計算機論文范文3000字
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計算機論文范文一：二次雷達S模式的關鍵技術
1引言
S模式是近年發展起來的一種新的空中交通監視技術,相對傳統的A/C模式二次監視雷達,采用了選址詢問,擴展了數據鏈,擴充了系統容量,降低了系統內部干擾,因而在美、歐等國家和地區得到了廣泛應用,同時也是國際民航組織推薦使用的一種空管模式。而我國空管發展比較緩慢,目前還普遍使用的是A/C模式,但隨著空中交通的發展,飛機密度的增加,勢必也會向S模式監視系統發展。正因為我國目前還沒有采用S模式,因而有關S模式的系列標準也沒有頒布,系統性論述的相關文獻也很少。有些文獻認為,通過對傳統A/C模式二次監視雷達進行簡單的升級就可以實現S模式,筆者認為S模式除了在工作頻點上與傳統的A/C模式相同外,是完全不同的兩個系統,特別是S模式的數據鏈功能,以及地面站的協同功能,使得S模式的控制相當復雜;同時,S模式地面二次監視雷達是一個逐步更換的過程,在實施過程中,S模式二次監視雷達必須考慮兼容現有的傳統的A/C模式,因而S模式二次監視雷達必須經過全面細致的設計才可能充分發揮S模式的效能。本文主要針對實現地面二次監視雷達的關鍵技術進行論述。
2S模式二次監視雷達系統簡述
S模式二次監視雷達系統是在傳統的A/C基礎上發展起來的,也是采用詢問應答協同的工作方式,因而S模式二次監視雷達系統包括具有S模式能力的地面二次雷達詢問機和機載應答機兩部分。國際民航組織為每架飛機分配了一個唯一地址(24位地址)[1],地面站可以對飛機進行選址詢問,詢問發射頻率為1030MHz,接收頻率為1090MHz,詢問上行信號如圖1所示,前2個脈沖為同步脈沖,P5為詢問旁瓣抑制脈沖,P6為信息脈沖,采用DPSK調制,信息位長56bit或112bit,56bit稱為短信號格式,主要用于監視,112bit稱為長信號格式,除用于監視外還需要傳輸數據信息,也就是數據鏈功能都采用長信號格式,其碼速率為4MHz。應答下行信號如圖2所示,前4個脈沖是同步脈沖,后面56個脈沖或112個脈沖也分為長格式和短格式,采用脈位調制,碼速率為1MHz。國際民航組織(ICAO)附件10中分別對上行和下行定義了S模式的24種格式,其中上行格式4、5、11、20、21、24用于二次監視雷達監視系統,0和16號格式用于ACAS系統,為以后擴展保留了17種格式;下行格式中,4、5、11、20、21、24用于二次雷達監視系統,0和16號格式用于ACAS系統,17、18、19號格式用于ADS-B,其中19號格式為軍用。在二次監視雷達使用的幾種格式中,11號格式是全呼詢問和應答,主要用于對空中目標的捕獲,以獲取空中目標的S模式地址,4號和5號格式主要用于監視,以替代傳統的A/C模式,4號格式傳輸高度信息,5號格式傳輸編號信息,20、21號格式主要用于數據傳輸,同時具有監視功能,24號格式主要用于擴展通信功能。在S模式數據鏈的功能上主要分為通信A、通信B、通信C和通信D4種,上行20、21號格式主要用于通信A,下行20、21主要用于通信B,上行24號格式用于通信C,下行24號格式用于通信D。通信A又分為廣播通信A和一般通信A,廣播通信A用于地面站向覆蓋范圍內的空中目標發送廣播信息,一般通信A用于地面站對特定的飛機發送信息;通信B又分為地面發起的通信B(GICB)、空中發起的通信B(AICB)和廣播通信B等[1-2]。
3S模式二次監視雷達組成及工作原理
