二次雷達系統干擾等問(wèn)題的解決方法

一、二次雷達系統簡(jiǎn)介
二次雷達（Secondary Surveillance Radar,SSR）不同于一次雷達，它需要目標發(fā)射應答信號來(lái)配合工作，因此被探測目標上必須裝有專(zhuān)用設備（稱(chēng)為應答機）。整個(gè)系統至少由詢(xún)問(wèn)器和應答機兩部分組成。
二次雷達既具有雷達系統測向和定位的特點(diǎn)，又包含了通信系統的傳輸信息的功能。它在軍事上和航空管制上起著(zhù)重要的作用［1］，其中的一個(gè)重要領(lǐng)域是敵我識別。應用中發(fā)現它存在混擾、竄擾等內部干擾，從而導致系統性能下降。

二、現有二次雷達系統存在的問(wèn)題
1.二次雷達系統的特點(diǎn)
根據二次雷達的工作特點(diǎn)我們發(fā)現：現有的二次雷達系統，由于采用“全呼叫”方式和同頻工作，系統內部存在著(zhù)各種干擾，如竄擾、混擾、占據、旁瓣干擾等。這些干擾對系統的性能有嚴重的影響。
2.使用中存在的問(wèn)題
（1）竄擾
當兩部以上的詢(xún)問(wèn)機相繼對空中的多部應答機進(jìn)行詢(xún)問(wèn)時(shí)，應答機對每個(gè)詢(xún)問(wèn)信號均會(huì )產(chǎn)生回答。因此，每個(gè)詢(xún)問(wèn)機接收到的應答信號中，除應答機對自己的回答 信號外，還有該應答機對另一部詢(xún)問(wèn)機的回答信號，后者對本詢(xún)問(wèn)機實(shí)際上是一種干擾，且不可能與本詢(xún)問(wèn)信號同步故稱(chēng)竄擾或異步干擾。
（2）混擾
當詢(xún)問(wèn)天線(xiàn)波束內有兩個(gè)或兩個(gè)以上的我方目標時(shí)，詢(xún)問(wèn)機可以收到詢(xún)問(wèn)天線(xiàn)波束內的所有應答機的回答信號。由于回答的信號占有一定持續時(shí)間，所以當兩個(gè)目標接近時(shí)，詢(xún)問(wèn)機收到的信號會(huì )相互交錯、重疊，妨礙正確譯碼，造成干擾，故稱(chēng)之為混擾.
（3）占據
在應答機接收一詢(xún)問(wèn)信號至轉發(fā)完回答信號的一段時(shí)間內，該應答機不可能響應其他的詢(xún)問(wèn)，即應答機被占據了。應答機被占據的時(shí)間t_c計算公式如下：

式中t_i表示詢(xún)問(wèn)信號的持續時(shí)間；t_r表示應答信號的持續時(shí)間；t_d表示應答器的平均延遲；t_rc表示應答器的恢復時(shí)間。
二次雷達軍用和民用系統都存在相互干擾問(wèn)題，這些的問(wèn)題一直以來(lái)都存在，而且對系統性能的影響也很大，但是目前還沒(méi)有一個(gè)很完善的辦法能使這些干擾得到 全面解決。本文擬從信號設計的角度來(lái)解決這些問(wèn)題，使得系統性能得到很大的改善，并且可以同時(shí)解決多個(gè)問(wèn)題，同時(shí)工程上也易于實(shí)現。

