4的AP（71DD2A）和DF20的AP（5474EA16）均得到飞机的AA地址为780035，这也间接证明了示波器检测到的上行UF4和下行DF20为同一架飞机接收到的S模式选择性询问与相应的应答。
五 结束语
S模式二次雷达比传统的A/C模式雷达具有非常明显的优势。本文在ICAO附件10规范的基础上结合示波器实测数据详细分析了二次雷达S模式询问与应答脉冲、全呼和选呼的上行/下行链路格式、DPSK调制和PPM调制数据信息，对于S模式技术研究与应用探索、国产化S模式雷达设计以及雷达技术人员维护维修S模式雷达有积极的作用。
参考文献：
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[3] 田良，周水平.INDRA IRS-20MP/L Mode S二次监视雷达技术手册[M]. 成都：民航西南空管局，2013：10-12.
