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国内外空管雷达技术发展现状与展望

2013-10-06 10:39:46

[导读] 现代空管系统中常用的空管雷达有一次监视雷达(PSR)、二次监视雷达(SSR)、精密进近雷达(PAR)、地面活动监视雷达(SMR)和气象雷达(WR)等,它们在通信、导航和ATC管制中心的配合下构成陆基ATM系统。

一、概述

  空管雷达是ATM(空中交通管理)系统监视空中飞行情况的重要信息源之一,是确保飞行安全、实现雷达管制和提高空域容量的基础。随着雷达技术的进步和微电子技术的快速发展,空管雷达的技术水平也得到了巨大发展。尤其是进入20世纪90年代以来,随着射频大功率晶体管器件的成熟与商品化,空管雷达进入了全固态时代,国际上出现大量全固态、可无人值守的空管雷达。全固态空管雷达大量采用集成化、微电子化的设备,从而在系统可靠性、稳定性、自动化和商品化水平上有很大提高,使空管雷达发展到一个更为实用的阶段。

目前世界各国都非常重视空管系统的建设,发达国家和部分发展中国家都已安装了先进的空管雷达,基本形成较为完善的自动化空管系统。很多技术发达国家(如美国、英国、法国、意大利、西班牙、俄国等)都发展了自己的空管雷达,并已进入国际市场。中国是最大的发展中国家,随着国民经济和航空事业的发展,开发自己的空管雷达,建设先进的空管系统也是势在必行。

  二、国外空管雷达技术现状

现代空管系统中常用的空管雷达有一次监视雷达(PSR)、二次监视雷达(SSR)、精密进近雷达(PAR)、地面活动监视雷达(SMR)和气象雷达(WR)等,它们在通信导航和ATC管制中心的配合下构成陆基ATM系统。PSR是最早用在空管系统中的雷达,按使用的管制区域来划分又可分为:航路监视雷达(ARSR)和机场监视雷达(ASR)。ARSR是一种远程搜索雷达,一般工作在L波段,主要用于区域管制,监视连接各机场之间的航路上和航路外飞机的活动情况,作用距离为300~500km,如美国Raytheon公司的ASR-23SS雷达。ASR是一种中近程搜索雷达,也称机场终端区调度雷达,一般工作在S波段,主要用于探测以机场为中心、半径110~150km范围内的各种飞机的活动情况,如美国Raytheon公司的ASR-10SS雷达。

SSR是现代空管系统必配的设备之一,它是一种雷达信标系统(ATCRBS),发展于二战时期的敌我识别系统(IFF),并在50年代形成雏型。20世纪60年代初,国际民航组织(ICAO)确定了ATCRBS的国际标准。20世纪70年代又发展了单脉冲二次雷达(MSSR),从而为常规二次雷达的应用和普及打下了坚实的基础。MSSR采用三波束体制,可大大提高SSR的方位测角精度和分辨率,解混淆、抗天线副瓣、异步干扰和反射干扰的能力也得到大幅改善,如法国Thales公司的RSM970系列雷达。

20世纪80年代初,ICAO发布了S模式系统的使用建议,将英国的选择地址SSR系统(ADSEL)和美国的离散地址信标系统(DABS)结合起来,形成与常规SSR兼容的新型MSSR。S模式MSSR选址系统的工作方式是对每架飞机都指定一个专用地址码,每次只询问一架对应的飞机,避免了因应答器要对视距范围内所有询问机作应答所造成的系统饱和问题。地址码为224≥1667万多个,进行一对一的点名问答,并能自适应地使询问功率与目标的距离相匹配,这就避免了因邻近飞机应答信号的交叠混淆而引起的相互干扰。由于询问与应答的离散寻址可以保证与所选飞机进行信息交互通讯,因而确立了地-空、空-地数据链通信的基础。

