专利名称：基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法
技术领域：
本发明涉及无线电监测技术领域，尤其涉及一种基于干涉仪体制的航管二次雷达(以下简称二次雷达)应答信号测向方法。
背景技术：
二次雷达由地面询问机和机载应答机组成，二次雷达系统是实现空中交通管制的重要手段。地面询问机以1030MHz信号对机载应答机进行定向询问，包括A、C模式，机载应答机收到有效询问信号后以对应模式1090MHz信号全向应答，地面询问机检测到对应应答信号就实现了对载机的探测定位和信息获取。机载应答机同时可接收机载防撞系统ACAS发起的询问信号，包括A、C、S模式，并以对应模式进行全向应答。二次雷达相对一次雷达具有许多优点发射功率小、抗地物杂波干扰能力强、能够 获取飞机批号和高度信息等。但也存在不足为了获取高的测角精度，二次雷达地面询问天线采用窄波束设计，方位面3dB波束宽度一般不超过10度，通过机械扫描实现宽空域覆盖；地面询问机需主动发射询问信号，因此系统复杂、功耗大、造价高。二次雷达地面询问机主要布设在机场和一些重要航路节点，在其覆盖范围之外的区域，目前还缺乏有效的对空监视手段和设备。我国陆地和海洋边界线长而曲折，为了对进入我国领空的民航飞机进行有效监视，亟需提出一种新的探测方法，并要求新方法具有系统简单、设备造价低、能高精度测量飞机方位等特点。无源测向通过无源接收目标信号来对目标进行测向，不需要发射机，因此从降低设备成本来说是合适的。针对A、C模式，通过信号无源接收可对载机平台进行测向，同时解算信息；针对S模式，除可对载机平台进行测向外，通过对报文信息解析提取经度、纬度、高度数据还可对载机平台进行无源定位。二次雷达机载应答机可以全向接收询问信号，特别是在二次雷达地面询问机覆盖范围之外的区域可接收机载防撞系统ACAS发起的询问信号，并进行全向应答，而随着航空运输业的发展，在今后民航飞机均会强制要求安装和使用ACAS，因此无论从技术实现上，还是从外部条件上来说对二次雷达应答信号进行无源接收和测向都是可行的。相位干涉仪测向技术具有测向精度高、瞬时测向范围宽、测向速度快、能被动测向等优点，被广泛用于电子侦察领域的测向设备中。为了提高测向精度，就要求大的基线尺寸；而基线尺寸增大到一定长度时会引起相位测量模糊。工程上围绕如何解相位模糊提出了很多方法，其中较简单的要算长短基线法，长基线用于保证测向精度，短基线用于解相位模糊。相位干涉仪测向技术还有一个很大的缺陷在越靠近天线基线方向的区域测向误差越大，在天线基线方向上测向误差为无穷大以致不能测向。二次雷达地面询问系统功耗大、造价高、覆盖范围有限。怎样通过一种低成本、功能满足要求、性能优越的方法来对二次雷达地面询问系统作用范围外的空中飞机进行有效监视，提升对空监视范围，是空管监视领域亟需解决的问题。

发明内容
本发明针对二次雷达地面询问系统的不足，空管监视领域提升对空监视范围的需求，以及单基线相位干涉仪测向方法的固有缺陷提出了一种基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，该方法基于二次雷达应答信号地面测向系统，所述系统由3个定向天线单元构成测向天线阵，其特征在于增加I个宽波束天线单元，用于接收旁瓣抑制和控制最大瞬时测向范围，还包括以下步骤
步骤I :自动幅相校准；
步骤2 :接收信号；
步骤3 :参数测量；完成各接收通道信号频率、幅度、相位的参数测量；
步骤4 :接收旁瓣抑制；通过旁瓣抑制控制最大瞬时测向范围；
步骤5 :相位差计算及解相位模糊，通过基于穷举的长短基线法实现解相位模糊；
步骤6 :通过相位方位映射完成方位解算。优选方案步骤I中通过控制幅相校准电路，产生幅相校准信号，经过等功分后分别耦合进入甲、乙、丙、丁共4路接收通道，在各接收通道输出端分别测量幅度、相位数据，找到由通道失配带来的固有相位误差、幅度误差。 优选方案步骤2中4个天线单元根据来波信号形成4路接收信号，4路射频通道分别对各自射频信号进行预选、低噪声放大、滤波等信号调理，然后进行同步射频数字化。优选方案对步骤3输出的信号参数进行计算，主要有两类一是幅度比较，当3个定向通道幅度值均高于旁瓣抑制通道幅度值时，认为信号来自定向天线单元主瓣瞬时测向范围内，正常输出；反之则抑制；二是相位比较，以长、短基线共用通道为基准通道，另两个定向通道与基准通道分别求取相位差，记为短基线相位差测量值、长基线相位差测量值。优选方案步骤4中将通道4幅度值分别与通道甲、乙、丙幅度值进行比对，若通道4幅度值均小于通道甲、乙、丙幅度值，则认为是来自瞬时测向范围内的信号，否则为瞬时测向范围外的信号，不处理。优选方案步骤5中在解长基线相位模糊时，根据选定的基线尺寸和最大瞬时测向范围，估计出最大模糊系数，并根据不同的模糊系数穷举所有可能的长基线相位差值，然后通过长短基线尺寸与对应相位差之间的关系，通过比对找到长基线相位差真值。优选方案步骤6中在进行方位角解算时，将二次雷达应答信号的波长作为常数，通过查表方式实现方位角解算。优选方案定向天线单元甲、乙、丙排列在一条直线上，构成一维线阵测向天线阵，其中天线单元甲为基准天线；天线单元甲与天线单元乙之间距离O. 2m，用于在最大瞬时测向范围内解相位模糊；天线单元甲与天线单元丙之间距离O. Sm，用于提升测向精度；在天线单元乙和天线单元丙之间增加一个宽波束天线单元丁，用于抑制天线单元甲、乙、丙旁瓣，同时对其主瓣进行压缩，使得最大瞬时测向范围处于天线阵视轴左右30度内。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的具体有益效果是与现有长短基线相位干涉仪测向方法相比它增加了一个宽波束的接收旁瓣抑制通道，用于接收旁瓣抑制和控制最大瞬时测向范围；通过穷举模糊系数实现解长基线相位模糊，解决了鉴相器边界粗大误差对测向精度的影响；通过相位差方位角映射查表方式实现方位解算，避免了直接解算反正弦函数实现的复杂度，提高了实时性。该方法应用于对二次雷达应答信号进行测向的无源测向系统，能够使相应的系统具有能被动测向、瞬时测向范围大、测向精度高、实时性好、功耗小等特点。可实现对二次雷达应答信号宽视野、快速、高精度无源方位测量，在此基础上配合转台在方位面进行旋转可实现对目标的全方位覆盖。使用本方法的测向系统测向精度高、测向速度快、瞬时测向范围大、能被动测向、功耗低、成本低。本发明的二次雷达应答信号测向方法已经得到实验室的实验性验证，在空管监视领域具有较好的应用前景，能产生较高的经济效益。


