航管二次雷达编码器原理研究
基于二次雷达应答机的航空交通管理系统研究
基于二次雷达应答机的航空交通管理系统研究航空交通管理系统（Air Traffic Management System，简称ATM系统）是保障航空安全、提高空中交通效率的关键系统之一。
近年来，随着航空业的快速发展和航空器数量的增加，如何更好地管理和控制航空交通已成为重要的研究方向。
基于二次雷达应答机的航空交通管理系统是一种利用二次雷达技术来实现航空交通监控和管理的系统。
在这个系统中，二次雷达应答机被安装在飞机上，通过接收、处理和发送信号与地面雷达台进行通信，实现了对飞机位置、高度、速度等信息的实时获取。
首先，基于二次雷达应答机的航空交通管理系统可以提供实时的飞机位置信息。
二次雷达应答机携带的航空器识别信号（Mode S信号）可以与地面雷达台进行通信，实现对飞机的准确定位。
通过收集多个雷达台发出的信号，系统可以计算出飞机的精确位置，并将其显示在地面控制台上。
这样一来，航空管制员可以准确了解到每个航班的位置，从而更好地控制航空交通，避免飞机之间的相撞和碰撞。
其次，基于二次雷达应答机的航空交通管理系统可以提高航空交通的效率。
传统的航空交通管理系统主要依赖于机载雷达进行飞行监控，但机载雷达的监视范围有限。
而基于二次雷达应答机的系统则可以实现更广范围的监控，能够同时监控多个飞机的位置和状态。
这样一来，航空管制员可以更好地分配空中交通流量，提高航班的运行效率。
此外，通过系统的自动化处理和智能算法，航空交通管理系统还可以优化航路规划，减少飞机在空中的等待时间，进一步提高交通效率。
另外，基于二次雷达应答机的航空交通管理系统对于航空安全也有着重要的意义。
通过实时监控飞机的位置和高度，系统可以快速发现飞机的异常行为和危险情况，及时通知航空管制员采取相应措施。
而在紧急情况下，系统还可以向飞机发送警示信号，引导其采取避碰动作。
这些功能的存在可以大大提高航空安全水平，为乘客和机组人员提供更稳定和安全的航空出行环境。
除了以上功能，基于二次雷达应答机的航空交通管理系统还可以支持飞行数据记录和分析，提供数据支持给航空事故调查和安全改进工作。
浅谈二次雷达天线原理
• 104•ELECTRONICS WORLD ・探索与观察浅谈二次雷达天线原理民航福建空管分局 陈 翰【摘要】二次雷达通常使用的是垂直大孔径天线，不同设备厂家所提供的雷达天线型号也是不尽相同。
但这些天线在工作原理上都大同小异，掌握其中通用的内容，就可以很快地学习不同厂家的天线。
【关键词】二次雷达；天线；垂直大孔径1.引言航管二次雷达是通过地面的询问机向航空器发射1030MHz 询问信号，安装有应答机的航空器接收到询问后回返回一个1090MHz 应答信号，雷达设备再接收应答信号来检测、识别目标的方位与距离。
2.二次雷达的工作原理二次雷达的信息交换，是通过将上行询问内容和下行应答内容进行脉冲编码来实现的。
按照ICAO 规范，传统空管二次雷达的询问模式共有6种，分别为1、2、3/A 、B 、C 、D 模式。
实际在民用航空中常用的是3/A 、C 两种模式。
这两种模式主要区别在于P1与P3的时间间隔不同。
P1~P3间隔是指P1和P3的0.5电平处脉冲前沿之间的间隔，其中3/A 模式下，间隔为8us ，C 模式下间隔为21us 。
P1、P2、P3的0.5电平脉冲宽度均为0.8us ，脉冲前沿宽度均为0.05~1us ，脉冲后沿均为0.05~0.2us 。
询问时，可以根据需要，只发射单一模式询问信号也可以各种模式交错询问。
3.天线基本理论天线的具体形式繁多，有多种分类方法，但是其中的基本理论，分析方法以及典型天线的工作原理与点特性却是相通的。
3.1 方向性函数天线的方向性函数是描写天线的辐射作用在空间的相对分布的数学表示式，方向图则是相应的图解表示。