PAR是一种安装于跑道一侧的精密跟踪雷达,一般工作在X波段,主要用于监视和跟踪飞机的起降,作用距离为20~50km。PAR的品种很多,但这种雷达的主要功能和技术指标基本相同。为了提高PAR系统的效能,新型PAR系统一般采用两维电扫天线,如美国Raytheon公司的AN/TPN-25雷达和ITT吉尔菲兰公司的PAR-2000雷达。此外,高效PAR系统还有采用一维相扫的二次PAR和采用多站定位原理的二次PAR。一维相扫二次PAR采用MSSR雷达体制,可以在飞机进入机场空域时,高数据率地精确测量飞机的三维位置坐标,如美国Raytheon公司的PARM雷达。采用多站定位原理的二次PAR利用飞机的MSSR应答信号对目标进行多站定位和跟踪,并可以高重复频率对起降中的飞机进行S模式询问,精确引导飞机起降,捷克ERA公司为精密近进控制开发的“ASCS”二次PAR系统。

SMR是一种监控机场地面上飞机和各种车辆的运动情况的高分辨雷达,也叫场面监视雷达,一般工作在X~Ka波段,作用距离为2~5km,如美国Cardion电气设备公司的ASDE-3雷达。SMR的回波信号处理有两种方式:一种是目标点迹和航迹处理,形成综合的机场场面动态画面;另一种是通过实孔径成像处理,显示机场场面的高分辨雷达图像,实现必要的目标识别和静止目标或障碍物成像。为了实现有效覆盖,可以配置2~4部微型SMR构成地面活动引导和监控系统(SMGCS),以探测整个需要监视的区域。

WR是一种探测降雨和风场分布等气象参数的监视雷达,分为航路WR、终端区WR、风廓线雷达和机载WR等不同类型的WR,主要作用是减少因天气原因造成的飞行延迟和对飞行安全的影响。目前,美国在航空WR发展上较先进,先后实施了终端多普勒天气雷达(TD-WR)、气象系统处理机(WSP)和下一代气象雷达(NEXRAD)等三个地面气象雷达计划。其中,TDWR和NEXRAD是独立的WR系统,而WSP是用于ASR的附加设备。航空WR除了要探测降雨强度和速度外,更重要的是要能探测微暴的风切变信息,特别是在飞机起飞和降落过程中出现的微暴天气。风廓线雷达可以探测大气流动的分布情况,包括风向、风速、温度等气象要素。机载多普勒WR主要用于探测飞机前方的雷雨区和风切变情况,目前也在研制中、大尺度气象探测的机载多普勒WR。

  三、空管雷达的技术发展

近年来,随着雷达技术、计算机技术和电子元器件的不断发展,空管雷达在技术性能、系统功能和可靠性上已发展到相当完善的程度。目前,发达国家的陆基ATC系统已实现地面雷达组网监视。飞机一旦投入运营,就会受到空管雷达的连续监视,如飞机在机场移动受到SMR的监视,飞机起飞/降落受到PAR的监视,飞机在机场附近飞行受到ASR和MSSR的监视,飞机在城市间飞行受到MSSR或ARSR的监视等。但是陆基ATC系统的覆盖范围有地域限制,如海洋和山区等无法安装雷达的地方就会产生覆盖盲区。因此国际民航组织(ICAO)正在计划实施新的航行管制系统(CNS/ATM),以便完善目前使用的陆基ATC系统,使其适应未来全球航空发展的高密度、大流量需求。

从今后发展趋势来看,现代空管雷达作为ATM的重要环节,仍需要不断改进和完善,加速新体制、新产品的研制,在新航行系统中发挥关键作用。从空管雷达的发展需求来看,我们应重点发展以下关键技术:

·S模式二次雷达技术;
·新型PAR着陆系统技术;
·微型SMR及其组网技术;
·机场终端区多普勒WR技术;
·先进雷达信号处理和数据处理技术;
·雷达高可靠性、维修性、使用性及无人值守技术。

