第七章 空中交通管制应答机

1. 第七章 空中交通管制应答机 本章学习要点 • ①了解雷达信标系统的基本工作原理 • ②理解机载应答机系统的基本工作原理； • ③理解接收电路的基本工作原理； • ④理解译码与编码电路的基本工作原理； • ⑤理解发射电路的基本工作原理； • ⑥理解离散寻址信标系统的基本工作原理； • 课时分配5学时

2. 本章主要内容 • 第一节 雷达信标系统的基本工作原理； • 第二节 机载应答机系统； • 第三节 接收电路； • 第四节 译码与编码电路；

3. 引论：一望无垠的天空中到底有多少架飞机？

4. 引论：如何管理天空中的飞机？

5. 引论：天空中的飞机如何规避？

6. 引论：天空中的飞机如何规避？

7. 引论：天空中的飞机如何规避？

8. 引论：天空中的飞机如何规避？

9. 空中交通管制，其目的是有序地组织和实施空中交通，防止飞机相撞，保证飞行安全，同时提高航空交通繁忙空域，主要是中心机场的利用效率。空中交通管制，其目的是有序地组织和实施空中交通，防止飞机相撞，保证飞行安全，同时提高航空交通繁忙空域，主要是中心机场的利用效率。 空中交通管制系统可分为数据获取系统，数据远距传输系统，数据处理显示系统和空地通信系统。 空中交通管制应答机（ATC TRANSPONDER）是保证飞机在繁忙空域中飞行和进行着陆过程中的安全的重要设备之一。它的功用是向地面管制中心报告飞机的识别代码和飞机的气压高度。现代机载应答机则是机载防撞系统的主要组成设备之一，它可以利用数字形式传送更为广泛的信息。机载应答机是和地面二次雷达配合工作的，所以有时候把它叫做二次雷达应答机。

10. 第一节 雷达信标系统的基本工作原理 空中交通管制雷达信标系统也可以称为航管二次监视雷达系统。通常，把系统的地面二次监视雷达简称为二次雷达。 • 一、空中交通管制 空中交通管制通常分为终端区空中交通管制与航路（走廊）空中交通管制。对我国民航而言，通常所指的是以机场为中心的大约150km范围终端区中的空中交通管制， 空中交通管制所依赖的技术基础是空中交通管制系统。一般，空中交通管制系统可以分为数据获取系统、数据远距传输系统、数据处理显示系统和空地通信系统。

11. 二、一次雷达与二次雷达 （一）一次监视雷达 地面一次监视雷达（PSR）的工作方式与机载气象雷达相似，是依靠目标对雷达天线所辐射的射频脉冲能量的反射而探测目标的。以一定速率在360°范围内旋转扫掠的天线，把雷达发射信号形成方向性很强的波束辐射出去，同时接收由飞机或其他目标反射回来的回波能量，以获取目标的距离、方位信息，监视空域中飞机的存在及活动情况。 地面一次监视雷达通常工作于L波段（1000—2000MHz）和S波段（2000—4000 MHz），具有很强的脉冲功率，其探测距离可达400km或更远，因而其发射设备和天线都相当庞大。

12. （二）二次雷达系统 二次雷达工作于Ｌ波段，其询问发射频率为 1030 MHz，接收频率为 1090MHz，作用距离与配合工作的一次雷达相适应，但发射功率远低于一次雷达。 1．二次雷达的工作方式 二次雷达的工作方式与一次雷达不同，它是由地面二次雷达——询问器与机载应答器配合，采用问答方式工作的。 地面二次雷达发射机产生询问脉冲信号由其天线辐射；机载应答机在接收到有效询问信号后产生相应的应答信号发射；地面二次雷达接收机接收这一应答信号，在进行一系列处理后获得所需的飞机代码等信息。可见，二次雷达系统必须经过二次雷达发射机与机载应答器发射机的两次有源辐射（询问与应

13. 答各一次），才能实现其功能。 在同时装备有二次雷达与一次雷达的空中交通管制系统中，通常总是使二次雷达与一次监视雷达协同工作。二次雷达的条形天线安装在一次雷达天线上方，二者同步扫掠。见图7-1。二次雷达与一次雷达共用定时电路与显示终端，以实现同步工作。 图7-1 二次雷达与一次雷达

