提高一维相控阵二次监视雷达高仰角目标测角精度的方法

王爱国

(四川九洲空管科技有限责任公司 四川绵阳 621000)

0 引言

二次监视雷达(Secondary Surveillance Radar, SSR)是一种空管雷达信标系统，采用询问应答协同式工作原理，由布置在地面上的二次监视雷达询问机和飞机上的机载应答机来实现。二次监视雷达具备雷达和通信的双重功能，不仅能探测飞机的方位和距离，还能通过交换编码内容来获取飞机的识别代码和气压高度，是提供空中飞行情报及态势的主要信息来源，不仅是现代空管系统必配设备之一，还广泛应用于军事领域。

相控阵天线无需伺服控制系统，安装使用方便，波束扫描灵活，随着相控阵雷达技术的快速发展，采用一维相控阵天线的二次监视雷达逐步在机载、舰载、车载等移动平台上推广应用。一维相控阵天线波束在俯仰面上存在倾斜现象，对一维相控阵二次监视雷达的测角精度带来了一定的影响，本文针对一维相控阵二次监视雷达高仰角目标测角误差较大的问题，提出一种有效测角精度补偿的方法。

1 二次监视雷达测角原理

二次监视雷达广泛采用幅度和差波束单脉冲测角方法[2][5]，如图1所示，单脉冲体制天线形成和波束与差波束，和波束用于发射、检测和测距，差波束用于测角。当存在目标应答信号时，应答信号同时被天线和波束与差波束接收，应答信号偏离天线波束指向角度由和差信号幅度比值确定，差信号相位(符号)表示目标偏离天线波束指向的方向，差信号在天线波束指向左右两边相位相差180°，和信号相位与目标偏向无关，用和信号为相位基准，通过测量和差信号的相位差确定目标偏离天线波束指向的方向。

图1 天线和差波束方向图

目标方位角是当前天线波束指向加上目标偏离天线波束指向角度，目标方位角满足关系式(1)为

ω=φB+δB

(1)

式(1)中，ω表示目标方位角；φB表示天线波束指向；δB表示偏离天线波束指向角度。

由式(1)可知，二次监视雷达测向误差由天线波束指向误差和偏离天线波束指向角度测量误差两部分组成，因此，相控阵天线波束指向精度对二次监视雷达的测角精度有非常重要的影响。

2 一维相控阵天线波束倾斜现象

方位上一维相位扫描天线波束在方位方向上为窄波束，而在仰角方向上则为宽波束。确定移相码后，在仰角θB=0°的方向，天线波束指向为φB，由于天线仰角波束很宽，在不同于0°的θB角度方向，天线波束指向将略微偏离φB，指向φB+ΔφBθ，从而产生天线波束的倾斜现象[1]。

天线波束指向随仰角不同而发生的方位偏移量ΔφBθ满足关系式(2)为

(2)

式(2)中，ΔφBθ和θB以弧度表示，φB以(°)表示。

图2所示为天线波束指向随仰角变化而发生偏移的示意图。由图2可见，天线波束指向会随着仰角的变化而产生偏移，随着方位扫描角的增大与仰角的增大，天线波束指向偏移逐渐变大。

图2 天线波束指向随仰角变化发生偏移示意图

3 高仰角目标测角误差修正方法

3.1 高仰角目标测角存在的问题

相控阵二次监视雷达首先需测量天线方向图，测得每个波位的天线波束指向和OBA数据(和差幅度比值、差相位)，形成天线波束指向数据和OBA表装入设备内，在计算目标方位角时，根据波位号查询得到天线波束指向数据，根据和差幅度相位查询得到目标偏离天线波束指向的角度。目前，相控阵二次监视雷达通常只测量应用仰角为0°左右的一组天线方向图数据，由于一维相控阵天线波束指向随仰角变化会发生偏移，同一波位不同仰角的天线波束指向存在较大差异，若不对天线波束指向进行修正，系统对高仰角目标进行测角时将产生较大的测量误差。

3.2 本文修正方法

本文提出一种利用二次监视雷达C模式询问对一维相控阵二次监视雷达天线波束指向进行修正的方法，以提高高仰角目标的测角精度。首先按照不同仰角测量天线方向图，形成不同仰角的天线波束指向数据装入设备，设备工作时，目标仰角通过二次监视雷达的询问获取飞机的距离、气压高度经换算得到，然后根据目标仰角读取设备存储的天线波束指向数据用于目标方位角计算，从而完成高仰角目标的天线波束指向修正。具体步骤如下：