S模式地面二次監視雷達主要組成如圖3所示,包括天線系統、發射機、接收機、信道管理器、S模式回答處理器、A/C模式回答處理器、航跡處理、數據管理以及接口管理等部分。天線系統包括∑、Δ、Ω三通道單脈沖天線,和傳統A/C模式二次監視雷達一樣,為了減少垂直反射的影響,采用大垂直孔徑天線。由于S模式詢問機需要同時發射P6脈沖和旁瓣抑制脈沖(P5脈沖),發射機需采用主、輔兩個發射機,主發射機發射信號脈沖和同步脈沖,輔助發射機發射旁瓣抑制脈沖,接收機采用三通道接收,∑、Δ通道接收機配合∑、Δ單脈沖天線,實現單脈沖測角,∑、Ω實現接收旁瓣抑制功能,分別采用S模式和A/C模式兩個獨立的回答處理器,實時的對每次回答進行信號處理,以得到每次回答的解碼值;A/C模式凝聚器主要對駐留波束內的A/C模式回答進行凝聚,剔除異步干擾等;信道管理器主要對波束內要處理的S模式詢問(包括數據傳輸任務)以及A/C模式詢問進行時序上的管理;鏈路管理器主要完成通信任務與跟蹤目標的配對、對活動列表的管理。
4S模式二次監視雷達關鍵技術
4.1S模式與A/C模式的兼容性
雖然S模式采用了點名詢問,但在跟蹤前是不知道空中目標的S模式地址,當S模式二次監視雷達工作在多站情況下,可以通過相鄰地面站的引導實現對目標的跟蹤,但大多情況下需要自身對目標進行捕獲,只有捕獲鎖定后的目標才能進行點對點的數據傳輸。S模式目標的捕獲是采用全呼詢問,跟蹤和數據傳輸采用選址詢問,鎖定后的目標不再對S模式全呼詢問進行應答,為了方便管理和減少干擾,實際實施時,采用全呼和選址詢問分時進行,其時序如圖4所示,包括一個全呼詢問周期跟一個輪詢周期,在輪詢周期內實現選址詢問。考慮到從傳統的A/C模式升級到S模式需要一定的時間過渡,因而國際民航組織在制定S模式標準時,充分考慮了A/C模式與S模式的兼容問題,使得A/C模式二次雷達監視系統與S模式二次雷達監視系統可以共存。在全呼詢問時,對傳統的A/C模式信號進行了改進,增加了P4脈沖,如圖5的信號格式稱為組合詢問信號格式,對于傳統的A/C模式應答機只識別P1~P3脈沖,并按識別的P1與P3的時間間隔確定詢問模式,對于S模式應答機需要識別P4脈沖,P4為寬脈沖(1.6μs)時表示對所有應答機進行全呼詢問,P4為窄脈沖(0.8μs)時表示僅對A/C模式應答機進行詢問,S模式應答機接收到該信號不應答。但在實際使用中,人們更喜歡采用UF11號僅S模式全呼和短的組合詢問格式(僅A/C模式回答)組成的時序對空中目標進行全呼詢問,如圖6所示,這樣在同樣覆蓋范圍內的S模式應答機和A/C模式應答機具有相同的接收時間窗,A/C模式應答機也有足夠的時間從抑制A/C模式(僅S模式全呼)中恢復。
4.2S模式信道管理
由于S模式既要完成監視功能又要完成數據鏈功能,同時還要兼容傳統的A/C模式,因而如何有序地安排和管理地面雷達在波束覆蓋范圍內目標的通信和監視任務顯得尤為重要。S模式地面二次監視雷達需要一個專用的信道管理器來完成這些任務,其原理主要包括信道控制、事務預處理、目標列表更新、輪詢進程安排和事務更新,如圖7所示。信道控制實時監視時鐘和天線指向,保證所有S模式和A/C模式活動都發生在恰當的時間和序列(波束駐留時間),每間隔一定時間,信道控制就指示事務預處理器提供即將進入波束的飛機清單;事務預處理查詢包含目標預測位置的監視文件,如果將要進入波束的飛機有上行鏈路信息或下行鏈路信息需處理,那么事務預處理就會確定要完成這些任務所需要處理的數目和類型,事務預處理為每架飛機創建一張表單,表單包括一套要完成所有待處理的監視與通信任務所需要的完整說明;目標列表更新器組合這些表單為活動列表,并定期更新,表單上的條目是由事務預處理器所闡明的數據塊。新目標中的數據塊由事務預處理提供,并且被并入此列表,而那些離開波束或完成服務的目標,都會被清除。