二次雷達S模式應答信號與ADS-B信號的甄別研究

李明洋，時宏偉，顏可壹（四川大學 計算機學院，國家空管自動化系統技術重點實驗室，四川 成都 610064）

二次雷達S模式應答信號與ADS-B信號的甄別研究

李明洋，時宏偉，顏可壹
（四川大學 計算機學院，國家空管自動化系統技術重點實驗室，四川 成都 610064）

闡述了SSR的S模式應答信號與1090ES ADS-B系統的信號格式與特點，并對其進行了對比分析；針對這兩種同頻信號，提出了一種結合民航空管實際應用的區分方法。理論分析及仿真實驗證明，該方法可較好地解決二次雷達S模式應答信號與ADS-B信號的甄別問題。

ADS-B；1 090 MHz；S模式；信號甄別

0 引言

S模式二次雷達SSR是民航空中交通管制系統中的重要監視手段，在全球已得到了廣泛應用。隨著技術的不斷進步和發展，廣播式自動相關監視ADS-B、多點定位MLAT/WAM等先進監視系統也將與PSR、SSR共同擔負起對空監視任務［1］。但是，S模式SSR與ADS-B系統都共用同一頻率，在實際應用中（無論是在終端區還是航路上）極易產生相互混淆或干擾的問題。

此外，MLAT多點定位系統也是基于S模式SSR應答信號或ADS-B信號等，很難確定二次雷達發出的詢問脈沖類別，故無法斷定是二次雷達S模式應答信號還是ADS-B信號，這樣也勢必對目標定位處理造成困惑。因此，如何從S模式應答信號中甄別并分離出ADS-B信號就顯得格外重要。

1 SSR數據與ADS-B數據比較分析

ADS-B采用GPS全球定位技術和地空-空空數據鏈技術，定位精度高、數據更新率快、監視信息豐富完整，并且系統建設運行成本較低，較易推廣應用。SSR采用詢問-應答的工作方式，數據更新周期通常為4～7s，因采用類似PSR的方位、距離測量方法，其定位測量較ADS-B差，并且系統建設成本較高。SSR獲取的目標位置數據表征為數據格式為方位角、高度（C模式）、斜距［2-3］。ADS-B與SSR數據比較如表1所示。

表1 ADS-B與SSR數據對比

2 同頻率的兩種信號

2.1 SSR系統S模式應答信號格式

航空器上的應答機在收到詢問信號后以 1 090 MHz頻率發送應答信號，S模式SSR應答信號由應答報頭和應答數據塊組成，應答消息信號如圖1所示。

圖1 S模式應答信號格式

其中，導前脈沖占8μs，由寬度為0.5μs的4個脈沖組合而成，且每一個脈沖都固定在0μs、1.0μs、3.5μs、4.5μs的位置，若要S模式應答信號進行識別，首先就要對這4個前導脈沖進行探測。后面為56bit短格式數據或112bit長格式數據，每位數據脈沖均采用間隔寬為1μs，并且每個間隔又分為0.5μs的有脈沖時間和0.5μs的無脈沖時間，采用脈相調制，“1”表示前半部分有脈沖后跟空脈沖，“0”表示前半部分空脈沖后跟有脈沖［4］。

對于S模式詢問，機載應答機可以相應地發送幾種不同類型應答信號。S模式應答信號有24種有效的應答類型，現在已分配的有8種［5］。一種類型是DF占2bit表示是通信-D應答，這種類型使用與通信-C詢問類似的方法傳輸大量的數據；另一種類型DF占5bit，DF=00000和DF=10000的應答類型用于TCAS系統的空對空監視應答，這里不做考慮，DF=00100或DF=00101是最普遍的S模式的應答，DF=01011為S模式全呼應答，這6種應答格式以及字段定義如表2所示。

表2 二次雷達S模式應答信號格式

2.2 ADS-B1090ES信號格式與分析

2.2.1 ADS-B系統的數據鏈技術

1090ES是基于SSR的S模式擴展電文的功能，就是基于S模式長報文的一種技術，1090ES傳輸的數據包括24位ICAO地址、飛機四維信息等。每0.5s更新一次要傳送的位置信息，數據傳輸率為1Mbit/s［6］。本文所討論的ADS-B系統均是指采用1090ES數據鏈技術。

2.2.2 ADS-B系統的信號格式

ADS-B消息傳輸波形見圖1，消息數據塊應該在第一個傳輸脈沖開始后的8μs開始，112個1μs間隔被分派給每一個ADS-B消息。ADS-B消息基本格式如表3所示。

其中，DF=17格式為S模式應答機發射的ADS-B消息，CA字段表示S模式應答機的能力，AA字段表示24bit ICAO地址，ME字段包含ADS-B消息，PI字段用于奇偶校驗。DF=18格式用于非S模式應答機發射的ADS-B消息或TIS-B消息，CF字段用來表明ME字段含有ADS-B消息或者是TIS-B消息，此外，CF字段也明確了AA字段所包含的地址類型。對于DF=19格式，如果AF字段等于0，那么后續字段表明ADS-B消息，該格式被用于軍事應用預留字段，一般情況對此不予處理。

3 同頻信號SSR系統S模式與ADS-B系統應答信號的甄別過程

結合以上分析兩種信號的各自特點，提出下述甄別方法，具體步驟如下：

（1）提取脈沖序列中的信息脈沖，根據脈沖序列長度判斷篩選，由于ADS-B消息數據采用長消息格式傳輸，故短消息格式（56bit）數據一定不屬于ADS-B數據，即可判定為SSR系統S模式應答信號（短消息格式），否則進行下一步。

