二次雷達系統干擾等問題的解決方法

一、二次雷達系統簡介
二次雷達（Secondary Surveillance Radar,SSR）不同于一次雷達，它需要目標發射應答信號來配合工作，因此被探測目標上必須裝有專用設備（稱為應答機）。整個系統至少由詢問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，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重要的作用［1］，其中的一個重要領域是敵我識別。應用中發現它存在混擾、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題
1.二次雷達系統的特點
根據二次雷達的工作特點我們發現：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.使用中存在的問題
（1）竄擾
當兩部以上的詢問機相繼對空中的多部應答機進行詢問時，應答機對每個詢問信號均會產生回答。因此，每個詢問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問機的回答信號，后者對本詢問機實際上是一種干擾，且不可能與本詢問信號同步故稱竄擾或異步干擾。
（2）混擾
當詢問天線波束內有兩個或兩個以上的我方目標時，詢問機可以收到詢問天線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間，所以當兩個目標接近時，詢問機收到的信號會相互交錯、重疊，妨礙正確譯碼，造成干擾，故稱之為混擾.
（3）占據
在應答機接收一詢問信號至轉發完回答信號的一段時間內，該應答機不可能響應其他的詢問，即應答機被占據了。應答機被占據的時間t_c計算公式如下：

式中t_i表示詢問信號的持續時間；t_r表示應答信號的持續時間；t_d表示應答器的平均延遲；t_rc表示應答器的恢復時間。
二次雷達軍用和民用系統都存在相互干擾問題，這些的問題一直以來都存在，而且對系統性能的影響也很大，但是目前還沒有一個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解決這些問題，使得系統性能得到很大的改善，并且可以同時解決多個問題，同時工程上也易于實現。

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　　（2）信號設計原理
詢問和應答信號的發射參數是以上述時間結構體系內的時隙、子時隙為基礎的，即每次詢問要先選定某一發射時隙，這個時隙主要用于收發雙方正確發射與接收， 然后在這個時隙內隨機地選定一個子時隙作為發射時刻起始點，根據時間同步系統原理，此時應答機可以根據自身的時間參數來接收詢問信號，并根據接收到的詢問 信號，來確定詢問信號的發射時刻，并選定相應的應答子時隙發射回答信號。總之，信號設計的關鍵點如下：
1）應答機能否接收到詢問信號要看它與詢問機間的時間漂移是否滿足設計要求，即系統要滿足規定的時間精度要求；
2）時隙、子時隙是詢問應答信號的關鍵參數。
（3）時間精度問題
時間同步系統的設計難點在于時間精度要求高，時隙選擇容易發生沖突，針對這兩個問題，給出以下解決辦法：
1）多個子詢問解決時間精度問題
為了使時間輸入不依賴于其它高精度的時間源，因此最好使詢問機和應答機之間允許的時間漂移較大，此處允許相對于基準時間的最大時間漂移為（t 為一個時隙長度）。這通過在一次詢問中包括3個子詢問來實現（它們采用不同的時間參數，即當前、前次、下次的時間）。3個子詢問依次分別對應“早發”、 “晚發”、“按時”的應答機。因此，它們的時間參數分別為n +1、 n -1 、n。時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問機為超前狀態（超前時間設為τ，延后的情況原理相同）。顯然，應答機根據自身的時 間參數接收信號，只要它們的時間漂移在內都能接收到詢問信號。

四、系統性能分析
實際工作環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問機應答機數目、詢問機的 詢問速率以及每個詢問站的主瓣有效輻射功率、旁瓣輻射功率等。實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、竄擾的主要因素來討論， 同時占據概率計算可以用經典排隊論來解決。
1.混擾、竄擾影響
　 　時間同步技術后系統混擾問題的解決可以通過用戶對時隙的不同選擇而將不同信號從時間上區分開，這時造成混擾的主要因素在于多部應答機選中同一子時隙而發 生沖突，混擾問題屬于經典概率問題中的等可能概型事件。假定同一時刻有n部應答機有應答需求，而它們可以在m個可選子時隙種選擇，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。
竄擾是詢問機可能收到同一部應答機的幾個不同的信號，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問機的回答信號。應用TDMA技術后， 竄擾的發生已經很小了，因為同一部應答機對不同詢問的應答時間需要參考詢問信號的時間基準，這樣它們發射后被詢問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因素。這里等效系統工作環境為：一部應答機需要處理的詢問信號源源不斷（沒有較長的空閑期，否則不存在占據問 題），因此對一部應答機的工作可以用排隊論的理論來解釋。它的工作過程可以描述為一種損失制排隊系統。輸入過程（詢問信號到達）為泊松過程，排隊規則時損 失制（應答機忙時，不對詢問信號響應），服務機構為（一個服務臺，服務時間為負指數分布），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題都適用。與非時間同步系統（以下簡稱原系統）相比，時間同步系統（以下簡稱新系統）的特殊在于到達率上：每 一個時隙內有詢問需求的用戶有一個選擇自主權（要在規定的時隙開始問，并且可以選擇后面的時隙），而不是想問就立即問。這樣我們可以稱為每一個有需求的用 戶以概率p選擇本時隙，因此到達率由λ(一個時間單位內有詢問需求的詢問機數量，其決定因素主要有天線方向圖、詢問機數量，以及工作環境等)變成了λ^′=λp，是指能夠成功選擇到詢問時隙的詢問機。而應答機的處理過程沒有太大區別，都滿足參數為μ的負指數分布(=t_c,t_c見公式（1），是處理單個詢問信號的占據時間)。因此應答機的占據概率等于信號的丟失率，這可以應用著名的愛爾朗損失公式［3］ ：

　　表1表示了兩種系統的統計特性。

　　計算占據概率最關鍵的指標之一是到達率λ^′，這要根據具體系統來統計計算。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體制乃至整個系統設計、設備設計過程中的一個核心指標［4］。根據用戶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問器和應答機一對一工作條件下檢測協同目標的概率,它與應答機回答概率、詢問器譯碼概率以及詢問器信號處理方法有關,單 站工作一次詢問的目標檢測概率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為詢問器譯碼概率。
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；而詢問機的譯碼概率p_I跟系統混擾、竄擾有密切關系。混擾、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，使用滑窗技術后的目標檢測概率［5］p_d為

式中m為滑窗長度，h為檢測目標所需要的最少回答門限值，p_I為一次詢問檢測概率。
時間同步新型系統中，系統的識別概率在其它條件相同下得到顯著提高。