CN103092113A - 航管波束扫描的时间控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种航管波束扫描的时间控制方法，利用本方法可解决二次雷达系统航管监视兼容其它询问功能时询问周期延长、时间利用率低的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：在航管波束扫描时间系统中，航管监视空域被均匀划分为若干个连续波位；当雷达控制台的航管控制命令经FPGA发送至DSP时，DSP从FLASH中读取波位划分参数，控制FPGA计时器启动波位驻留时隙计时，在每一时隙内，DSP经FPGA将下一时隙扫描波位号分别发送至相控阵天线的波控码接口控制器和应答信号处理设备的RS422接口模块，在时隙跳变时，计时器控制FPGA的脉冲控制器产生询问启动脉冲；DSP根据相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号，判断波位切换的准确性。

Description

航管波束扫描的时间控制方法

技术领域

本发明是关于航管监视兼容其它询问功能时的波束扫描时间控制方法，更具体地说，本发明是用于相控阵天线体制的二次雷达系统中，多种询问功能同时工作时，为满足航管数据更新率和提升航管工作效率的波束扫描控制方法。

背景技术

二次雷达系统作为对空域目标的识别和监视系统，在空中交通管制、目标识别、信标跟踪等多方面得到了广泛的应用。二次雷达是一种通过发射询问信号并接收应答信号，以获得合作目标信息的电子设备，相对于传统的基于机械扫描的二次雷达系统，为了适应重点空域警戒功能而发展起来新体制二次雷达系统，采用相控阵天线体制，可实现对扫描波束的快速、灵活控制，且随着综合化的发展需求，集成度高、一体化设计的二次雷达系统具有航管监视、目标识别和目标信息提取等多种功能。

航管监视功能作为二次雷达系统的一项主要功能，可实现对雷达覆盖空域的自主扫描探测，实现对协同飞机的定位、定高、身份识别及飞机航迹的显示，成为空中交通管制的重要手段。

用于航管监视的波束扫描控制设备，根据二次雷达监测的空域范围、数据更新率要求和询问信号处理时间设定匹配的时间窗，通过计时控制相控阵天线的波束驻留和切换，并保证后端的应答信号处理设备同步知晓天线波束指向，以根据接收的应答信号进行定位计算。但应用中发现：对于兼具多种询问探测功能的二次雷达系统，由于航管监视采用连续扫描询问的工作方式，在系统处于航管监视工作期间，优先级高于航管的询问方式会中断并占据航管扫描询问时间，现有的二次雷达波束扫描控制技术在扫描时间窗设计上，仅针对于航管监视单一功能，当系统中其它询问方式占据航管询问信号处理时间时，采用这种时间窗进行扫描时间控制，将导致航管扫描询问周期延长，严重影响航管探测目标和信息获取的实时性，无法满足航管监视数据更新率的要求；且目前二次雷达系统采用在每一扫描时隙内，先由波束扫描控制设备向相控阵天线和应答信号处理器传送波束方位数据，其后应答信号处理器进行航管信号处理的工作方式，无法达到航管询问信号处理工作对整个时间系统的完全利用，降低了航管监视的工作效率。

发明内容

本发明的任务是针对上述现有技术的不足之处，提出一种快速、可靠、占据航管扫描询问时间少、询问周期短、时间利用率高、能够提高航管监视数据更新率和目标探测准确性的波束扫描时间控制方法。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于包括如下步骤：在由DSP相连可编程门阵列芯片FPGA和FLASH存储器之间组成的波束扫描控制设备中，航管监视空域被均匀划分为以波位号代表波束指向、每一波位预留相同时间窗的若干个连续波位，其中波位数和波位驻留时间窗被预先设计并存于FLASH中；FPGA中的网络接口模块接收到来自雷达控制台的航管控制命令时，将航管控制命令经FPGA的总线接口模块传至DSP，然后DSP从FLASH中读取波位数和扫描时间窗，确定起始波位和结束波位，将时间窗数据经总线接口模块置入FPGA计时器中，并控制FPGA中的计时器启动波位驻留时隙计时；在每一波位时隙内，DSP经FPGA将下一时隙扫描波位号分别发送至相控阵天线的波控码接口控制器和应答信号处理设备的RS422接口模块；在时隙跳变时，计时器控制FPGA的脉冲控制器产生询问启动脉冲，询问启动脉冲被发送至应答信号处理设备和相控阵天线，用于触发相控阵天线切换波束方位和应答信号处理设备对切换后的波束方位进行航管询问信号处理工作； DSP根据相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号，判断波位切换的准确性，如出现异常则进行波位重置的纠错处理。 