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　?。?）信號設計原理
詢(xún)問(wèn)和應答信號的發(fā)射參數是以上述時(shí)間結構體系內的時(shí)隙、子時(shí)隙為基礎的，即每次詢(xún)問(wèn)要先選定某一發(fā)射時(shí)隙，這個(gè)時(shí)隙主要用于收發(fā)雙方正確發(fā)射與接收， 然后在這個(gè)時(shí)隙內隨機地選定一個(gè)子時(shí)隙作為發(fā)射時(shí)刻起始點(diǎn)，根據時(shí)間同步系統原理，此時(shí)應答機可以根據自身的時(shí)間參數來(lái)接收詢(xún)問(wèn)信號，并根據接收到的詢(xún)問(wèn) 信號，來(lái)確定詢(xún)問(wèn)信號的發(fā)射時(shí)刻，并選定相應的應答子時(shí)隙發(fā)射回答信號?？傊?，信號設計的關(guān)鍵點(diǎn)如下：
1）應答機能否接收到詢(xún)問(wèn)信號要看它與詢(xún)問(wèn)機間的時(shí)間漂移是否滿(mǎn)足設計要求，即系統要滿(mǎn)足規定的時(shí)間精度要求；
2）時(shí)隙、子時(shí)隙是詢(xún)問(wèn)應答信號的關(guān)鍵參數。
（3）時(shí)間精度問(wèn)題
時(shí)間同步系統的設計難點(diǎn)在于時(shí)間精度要求高，時(shí)隙選擇容易發(fā)生沖突，針對這兩個(gè)問(wèn)題，給出以下解決辦法：
1）多個(gè)子詢(xún)問(wèn)解決時(shí)間精度問(wèn)題
為了使時(shí)間輸入不依賴(lài)于其它高精度的時(shí)間源，因此最好使詢(xún)問(wèn)機和應答機之間允許的時(shí)間漂移較大，此處允許相對于基準時(shí)間的最大時(shí)間漂移為（t 為一個(gè)時(shí)隙長(cháng)度）。這通過(guò)在一次詢(xún)問(wèn)中包括3個(gè)子詢(xún)問(wèn)來(lái)實(shí)現（它們采用不同的時(shí)間參數，即當前、前次、下次的時(shí)間）。3個(gè)子詢(xún)問(wèn)依次分別對應“早發(fā)”、 “晚發(fā)”、“按時(shí)”的應答機。因此，它們的時(shí)間參數分別為n +1、 n -1 、n。時(shí)間漂移解決原理具體圖解如圖3所示，它只表示了應答機相對于詢(xún)問(wèn)機為超前狀態(tài)（超前時(shí)間設為τ，延后的情況原理相同）。顯然，應答機根據自身的時(shí) 間參數接收信號，只要它們的時(shí)間漂移在內都能接收到詢(xún)問(wèn)信號。