场强振幅的归一化方向性函数定义为：式中，为天线在任意方向上的场强；为在最大辐射方向上的场强。
针对定向天线，它的方向图一般都呈现出花瓣状，而且都包含两个甚至多个波瓣：其中辐射方向上最大的瓣称为主瓣，剩余的瓣均被称为旁瓣或副瓣。
我们通常利用主瓣和副瓣的宽度来描写天线辐射处得能量的集中度。
AMS SIP-S航管二次监视雷达系统分析
图1雷达头设系统配置图1AMS SIR-S雷达系统概述1.1系统介绍AMS SIR-S雷达系统采用单脉冲技术,使得测角精度大大提高,理论上分析一个雷达回波就可以确定目标的到达角,从而可以大大减少地面站的询问率,使得异步干扰进一步减少。
由于利用OBA信息和更为强大的计算能力,使得雷达录取时抗击假目标和同步干扰目标性能也大大提升,雷达的水平覆盖范围是0.5-256海里,垂直覆盖角度为0.25度—40度,检测概率不小于99%。
AMS SIR-S雷达系统包括天线Science&Technology Vision科技视界101Science &Technology Vision科技视界群,SIR-S 单脉冲二次监视雷达,双雷达头处理器(RHP),雷达维护监视席位,本地控制和监视系统,以及双以太局域网,其连接如图1所示。
1.2发射机单元发射机单元由两个发射机组成:一个为主发射机,也是和通道发射机;一个是辅发射机,也是控制通道发射机。
发射机采用全固态发射机,并且使用了插接式连接。
发射机输出功率衰减分为8个等级,从-12dB,以2dB 为步进,也可以完全关断输出功率。
输出功率可进行方位编程,每周扫描分为128个扇区,相应每个扇区为2.8度。
在每个扇区对P1-P3和P2的输出功率进行控制。
发射机具有BITE(built in test equipment)自检功能,可向RPCM 发送状态报告,并接受RPCM 控制,其检测可到达LRU (least replaceable unit)级别。
发射机的频率为1030MHz+0.01MHz;输出功率大于62dBm。
如图2为发射机单元原理方框图。
1.3接收机单元接收机采用全固态接收机,并且使用了插接式连接。
接收机单元包含三个匹配的对数通道,分别是Σ通道,Δ通道和Ω通道。
另外还包括了相位检测器。
三个通道各向RPCM 送出两路视频信号,向相位检测器送出一路视频信号。
二次雷达原理全文
应答识别码
3/A询问模式的识别码实例1
应答识别码
3/A询问模式的识别码实例2
应答识别码
3/A询问模式的识别码实例3
应答高度码
响应C 模式询问的回答是高度码，译码后判决飞机高度的码位序列是按下 述排列：
D、A、B 共九位构成标准循环码，按500 英尺递增 C 共三位形成五周期循环码，按100 英尺递增 由于D1 代表了最高位，目前民用飞行器尚未达到这个高度，所以民航组
A、B、C、D表示回答的数据位，模式A和模式C中数据位 的含义不同。
数据位之间有严格的时间关系，每个脉冲0.45微秒，脉冲 之间为1.45微秒。
应答码
X位为备用位，目前恒为逻辑0 SPI为特殊位置识别脉冲
在F2脉冲后4.35微秒 由管制员请求发射在A模式中 每次发射一般持续20秒结束
为异步回答。 判断信号可作为一个控制信号去启动主接收通道的视频放大器，抑制旁瓣信号的输出。也可
给回答的每一个旁瓣脉冲标记一个符号，送到录取器，在这里只作独立脉冲的判决而不是整 个回答的判决，防止把主瓣收到的回答也被排除。
同步串扰（ Garble ）
处于同一波束的两架飞机。 距离小于2海里（3.7KM）。 产生应答码的重叠。 常规雷达探测回波强度几乎一致，无法区分。 给出开始和结束的目标存在信息（多架交织
滑窗检测
滑窗测角原理
防止异步干扰，须确定窗口脉冲存在的最小值，作为第二检测门 限。
窗口最小值取决于天线每次扫描的回答数，反过来取决于询问机 的询问率、天线转速、交替询问等。