為了更好地估計算一個詢問與應答的非沖突時序,活動目標列表是以目標距離遞減的方式進行排序。事務更新是針對具有多任務的目標,對于有多任務的目標原則上是安排連續進行,如果某項任務成功進行,就會修改目標的數據塊,以安排下一任務進行;如果某項任務進行不成功,會安排在下一時序繼續進行;輪詢進程安排信道管理器的輸出時序,其原則是基于目標的距離,最遠的先問,后續安排的詢問目標,其回答不會與前一詢問的回答交替,如果沒有足夠的時間來完成一個完整的時序安排,那么就會安排到下一循環進行。圖8是一個信道管理輪詢實例,在第1個循環實現了對4架飛機的詢問,在第2個循環實現了對2架飛機的詢問,從該圖也可以看出,合理進行信道管理可以大大提高信道的利用率。
4.3S模式鏈路管理
S模式地面二次監視雷達為S模式地-空數據鏈提供物理層和部分鏈路層的服務,S模式數據鏈功能主要包括通信A、廣播通信A、GICB(Ground-in-itiatedComm-B)和AICB(Air-initiatedComm-B)等多種形式,實現這些數據鏈功能需要與地面數據鏈處理器(GDLP)和機載數據鏈處理器(ADLP)配合工作,如圖9所示。對于進入地面二次監視雷達覆蓋區的空中目標,地面二次監視雷達是靠定向天線實現與指定目標的通信,對一特定的飛機,每次掃描的波束駐留時間只有幾十毫秒,對于飛機密度較大的區域,如果通信任務較多,勢必有些目標的通信任務不能在一次掃描完成,需要多次掃描,如何有序地實現與空中目標的通信,在天線指向目標前將具有通信任務的目標和任務種類提供給信道管理器,需要建立一個活動信息列表,這個活動信息列表是對地面二次雷達覆蓋區域內的所有S模式目標列表,對新跟蹤的目標需要及時加入活動列表,并建立與GDLP的鏈路連接,對飛出覆蓋區的目標及時終止與GDLP的鏈接,并從活動信息列表中剔除,二次雷達只從GDLP接收在覆蓋區內目標的通信任務,對活動列表中具有通信任務的目標進行長格式詢問,對沒有通信任務的進行監視詢問(短格式詢問),在活動信息列表的建立中,詢問機需要將通過監視獲得的目標位置信息與通過GDLP獲得的通信任務進行配對,并分類進行管理,對未完成的通信任務進行更新。圖10是GICB鏈路管理實例。
4.4S模式目標的捕獲
S模式二次監視雷達主要采用選址詢問方式進行工作,但這只是在建立了目標跟蹤的情況下,在對目標跟蹤之前,需要對目標進行捕獲、鎖定,以最大限度地減少系統的異步干擾。一旦被捕獲,S模式飛機對隨后的S模式全呼叫詢問進行閉鎖,此閉鎖條件由S模式地面站通過S模式選址詢問控制,如果因任何原因致使一架飛機在18s左右沒有接收到地面站的閉鎖命令選址詢問,將自動解鎖,以便普通S模式捕獲可重新捕獲飛機。如何快速捕獲S模式目標,可以采用多種捕獲技術,包括多站捕獲與閉鎖、非選擇性捕獲與閉鎖、集群詢問機捕獲與閉鎖,以及隨機捕獲等多種方式。S模式為每個具有共同覆蓋區的地面詢問機分配了了一個詢問識別符(Ⅱ碼)和監視識別符(SI碼),并要求應答機能夠根據Ⅱ碼和SI碼具有多站閉鎖,針對不同的Ⅱ碼和SI碼鎖,對應多達78個地面詢問機的全呼捕獲詢問;非選擇捕獲與閉鎖,是建立在Ⅱ=0的基礎上,與S模式子網協議不兼容,不能用于普通的S模式捕獲;集群詢問機捕獲與閉鎖,是地面使用相同詢問標識符的詢問機通過地面網路協調它們的監視和通信任務,不需要每個詢問機都去捕獲目標;隨機捕獲,S模式地面站用一個特殊全呼叫詢問命令進行詢問,此命令指示飛機用一個特定的小于1的應答概率進行應答,由此降低的應答率意味著有些全呼叫應答被正確接收,并且這些飛機將被捕獲。一旦一架飛機被捕獲,它就被閉鎖,就不會再干擾其他尚未被捕獲飛機的全呼叫應答,這一過程一直重復,直到所有的飛機被捕獲,這種捕獲文獻[3]中已有詳細介紹。
