李正勇

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川綿陽 621000)

淺談S模式的監(jiān)視與通信功能

李正勇

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川綿陽 621000)

隨著航空事業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,S模式二次雷達(dá)正逐步取代傳統(tǒng)的A/C模式二次雷達(dá),成為主流的空中交通管制設(shè)備。本文就S模式的監(jiān)視功能和通信功能進(jìn)行探討。

S模式 詢問 監(jiān)視 通信A/B

近年來空中交通密度日增、航路擁擠、航站區(qū)工作量過重,各種干擾問題更趨嚴(yán)重。在英國對現(xiàn)有SSR系統(tǒng)的研究表明,隨著飛機(jī)數(shù)量的持續(xù)增加,時間不同步和信號混淆問題已成為ATC系統(tǒng)中使用SSR的限制因素。為抑制應(yīng)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(yīng)答來識別飛機(jī)的存在。在美國,一些機(jī)場繁忙時刻經(jīng)常會遭遇飽和情況,使航管監(jiān)視變得很糟糕[1]。

英美各國針對現(xiàn)有二次雷達(dá)存在的各種問題,提出的解決方案是對飛機(jī)進(jìn)行單獨(dú)詢問,使應(yīng)答可相互隔離,以此改進(jìn)和提高空中交通管制能力。該方案的實(shí)施,S模式應(yīng)運(yùn)而生。

1 S模式簡介

1.1 概述

S模式是在傳統(tǒng)A/C模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,同樣采用詢問應(yīng)答協(xié)同工作方式,但調(diào)制方式采用DPSK調(diào)制,與A/C模式不同。S模式二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)包括具有S模式能力的詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī),ICAO為每架飛機(jī)(應(yīng)答機(jī))分配了唯一地址(24位地址),詢問機(jī)可對飛機(jī)進(jìn)行全呼詢問和選址詢問。詢問信號格式如圖1所示,應(yīng)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(jiān)視詢問;112位時為長格式詢問,除監(jiān)視詢問外,還具有數(shù)據(jù)鏈通信功能。

圖2中應(yīng)答脈沖采用脈位調(diào)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(yīng)答信息,稱為短格式應(yīng)答;112個應(yīng)答信息,稱為長格式應(yīng)答。

1.2 S模式主要特點(diǎn)

(1)兼容性強(qiáng)。S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)采用1030MHz頻率詢問,1090MHz頻率應(yīng)答,與傳統(tǒng)A/C模式的工作頻率相同。該系統(tǒng)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(yīng)答中,包含A/C模式的相關(guān)信息。

(2)干擾小。S模式詢問,其同步頭P1、P2抑制應(yīng)答機(jī)進(jìn)行A/C模式應(yīng)答。選址詢問時,只有對應(yīng)地址的飛機(jī)進(jìn)行應(yīng)答,減少多個飛機(jī)同時應(yīng)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(shù),可單獨(dú)對特定飛機(jī)進(jìn)行詢問,解決相鄰目標(biāo)的應(yīng)答干擾問題。提高探測概率,減小誤碼率,目標(biāo)定位精度高。

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

(5)數(shù)據(jù)鏈通信能力。除監(jiān)視功能外,S模式還具有數(shù)據(jù)鏈通信功能?？蓪?shí)現(xiàn)地-空之間通信,傳送氣象信息、交通信息等。在密集飛行區(qū)域,數(shù)據(jù)鏈通信可幫助飛機(jī)以更好的高度安全飛行,同時讓飛機(jī)在更經(jīng)濟(jì)的航線上飛行。

1.3 S模式應(yīng)用等級

S模式應(yīng)用等級分為以下5級:

一級:

支持ATCRBS和S模式的監(jiān)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(dāng)A/C/S全呼為P4長(P4寬度為1.6us)詢問時,A/C模式應(yīng)答機(jī)采用A/C模式應(yīng)答,S模式應(yīng)答機(jī)采用DF11應(yīng)答;當(dāng)A/C/S全呼為P4短(P4寬度為0.8us)詢問時,A/C模式應(yīng)答機(jī)采用A/C模式應(yīng)答,S模式應(yīng)答機(jī)不應(yīng)答。S模式全呼采用UF11詢問,DF11應(yīng)答。