如8个窗口中存在5次回答就可以判断目标存在，这就是目标起始 判据。此时存储天线方位指向θ1′。
在天线波束离开飞机以后，将收不到回波脉冲。但是滑窗内容继 续移动，并且不断放弃存储在窗口的原有的数据，由于没有新的 回波脉冲进入滑窗，当窗口中存储的目标数低于某一个数值时， 例如8个窗口存在4个脉冲时，可以申报目标终了，这样就建立了 尾沿判据或目标终了判据，并存储天线方位指向θ2′。
二次监视雷达原理
飞机的气压高度； 飞机紧急告警信息，如飞机发生紧急故障（7700） 、无线电通信失效（7600）、飞机被劫持（7500）。
民航内蒙古空中交通管理局
二
2、二次雷达
工作框图
定时脉冲 发生器 二次雷达
雷达原理
RF询问 编码器 发射机 接收机 译码器
RF应答 显示器 地面询问机 接收机 发射机 机载应答机 识别信息 高度信息 编码器
二次监视雷达
一 二
概述 雷达原理
三
机载应答机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一
1、电磁频谱资源
代号
HF VHF UHF L S C X (I) Ku K Ka V W mm
概述
波长
10 – 100 1 – 10 0.3 – 1 15 – 30 7.5 – 15 3.75 – 7.5 2.5 - 3.75 1.7 - 2.5 1.1 - 1.7 0.75 - 1.1 4 - 7.5 2.7 - 4 1 - 2.7 m m m cm cm cm cm cm cm cm mm mm mm 29cm
雷达的目标检测能力受到噪声的影响。
民航内蒙古空中交通管理局
一
5、雷达目标检测
概述
门限检测是一种随机检测，雷达接收机输出是一个随机 过程，雷达根据接收输出端的振幅是否超过门限来判断 有无目标存在，可能出现以下4种情况：
存在目标时判为有目标，称为发现，它的概率称为发现概率Pd； 存在目标时判为无目标，称为漏报，它的概率称为漏报概率Pla； 不存在目标时判为无目标，称为正确不发现，它的概率称为正 确不发现概率Pan； 不存在目标时判有目标，称为虚警，它的概率称为虚警概率Pfa。
经过双程传输后，目标信号是很小的(反比于R4)。
关于二次雷达性能及模块故障诊断系统的研究
关于二次雷达性能及模块故障诊断系统的研究在实际使用中，由于相关技术不够成熟，造成二次雷达性能未达标，模块故障诊断系统不够完善。
科技与军事飞速发展的今天，在复杂恶劣的现代战争环境下保持较高的识别率是二次雷达的主要任务，是各项指标达到标准的基础。
因此提高系统识别概率是当前的研发热点，文章针对几种干扰现象进行分析，希望对相关单位有所启发。
标签：二次雷达；干扰现象；模块故障诊断系统对监视范围内所有我方目标的身份分类和识别是目前二次雷达的主要作用。
在进行战略攻击时可有效进行敌我分辨，避免自相残杀情况的发生。
二次雷达的工作流程是由询问雷达发射询问信号给具有应答器的目标，其自动回复应答信号给询问雷达进而实现检测和识别目标的功能。
解决干扰问题是提高二次雷达性能的首要任务，是提高其精准性的重中之重。
1 二次雷达的工作原理及特点脉冲幅度调制信号是二次雷达的询问信号，射频信号是载波，通过定向天线辐射，P1、P2调制脉冲对之间有决定询问模式的固定间隔。
当P1脉冲幅度大于P2九分贝时，旁瓣抑制脉冲P1通过全向天线辐射，应答机可以对其进行作编码回答和译码。
为起到旁瓣抑制作用，P1脉冲需先于P2脉冲发两微秒发出。
根据相关规范，传统空管二次雷达共有专用于军用识别询问的1，2模式，兼用于民用识别与军用识别3模式，只用于民用识别的B模式，用于高度识别的C模式，备用询问的D模式六种询问模式。
二次雷达与一次雷达不同，被探测目标上必须装有应答机以保证目标发射应答信号与其配合工作完成工作任务所以应答机和询问器是构成二次雷达整个系统的必要部分。