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明可以有效地用于兼具多种询问方式的二次雷达系统中，将航管监视空域均匀划分为以波位号代表波束指向、每一波位预留相同时间窗的若干个连续波位，在航管数据更新时间内，除去其它询问方式对航管监视的占据时间，其剩余时间作为航管扫描的有效工作时间，根据航管扫描的有效工作时间来设计波位数和扫描时间窗，缩短了航管询问周期，并确保了二次雷达系统其他询问方式占据航管询问信号处理时间时仍能达到航管数据更新率的要求；采取时间同步技术，即波束扫描控制设备预先将扫描波位号发向相控阵天线和应答信号处理设备，通过时隙跳变时的询问启动脉冲触发两者波位的同步切换，使波位的同步控制几乎不占用航管询问信号处理时间，提高了航管扫描时间的利用率；采用波位号代替扫描波束的指向，简化了波束控制方式，并减少了传输的数据量；波束扫描控制设备对相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号进行实时监测和纠错处理，可以解决复杂电磁环境对波束扫描控制设备与相控阵天线、应答信号处理设备间数据传输链路的干扰问题，提高了波束扫描控制的可靠性和准确性。

本发明通过航管扫描时间窗的灵活设计和时间同步的波束控制技术，大大提升了航管监视兼容其它询问功能的能力和航管工作效率。

本发明通过二次雷达监视的空域范围、数据更新率、航管询问信号处理时间和其它询问功能对航管工作的占据时间来设计航管扫描时间窗，在实际使用时，可根据航管工作参数的改变或航管监视对其它询问功能的不同兼容需求设计多个时间窗，预存于FLASH芯片中，根据系统工作情况进行灵活选取和调用。

附图说明

下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。

图1是本发明航管波束扫描时间控制系统的工作原理框图。

图2是本发明航管波束扫描时序图。

图3是本发明航管波束扫描软件控制流程图。

具体实施方式

参阅图1。在下述提供的一个最佳实施例中，航管波束扫描的时间控制方法是由波束扫描控制设备控制相控阵天线和应答信号处理设备的航管扫描询问工作来实现的。航管波束扫描时间控制系统主要包括波束扫描控制设备、相控阵天线和应答信号处理设备，还包括将网络信号发送至波束扫描控制设备的雷达控制平台和对询问/应答数字信号与射频信号之间进行转换的收/发信道。航管空域监视的数据更新率和准确性由上述系统中的波束扫描控制设备控制相控阵天线和应答信号处理设备进行波束方位切换来实现。

相控阵天线包括收发波束扫描控制设备波位号的波控码接口控制器和控制波束指向的移相器，波控码接口控制器和移相器位于相控阵天线中。波控码接口控制器将波位号转换成波控码，当收到波束扫描控制设备的询问启动脉冲时，波控码接口控制器将波控码送至移相器，移相器根据波控码对应的相移量对发射、接收的射频信号进行相移，实现相控阵天线波束指向变化。

应答信号处理设备包括接收来自波束扫描控制设备中RS422接口模块RS422信号的RS422接口模块和接收波束扫描控制设备询问启动脉冲信号的信号处理模块。信号处理模块收到波束扫描控制设备的询问启动脉冲时，将在上一时隙接收的来自波束扫描控制设备的波位号作为当前波位，将产生的询问数字信号经收/发信道转换为询问射频信号后，发送至相控阵天线的移相器；相控阵天线将接收的应答射频信号经收/发信道转换为应答数字信号，发送至信号处理模块，信号处理模块根据应答数字信号的幅相信息和当前波位计算飞机的方位。

波束扫描控制包括由数字信号处理芯片DSP相连的可编程门阵列芯片FPGA和FLASH存储器。FLASH通过控制总线、地址总线和数据总线相连DSP；DSP经地址总线、数据总线相连FPGA内设总线接口模块，总线接口模块通过FPGA内设的网络接口模块接收到来自雷达控制台网络信号的航管控制命令，通过FPGA内设的两个RS422接口模块分别连接相控阵天线中的波控码接口控制器和应答信号处理设备中的RS422接口模块。

在航管波束扫描时间控制系统中，DSP相连可编程门阵列芯片FPGA和FLASH存储器之间组成的波束扫描控制设备，将航管监视空域均匀划分为以波位号代表波束指向、每一波位预留相同的时间窗的若干个连续波位；设计划分的波位数和波位驻留时间窗，使其满足的条件为：相邻波位的波束跃度小于相控阵天线的波束宽度，其它询问方式在航管波束扫描周期内的最大可能占据时间与航管波束扫描周期之和等于航管数据更新时间，且波位驻留时间大于每一波位的航管询问信号处理时间。将波位数和扫描时间窗参数预存于FLASH芯片中，FPGA中的网络接口模块接收到来自雷达控制台的航管控制命令时，将航管控制命令经FPGA的总线接口模块传至DSP，然后DSP从FLASH中读取波位数和扫描时间窗，确定起始波位和结束波位，将时间窗参数经总线接口模块置入FPGA计时器中，控制计时器启动波位驻留时隙计时。在每个波位时隙内，DSP预先将下一时隙的扫描波位号，通过FPGA的数据接口模块发送至相控阵天线和应答信号处理设备，在时隙跳变时，即当在计时器时钟信号计时溢出时，计时器产生触发信号控制FPGA的脉冲控制器产生询问启动脉冲，询问启动脉冲被发送至相控阵天线和应答信号处理设备，用于触发相控阵天线切换波束方位和应答信号处理设备对切换后的波束方位进行航管询问信号处理工作；DSP根据相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号判断波位切换的准确性，如出现异常则进行波位重置的纠错处理。

