淺談S模式的監視與通信功能

李正勇

(四川九洲電器集團有限責任公司,四川綿陽 621000)

淺談S模式的監視與通信功能

李正勇

(四川九洲電器集團有限責任公司,四川綿陽 621000)

隨著航空事業和科學技術的發展,S模式二次雷達正逐步取代傳統的A/C模式二次雷達,成為主流的空中交通管制設備。本文就S模式的監視功能和通信功能進行探討。

S模式 詢問 監視 通信A/B

近年來空中交通密度日增、航路擁擠、航站區工作量過重,各種干擾問題更趨嚴重。在英國對現有SSR系統的研究表明,隨著飛機數量的持續增加,時間不同步和信號混淆問題已成為ATC系統中使用SSR的限制因素。為抑制應答路徑的干擾,模式A和模式C圖表提取器需要多個同步應答來識別飛機的存在。在美國,一些機場繁忙時刻經常會遭遇飽和情況,使航管監視變得很糟糕[1]。

英美各國針對現有二次雷達存在的各種問題,提出的解決方案是對飛機進行單獨詢問,使應答可相互隔離,以此改進和提高空中交通管制能力。該方案的實施,S模式應運而生。

1 S模式簡介

1.1 概述

S模式是在傳統A/C模式基礎上發展起來的,同樣采用詢問應答協同工作方式,但調制方式采用DPSK調制,與A/C模式不同。S模式二次監視雷達系統包括具有S模式能力的詢問機和應答機,ICAO為每架飛機(應答機)分配了唯一地址(24位地址),詢問機可對飛機進行全呼詢問和選址詢問。詢問信號格式如圖1所示,應答信號格式如圖2所示。

圖1中P1、P2脈沖為同步脈沖,P5為詢問旁瓣抑制脈沖,P6為信息脈沖,詢問碼速4MHz。P6信息位長56位或者112位;56位時為短格式詢問,主要用于監視詢問;112位時為長格式詢問,除監視詢問外,還具有數據鏈通信功能。

圖2中應答脈沖采用脈位調制,碼速1MHz。前4個脈沖為同步脈沖,后面為56個或112個脈沖信息;56個應答信息,稱為短格式應答;112個應答信息,稱為長格式應答。

1.2 S模式主要特點

(1)兼容性強。S模式二次雷達系統采用1030MHz頻率詢問,1090MHz頻率應答,與傳統A/C模式的工作頻率相同。該系統不僅具有S模式功能,同時兼容A/C模式功能。在S模式詢問應答中,包含A/C模式的相關信息。

(2)干擾小。S模式詢問,其同步頭P1、P2抑制應答機進行A/C模式應答。選址詢問時,只有對應地址的飛機進行應答,減少多個飛機同時應答對空間造成干擾。

(3)定位精度高。S模式詢問采用單脈沖技術,可單獨對特定飛機進行詢問,解決相鄰目標的應答干擾問題。提高探測概率,減小誤碼率,目標定位精度高。

(4)抗干擾能力強。S模式采用了DPSK調制和CRC校驗和糾錯的方式,抗干擾能力強。

(5)數據鏈通信能力。除監視功能外,S模式還具有數據鏈通信功能。可實現地-空之間通信,傳送氣象信息、交通信息等。在密集飛行區域,數據鏈通信可幫助飛機以更好的高度安全飛行,同時讓飛機在更經濟的航線上飛行。

1.3 S模式應用等級

S模式應用等級分為以下5級:

一級:

支持ATCRBS和S模式的監視功能。功能描述如下:

(1)A模式和C模式:A模式為身份識別,C模式為氣壓高度報告。

(2)ATCRBS/S模式和S模式全呼。ATCRBS/S模式為交互模式,即A/C/S全呼。當A/C/S全呼為P4長(P4寬度為1.6us)詢問時,A/C模式應答機采用A/C模式應答,S模式應答機采用DF11應答;當A/C/S全呼為P4短(P4寬度為0.8us)詢問時,A/C模式應答機采用A/C模式應答,S模式應答機不應答。S模式全呼采用UF11詢問,DF11應答。