二次雷达的通信系统具有传输信息的功能，其雷达系统具有测向和定位的功能。
敌我识别功能是二次雷达在航空管制和军事上担任重要的角色的有力保障。
然而现阶段二次雷达在应用中还存在内部干扰例如窜扰、混扰等问题，拉低了整体系统的性能。
一次监视雷达和二次监视雷达都属于空中交通管制雷达，一体化航管雷达是指二次监视雷达寄生在一次监视雷达上。
S模式航空管制雷达二次雷达数据链编译码方法的研究
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图２．３监视询问信号形式
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南京理工大学硕士论文
Ｓ模式航空管制雷达二次雷达数据链编译码方法的研究
（３）Ｃｏｍｍ－Ａ、Ｃｏｍｍ－Ｃ（上行）：调幅及差动相移键控（ＰＡ腿ＤＰＳＫ）
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南京理工大学硕士论文
Ｓ模式航空管制雷达二次雷达数据链编译码方法的研究
得现有的ＡＴＣＲＢＳ过载并由此造成航迹中断，结果造成航空事故的趋势越来越明显了。 于是美国Ｆ从于１９６０年开始研制离散寻址信标系统（ＤＡＢＳ），并于１９７６年研制出样 机，它综合了雷达和通讯的特点，并采用了自动化终端处理方式。它的主要特征是在 与现有的ＡＴＣＲＢＳ系统大体上兼容的基础上，赋予每一架飞机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，从而避免了同步窜扰和异 步干扰。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。ＦＡＡ将 离散寻址信标系统（ＤＡＢＳ）和空中交通防撞系统（ＴｃＡｓ）综合后，发展出Ｓ模式信标系 统。Ｓ模式信标系统的地面传感器就是Ｓ模式航空管制二次监视雷达（Ｍｏｄｅ （后简称Ｓ模式二次雷达）。 Ｓ模式得到实际应用是在１９８６年８月３１日洛杉机空难后的次年年底。如今ｓ模 式数据链系统仍然主要应用在空中的空一空定位和通讯中。 由于ＡＴＣＲＢＳ系统已占用了一个专用的波段用于空中交通管制，由于它的内容比 较简单，仅能够确定空中目标位置（包括飞行高度）和得到该航班的二次代码。而且 尽管采用了单脉冲体制，但是仍然不能从根本上解决目标的混淆问题，以至于制约了 飞行密度的进一步提高。那么采用ｓ模式来进行点名呼叫和数据通讯，就很自然地运 用在雷达监视空管系统中了。 近年来，ＩＣＡＯ欧洲空管局就ｓ模式方式下监视功能操作做了许多飞行试验，设 立了计划指导小组，为其成员国制定了Ｓ模式设备的装备计划，要求２００３年３月３１ 日起１２个月期限内所有新生产飞机必须装备ｓ模式基本型的２级应答机，２４个月期 限内所有飞机完成２级应答机装备。 在这段时间里，美国没有做出任何类似的要求，他们的主要思路似乎是充分利用
浅析航管自动化系统中的二次应答机代码与雷达目标关联错误问题
Science &Technology Vision 科技视界二次监视雷达(Secondary Surveillance Radar)广泛用于民用航空空中交通管制领域,为管制员实时提供空中飞机的位置、高度、速度、以及飞机的二次应答机代码。
航管自动化系统通过飞机的二次应答机代码可向管制员提供飞机的航班号、所属航空公司以及该架航班的航路等信息。
这个过程,在航管自动化系统中称为飞行计划与二次应答机代码的关联。
二次监视雷达的工作原理是,地面二次雷达周期性发出询问电脉冲,飞机上的二次雷达应答机收到该询问脉冲后,向地面二次雷达发回一组数据,其中包括飞机的飞行高度、飞行速度和飞机二次应答机代码等信息。
