1.2 二次监视雷达发展历程

第二次世界大战结束后，世界各国均积极地考虑将战时的科研成果应用到民用事业。二次雷达系统在空中交通管制系统中的应用价值逐步得到各国认可。1950年，英国皇家信号与雷达科学研究院在英国民用航空局的支持下，研制出二次监视雷达试验样机，并于1952年在英国伦敦机场进行了试验。它的地—空询问信号工作频率是1215MHz，空—地应答信号工作频率是1375MHz。

1953年，Mark X被解密，用作空中交通管制二次监视雷达。1954年，国际民航组织通信部会议决定，将Mark X的工作频率作为民用二次监视雷达的工作频率。由于使用二次监视雷达监视军用飞机是很重要的事情，因此规定民用C模式必须与军用模式3一样。当时英国和法国的军用飞机使用B模式。

1957年，国际民航组织制定了民用航空二次监视雷达标准。到20世纪60年代初期，二次监视雷达投入使用，并且得到世界上越来越多的国家和地区的认可。但是也有人对它的发展前景表示担心，美国的威格士（Vickersh）、克里彭（Crippen），以及英国的哈里斯（Harris）分别在1955年、1956年发表文章，阐述了他们预测的二次监视雷达的问题，如旁瓣应答、占据引起的应答损失、串扰、混扰、超负荷询问、天线垂直方向图旁瓣等，并提出了改进意见。

20世纪60年代末到70年代初，二次雷达系统技术体制导致的系统内部干扰随着民用飞机数量的增加而急剧增加，严重限制了二次雷达系统性能，人们的担心也得到了印证。1969年，英国科索尔公司（Cossor）自筹资金试制了一台二次监视雷达单脉冲接收机进行试验。这是涉及未来的选址系统是否成功的一个关键课题。该试验是成功的，结果比预想的还好。为此，英国民用航空局与科索尔公司签订了选址系统合同，内容包括系统设计、实验设备开发及系统试验。该系统叫作ADSEL，是英文ADdress SELective的缩略语，意为选址系统。

美国的选址询问系统叫作离散地址信标系统（Discrete Address Beacon System，DABS），之后人们在推广这种选址询问系统时，将其作为民用二次监视雷达的一个新的工作模式，称为S模式。S源于英文Selective，意为选址。

发展S模式的原因在美国和英国稍有不同。在20世纪60年代，英国对二次监视雷达的研究表明，随着民用航空飞机数量不断增加，系统内部的干扰将限制二次监视雷达在空中交通管制系统中的应用。对此人们提出的解决办法是，对每架飞机进行单独询问，这样它们的应答信号就不会相互重叠和干扰。要求询问机天线每扫描一周，询问机只能对目标进行一次询问，并且要求应答机的应答数据同时包括高度数据和识别数据，这样就降低了应答机的应答速率，也降低了对系统内其他询问机的干扰。要实现选址询问，必须使用单脉冲技术，因为只有使用单脉冲技术才能在一次询问中完成目标方位角测量。

与此同时，美国也遇到相同的问题，有一些机场的飞机数量在工作繁忙时已经出现饱和情况，并且情况变得越来越差，为了应对这一发展情况，要求大幅度增加空中交通管制员数量。为了改善现有空中交通管制员的工作效率，人们制定了多项措施，其中包括使用改进的二次监视雷达与数据链相结合的方法，建立一种自动化的地面防撞系统，即间歇式前向监控系统（IPC），其功能是不断向飞行员提供关于附近飞机位置的信息，并根据需要发出避撞指令。间歇式前向监控系统可以为空中交通管制系统监视范围以外的飞机提供保护。

英国和美国的方案有所不同，可互为补充。英国的重点是改进飞机的监视功能，美国的重点是开发系统的数据链潜力。开发是透明的，两国的工程师们密切合作，自由交换信息。两国研究的新地面设备都要求与新型应答机协同工作，新型应答机必须具备选址询问-应答和数据链通信两种功能。

实验表明，单脉冲技术使用一个脉冲就可以得到精确的方位角测量数据，解决系统的方位角测量难题。此外，利用差波束应答信号幅度，单脉冲技术可以对多个相互重叠或相互交错的应答信号进行译码，这就解决了系统的另一个难题——混扰问题。由于单脉冲技术解决了二次监视雷达的两大难题，因此很多国家决定在S模式得到推广之前先采用单脉冲技术，因为从普通二次雷达过渡到单脉冲二次雷达，不需要在飞机上安装新型应答机，只需要在地面询问站增加单脉冲功能，当S模式正式推广时，再安装新的选址二次监视雷达。

二次监视雷达地面询问站由旋转天线（包括安装在天线塔上的天线旋转齿轮）、发射-接收机（通常叫作询问机）和应答信号处理器（又称为飞行航迹提取器）组成。地面询问站向空中发射的询问信号频率为1030MHz，接收的目标应答信号频率为1090MHz。典型的二次监视雷达地面天线如图1.5所示。它安装在联合工作的一次雷达天线上，共用天线塔和天线旋转齿轮。询问机和飞行航迹提取器通常安装在工作机房内。