参阅图2。航管波束扫描时间控制系统启动航管监视扫描后，波束扫描控制设备开启波位驻留时隙计时，在每一时隙内预先将下一时隙扫描波位号发送至相控阵天线和应答信号处理设备，如相控阵天线和应答信号处理设备判断接收的下一时隙波位号为连续波位号（如波位号n+1）,且已收到本时隙询问启动脉冲，则将当前波位号n加1后回传至波束扫描控制设备，如未收到询问启动脉冲，直接回传当前波位号n至波束扫描控制设备。波束扫描控制设备对相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号判断为正确后，等待计时至下一时隙，否则重发当前波位号；在下一时隙开始时刻，波束扫描控制设备向相控阵天线和应答信号处理设备同时发送询问启动脉冲，然后相控阵天线将波位号n+1对应的波控码送至移相器进行波束指向切换，应答信号处理设备产生询问数字信号并根据波位号n+1对应的波束方位对应答数字信号进行解析处理。

航管波束扫描时间控制系统为应对波束扫描控制设备与相控阵天线、应答信号处理设备间的传输链路受复杂电磁环境干扰的问题，询问启动脉冲的脉宽Td设为200μs，航管扫描时间窗Tn的设计分析如下：

在航管波束扫描时间控制系统中，将航管监视空域均匀划分为N个波位，为保证扫描波束对航管监视空域的全覆盖，相邻波位的波束跃度需小于相控阵天线的波束宽度，即

θ/N <θ_3dB                     (1)

当航管扫描至第n个波位时，如有其它询问功能占据航管工作，按发生时间均匀分布计算，此时航管扫描波束在第n个波位已驻留时间为Tn/2，为保证不漏目标，其它询问方式工作结束后，从时间窗起点重新开始第n个波位的航管询问，因此其它询问功能在1s内对航管最大占据时间为(Ti+Tn/2) ×Pi。为满足航管数据更新时间Ts，航管扫描时间窗Tn应满足以下关系式

Ts=(Ti+Tn/2) ×Pi×Ts+N×Tn            (2)

为保证对探测飞机的定位，航管每个波位的询问次数为8至12次，则每个波位驻留时间至少应超过Tp×8+Td，Td为微秒量级，相对于秒量级的Ts可忽略，即

Tn>Tp×8                             (3)

依据关系式(1)~(3)可得出N的取值范围，在取值范围内N的值越大测角精度越高。将N的数值代入式(2)，可计算出时间窗Tn。

上述关系式中涉及的二次雷达系统相关参数及指标：θ_3dB 为相控阵天线方位面波束宽度，θ为航管监视空域范围，Ts 为航管数据更新时间，Ti为其它询问功能的信号处理时间，Tp为航管单次询问信号处理时间，Pi为其它询问功能的询问容量，n=1,…,N。

参阅图3。波束扫描控制设备中的DSP芯片作为航管波束扫描时间控制的核心控制单元，主要完成FPGA计时器控制、波位号收发、波位切换监测和纠错处理的控制功能，其软件控制流程如下：

1）DSP接收到来自雷达控制器的航管询问命令时，从FLASH芯片中读取波位数N，确定扫描起始波位n=1，结束波位n=N；DSP从FLASH中读取时间窗参数，置入计时器中，控制计时器开始波位驻留计时；

2）在本时隙内，DSP预先将下一时隙扫描波位号n，发送至相控阵天线和应答信号处理设备；

3）DSP接收来自相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号，判断波位号是否为n，如正确转至步骤4），否则转至步骤6）；

4）DSP通过控制信号查询计时器状态，等待计时器溢出，当计时器计入下一时隙时，计时器控制脉冲控制器产生询问启动脉冲，发送至相控阵天线和应答信号处理设备；

5）DSP判断当前驻留波位号n是否为结束波位N，如是则将下一时隙波位重新设为起始波位，即n=1，否则下一时隙波位号n=n+1，跳转至步骤2）；

6）DSP判断下一时隙波位号n是否为连续递增波位号，如是则在下一时隙重新扫描当前时隙波位，即n=n-1，否则直接转至步骤7）；

7）DSP向相控阵天线和应答信号处理设备重发下一时隙扫描波位号n，转至步骤3）。

Claims (10)