目前飞机的二次应答机代码为一个4位的8进制数(0000-7777),根据国际民航组织(ICAO)的规定,分配给我国可以使用的二次代码为1633个,具体到每一个管制区,如广州区域管制中心,在本情报区内可以使用的二次应答机代码为65个。
随着我国各地机场航班量的快速增长,上述的二次应答机代码数量早已不能满足中国民航的需求,二次应答机代码的重复使用率在目前的航管自动化系统中逐年增加,而由二次应答机代码重码引起的飞机关联错误的问题也呈逐年增加的趋势,这将对飞行安全及管制工作造成一定的影响,下文对该问题危害、出现的原因及解决方法进行详细的分析。
1关联错误对管制员的影响1.1增加管制员的工作量当出现关联错误的问题时,管制员需要进行较繁琐的操作,通过修改飞行计划等措施使航班关联正确。
在由于系统限制等原因无法自动关联时,管制员还需要电话通知所有相关管制单位,塔台管制员甚至还需要电话通知站调取消错误关联航班的起飞报,大大地增加了管制员的工作负荷。
1.2可能带来潜在危险首先,进近、区调管制员对电子进程单的依赖性很强,管制员若不能及时发现航班关联错误有可能导致其掌握的航班信息有误,会造成进近、区调指挥错误,导致出现管制差错。
其次,管制员在进行处理关联错误的操作时,注意力会被分散,削弱其对飞行动态的监控能力,导致管制员工作出现严重的安全隐患。
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航管二次雷达编码器原理研究
编码器是将类似于比特流的信号或数据进行调制、转化为可用于方便通信、传输和储存的信号的设备。
作为二次雷达的重要组件，编码器在雷达的单脉冲定位中主要起到确定角度方位的作用。
从研究的背景和目的出发，介绍了航管二次雷达编码器的基本知识、设计原理。
随后从设计和实践角度出发，给出通用的排故流程，方便提高现场维护工作的效率，从而达到保障飞行安全的目的。
标签：编码器；设计原理；排故流程
1 航管二次雷达编码器的分类
航管二次雷达主要采用光学编码器。
此类编码器从编码形式上说，分为”增量式编码器”跟“绝对式编码器”。
增量编码器在天线旋转铰链运行的同事，会输出与之对应的脉冲，同时也可以实现多圈的累加与测量。
编码器的中轴每旋转一圈，都能够输出固定质量的脉冲，脉冲的数量则取决于编码器的光栅线数。
若设备对分辨率的要求较高，可利用相位正交的两路信号进行倍频。
绝对式编码器将特定位置设定成对应的编码，可以是数字电路中的二进制码，亦或是8421（BCD）码。
根据编码发生的变化量，可以判定雷达转动方向，并且识别出天线在此时所所面向地面的位置，其中绝对零位代码还包含停电位置记忆功能。
CIRIUS系统使用的是数字化程度更高的“绝对式”编码器。
在现阶段中国大陆民航空管系统所用的常见的航管二次雷达中，ALENIA雷达和INDRA雷达一般采用增量式光电编码器，而法国THALES厂家生产的二次雷达，采用的是绝对式光电编码器。
2 航管二次雷达编码器的运作原理
2.1 增量式光电编码器
增量式光电编码器的运作原理是每产生一个输出脉冲信号就会增加一个单位增量的位移，但这只是单纯的增量，并不能区分增量出现的位置。
因此，这种计算只能算出相对于特定位置的位移增量，无法直接判定天线主瓣所面向的实际位置信息。
增量式光电编码器会输出两组正交信号A、B，两组信号相差90°电度角称为正交，用这种方法即可判断出旋转方向。
同时还会有一个Z相脉冲作为参考点，该Z相脉冲只在编码器旋转一周时会出现一次。
Z相脉冲对积累量进行清零的标志。
增量式光电编码器有以下几个组成部分，包括：光源、码盘、检测光栅、光电检测器件（光敏元件）和转换电路，如图1所示。
码盘上刻有等距的扇形空隙，空隙用来透过光线，相邻的两个空隙的间距代表一个时间增量；检测光栅上刻有两组透光间隙，分别为A组和B组，正好与码盘上的空隙相对应，这样可以通过或者是阻隔光源和光敏元件之间的光线。