飞行航迹提取器将接收到的应答数据转换为每架飞机的目标报告数据。目标报告数据通过电缆传送到空中交通管制中心的飞行航迹显示器，以地图的形式显示出每架飞机的位置、识别代码和高度数据，如图1.6所示。

飞机上的设备由应答天线、应答机及控制盒组成：应答天线通常安装在飞机机身表面；应答机用于检测来自地面询问站的询问信号，并向地面询问站发射应答信号；控制盒可供飞行员设置飞机识别代码和选择工作方式等。二次监视雷达的应答机和控制盒如图1.7所示。

从总体上讲，二次监视雷达的发展经历了三个阶段：A/C 模式二次监视雷达、单脉冲二次监视雷达和S模式二次监视雷达。

1.A/C模式二次监视雷达

20世纪60年代初，A/C模式二次监视雷达在空中交通管制系统中得到应用，主要是Mark X被解密后在民用航空领域中的应用。其主要特点：利用询问信号和应答信号测量飞机的距离和方位角，传输包括飞机高度数据、识别代码和应急代码等在内的信息，完成飞机飞行状态监视工作。其工作方式：定向询问、全向应答。询问天线主波束范围内所有飞机都可能被询问信号触发，产生应答信号。A/C模式二次监视雷达内部存在严重干扰，如同步混扰、异步串扰、旁瓣干扰等。另外，利用“滑窗”处理技术，至少需要 9 次询问才能完成目标方位角测量，这种工作方式加剧了A/C模式二次监视雷达内部的干扰。早期的A/C模式二次监视雷达，当询问天线主波束范围内只有1个目标时，其识别概率可超过90%；当询问天线主波束范围内有3个目标时，其识别概率下降到22%；当询问天线主波束范围内有5个目标时，其识别概率几乎为 0。这降低了 A/C 模式二次监视雷达的监视性能，甚至影响到它在空中交通管制系统中的进一步应用。

2.单脉冲二次监视雷达

20 世纪 70 年代初，单脉冲技术在二次监视雷达中成功得到应用，提高了二次监视雷达的系统性能，解决了二次监视雷达在空中交通管系统中应用的技术难题。单脉冲二次监视雷达的主要特点如下。

（1）从理论上讲，单脉冲二次监视雷达利用一个脉冲就能完成目标方位角测量。与“滑窗”处理技术方位角测量方案相比，测量一架飞机的方位角，单脉冲二次监视雷达的询问次数可减少一半以上，可消除大量内部干扰。

（2）单脉冲技术提高了方位角测量的精度，因为利用一个脉冲就可以完成目标方位角测量，利用应答脉冲串中的每个脉冲进行方位角测量，经过统计平均处理之后平滑了噪声的影响，提高了飞机方位角测量的精度。

（3）利用和、差信道的信号幅度信息提高了询问机的译码能力。尤其是差信道接收的应答信号幅度对于目标的方位角变化特别敏感，对距离相等、方位不同的飞机的应答信号，差信道接收到的信号幅度相差很大，这样便提高了在混扰条件下的正确译码概率。使用单脉冲技术后，一般能同时处理4个混扰目标。

3.S模式二次监视雷达

S 模式二次监视雷达由于采用了选址询问方式，每次询问只有被点名的应答机发射应答信号，从技术体制上消除了大量系统内的混扰和旁瓣干扰。因为询问次数的减少，其他询问机对应答机选址询问产生的串扰也大量减少了。

S模式二次监视雷达于20世纪60年代末开始研制，1982年发布的《国际民航组织公约附件10》规范了S模式标准，1998年发布的《国际民航组织公约附件10》对S模式标准进行了修订。S模式二次监视雷达具有以下特点。

（1）选址询问：S模式二次监视雷达采用定向选址询问、全向应答工作方式。为了实现选址询问，必须知道飞机地址。因此，首先通过全呼叫方式得到飞机地址完成目标捕获，然后对目标进行选址询问，同时要求已捕获的目标应答机对本地面询问站后续全呼叫询问信号不予应答，以减少内部干扰。

（2）监视和通信功能：除A/C模式监视功能以外，还可以完成点对点的地—空、空—地数据链通信功能和点对面的广播功能。同时S模式信号波形、报文格式等已经在空中防撞系统（ACAS）和广播式自动相关监视（ADS-B）系统中得到应用。

（3）信号波形改进及纠检错译码：上行链路信号波形采用差分二进制相移键控（DBPSK）调制，传输速率为4Mbit/s。下行链路信号波形采用二进制脉冲位置调制（BPPM），传输速率为1 Mbit/s。为了减小通信误码率，上行、下行采用了信道编译码技术，应答机采用检错译码，地面询问站采用纠错译码。

（4）系统工作协议：无论是进行目标捕获，还是进行多站通信活动，地面询问站与飞机、地面询问站与地面询问站之间都需要协同工作，必须有一个共同执行的协议。研究该协议是研制和使用S模式二次监视雷达的一项主要工作内容。