14. 2．二次雷达系统的组成及工作概况 二次雷达系统的组成方框图如图7-2所示。图中虚线左侧为地面二次雷达——询问器，右侧为机载应答机。由图可见，地面二次雷达包括发射电路、编码器及接收电路；机载应答机也是由接收电路、译码器、编码器和发射电路等电路组成的。 二次雷达发射机在编码器的控制 下，产生一定模式的询问脉冲对信号。 通过它的条形方向性天线辐射。在其 天线波束照射范围内的机载应答机对 所接收到的询问信号进行接收处理与 译码识别，如果判明为有效的询问信号，则由应答机中的编码电路控制发射电路产生应答发射信号发射。应答信号被地面二次雷达天线接收后，经过接收电路、译码电路的一系列处理，将所获得的信息输往数据处理与显示系统。 图7-2 雷达信标系统简化方框图

15. 图7-3 二次雷达图像举例 3．二次雷达信息 目前，航管二次雷达系统可以获得的信息主要是： （1）飞机的距离与方位信息； （2）目标的识别信息，及飞机（军用或民用）的代码； （3）飞机的气压高度信息； （4）一些紧急警告信息，如飞机发生紧急故障、无线电通信失效或飞机被劫持等。 • 图7-3是一种典型的显示图像。图中弧形显 示图像为装备有应答机的飞机回波图像；点 形图像则为没有装备应答机的飞机的图像。 弧形图像旁的二层数字显示中的上层为飞机 的代码信息，下层为飞机的气压高度信息。 当弧形图像闪烁时，表示该飞机遇到了紧急 情况。加粗、增辉的图像为按下识别按钮发 射SPI脉冲时所产生的图像。

16. 图7-4 一种实际航管雷达显示画面 图7-4为一种实际的航管二次雷达显示 画面。这种显示器称为综合显示器， 它除了可以显示上述目标的图像、代 码、高度及其他信息外，还可以显示 地图背景及必要的标志和字符，可以 显示飞机的航迹等信息。图中，虚线 表示航空管制区域；双线表示航路和 走廊，中央的双线图形表示出机场跑 道的位置和方向；单线表示小航路， 在航路上的小点代表导航台的位置， 其他小点是地标；与一次雷达显示器相同，为了便于判别飞机的距离与方位，显示器上显示有同心圆形的距离标志圈和代表方位的方位射线。

17. （三）雷达信标系统的特点 1．发射功率较小 在覆盖范围相同的条件下，二次雷达系统的发射功率要比一次雷达小得多。例如，当作用距离为370km时，工作于同一波段的一次雷达应具有约2500kw的脉冲功率，而二次雷达仅需2.5kw的脉冲询问功率。相应地，二次雷达及应答机的接收灵敏度也可以比一次雷达的低一些。 2．干扰杂波较少 雷达信标系统的接收频率与发射频率不同，各种地物、气象目标对1030MHz发射信号的反射信号，不会被频率为1090MHz的接收机所接收，因此二次雷达基本上没有上述杂波干扰。这是与一次雷达不同的。

18. 3．不存在目标闪烁现象 二次雷达回波是机载应答机主动辐射的信号形成的，不是目标反射能量形成的，因而与目标的反射面积无关，不存在由于目标姿态变化及散射所引起的回波忽强忽弱而导致的闪烁现象。虽然飞机机动飞行时可能会暂时遮挡住应答机天线而造成回波的瞬时中断，但这种情况不是经常出现的。 4．方位精度较差而高度精度较高 前已说明，二次雷达系统可以获得较为准确的飞机高度信息。与一次雷达相比，这是一个突出的优点。另一方面，由于二次雷达通常采用较为简单的条形天线，它的方位精度较差。由于二次雷达与一次雷达相比具有上述特点，所以实用中往往是使二次雷达与一次雷达配合工作，取长补短，提供空中交通管制所需要的广泛信息。