4.5單脈沖技術
S模式二次監視雷達要求一次詢問、應答就能獲得目標信息,這其中包括目標數據傳輸信息和監視獲得的目標位置信息,而傳統的滑窗技術需要多次詢問才能獲得理想的位置信息,很難滿足S模式的要求,因而對于S模式地面詢問機必須采用單脈沖技術,其原理如圖11所示。通常二次監視雷達采用比幅單脈沖技術進行測角,根據接收到的∑、Δ通道的脈沖的幅度值計算出Δ/∑,由Δ/∑與偏離天線的法向值(OBA)的關系查表得到OBA值,與實時采集的天線指向值相加或相減得到目標的方位角,根據∑、Δ通道的相位超前滯后關系,判斷目標在法線左邊還是右邊,以決定目標方位是加OBA值還是減OBA值。此外單脈沖技術除用于測角外,也用于多目標處理。
5S模式二次監視雷達接口要求
S模式二次監視雷達接口主要分為內部接口和外部接口,內部接口主要包括地面站詢問機與詢問天線的接口、詢問機與本地控制盤的接口、詢問機與維護顯示器的接口,與天線的接口包括∑、Δ、Ω三通道射頻接口和天線指向數據,天線指向信號采用增量編碼方式,一路方位脈沖,一路正北脈沖;與本地控制盤的接口主要完成本地控制盤對詢問機的工作參數進行設置,并實時監視詢問機的狀態,采用RS422接口;與本地維護監視器的接口主要對目標的航跡進行監視,采用RS422接口或網絡接口。與外部設備的接口包括與空中交通管制中心的接口、與GDLP的接口、與本地用戶的接口、與其他鄰近地面站系統工作接口,實現S模式數據鏈功能與空管中心的監視接口和GDLP接口是必需的,與鄰近地面二次監視雷達接口在多站協同工作時需要,對外接口都采用雙冗余網絡接口,如圖12所示。與空中交通管制中心接口,主要向交通管制中心傳輸目標點跡/航跡報文,通常采用網絡接口。由于我國還沒有相應標準,我們參照歐洲航空組織監視數據交換報文CAT48《單站雷達目標發送報文》[4]執行。與地面數據鏈處理器GDLP的接口主要與GDLP進行雙向數據交換,將從飛機上提取的數據發送給GDLP,把GDLP傳來的數據通過二次監視雷達發送給飛機,同樣采用網絡接口,參照歐洲航空組織監視數據交換報文CAT18《S模式數據交換信息》[5]執行。
6S模式二次監視雷達鏈路計算
S模式二次監視雷達鏈路計算同樣遵從二次雷達的計算公式[6]:式中,Prcc為接收機輸入口的接收功率,單位W;Ptrd為發射機在輸出口的發射功率,單位W;GA為地面二次監視雷達天線增益;GT為應答機天線增益;LI為二次監視雷達到天線之間電纜損耗和;Lt為應答機到天線之間電纜損耗和;Lat為大氣衰減;λ為波長,單位m;R為地面站和應答機天線之間的距離,單位m。在下行鏈路計算時,考慮到S模式必須采用單脈沖技術進行測角,系統應該留有足夠的余量。
7結束語
S模式二次監視雷達具有監視、數據鏈功能,相比傳統的A/C模式具有很多優勢,是國際民航空中交通監視技術的發展方向,既可以采用單站工作方式也可以采用多站地面協同工作方式,其控制流程相當復雜。國內這方面的文獻很少,國際民航組織也僅僅給出了一些規范性的要求,對其實施方式并沒有作詳細的規定。隨著我國民用航空事業的發展,空中交通密度的增加,在從傳統A/C模式監視系統過渡到S模式監視系統的過程中,建議針對S模式二次監視雷達的具體特點,制定和完善一系列S模式二次監視雷達的實施標準及規范,才能逐步推行,這樣才能最大發揮S模式的效能。
計算機論文范文二：認知無線電對無線電監察的影響研討