（2）提取脈沖序列中前導脈沖后5B，根據DF位判斷，若DF=17則判定為ADS-B信號，若DF=18則轉到步驟（6），否則進行下一步。

（3）根據報文位解碼值確認。通常如果CA/FS解碼值處于1～3，則可以判定該估計信號為SSR系統S模式應答信號；若CA/FS解碼值處于4～7，則可判定為ADSB1090ES信號。若激活SPI特殊脈沖時，一個等效SPI的脈沖應在S模式應答器FS字段中發射，此時有可能產生編碼值4或5，這種情況將進入下一步繼續識別。

（4）對比ME字段前5bit包含TYPE子字段，有些情況后緊接著3bit包含相應的SUBTYPE子字段，可以共同決定ME字段剩余部分傳送的ADS-B或TIS-B消息內容。TYPE碼元為1、2、3、4時可確定飛機ID與消息類型。

（5）監視狀況子字段位于ME字段的6bit和7bit，當S模式應答機系統不能執行ADS-B功能時，監視狀況字段為0，表示該消息非ADS-B消息。

（6）當DF=18，提取CF字段的3bit數據，若CF=0，表示ME字段包含ADS-B消息，且AA字段含ADS-B系統發射部分24bit ICAO地址；若CF=1，表示ME字段包含一個ADS-B消息，且AA字段包含ADS-B系統非標準ICAO24bit位地址，若CF為2～5，表示ME字段包含一個TIS-B消息。

（7）當每次收到信號后，與現維護的信號列表進行比較，如果該信號按照每秒一次穩定出現，則斷定為ADS-B1090ES信號。每個適應性處理周期（如4～6s內）檢查僅收到1～2次的信號，因為ADS-B系統的周期為1s，可以斷定這些信號為SSR系統S模式應答信號［7］。

具體的識別方法流程如圖2所示。

圖2 算法甄別流程

4 仿真與分析

對表4所示的4種仿真信息序列進行識別過程如下：

（1）對序號1信息脈沖序列的識別過程

①檢測脈沖序列長度，由于該脈沖具有112bit長度，進行下一步識別。

②提取前5B的DF字段，判斷該DF=17，可判定為ADS-B信息，或者也可進一步識別。

③檢測6～8B，由于該序列無SPI，CA/FS解碼值為5，即可進一步斷定是ADS-B信息。

（2）對于序號2信息脈沖的識別過程

①檢測脈沖序列長度，由于該脈沖具有112bit長度，進行下一步識別。

②提取前5B的DF字段，判斷該DF=18，進行步驟③識別。

③提取CF字段數據，CF=0判斷為ME字段包含的是ADS-B消息。

（3）對序號3信息脈沖序列的識別過程

①檢測脈沖序列長度，由于該脈沖具有112bit長度，進行下一步識別。

②提取前5B的DF字段，判斷DF=20，可判斷為SSR系統S模式應答亦或可以進一步識別。

③提取DF后3bit為0，故無法識別是哪種消息，執行下一步。

④假設為ADS-B消息提取ME數據中表示type字段的值為0，故無法識別飛機。所以為SSR系統S模式應答信號。

（4）對序號4信息脈沖序列的識別過程

①檢測脈沖序列長度，由于該脈沖具有56bit長度，可斷定非ADS-B信號，故為SSR系統S模式應答信號。進一步識別消息類型，執行步驟②。

②提取DF字段信息位，判斷DF=4，為SSR系統S模式應答信號中監視高度應答信號。

表4 消息序列的識別結果

5 結論

本文針對SSR系統S模式應答信號與ADS-B信號提出了一種簡單可行的甄別處理方法，該方法可對這兩種同頻率下的信號在噪聲較低的情況下進行有效的甄別。通過仿真實驗驗證，證明該方法可望在民航空管目前的多種對空監視系統的綜合應用中完善信號的處理能力，從而進一步提高各種新型監視系統的應用效率。

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［5］闞茜.空中交通管制S模式二次雷達信號處理系統研究［D］.南京：南京理工大學，2008.

［6］CHUNG W W，STAAB R.A 1090extendedsquitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）reception model for air-traffic-management Simulations［C］.AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit，2006.

［7］張鵬，王運鋒.機載應答機A/C模式應答信號的識別方法［J］.信號處理，2012（4）：559-564.

Research on the discrimination between SSR mode S transponder signal and ADS-B signal

Li Mingyang，Shi Hongwei，Yan Keyi （College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610064，China）

This paper describes the signal formats and characteristics between mode S transponder signal of SSR and 1090ES ADS-B signal，on which comparative and analytic studies are also conducted.To distinguish these two signals of the same frequency，this paper proposes a method considering the practical application of civil aviation.By theoretical analysis and doing simulation experiment，this method proposeed in this paper can better solve the problem of distinguishing SSR mode S transponder signal and ADS-B signal.

ADS-B；1 090 MHz；mode S；signal discrimination

TN967

A

1674-7720（2015）20-0067-03

李明洋，時宏偉，顏可壹.二次雷達S模式應答信號與 ADS-B信號的甄別研究［J］.微型機與應用，2015，34（20）：67-69.

2015-06-23）

李明洋（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：信號與信息處理技術。

時宏偉（1965-），男，碩士，教授，主要研究方向：信息融合與實時處理系統。