(3)監(jiān)視高度和身份識別:監(jiān)視高度采用UF4詢問,DF4應(yīng)答;身份識別采用UF5詢問,DF5應(yīng)答。

(4)鎖定協(xié)議:非選擇全呼鎖定和多站鎖定協(xié)議。

(5)基本數(shù)據(jù)鏈:不包括數(shù)據(jù)鏈路能力報告。

(6)空對空服務(wù)和斷續(xù)振蕩發(fā)送:空對空服務(wù)采用UF0詢問,DF0應(yīng)答。斷續(xù)振蕩發(fā)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(yīng)答。

(2)地對空數(shù)據(jù)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?cái)?shù)據(jù)下行鏈路,通信B:通信B采用DF20/UF21應(yīng)答,應(yīng)答信息中含MB(56位)字段。

(4)多站點(diǎn)報文協(xié)議:多站鎖定協(xié)議,應(yīng)答機(jī)與多站之間的基本數(shù)據(jù)通信。

(5)數(shù)據(jù)鏈路能力報告:報告處理BDS10寄存器內(nèi)容的能力。

(6)飛機(jī)識別報告:報告處理BDS20寄存器內(nèi)容的能力。

(7)TCAS/ACAS交叉鏈接能力。

二級S模式除具有監(jiān)視能力外,還具有基本數(shù)據(jù)鏈通信能力。三級和三級以上只具有數(shù)據(jù)鏈通信能力,不具有監(jiān)視能力。

三級:

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

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(fā)送和接收。四級允許空中向地面發(fā)送加長數(shù)據(jù)鏈報文,也能從地面向空中發(fā)送加長數(shù)據(jù)鏈報文,并發(fā)送二級S模式無法提供的空中交通服務(wù)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(qiáng)性數(shù)據(jù)鏈協(xié)議。該級只針對應(yīng)答機(jī),允許同時與多個S模式詢問機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈通信,而不需要多站點(diǎn)配合,增大了數(shù)據(jù)鏈路的傳輸能力。因此五級S模式應(yīng)答機(jī)比其它等級的應(yīng)答機(jī)具有更高的最低數(shù)據(jù)鏈路容量。

1.4 S模式應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

1.4.1 國外應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

歐美等國的S模式二次雷達(dá)發(fā)展較為成熟,且正逐步取代傳統(tǒng)的A/C模式二次雷達(dá),成為主流的空中交通管制設(shè)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(jī)或應(yīng)答機(jī)。

1.4.2 國內(nèi)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

圖1 S模式詢問格式

國內(nèi)民航,各大航空公司的大型客機(jī)均已安裝二級或以上S模式能力的應(yīng)答機(jī)。大多數(shù)機(jī)場目前仍采用傳統(tǒng)A/C模式二次雷達(dá),部分預(yù)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(shù)機(jī)場正逐步推廣S模式航管二次雷達(dá)的應(yīng)用,但也只是S模式的一級應(yīng)用。隨著“十二五”空管規(guī)劃的逐步實(shí)施,國內(nèi)軍/民航步入了快速發(fā)展軌道。據(jù)預(yù)測,“十二五”期間民航運(yùn)輸將以年均13%的速度快速增長,到2015年機(jī)隊(duì)規(guī)模達(dá)到2850架,機(jī)場數(shù)量達(dá)到220個,飛行總量達(dá)1143萬架次,相對2010年翻一番,S模式二次雷達(dá)系統(tǒng)普遍使用將成為發(fā)展的必然趨勢。

圖2 S模式應(yīng)答格式

2 S模式監(jiān)視功能

S模式監(jiān)視主要應(yīng)用于二次雷達(dá)監(jiān)視、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視、多點(diǎn)相關(guān)監(jiān)視和防撞監(jiān)視系統(tǒng)等。

2.1 二次雷達(dá)監(jiān)視

二次雷達(dá)監(jiān)視是通過二次雷達(dá)詢問,主動獲取目標(biāo)(飛機(jī))的高度和識別代碼,同時自主測量目標(biāo)的方位和距離,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的監(jiān)視功能。其信號格式[3][4]如圖3所示。