常用的單節點頻譜感知技術有匹配濾波、能量檢測和周期性檢測3種[4]。(DSA)DSA是基于頻譜檢測的結果，在授權用戶中進行可用頻段的分配，以達到系統的最優化。由于CR網絡中的用戶對帶寬、信道和所處的位置都是隨機的，傳統的分配算法不能完全適應，所以要有一種新的動態頻譜分配算法。目前基于CR的DSA主要是基于頻譜共享池(Spectrumpooling)這一策略，也就是將分配給不同業務的頻譜合并成一個公共的頻譜池，并將其劃分為若干個子信道，而子信道是頻譜分配的最小單元[5]。頻譜共享池的DSA實質是一個信道受限的最優化問題。在保證相對公平和最小化干擾的情況下，最大化信道的利用率。CR系統中每個CR用戶的發射功率是對其他用戶造成干擾的主要原因[6]，所以要對CR系統內的用戶進行功率控制。功率控制的目標是在不對授權用戶造成有害干擾的前提下，增加認知用戶的發射功率或者是接入更多的認知用戶，提高信道利用率和CR網絡的通信容量。
認知無線電帶給無線電監測的挑戰
認知無線電環境下，無線電站臺的技術參數如發射功率、調制方式、編碼方式和傳輸速率等都將隨著環境的變化而不斷變化，從而提高了無線電監測對信號的跟蹤要求，如靈敏度、動態性[7]等;主用戶、次用戶以及非法用戶等多重使用者身份的出現也使得頻譜的合法性使用分析變得更加復雜。
靜態的頻譜分配機制，也就是將某一段固定的頻譜指定給某個通信業務類型的用戶，得到這種授權的用戶才能使用該頻段，不同類型的授權用戶之間不能共享。認知無線電技術通過找出不同頻率、不同時間、不同地理位置的頻譜“空洞”，并實現頻譜的動態共享，兩種共享方式見圖1。認知無線電技術采用動態頻譜共享的方式顯然能夠大大提高頻譜的利用率，但是，對于無線電管理和無線電監測，它也帶來了挑戰。首先，需要對頻譜進行重新分配和規劃，對于已經分配的頻率，需要重新評估其合理性，對于不適應現有技術發展的頻段要重新整合和分配;其次，不同用戶共享頻譜，使得同一頻段內用戶類型增多，加之各種接入的認知設備標準不一，極有可能加大電磁環境的干擾;最后，對于某一頻段上的頻段數據統計和分析也要做相應的改變，必須找到更有效的數據統計和分析方式，來描述特定頻譜整體的使用狀況。
無線電監測系統對信號的監測包括合法用戶信號的識別和干擾、非法用戶信號的監測識別。對于現有的監測系統，被監測頻段的唯一使用者即授權用戶，其信號為唯一合法的信號。通常該頻段授權信號的發射功率、能量、出現的時間以及背景噪音等都有詳細的記錄，并寫入了監測數據庫，對授權信號的識別甚至可以簡單地通過判別監測頻段是否存在信號即可。使用認知無線電技術，某一頻段上的合法信號不止是授權用戶的信號，正常接入的認知用戶信號也是合法信號，認知信號的參數和出現的時間都是可變的，對監測信號不能簡單地通過判定頻段上信號的有無來確定該信號是否為授權用戶信號。在認知無線電環境下，干擾信號的來源更加多樣化，由于大量認知用戶的接入，即使所有認知用戶都是按照自身不對授權用戶造成干擾的情況進行通信，但是從系統的整體來看，還是有可能對授權用戶造成干擾。無線電監測系統必須采用新的機制對特定頻段的干擾水平進行劃分和測定。認知信號在認知用戶漏檢以及認知用戶異常的情況下有可能造成干擾，對于認知用戶造成的干擾必須通過無線電監測發現和糾正。此外，現有系統不能對非法信號和認知信號進行有效的區分，會把授權信號以外的其他信號作為非法信號處理，所以，必須采用新的監測技術對違法的信號和認知信號進行區分。
基于認知無線電的新型監測系統
現有的無線電監測系統已經不能勝任新環境下的監測要求，必須對現有的無線電監測系統進行改進，形成一個針對認知無線電環境下的新型無線電監測系統以便應對上文所述的種種挑戰。新的監測系統需要從兩個方面對現有無線電系監測統進行升級改進：一是完善現有無線電監測的不足之處;二是采用認知無線電技術之后，針對原有監測系統不能適應的地方或做改進，或采用新的方法，使其能夠合理地解決新環境下無線電監測的問題。新型監測系統模型如圖2所示，該系統是一個聯網聯合監測的網絡拓撲系統，它由多個監測子系統構成，每個監測子系統由天線系統、接收機系統、監測數據庫系統和測向定位系統組成。