四、系統性能分析
實(shí)際工作環(huán)境下的系統是一種多站工作。要嚴格地計算在多站工作條件下的混擾、竄擾、占據概率，必須詳細地知道目標作用范圍內詢(xún)問(wèn)機應答機數目、詢(xún)問(wèn)機的 詢(xún)問(wèn)速率以及每個(gè)詢(xún)問(wèn)站的主瓣有效輻射功率、旁瓣輻射功率等。實(shí)際上很難確切地知道這些參數，但是對于本系統我們可以從影響混擾、竄擾的主要因素來(lái)討論， 同時(shí)占據概率計算可以用經(jīng)典排隊論來(lái)解決。
1.混擾、竄擾影響
　 　時(shí)間同步技術(shù)后系統混擾問(wèn)題的解決可以通過(guò)用戶(hù)對時(shí)隙的不同選擇而將不同信號從時(shí)間上區分開(kāi)，這時(shí)造成混擾的主要因素在于多部應答機選中同一子時(shí)隙而發(fā) 生沖突，混擾問(wèn)題屬于經(jīng)典概率問(wèn)題中的等可能概型事件。假定同一時(shí)刻有n部應答機有應答需求，而它們可以在m個(gè)可選子時(shí)隙種選擇，混擾概率p_h為典型數據如取m=60,n=3,得到混擾概率p_h為 4.95％，因此成功率達95％以上。
竄擾是詢(xún)問(wèn)機可能收到同一部應答機的幾個(gè)不同的信號，但是這些信號是非同步的，因為它們是該部應答機分別對不同詢(xún)問(wèn)機的回答信號。應用TDMA技術(shù)后， 竄擾的發(fā)生已經(jīng)很小了，因為同一部應答機對不同詢(xún)問(wèn)的應答時(shí)間需要參考詢(xún)問(wèn)信號的時(shí)間基準，這樣它們發(fā)射后被詢(xún)問(wèn)機誤判的可能性極小。
2.占據影響
應答機被占據是嚴重影響識別概率的一個(gè)因素。這里等效系統工作環(huán)境為：一部應答機需要處理的詢(xún)問(wèn)信號源源不斷（沒(méi)有較長(cháng)的空閑期，否則不存在占據問(wèn) 題），因此對一部應答機的工作可以用排隊論的理論來(lái)解釋。它的工作過(guò)程可以描述為一種損失制排隊系統。輸入過(guò)程（詢(xún)問(wèn)信號到達）為泊松過(guò)程，排隊規則時(shí)損 失制（應答機忙時(shí)，不對詢(xún)問(wèn)信號響應），服務(wù)機構為（一個(gè)服務(wù)臺，服務(wù)時(shí)間為負指數分布），即M/M/1/1系統^［3］。
這種描述對一般二次雷達系統的應答機占據問(wèn)題都適用。與非時(shí)間同步系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)原系統）相比，時(shí)間同步系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新系統）的特殊在于到達率上：每 一個(gè)時(shí)隙內有詢(xún)問(wèn)需求的用戶(hù)有一個(gè)選擇自主權（要在規定的時(shí)隙開(kāi)始問(wèn)，并且可以選擇后面的時(shí)隙），而不是想問(wèn)就立即問(wèn)。這樣我們可以稱(chēng)為每一個(gè)有需求的用 戶(hù)以概率p選擇本時(shí)隙，因此到達率由λ(一個(gè)時(shí)間單位內有詢(xún)問(wèn)需求的詢(xún)問(wèn)機數量，其決定因素主要有天線(xiàn)方向圖、詢(xún)問(wèn)機數量，以及工作環(huán)境等)變成了λ^′=λp，是指能夠成功選擇到詢(xún)問(wèn)時(shí)隙的詢(xún)問(wèn)機。而應答機的處理過(guò)程沒(méi)有太大區別，都滿(mǎn)足參數為μ的負指數分布(=t_c,t_c見(jiàn)公式（1），是處理單個(gè)詢(xún)問(wèn)信號的占據時(shí)間)。因此應答機的占據概率等于信號的丟失率，這可以應用著(zhù)名的愛(ài)爾朗損失公式［3］ ：

　　表1表示了兩種系統的統計特性。

　　計算占據概率最關(guān)鍵的指標之一是到達率λ^′，這要根據具體系統來(lái)統計計算。新系統中λ^′≤λ，顯然系統的占據概率大大降低。
3.識別概率
識 別概率貫穿于系統技術(shù)體制乃至整個(gè)系統設計、設備設計過(guò)程中的一個(gè)核心指標［4］。根據用戶(hù)多少我們可以分為單站工作和多站工作識別概率。根據文獻 ［6］，單站工作目標檢測概率是詢(xún)問(wèn)器和應答機一對一工作條件下檢測協(xié)同目標的概率,它與應答機回答概率、詢(xún)問(wèn)器譯碼概率以及詢(xún)問(wèn)器信號處理方法有關(guān),單 站工作一次詢(xún)問(wèn)的目標檢測概率p₁為

　　式中p_T為應答機回答概率,在單站工作條件下,應答機回答概率為應答機譯碼概率p_Tr，p_I為詢(xún)問(wèn)器譯碼概率。
多站工作條件下應答機回答概率p_T取決于應答機譯碼概率和占據概率：p_T=(1-p_c)·p_Tr。新型系統中的P_c降低，p_T就得到提高；而詢(xún)問(wèn)機的譯碼概率p_I跟系統混擾、竄擾有密切關(guān)系?；鞌_、竄擾減少，將大大有利于p_I的提高。p_T、p_I都提高，因此p_I也相應提高。而且在多站工作條件下，二次雷達通常采用滑窗技術(shù)，使用滑窗技術(shù)后的目標檢測概率［5］p_d為

式中m為滑窗長(cháng)度，h為檢測目標所需要的最少回答門(mén)限值，p_I為一次詢(xún)問(wèn)檢測概率。
時(shí)間同步新型系統中，系統的識別概率在其它條件相同下得到顯著(zhù)提高。