19. 三、询问信号 （一）询问模式 地面二次雷达发射的是射频脉冲信号。这种信号由间隔不同的脉冲对信号组成。脉冲信号的脉冲编码方式称为询问模式。 目前，国际民航组织规定的航管二次雷达询问模式共有6种，分别称为模式1，2， 3／Ａ，Ｂ，Ｃ和D。其中模式1，2为军用；模式3／Ａ可用于军用与民用识别；模式Ｂ只用于民用识别；模式Ｃ用于高度询问；模式Ｄ为备用询问模式，其询问内容尚未确定。可见，与民航有关的是A，Ｂ模式（用于飞机代码识别）和Ｃ模式（用于高度询问）。

20. 图7－5为模式Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ的脉冲间隔关系。图中画出了一对脉冲 与 ，实际上在各模式的 脉冲之后还有一个幅度较小的脉冲 。由图可知，模式Ａ的脉冲间隔为8，模式Ｂ为17，模式Ｃ为21，模式D为25 。各模式脉冲间隔时间的误差为±0.2 ；脉冲宽度为0.8±0.1 。 图7-5 询问模式

21. （二）询问方式 实际上航管人员既需要掌握飞机的代码信息又需要了解飞机的高度信息，所以二次雷达总是交替发射不同模式的询问信号的。 通常，采用每组三重模式的询问方式，即每组轮流发射三种模式的询问信号；三种模式以1∶1∶1的比例交替询问。当然，也可以采用每组二重模式的询问方式；模式之间的比例也可以是其他的数值，比如三重模式的2∶2∶2，2∶1∶1。二重模式的2∶1等等。 与此同时，还可以按天线的扫掠来改换询问方式，由天线通过正北方位时的信号来转换。例如，在某一天线扫掠周期中，以Ｘ组三重模式交替询问；在天线的下一个扫掠周期中，则以另一Ｙ组的三重（或二重）模式编排方式询问。

22. （三）询问重复频率 询问重复频率主要取决于二次雷达的作用距离，同时与应答机所能承受的最大应答率有关。对二次雷达来说，应使最大作用距离内的飞机应答信号能在本询问周期内被接收到，而不能落在下一个询问脉冲之后。为此，就应保证信号的往返时间小于询问周期。例如设最大作用距离为370km，则电磁波的往返时间约为2.5ms，这样重复频率就必须低于400Hz。再考虑机载应答机的询问阻塞、延迟时间，以及二次雷达与终端显示系统的处理、显示时间，实际的重复频率还应低于这一计算值。 综上所述，通常把询问重复率限制在使每架飞机在一次扫掠中被询问20至40次的范围内。一般，询问重复频率为150——450Hz。作用距离较近时，可以取较高的询问重复频率。 询问频率也是由二次雷达中的编码器控制的。

23. 四、应答信号——识别码与高度码 （一）应答格式 • 应答格式见图7-6，由图可见，应答脉冲串是由框架脉冲 与 ,信息脉冲及SPI脉冲组成的。 • 框架脉冲 与 是应答信 号的标志脉冲,之间的时 • 间间隔固定为20.3+0.1。 • 在两个框架脉冲的正中位置处留有一个备份的Ｘ脉冲位置。Ｘ脉冲恒为逻辑零，所以、脉冲的间隔为2.9，其余脉冲的间隔均为1.45。在框架脉冲之后4.35处的是特别位置识别脉冲SPI。只有在按下控制盒上的识别按钮后才会产生SPI脉冲。各应答脉冲的宽度均为0.45（±0.1）；脉冲的幅度均应相等。 图7-6 应答脉冲串格式

24. （二）识别代码 1．识别代码的编码原理 置定旋钮电路决定了12个信息脉冲的编码状况。每个脉冲都有1（表示该脉冲存在）和0（该脉冲不存在）两种状态，这样12个信息脉冲共可组成种信息脉冲组合状态，即总共可表示4096个识别代码。 把12个信息脉冲分成A,B,C,D四组，每组表示四位数识别码中的一位：A组表示第一位，Ｂ组表示第二位，Ｃ组表示第三位，D组表示第四位。注意，这四组脉冲从高到低的顺序是ABCD，这一顺序和脉冲在实际脉冲串中的位置顺序 ， …（见图7-6）是不一致的。