图I为单基线相位干涉仪原理 图2为二次雷达应答信号测向方法原理 图3为最大瞬时测向范围控制原理 图4为实施实例步骤流程 图5为解相位模糊流程图。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。一维线阵单基线相位干涉仪测向原理参见图1，设基线尺寸为D、辐射源入射角为Θ (与视轴间的夹角)。由几何关系可知，辐射源信号进入两个接收通道存在波程差ΛΖ :
权利要求
1.一种基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，该方法基于二次雷达应答信号地面测向系统，所述系统由3个定向天线单元构成测向天线阵，其特征在于增加I个宽波束天线单元，用于接收旁瓣抑制和控制最大瞬时测向范围，还包括以下步骤 步骤I :自动幅相校准； 步骤2 :接收信号； 步骤3 :参数测量；完成各接收通道信号频率、幅度、相位的参数测量； 步骤4 :接收旁瓣抑制；通过旁瓣抑制控制最大瞬时测向范围； 步骤5 :相位差计算及解相位模糊，通过基于穷举的长短基线法实现解相位模糊； 步骤6 :通过相位方位映射完成方位解算。
2.根据权利要求I所述的基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，其特征在于步骤I中通过控制幅相校准电路，产生幅相校准信号，经过等功分后分别耦合进入甲、乙、丙、丁共4路接收通道，在各接收通道输出端分别测量幅度、相位数据，找到由通道失配带来的固有相位误差、幅度误差。
3.根据权利要求2所述的基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，其特征在于步骤2中4个天线单元根据来波信号形成4路接收信号，4路射频通道分别对各自射频信号进行预选、低噪声放大、滤波等信号调理，然后进行同步射频数字化。
4.根据权利要求3所述的基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，其特征在于对步骤3输出的信号参数进行计算，主要有两类一是幅度比较，当3个定向通道幅度值均高于旁瓣抑制通道幅度值时，认为信号来自定向天线单元主瓣瞬时测向范围内，正常输出；反之则抑制；二是相位比较，以长、短基线共用通道为基准通道，另两个定向通道与基准通道分别求取相位差，记为短基线相位差测量值、长基线相位差测量值。
5.根据权利要求4所述的基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，其特征在于步骤4中将通道4幅度值分别与通道甲、乙、丙幅度值进行比对，若通道4幅度值均小于通道甲、乙、丙幅度值，则认为是来自瞬时测向范围内的信号，否则为瞬时测向范围外的信号，不处理。
6.根据权利要求5所述的基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，其特征在于步骤5中在解长基线相位模糊时，根据选定的基线尺寸和最大瞬时测向范围，估计出最大模糊系数，并根据不同的模糊系数穷举所有可能的长基线相位差值，然后通过长短基线尺寸与对应相位差之间的关系，通过比对找到长基线相位差真值。
7.根据权利要求6所述的基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，其特征在于步骤6中在进行方位角解算时，将二次雷达应答信号的波长作为常数，通过查表方式实现方位角解算。
8.根据权利要求I或2或3或4或5或6或7中所述的基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，其特征在于定向天线单元甲、乙、丙排列在一条直线上，构成一维线阵测向天线阵，其中天线单元甲为基准天线；天线单元甲与天线单元乙之间距离O. 2m，用于在最大瞬时测向范围内解相位模糊；天线单元甲与天线单元丙之间距离O. Sm，用于提升测向精度；在天线单元乙和天线单元丙之间增加一个宽波束天线单元丁，用于抑制天线单元甲、乙、丙旁瓣，同时对其主瓣进行压缩，使得最大瞬时测向范围处于天线阵视轴左右30度内。
全文摘要
本发明公开了一种基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法，涉及无线电监测技术领域，所述方法通过带接收旁瓣抑制天线单元的4阵元测向天线阵，接收二次雷达应答信号，4路接收通道分别对频率、幅度、相位参数进行数字测量，然后进行控制瞬时测向范围的接收旁瓣抑制、基于穷举的长短基线解相位模糊，最后通过相位方位映射完成方位解算。应用本发明的二次雷达应答信号测向系统具有测向精度高、测向速度快、瞬时测向范围大、能被动测向、功耗低、成本低等优点，对于空管监视领域中提升对空监视范围具有很好的应用前景和经济效益。
文档编号G01S3/46GK102944866SQ20121050804
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者先登飞, 颜伏虎, 张珂, 彭琪 申请人:四川九洲电器集团有限责任公司