(3)監視高度和身份識別:監視高度采用UF4詢問,DF4應答;身份識別采用UF5詢問,DF5應答。

(4)鎖定協議:非選擇全呼鎖定和多站鎖定協議。

(5)基本數據鏈:不包括數據鏈路能力報告。

(6)空對空服務和斷續振蕩發送:空對空服務采用UF0詢問,DF0應答。斷續振蕩發送采用約1次/秒的主動報,報文格式DF11。

二級:

除具有一級能力外,還支持以下功能:

(1)雙向空對空信息交流:UF16詢問,DF16應答。

(2)地對空數據上行鏈路,通信A:通信A采用UF20/UF21詢問,詢問信息中含MA(56位)字段。

(3)空對地數據下行鏈路,通信B:通信B采用DF20/UF21應答,應答信息中含MB(56位)字段。

(4)多站點報文協議:多站鎖定協議,應答機與多站之間的基本數據通信。

(5)數據鏈路能力報告:報告處理BDS10寄存器內容的能力。

(6)飛機識別報告:報告處理BDS20寄存器內容的能力。

(7)TCAS/ACAS交叉鏈接能力。

二級S模式除具有監視能力外,還具有基本數據鏈通信能力。三級和三級以上只具有數據鏈通信能力,不具有監視能力。

三級:

除具有二級能力外,還具有上傳ELM(擴展長度報文)和接收處理能力。ELM是采用通信C(UF24)發送和接收,由一串上行發射信息組成。僅在接收到發射信息中,UF24字段RC=2時才進行應答確認。

四級:

除具有三級能力外,還具有E LM下傳和接收處理能力,下傳ELM以通信D(DF24)發送和接收。四級允許空中向地面發送加長數據鏈報文,也能從地面向空中發送加長數據鏈報文,并發送二級S模式無法提供的空中交通服務所需要的其它報文。

五級:

除具有全ELM(四級)能力外,還支持增強性數據鏈協議。該級只針對應答機,允許同時與多個S模式詢問機進行數據鏈通信,而不需要多站點配合,增大了數據鏈路的傳輸能力。因此五級S模式應答機比其它等級的應答機具有更高的最低數據鏈路容量。

1.4 S模式應用發展現狀

1.4.1 國外應用發展現狀

歐美等國的S模式二次雷達發展較為成熟,且正逐步取代傳統的A/C模式二次雷達,成為主流的空中交通管制設備。其中,Raytheon、Thales、Selex、柯林斯等國外公司均能提供具有二級S模式能力及以上的詢問機或應答機。

1.4.2 國內應用發展現狀

圖1 S模式詢問格式

國內民航,各大航空公司的大型客機均已安裝二級或以上S模式能力的應答機。大多數機場目前仍采用傳統A/C模式二次雷達,部分預留了S模式接口,具備S模式升級能力。只有北京、上海、廣州、成都等少數機場正逐步推廣S模式航管二次雷達的應用,但也只是S模式的一級應用。隨著“十二五”空管規劃的逐步實施,國內軍/民航步入了快速發展軌道。據預測,“十二五”期間民航運輸將以年均13%的速度快速增長,到2015年機隊規模達到2850架,機場數量達到220個,飛行總量達1143萬架次,相對2010年翻一番,S模式二次雷達系統普遍使用將成為發展的必然趨勢。

圖2 S模式應答格式

2 S模式監視功能

S模式監視主要應用于二次雷達監視、廣播式自動相關監視、多點相關監視和防撞監視系統等。

2.1 二次雷達監視

二次雷達監視是通過二次雷達詢問,主動獲取目標(飛機)的高度和識別代碼,同時自主測量目標的方位和距離,實現對目標的監視功能。其信號格式[3][4]如圖3所示。

圖3 S模式二次雷達監視格式

表1 PC(協議) 字段定義

表2 RR(應答請求) 字段定義

圖3中,PC字段定義見表1,RR字段定義見表2,FS字段指示目標飛行狀態,DR字段指示目標的下行鏈路請求,AC字段為目標飛行的高度代碼,ID字段為目標的識別代碼,AP字段為含飛機的24位地址碼的奇偶校驗代碼。