25. 这样，每组脉冲都可以有三个信息脉冲。用这三个信息脉冲表示八进制数，可以得到0,1,2,3,4,5,6,7共8个八进制数。 • 每个脉冲的下标代表该脉冲的权值，例如A组脉冲内 的权为1， 的权为2， 的权为4,Ｂ,Ｃ,D各组与此相同。 • 举例来说，如果控制盒上所置定的识别代码为7162，则： • Ａ组码为7，所以A组码为 ＝1， =1， =1，1+2+4=7； • Ｂ组码为1，所以B组码为 ＝1， =0， =0，1+0+0=1； • Ｃ组码为6，所以C组码为 ＝0， =1， =1，0+2+4=6； • Ｄ组码为2，所以D组码为 ＝0， =1， =0，0+2+0=2；

26. 2．紧急代码 • 7500——表示飞机被劫持； • 7600——表示无线电通信失效（当机组无法与地面通信时，通过选择这一紧急代码可报告地面管制人员）； • 7700——表示飞机发生危急故障。

27. （三）高度码 气压高度信息是由大气数据计算机提供的，由高度编码电路编码。 1．高度码的特点 • 在代表飞机高度信息时，12个信息脉冲也是分成Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ四组的，但四组脉冲的组成顺序是： 与识别代码是不同的。 • 国际民航组织规定的高度编码范围是从－1000至126700 ft（相当于-304至37000 m） • 规定高度编码的增量为100 ft。对于上述高度范围，我们只需 1278组高度编码，即只需利用4096种编码中的一小部分。

28. 规定不用脉冲 （ 恒为０）； 和 脉冲不能同时为1，但Ｃ组脉冲必须有一个为1。 • 实际上，民航所使用的高度范围从-1000到 62700 ft就足够了，所以高度编码中 的脉冲实际上也总是为零的。可以把10个编码脉冲 分成三组：前三位 为第一组，可编成8个格雷码组，用于表示高度范围，其间隔为8000 ft，即共可有8个间隔为8000ft的高度范围；其后的 为第二组，可编成 16个格雷码组,码组的增量为500ft；最后的三位为第三组 ，接“五周期循环码”可编成5个码组，增量为100 ft。 • 10位高度码共可得到640个高度码组，可表示从－1000 ft至62700 ft（－304——19111m）范围内的按100 ft增量的高度编码。

29. 表7-2 十位高度码的分组 由上可知， 10位高度码共可得到 8×16×5＝640

30. 表7-3 编码的对应高度（增量500 ft）

31. 高度编码时先按表7-3确定增量为500 ft的第一、二组编码，再按表7-4确定增量为100 ft的C组编码。若高度的后三位数在N×1000±200 ft范围内（N为0，1，2，…），则C组用表7-4中左侧1000 ft栏的编码；若高度在M×500±200 ft（M为奇数）的范围内，则用表7-4中500 ft栏的编码。 表7-4 编码的对应高度增量（增量为100 ft ）

32. 设高度为28200 ft，则由表7-3可知，前7位—的编码为０１００１１１；因高度的后三位数在1000±200 ft范围内，故由表7-4的1000 ft栏可知C组的编码为100，即对应于28200 ft的高度编码为： ０ １ ０ ０ １ １ １ １ ０ ０ ２８０００ｆｔ ＋ ２００ｆｔ ＝ ２８２００ｆｔ 如高度为28400 ft，则因高度的末三位在500±200 ft范围内，所以应使用表7-4中500ft栏的编码110（对应于-100ft），前二组的编码也相应改变为0100110，即28400ft的高度编码为： ０ １ ０ ０ １ １ 0 １ 1 ０ ２８５００ｆｔ 　—１００ｆｔ ＝ ２８４００ｆｔ

33. 2．高度编码原理 • 高度编码的前两组（ 和 ）共7个信息脉冲，是按格雷码编码的，可得到128个码组，每个码组的增量为 500ft。 • 格雷码又称标准循环码，它的特点是相邻二个数之间只有一位不同（见表7－3），因此适合在模—数转换设备中应用。 • 通过模二加运算，即可将二进制数转换为格雷数，现以二进制数1100（对应于十进制数12）为例，说明把二进制数转换为格雷码的具体方法。 • 第一步，第一个最左位格雷数字和二进制数的第一位（最高位）相同，即：二进制 1 1 0 0 • ↓ • 格雷码 1