它们的缝隙间距大小和码盘上的相同，并且A、B两组透光间隙会错开1/4 个刻度，使得光敏元件在进行信号输出时能够产生90°相位差的电角度。
码盘与编码器的轴承同时旋转，检测光栅则静止，光线同时穿透码盘和检测光栅，照射到光敏元件上，光敏元件就可以检测并输出两组类似于正弦波的电信号，且信号之间的相位差为90°，电信号经过后期处理，便可以计算出天线的旋转角和转速。
增量式光电编码器信号的输出波形如图2所示。
增量式光电编码器具有简单易实现、分辨率高、抗干扰能力强的优点。
同时，在现有条件下生产的增量式光电编码器，平均寿命可达到几万小时以上，信号传输距离较长，更为可靠。
它的缺点是无法直接转动轴的转动方便，真实的转动方位也要提前进行参数设定。
2.2 绝对式光电编码器
绝对式光电编码器与增量式的构造基本一致，同样是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件（光敏元件）和转换电路组成，如图3所示。
与增量式光电编码器的区别在于，绝对式光电编码器通过制作不同的透光间隙来表示各类数码，这使得编码器能够直接输出数字化的信号而不需要转换。
在它的码盘上沿径向划分为多个同心码道，可以看成大小不同的可以透光的扇形，相邻的两个码道，外侧码道的扇区数是内侧码道的两倍，也可以将整个码盘比作二进制数，有多少个码道该二进制数就有多少位。
码盘在转动的同时，光敏元件由于受到光栅遮挡就会转换出与之对应的电平，并且最后直接以二进制数的形式输出。
这种编码器的优点在于不需要计数，码盘在旋转时，每一个位置都对应有唯一的二进制数。
很容易看出，此类码盘的分辨率与它对应的码道数量呈正相关。
绝对式光电编码器使用常见的数字电路转换方式进行转换，例如格雷码、8421码等。
它与增量式光电编码器的区别是码盘的样式不同，绝对光电编码器的码盘看似很不规则，但实际上都能与特定的二进制数一一对应。
所以它能够做到没有误差的累积；并且在断电时也不会丢失之前的位置信息。
绝对式光电编码器的码盘具有特殊性，根据编码形式的不同，所用的码盘也大相径庭。
图4中所示的是四位二进制码盘，a为8421二进制码盘，b为格雷码盘。
图中黑色表示光线不能穿透，白色表示光线可以穿透。
图4（a）是一个四位二进制码盘，它靠内侧的第一圈称为第一码道，透光面积与不透光面积各占50%，与最高位C1相对应，最外圈则是第4 码道，共分成16 个小窗，与最低位C4相对应。
该码盘的最小分辨率计算如下：
θ1=360°/24（1）
由上述原理可知：在相邻的码道内，总会存在外圈码道有一半分界线与内圈码道对齐，因此会由于刻度的不精确产生误差。
如图5所示，当C1码道出现下图的误差后，会直接导致输出编码从0111变为0000，但是0000是错误码，并不能被使用。
图4（b）同样是一个四位二进制码盘，但与（a）不同的是（b）是循环码盘，其每个码道之间的黑白分界线是错开的，所以当码盘旋转至编码发生改变的位置时，有且只有一位编码会发生变化。
这在一定程度上抑制了由于刻度不精确导致的粗误差的产生。
也正以为如此，在生产和工业制造时，这种循环码盘运用的更为广泛。
3 结论
本文对编码器原理和设计思路进行了介绍，理解设计原理有助于在突发情况出现时快速找到故障点。
编码器一般因受雷击或雨水腐蚀而出现故障，且对某些型号的航管二次雷达而言属于公共部分，其损坏易造成雷达设备无法正常运行，因此在日常维护时要重点对旋转铰链的运行状态进行查看。
同時，对故障设备的维修一定要对故障现场进行分析，尽可能地把器件运行的路线分析一下，这对后续的维修思路是很有帮助的，以便于提高排故效率。
参考文献
[1] 周研.thales二次雷达的系统构成及维护建议[J].科技与生活，2012，（12）：173.
[2] 柳斌.关于INDRA 二次雷达编码器及其校准方法的探究[J].实验研究Experimental Research，750009.。