圖3 S模式二次雷達(dá)監(jiān)視格式

表1 PC(協(xié)議) 字段定義

表2 RR(應(yīng)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(biāo)飛行狀態(tài),DR字段指示目標(biāo)的下行鏈路請求,AC字段為目標(biāo)飛行的高度代碼,ID字段為目標(biāo)的識別代碼,AP字段為含飛機(jī)的24位地址碼的奇偶校驗(yàn)代碼。

二次雷達(dá)采用S模式UF4進(jìn)行高度詢問(PC=0,RR〈16),則對應(yīng)24位地址碼的目標(biāo)采用DF4進(jìn)行高度應(yīng)答,同時報告目標(biāo)的飛行狀態(tài)和下行鏈路請求狀況。

二次雷達(dá)采用S模式UF5進(jìn)行識別詢問(PC=0,RR〈16),則對應(yīng)24位地址碼的目標(biāo)采用DF5進(jìn)行識別應(yīng)答,同時報告目標(biāo)的飛行狀態(tài)和下行鏈路請求狀況。

2.2 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視

S模式廣播式自動相關(guān)監(jiān)視即ADS-B中的1090ES格式,是通過接收目標(biāo)發(fā)送的擴(kuò)展斷續(xù)振蕩報文,獲取目標(biāo)的位置、航班號等信息,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的監(jiān)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(guān)監(jiān)視格式

圖4中,CA字段報告目標(biāo)的S模式等級能力和空中/地面狀態(tài)。AA字段為飛機(jī)的24位地址,ME字段為擴(kuò)展斷續(xù)振蕩報文,主要包括位置(經(jīng)度、緯度、高度)、航班號、航速、航向等信息。DF18與DF17的差異:產(chǎn)生DF18擴(kuò)展斷續(xù)振蕩報告的設(shè)備不具備應(yīng)答功能。

隨著S模式廣播式自動相關(guān)監(jiān)視的發(fā)展,向飛機(jī)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(guān)事故的風(fēng)險。但該監(jiān)視系統(tǒng)基于GNSS,若GNSS因某些原因失效,將無法實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能。其發(fā)展趨勢將是多點(diǎn)相關(guān)監(jiān)視。

2.3 防撞監(jiān)視

S模式防撞監(jiān)視,是通過發(fā)送S模式空-空監(jiān)視詢問,獲取目標(biāo)高度等信息,自主測量目標(biāo)的距離,從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的監(jiān)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(jiān)視格式

圖5中,VS字段為0時,飛機(jī)在空中;為1時,在地面。飛機(jī)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(tài)。SL字段指示目標(biāo)的TCAS的工作靈敏度等級,RI字段指示目標(biāo)的決斷能力或空速。

2.4 多點(diǎn)相關(guān)監(jiān)視

多點(diǎn)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(MDS)又稱ADS-X,是基于應(yīng)答機(jī)的多點(diǎn)地面監(jiān)視系統(tǒng)。使用多個接收器捕獲應(yīng)答信號并計(jì)算目標(biāo)的位置,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的監(jiān)視功能。重要特點(diǎn)是通過高刷新率來跟蹤定位和識別安裝非S模式應(yīng)答設(shè)備、S模式應(yīng)答設(shè)備的飛機(jī)以及安裝車載應(yīng)答設(shè)備的車輛。非S模式應(yīng)答主要是指A/C等模式應(yīng)答,S模式應(yīng)答包括S模式的詢問響應(yīng)以及S模式斷續(xù)振蕩報文(DF11、DF17、DF18)。

S模式多點(diǎn)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng),不依賴于二次雷達(dá)詢問機(jī),也不受制于GNSS,只要目標(biāo)發(fā)送S模式信息,就可進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能。已成為A-SMGCS(高級場面活動引導(dǎo)與控制)系統(tǒng)的一個主要組成部分,應(yīng)用于場面監(jiān)視和航路監(jiān)視。

3 S模式通信功能

S模式數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)長度數(shù)據(jù)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(kuò)展長度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈通信流程