在認知用戶與授權用戶共存的網絡中，授權用戶受到潛在的干擾情況可能為：淤認知用戶漏檢，錯判當前頻段可用，接入當前頻段會與授權信號發生“碰撞”，從而干擾授權用戶的通信;于認知用戶異常，如，認知設備受到攻擊或者設備故障變成異常認知設備，不遵守認知無線電接入的規則，自身不進行功率控制，很可能對授權用戶造成干擾;盂非法信號占用頻段。新型的無線電監測系統應該能夠檢測出以上幾種情況。新型監測系統首先對監測信號進行干擾評估，由此建立授權用戶可承受認知用戶的干擾圖，通過對在監測過程中出現的認知信號和干擾評估結果的對比，可以粗略地判別出認知信號是否已經造成了干擾。在干擾識別過程中，通過頻譜分析、信號分類、信號估計提取等步驟，逐步將信號歸類，最終識別信號歸屬。具體的識別過程見圖3。
監測數據庫的建設和管理的好壞直接影響到整個監測系統性能的優劣。所以合理的設計監測數據庫，對無線電監測起著重要的作用。新型監測系統數據庫維護的重點之一在于建立各種信號的樣本數據庫和統計分析數據庫，如圖4所示。信號特征數據庫用于對信號特征的描述，便于與監測信號對比，識別合法信號和發現不明信號。而數據統計分析數據庫主要是管理頻段的使用情況，如占用度的統計、電磁環境的分析等，對于認知無線電下的信號數據進行統計和分析，需要更進一步細化步驟。
新型的無線電監測系統則采用聯網控制，通過融合相鄰監測站的監測信號，完成聯網信號的采集。各個監測站通過與具有強大數據處理能力的監測處理中心相連，完成對信號的聯合監測，采用一定的模型對不同監測站接收到的數據進行綜合分析，得出與原始信號最接近的分析結果。此外，通過聯網控制，可以對干擾實施聯網排查。監測中心可以通過網絡連接控制的監測設備終端，并且終端監測設備不需要具有強大的數據處理功能，只負責簡單的信號采集，降低了終端設備和人工成本。監測數據可以實時傳輸至監測的數據處理中心，并快速得到反饋，對干擾信號的判斷更為精準。不同的監測數據中心可以實現網絡共享，還可以通過更高一層的監測中心進行聯合調度，實現更大范圍的聯合監測任務。
監測系統測向仿真結果
測向算法是查找信號源的關鍵，為后續處理提供支撐。本節對目前兩種基于空間譜的高性能測向算法(MUSIC算法[8]和ESPRIT算法[9])進行了仿真。仿真參數為：信號1、信號2和信號3為信號序列長度為500的隨機信號，入射角分別為10毅、30毅和60毅，迭代次數為360次，輸入信噪比為10dB。MUSIC算法和ESPRIT算法仿真結果分別如圖5和表1所示。一般來說，信噪比越高，快拍數越多，精度也就越高。對于MUSIC算法，其中信號1的測向結果為10.23毅，信號2的測向結果為30.17毅，信號3的測向結果為60.23毅。相比之下，ESPRIT算法精度更高。兩種算法也各有其局限性：如果到達的信號中有相干信號，那么理論上其空間相關矩陣的秩就會比實際到達的信號數小，這樣，觀察到的譜峰數與到達的信號數不相等。因此，對于相干信號，MUSIC方法就不再適合。而ESPRIT算法是直接以輸入信號的參數進行估值，在實際情況中會受到噪聲的影響，結果可能會受到影響。應根據實際情況予以選擇。
結語
本文完成了對認知無線電環境下新型監測系統模型的雛形的設計。新型系統能夠在信號識別、干擾檢測、數據庫維護、聯網監測等各方面適應認知無線電環境，解決了現有無線電技術不能適應認知無線電環境的難題。盡管只是系統的初步雛形，但對于未來監測系統的設計具有較好的參考價值。