34. 第二步，把二进制数的头两位相加（1＋1＝10），忽略任何进位，即得到第二位格雷数字：第二步，把二进制数的头两位相加（1＋1＝10），忽略任何进位，即得到第二位格雷数字： 二进制 1⊕1 0 0 ↓ 格雷码 1 0 第三步，把二进制数的第二、三位相加，忽略进位，即得到第三位格雷数： 二进制 1 1 ⊕ 0 0 ↓ 格雷码 1 0 1 第四步，把二进制数的第三、四位相加，忽略进位，即得到第四位格雷数： 二进制 1 1 0⊕ 0 ↓ 格雷码 1 0 1 0 可见，二进制数1100的格雷码等值数为1010。

35. 把格雷码转换回为二进制的方法与此相似，但不完全相同，现以格雷码1100011为例，说明转换的流程。把格雷码转换回为二进制的方法与此相似，但不完全相同，现以格雷码1100011为例，说明转换的流程。 第一步，重复格雷码的最高位数为二进制数， 格雷码 1 1 0 0 0 1 1 ↓ 二进制 1 第二步，把所得到的第一位二进制数与第二位格雷数相加，略去进位，即得到第二位二进制数。 格雷码 1 1 0 0 0 1 1 ⊕＝ 二进制 1 0 依此类推，把上一位二进制数与本位的格雷数相加，略去进位，即可得到本位的二进制数。

36. 这样，格雷码１１０００１１对应的二进制数为 1００００1０： 格雷码 1 1 0 0 0 1 1 ⊕ ＝ ⊕＝ ⊕＝ ⊕ ＝ ⊕＝ ⊕＝ 二进制 1 0 0 0 0 1 0 它所对应十进制数为 。因其高度增量为500ft，故它所对应的高度为 500×66－1000 ＝33000－1000 ＝32000（ft） 这与从表7-3查得的结果是一致的（１１０００１１可由表7-3的第5行第3列查得为32000ft）。

37. 五、旁瓣抑制(SLS) 由于二次雷达天线不可避免地存在着一定电平的旁瓣，由于管制终端区内的飞机距二次雷达天线较近，所以被天线旁瓣所照射到的飞机上的应答机也往往会被触发而产生应答信号。这种被旁瓣所触发应答的飞机图像同样被显示在这一时刻天线主波瓣的方位上，从而可使显示器上出现多个目标的错误显示。

38. 应答机即可通过比较 ， 脉冲与 脉冲的相对幅度，来判明飞机是处在二次雷达方向性天线的主波瓣内还是旁瓣内，从而决定是否产生应答信号。

39. 应答机即可通过比较 ， 脉冲与 脉冲的相对幅度，来判明飞机是处在二次雷达方向性天线的主波瓣内还是旁瓣内，从而决定是否产生应答信号。如图7－9所示 （a）方向性天线和无方向性天线的方向图 （b）脉冲幅度关系

40. 应答机在模糊区中的应答概率随 脉冲的增大而增大，如图7—1０所示。 图7-10 应答概率

41. 第二节 机载应答机系统 • 一、机载应答机系统的组成与技术参数 （一）系统组成 图7-11为机载应答机系统的组成方框图。由图可见，系统是由应答机、控制盒及天线三个组件组成的。 图7-11 机载应答机系统

42. 1．应答机 • 如果收发组发生了故障，则收发组故障指示器（Ｒ／Ｔ）显现为明显的黄色，且在断电后仍保持这一黄色显示。 • 天线的故障显示器（ANT）则用来显示天线系统是否发生过故障。 • 按压复位按钮（RESET） 即可使故障指示器复位。 图7-12为典型的应答机 图7-12 典型的应答机

43. 图7-13 应答机天线 2．天线 • 应答机使用Ｌ波段的短刀型天线,见图7-13 。 • 应答机天线为无方向性天线，它在水平面内的方向性图为对称的圆。天线在垂直面内的覆盖范围 不应小于30°。 • 应答机天线与测距机天线往往是 相同的，因而可以互换使用 3．控制盒 • 机载应答机使用一部控制盒来控制两部应答机的工作