二次雷達采用S模式UF4進行高度詢問(PC=0,RR〈16),則對應24位地址碼的目標采用DF4進行高度應答,同時報告目標的飛行狀態和下行鏈路請求狀況。

二次雷達采用S模式UF5進行識別詢問(PC=0,RR〈16),則對應24位地址碼的目標采用DF5進行識別應答,同時報告目標的飛行狀態和下行鏈路請求狀況。

2.2 廣播式自動相關監視

S模式廣播式自動相關監視即ADS-B中的1090ES格式,是通過接收目標發送的擴展斷續振蕩報文,獲取目標的位置、航班號等信息,實現對目標的監視功能。其信號格式如圖4所示。

圖4 S模式廣播式自動相關監視格式

圖4中,CA字段報告目標的S模式等級能力和空中/地面狀態。AA字段為飛機的24位地址,ME字段為擴展斷續振蕩報文,主要包括位置(經度、緯度、高度)、航班號、航速、航向等信息。DF18與DF17的差異:產生DF18擴展斷續振蕩報告的設備不具備應答功能。

隨著S模式廣播式自動相關監視的發展,向飛機提供圖形化氣象、地形和飛行信息(包括FIS-B信息和TIS-B信息),將會有效減少中低空沖突和天氣相關事故的風險。但該監視系統基于GNSS,若GNSS因某些原因失效,將無法實現監視功能。其發展趨勢將是多點相關監視。

2.3 防撞監視

S模式防撞監視,是通過發送S模式空-空監視詢問,獲取目標高度等信息,自主測量目標的距離,從而實現對目標的監視功能,并決定采取何種防撞策略。其信號格式如圖5所示。

圖5 防撞監視格式

圖5中,VS字段為0時,飛機在空中;為1時,在地面。飛機不具有自動確定在地面/空中功能時,將始終報告為空中狀態。SL字段指示目標的TCAS的工作靈敏度等級,RI字段指示目標的決斷能力或空速。

2.4 多點相關監視

多點相關監視系統(MDS)又稱ADS-X,是基于應答機的多點地面監視系統。使用多個接收器捕獲應答信號并計算目標的位置,實現對目標的監視功能。重要特點是通過高刷新率來跟蹤定位和識別安裝非S模式應答設備、S模式應答設備的飛機以及安裝車載應答設備的車輛。非S模式應答主要是指A/C等模式應答,S模式應答包括S模式的詢問響應以及S模式斷續振蕩報文(DF11、DF17、DF18)。

S模式多點相關監視系統,不依賴于二次雷達詢問機,也不受制于GNSS,只要目標發送S模式信息,就可進行定位實現監視功能。已成為A-SMGCS(高級場面活動引導與控制)系統的一個主要組成部分,應用于場面監視和航路監視。

3 S模式通信功能

S模式數據鏈通信包括通信A、通信B、通信C以及通信D。通信A和通信B為標準長度數據鏈通信,最多可傳輸4段通信報文共224位信息。通信C和通信D為擴展長度數據鏈通信,最多可傳輸16段通信報文共1280位信息。

圖6 S模式數據鏈通信流程

如圖6所示,ADLP、GDLP分別為機載數據鏈處理器和地面數據鏈處理器,負責應答機與詢問機之間的鏈路通信。通信A與通信C為上行鏈路通信,由詢問機向應答機傳送報文;通信B與通信D為下行鏈路通信,由應答機向詢問機傳送報文。

圖7 S模式通信A與通信B格式

通信A與通信B屬于S模式應用等級的二級,通信C屬于三級,而通信D屬于四級。通信A與通信B信號格式如圖7所示,通信A與通信D信號格式如圖8所示。

圖8 S模式通信C與通信D格式

通信A采用UF=20/UF21從地面向飛機發送信息。除相應短格式(UF4/UF5)內容外,通信A還包含附加的56位MA字段。

通信B包括地面啟動通信B(GICB)和空中啟動通信B(AICB)。GICB為地面詢問機主動要求與空中目標進行通信;而AICB為空中目標需與地面詢問機通信時,先向詢問機請求通信,詢問機發送詢問信息授權后,開始進行通信。