1.一种航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于包括如下步骤：在由DSP相连可编程门阵列芯片FPGA和FLASH存储器之间组成的波束扫描控制设备中，航管监视空域被均匀划分为以波位号代表波束指向、每一波位预留相同时间窗的若干个连续波位，波位数和波位驻留时间窗预存于FLASH中；FPGA中的网络接口模块接收到来自雷达控制台的航管控制命令时，将航管控制命令经FPGA的总线接口模块传至DSP，DSP从FLASH中读取波位数和扫描时间窗，确定起始波位和结束波位，将时间窗数据经总线接口模块置入FPGA计时器中，并控制FPGA中的计时器启动波位驻留时隙计时；在每一波位时隙内，DSP经FPGA将下一时隙扫描波位号分别发送至相控阵天线的波控码接口控制器和应答信号处理设备的RS422接口模块；在时隙跳变时，计时器控制FPGA的脉冲控制器产生询问启动脉冲，询问启动脉冲被发送至应答信号处理设备和相控阵天线，用于触发相控阵天线切换波束方位和应答信号处理设备对切换后的波束方位进行航管询问信号处理工作；DSP根据相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号，判断波位切换的准确性，如出现异常则进行波位重置的纠错处理。

2.根据权利要求1所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，相控阵天线包括，收发波束扫描控制设备波位号的波控码接口控制器和控制波束指向的移相器，波控码接口控制器和移相器位于相控阵天线中。

3.根据权利要求2所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，波控码接口控制器将波位号数据转换成波控码，当收到波束扫描控制设备的询问启动脉冲时，波控码接口控制器将波控码送至移相器，移相器根据波控码对应的相移量对发射/接收信号进行相移，实现相控阵天线波束指向的变化。

4.根据权利要求1所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，应答信号处理设备包括，收发波束扫描控制设备波位号的RS422接口模块和进行航管信号处理的信号处理模块，RS422接口模块和信号处理模块位于应答信号处理设备中。

5.根据权利要求4所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，信号处理模块收到波束扫描控制设备的询问启动脉冲时，将在上一时隙接收的来自波束扫描控制设备的波位号作为当前波位，将产生的询问数字信号经收/发信道转换为询问射频信号后，发送至相控阵天线的移相器；相控阵天线将接收的应答射频信号经收/发信道转换为应答数字信号，发送至信号处理模块，信号处理模块根据应答数字信号的幅相信息和当前波位计算飞机的方位。

6.根据权利要求1所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，波束扫描控制设备是由数字信号处理芯片DSP相连可编程门阵列芯片FPGA和FLASH存储器所组成的，其中FLASH存储器通过控制总线、地址总线和数据总线相连DSP，DSP经地址总线、数据总线相连FPGA内设的总线接口模块，总线接口模块通过FPGA内设的网络接口模块接收到来自雷达控制台网络信号的航管控制命令，通过FPGA内设的两个RS422接口模块分别连接相控阵天线中的波控码接口控制器和应答信号处理设备中的RS422接口模块。

7.根据权利要求1所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，划分的波位数N和波位驻留时间窗Tn，满足以下条件：

（1）相邻波位的波束跃度小于相控阵天线的波束宽度，即θ/N <θ_3dB；

（2）其它询问方式在航管波束扫描周期内的最大可能占据时间与航管波束扫描周期之和等于航管数据更新时间，即Ts=(Ti+Tn/2) ×Pi×Ts+N×Tn；

（3）波位驻留时间大于每一波位的航管询问信号处理时间，每个波位的询问次数为8至12次，即Tn>Tp×8；

式中：θ_3dB 为相控阵天线方位面波束宽度，θ为航管监视空域范围，Ts 为航管数据更新时间，Ti为其它询问功能的信号处理时间，Tp为航管单次询问信号处理时间，Pi为其它询问功能的询问容量。

8.根据权利要求1所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，相控阵天线和应答信号处理设备判断接收的下一时隙波位号为连续波位号、且已收到本时隙询问启动脉冲时，则将当前波位号加1后回传至波束扫描控制设备，如未收到询问启动脉冲，直接回传当前波位号至波束扫描控制设备。

9.根据权利要求1所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，波束扫描控制设备判断相控阵天线和应答信号处理设备回传的波位号的正确性，如波位号错误，波束扫描控制设备则重发当前波位号至相控阵天线和应答信号处理设备。

10.根据权利要求1所述的航管波束扫描的时间控制方法，其特征在于，波束扫描控制设备中的DSP芯片作为航管波束扫描时间控制的核心控制单元，主要完成FPGA计时器控制、波位号收发、波位切换监测和纠错处理的控制功能。

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