44. 3．控制盒 • 机载应答机使用一部控制盒来控制两部应答机的工作

45. （二）对应答机的功能要求与技术参数:应答机是作为交通管制雷达信标系统的机载设备与地面航管二次雷达配合工作的。 1．接收信号的基本要求 频率与通带 :接收机的中心频率为1030＋0.2MHz。接收机的3dB带宽约为 6MHz，60dB带宽为25MHz。 接收机灵敏度 :典型的应答机接收灵敏度为-76dBmＷ，一般为-69至-77dBmＷ 脉冲宽度鉴别 :接收机应能鉴别询问脉冲的宽度，滤除小于0.4 的窄脉冲和大于1.5 的宽脉冲，以避免被噪声及Ｌ波段的其他信号所触发。 间隔－模式鉴别 :当询问识别信号的模式与控制盒所选定的模式相符时，自动应答识别代码；当询问脉冲间隔与C模式相符时，则应答高度编码信号。

46. 2．旁瓣抑制与应答抑制 • 旁瓣抑制 :当接收机判明为旁瓣询问时，产生一个约28 的抑制波门以抑制接收机不应答28 。 • 应答抑制 :内抑制。当接收机判明一个正常询问时，也将接收机译码电路抑制约28 ，以避免在正常应答期内再被后续的询问信号触发应答。 • 外抑制:当应答机正常应答时，输出一个18ｖ以上的宽约28 的外抑制波门，以抑制测距机，反之亦然。 3．发射信号的基本参数 • 应答机发射（应答）信号的频率为 。 • 应答率不应超过每秒1200次。当应答率达到规定值的15%时，自动过载控制电路（AOC）使接收机灵敏度下降30%。

47. 二、系统工作概况 1．系统选择与模式选择 • 图7－14为典型的应答机控制盒面板图。 • 系统选择开关（ATC）用 于选择第一部或第二部应 答机来产生射频应答信号。 • 系统的模式选择开关用于 • 选择应答机能够正常响应 • 的识别询问模式。开关置 • 于Ａ位，应答机只在收到 • Ａ模式识别询问信号后才 • 应答飞机的识别码；反之，当开关置于Ｂ位时，应答机只应答Ｂ模式询问信号。 图7-14 控制盒面板

48. 2．高度报告 高度报告控制开关用于控制应答机是否应答高度询问（模式Ｃ），并用于选择第一套或第二套大气数据计算机来作为高度报告信息源。 3．代码置定旋钮 飞机的四位识别码是由控制盒上的同芯旋钮调定的。旋钮为八位限动旋钮。旋钮转动时数字窗中显示相应的数字０—7。 4．识别按钮 识别按钮（IDNT）装在左置定钮的中央。接下识别钮，应答机即产生特别位置识别脉冲（SPI）。按压一次识别钮，不论在按压后是否松开按钮，均可使SPI脉冲保持22s。

49. 5．系统监测:监测应答机输出信号功率、频率等主要参数，也能监测信号的接收译码过程及时钟频率等是否正常。监测电路还可以监测天线、电缆系统是否正常。 6．自检 利用应答机内的自检电路，可以模拟接收询问信号，以使接收处理译码和编码发射电路工作，从而通过监测电路检查系统的工作情况。按下控制盒或应答机前面板上的自检按钮，即可使应答机内的自检振荡器产生自检脉冲信号，并同时产生各种控制信号。此后，应答机对自检信号的处理过程，就像对有效询问信号的，脉冲的处理情形一样，直至产生应答脉冲串。这样，便可通过监测电路检测应答机的性能状况

50. 三、应答机的基本工作原理 图7-15为应答机的的简化方框图。 • 由天线所接收的1030MHz询问脉 • 冲信号经由环流器加至接收机 • 输入端的前置滤波器。 • 前置滤波器是一个带宽约为25 • MHz的带通滤波器，能够有效地 • 滤除镜象干扰及Ｌ波段的其他 • 杂波。 • 译码电路按照控制盒所选择的 • 模式，鉴别脉冲与脉冲之间时间间隔。 • 编码器的功用是在译码电路产生的模式起动信号的触发下，产生识别代码或高度编码。编码器形成的编码脉冲串加至调制器， 图7-15 应答机简化方框图