通信C協議使用UF24的兩個控制字段NC和RC。NC傳送段號,RC標識傳送報文為首段、中間段還是末段。MC字段為通信報文,一個上行鏈路報文最大為16段,兩個連續通信C報文之間的最短時間為50微秒。

通信D協議使用DF24的兩個控制字段ND和KE。ND傳送段號,標識下行鏈路發送段的編號。MD字段為通信報文,一個下行鏈路報文最多為16段。下行鏈路只能由詢問機授權后才發送,通信報文包含于通信D應答中。

4 S模式監視與通信功能在二次雷達中的應用

比較圖3和圖7、圖8,S模式通信A與通信B只是在S模式監視中增加了MA字段或MB字段,即通信A字段或通信B字段。通信C與通信D僅具有通信功能,不具有監視功能。本節僅對通信A與通信B在二次雷達中的監視與通信應用展開討論。

4.1 通信A

通信A最大可鏈接4個通信段,數據容量可達224位。通信A詢問,DI=1/7時,SD字段最后3位為LAS子段;該子段用來向目標指明為首段、第二段、第三段(如果使用)或最后一段。每個通信A詢問都必須從目標得到一個應答,否則傳感器(詢問機)會重復詢問。當目標接收到首段、中間段和末段,表明接收到完整的通信A報文,通信A功能完成。在目標對詢問機的應答響應(UF20詢問,對應DF4應答;UF21詢問,對應DF5應答)中,報告其高度或識別代碼,以及飛行狀態等信息,同時實現了監視功能。

4.2 通信B

在下行通信B報文中,最多由4個通信段組成。在首個通信MB字段中,前兩位為LBS子段[5],用于指示通信為單段、兩段、3段或4段L。

通信B包括通信B啟動、通信B報文傳輸和通信B關閉。當詢問機接收到所有MB報文段后,表明通信結束,通信B功能完成。

在目標與詢問機通信過程中,采用DF20/21格式進行通信傳輸。在DF20格式中,傳輸MB報文,同時報告目標高度和飛行狀態等信息;在DF21格式中,傳輸MB報文,同時報告目標識別代碼和飛行狀態等信息。即在進行通信B的過程中,同時實現了監視功能。

5 結語

當前S模式系統數據鏈最高已達5級,ICAO已明確將S模式地-空數據鏈作為通信的一種方式,S模式數據鏈通信是二次雷達發展的必然趨勢。

歐美發達國家的S模式二次雷達應用比較普及,大多數地面二次雷達已實現組網,基本能實現全空域覆蓋。

我國傳統的A/C模式二次雷達居多,S模式二次雷達的發展還處于起步階段,少數機場使用一級S模式二次雷達。為充分發揮S模式的特點,適應“十二五”空管發展的需求,可考慮首先在國內各干線機場配置二級S模式二次雷達,實現單雷達站的S模式監視和通信功能;在條件成熟的基礎上開展S模式局部區域組網,逐步實現S模式二次雷達對全空域的覆蓋。

[1]Michael C.Stevens.Secondary Surveillance Radar[M].1988.

[2]黎廷璋.空中交通管制應答機[M].國防工業出版社,1992.

[3]RTCA/DO-181D Minmum Operational Performance Standards for Air Traffic Control Radar Beacon System/Mode Select(ATCRBS/MODE S)Airborne Equipment[S].October 2,2008.

[4]MH/T4010—2006空中交通管制二次監視雷達設備技術規范[S].2006.

[5]ICAO ANNEX 10 Aeronautical Telecommunications VOLUME III-Communication Systems [S]July 2002.

國家國際科技合作專項資助,項目編號:2010DFB13010。

李正勇,男,工程師,研究方向為航管二次雷達、西方敵我識別等。