1)天线方向图测量

为获取一维相控阵天线真实的天线波束指向数据，以真实环境无线测试不同仰角每个波束的实际指向，根据仰角建立不同的天线波束指向数据。系统要求俯仰覆盖范围0°～+25°，因此仰角测量范围为0°～+25°，以1°为步进，分别测量各仰角(0°、+1°…+24°、+25°)的天线方向图数据。测量方法如图3所示，采用室外高架远场测试方法，水平远端位置放置信号源，被测天线安装在转台/摇摆台上，通过摇摆台精确调整天线俯仰角度，通过转台控制天线水平方向上360°旋转，依次完成不同仰角各个波位的天线方向图的测量，形成天线波束指向两维(仰角、波位)数据，存入设备用于目标方位角计算。

图3 天线测试示意图

2)目标仰角测量

根据国际民航组织(ICAO)规范，二次监视雷达测量飞机高度采用的是C模式[3]，获取的高度数据是飞机上气压高度表测量的气压高度数据。工作原理如图4所示，二次监视雷达地面询问机对监视空域内的飞机发出C模式询问信号，机载应答机接收到C模式询问信号后将飞机上气压高度表测量的气压高度数据编码，形成C模式应答编码信号发回地面询问机，地面询问机接收并处理应答编码信号，从而获取飞机的气压高度数据。

图4 二次监视雷达C模式工作原理示意图

为获取飞机相对雷达的仰角数据，二次监视雷达工作时开启C模式询问，以获得飞机相对雷达高度，同时依据发出的询问信号与收到的应答信号之间的时延进行计算获取飞机的斜距，目标仰角测量公式为

(3)

其中：θ为飞机相对雷达的仰角(单位：°)；H为飞机相对雷达高度(单位：m)；R为飞机到雷达之间的斜距(单位：m)。

3)天线波束指向修正

计算目标方位角时，根据目标的仰角数据和当前波位读取设备存储的天线波束指向数据，将相应的天线波束指向代入公式(1)从而得到准确的目标方位角。

4 试验及结果

为验证修正方法的有效性，开展二次监视雷达系统联试试验。试验方法如图5所示，相控阵天线架设在转台上，机载应答机模拟器架设在高塔上，通过调整模拟器在高塔上的位置设置相对于相控阵天线的仰角，通过转台调整相控阵天线相对模拟器的扫描角度。

图5 验证试验示意图

试验中分别设置相对仰角+15°、+20°和+25°，以4°为间隔，通过转台调整相控阵天线扫描角度。测角误差如图6～8所示，修正前(采用0°天线方向图数据)测角误差随仰角增大和天线扫描角度增大而逐渐变大，当仰角为+25°、天线扫描角度为±45°时，测角误差达到5°左右。经修正后，测角误差在0.5°以内，满足系统要求，试验结果验证了修正方法的有效性。

图6 +15°仰角试验测角误差

图7 +20°仰角试验测角误差

图8 +25°仰角试验测角误差

为进一步验证，开展对空中民航飞机的测角试验。利用民航飞机的ADS-B OUT能力，在二次监视雷达站点部署ADS-B IN设备实时接收空域内民航飞机的经纬度、高度信息，并转换成相对于二次监视雷达的方位信息[4]。提取二次监视雷达、ADS-B IN设备的记录数据，以ADS-B测量值为方位真值，计算二次监视雷达探测飞机的测角精度。试验中民航飞机测角精度见表1，从表1可看出，二次监视雷达高仰角目标的测角精度小于0.5°，满足系统要求。

表1 民航飞机验证试验情况

5 结束语

随着相控阵技术的发展和二次监视雷达的广泛应用，很多平台开始运用相控阵技术，一维相控阵天线在俯仰面上的固有特性会影响二次监视雷达在高仰角上的测角精度。本文分析了二次监视雷达的测角原理、一维相控阵天线波束倾斜现象，提出了一种一维相控阵二次监视雷达高仰角目标测角误差修正方法。该方法在真实环境下测量天线不同仰角真实的天线方向图，利用二次监视雷达C模式获得飞机相对雷达仰角，能实时自动地对高仰角目标的天线波束指向进行修正，降低了高仰角目标的测角误差，进一步提高了二次监视雷达的测角精度。该方法已成功应用于多个工程项目，效果显著。