目前,PSR均采用双波束反射面天线的两坐标体制,以降低成本,但同时也带来一些系统缺陷。为此,美国联邦航空管理局FAA为今后机场终端区监视提出了一项TASS研究计划,改善现有雷达性能,提高性价比。TASS系统是一个包括了PSR和TDWR功能的综合性系统,还可以取代低空风廓线雷达,其核心部分的功能将通过相控阵天线来实现,随着T/R组件成本的降低,机场完全可以采用单面或双面相控阵系统的雷达来监视。采用相控阵雷达作为机场监视系统具有以下优点:

·合理利用能量,实现重点空域监视;
·可提供高度信息,实现更有效空域管理;
·可以提高气象测量准确性,解决TDWR对有些气象结构无法探测的问题,如机场三维风、晴空气旋和干燥骤风前锋面等;
·可将多个系统功能综合,通过合理设计和优化各种工作模式,快速形成综合信息和判断,提出更加合理的空中管制方案,同时还可降低整个机场设备维护成本和场地的占用。

我国空管系统的自主开发起步较晚,发展比较缓慢。现已装备的空管雷达以MSSR为主,部分机场配置了PSR。由于MSSR成本低、信息量大,通过多点布站,MSSR监视范围在中高空域上已基本覆盖我国主要航路。PSR的使用成本较高,我国省会城市和直辖市的机场已安装了ASR(/ARSR),部分繁忙机场还安装了PAR和SMR。由于现有空管雷达均为进口设备,采购费用高,维护困难大,已越来越不能满足空管现代化建设的需要。

四、雷达设备国产化进展和建议

我国空管系统的自主开发起步较晚、发展比较缓慢,设备以引进为主,没用完善高效的管制系统设备。在20世纪70年代,我国自行研制了空管1、2号系统,但因可靠性不高,未能推广应用。20世纪90年代,在空管3号、4号系统研制项目中又成功研制了全固态PSR和MSSR雷达,其系统性能和可靠性水平已达到国际20世纪末同类空管雷达的先进水平。

目前,经过几十年的改革开放,我国现有雷达技术大幅提高,很多先进技术如固态发射机、自适应信号处理、大容量数据处理、天线制造、计算机辅助设计都在军用雷达上得到使用,稳定性、可靠性等得到不断改进和提升,国产雷达已具备了与国外先进雷达竞争的能力,我们应该把这些技术成果应用于空管雷达的研制和改进中,推动国产空管雷达的发展,开拓国产空管雷达市场。

我国空管产品发展进程较慢,存在管理、技术攻关和经费投入不足等问题。国内空管发展项目系统研究论证和规划不够,研制单位不清楚用户需求,造成研制目标不明确、规格不一致、研制与需求脱节、应用有限和研制风险大等一系列问题。技术攻关经费匮乏,基本是研制单位自筹资金,研制规模和品种有限。因此,从某种程度上说,国产化的装备应用有限和研制经费不足是制约我国空管装备技术水平不断提高的重要因素之一。

发展空管雷达系统装备、加速新体制雷达研制、技术创新和提高国产化水平是当前比较迫切的任务,同时又要长期持续发展,紧跟国际潮流。技术管理上应加强设备标准完善和认定工作,研究现实需求,搞好空管设备的长期规划和论证工作,确定一批研制项目,培养一批高级组织管理和技术人才,研制一批技术先进、性价比高的急需空管设备。

  五、结束语

近年来,我国的民航事业发展很快,空管系统的现代化建设也获得很大发展,以北京、上海、广州为中心的东南部地区的ATC系统已基本实现雷达管制。目前我国民用航空运输量正以每年平均10%的速度快速增长,2005年的空运总量已达世界第三,从而对空管系统提出了更高的要求。全面实现雷达管制是确保空运安全,提高空域容量的必然趋势。随着空管建设事业的发展,国产空管雷达必将在我国空管系统中发挥越来越重要的作用。(夏张辉 陈忠先)
[整理编辑:CK365测控网]
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