如圖6所示,ADLP、GDLP分別為機(jī)載數(shù)據(jù)鏈處理器和地面數(shù)據(jù)鏈處理器,負(fù)責(zé)應(yīng)答機(jī)與詢問機(jī)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(jī)向應(yīng)答機(jī)傳送報文;通信B與通信D為下行鏈路通信,由應(yīng)答機(jī)向詢問機(jī)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(yīng)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(jī)發(fā)送信息。除相應(yīng)短格式(UF4/UF5)內(nèi)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(jī)主動要求與空中目標(biāo)進(jìn)行通信;而AICB為空中目標(biāo)需與地面詢問機(jī)通信時,先向詢問機(jī)請求通信,詢問機(jī)發(fā)送詢問信息授權(quán)后,開始進(jìn)行通信。

通信C協(xié)議使用UF24的兩個控制字段NC和RC。NC傳送段號,RC標(biāo)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(xù)通信C報文之間的最短時間為50微秒。

通信D協(xié)議使用DF24的兩個控制字段ND和KE。ND傳送段號,標(biāo)識下行鏈路發(fā)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(jī)授權(quán)后才發(fā)送,通信報文包含于通信D應(yīng)答中。

4 S模式監(jiān)視與通信功能在二次雷達(dá)中的應(yīng)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(jiān)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(jiān)視功能。本節(jié)僅對通信A與通信B在二次雷達(dá)中的監(jiān)視與通信應(yīng)用展開討論。

4.1 通信A

通信A最大可鏈接4個通信段,數(shù)據(jù)容量可達(dá)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(biāo)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(biāo)得到一個應(yīng)答,否則傳感器(詢問機(jī))會重復(fù)詢問。當(dāng)目標(biāo)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(biāo)對詢問機(jī)的應(yīng)答響應(yīng)(UF20詢問,對應(yīng)DF4應(yīng)答;UF21詢問,對應(yīng)DF5應(yīng)答)中,報告其高度或識別代碼,以及飛行狀態(tài)等信息,同時實(shí)現(xiàn)了監(jiān)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(guān)閉。當(dāng)詢問機(jī)接收到所有MB報文段后,表明通信結(jié)束,通信B功能完成。

在目標(biāo)與詢問機(jī)通信過程中,采用DF20/21格式進(jìn)行通信傳輸。在DF20格式中,傳輸MB報文,同時報告目標(biāo)高度和飛行狀態(tài)等信息;在DF21格式中,傳輸MB報文,同時報告目標(biāo)識別代碼和飛行狀態(tài)等信息。即在進(jìn)行通信B的過程中,同時實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視功能。

5 結(jié)語

當(dāng)前S模式系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈最高已達(dá)5級,ICAO已明確將S模式地-空數(shù)據(jù)鏈作為通信的一種方式,S模式數(shù)據(jù)鏈通信是二次雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢。

歐美發(fā)達(dá)國家的S模式二次雷達(dá)應(yīng)用比較普及,大多數(shù)地面二次雷達(dá)已實(shí)現(xiàn)組網(wǎng),基本能實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋。

我國傳統(tǒng)的A/C模式二次雷達(dá)居多,S模式二次雷達(dá)的發(fā)展還處于起步階段,少數(shù)機(jī)場使用一級S模式二次雷達(dá)。為充分發(fā)揮S模式的特點(diǎn),適應(yīng)“十二五”空管發(fā)展的需求,可考慮首先在國內(nèi)各干線機(jī)場配置二級S模式二次雷達(dá),實(shí)現(xiàn)單雷達(dá)站的S模式監(jiān)視和通信功能;在條件成熟的基礎(chǔ)上開展S模式局部區(qū)域組網(wǎng),逐步實(shí)現(xiàn)S模式二次雷達(dá)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(yīng)答機(jī)[M].國防工業(yè)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(jiān)視雷達(dá)設(shè)備技術(shù)規(guī)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(xiàng)資助,項(xiàng)目編號:2010DFB13010。

李正勇,男,工程師,研究方向?yàn)楹焦芏卫走_(dá)、西方敵我識別等。