黃星遠(yuǎn)

對于許多航空研究和發(fā)展計(jì)劃，有必要獲得準(zhǔn)確的飛機(jī)位置和身份信息。以前在終端地區(qū)進(jìn)行的許多分析都使用了終端雷達(dá)系統(tǒng)記錄的雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)。這些分析要求從空中交通管制中轉(zhuǎn)換和處理雷達(dá)帶。這種分析的問題包括數(shù)據(jù)更新率低（終端區(qū)域每4.8秒一次），足夠低的覆蓋率（低于雷達(dá)截止），數(shù)據(jù)延遲（它可以長達(dá)2秒），以及從磁帶中手動(dòng)排序和解析數(shù)據(jù)的密集任務(wù)。協(xié)助研究和發(fā)展計(jì)劃的Rannoch已經(jīng)制定和實(shí)施了實(shí)時(shí)獨(dú)立的雷達(dá)接收機(jī)解碼系統(tǒng)。系統(tǒng)進(jìn)行解碼，在1090 MHz和1030 MHz雷達(dá)數(shù)據(jù)（下行鏈路和上行鏈路）包括S模式，TCAS， ADS-B，和IFF（敵我識(shí)別）。在一個(gè)典型的終端區(qū)域，該系統(tǒng)對每架飛機(jī)高達(dá)10Hz的實(shí)時(shí)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。本文介紹了該系統(tǒng)的應(yīng)用來幫助幾個(gè)空中交通控制（ATC）包括尾渦的研究計(jì)劃。描述了一種與尾渦傳感器套件建立MD集成的設(shè)備，并給出了肯尼迪國際機(jī)場的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果。

一、介紹

沃爾普中心，美國國家航空航天局和美國聯(lián)邦航空局的孟菲斯已在肯尼迪機(jī)場等諸多國際機(jī)場進(jìn)行尾渦的研究許多年了。他們的研究目的是描述尾流的行為，并最終能夠預(yù)測它們的運(yùn)動(dòng)，以便在尾跡渦相遇之前，空中交通管制系統(tǒng)能夠?qū)︼w機(jī)發(fā)出警告。檢測和表征尾渦行為的一個(gè)關(guān)鍵因素是確定什么類型的飛機(jī)產(chǎn)生一組特定的旋渦。在過去，這些數(shù)據(jù)是由觀察者收集的，（他們必須非常熟悉不同的飛機(jī)類型），或者通過獲得聯(lián)邦航空局雷達(dá)數(shù)據(jù)，確定哪些飛機(jī)是感興趣的飛機(jī)，并將它們與尾渦傳感器的數(shù)據(jù)相匹配。這些方法被證明有許多缺點(diǎn)。觀察者晝夜不停地雇傭，有時(shí)會(huì)在辨認(rèn)和時(shí)間記錄上犯錯(cuò)誤。在數(shù)據(jù)收集結(jié)束時(shí)，所有觀察者的數(shù)據(jù)都必須與來自尾渦傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行手工集成。

來自ATC雷達(dá)的飛機(jī)數(shù)據(jù)要求事先提供給聯(lián)邦航空局。之后，需要相當(dāng)大的努力從這些雷達(dá)數(shù)據(jù)中分離出有用的飛機(jī)數(shù)據(jù)，并將雷達(dá)數(shù)據(jù)與相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)相匹配。由于機(jī)場監(jiān)視雷達(dá)每4.8秒鐘旋轉(zhuǎn)一次，飛機(jī)軌道有時(shí)很難跟蹤。當(dāng)飛機(jī)接近雷達(dá)天線時(shí)，它們偶爾會(huì)低于天線的覆蓋范圍，因此很難在機(jī)場附近跟蹤飛機(jī)。由于這些缺點(diǎn)，蘭諾赫公司從沃爾普中心的合同下，集成一個(gè)SSR解碼器自動(dòng)識(shí)別著陸飛機(jī)型號(hào)和類型以及提供其他信息。

二、什么是S模式

Rannoch建立了一套低成本，被動(dòng)，獨(dú)立，和自動(dòng)化的飛機(jī)識(shí)別設(shè)備。我們想要建造的設(shè)備成為TCAS單元的一部分，這并不妨礙任何ATC或其他設(shè)備，這將在無人值守的環(huán)境下連續(xù)工作。此外，該設(shè)備必須符合國際民航組織模式的SARP的確定的指導(dǎo)方針和ADS-B的要求。有了這些要求，我們決定最好的辦法是開發(fā)一種能夠收聽飛機(jī)的應(yīng)答器傳輸?shù)脑O(shè)備。S模式應(yīng)答機(jī)是所有超過30個(gè)座位的載客飛機(jī)的必需設(shè)備。這一要求包括在美國運(yùn)營的外國航空公司，許多有10至30個(gè)座位的飛機(jī)也配備了S模式應(yīng)答器，盡管這不是必需的。許多商業(yè)噴氣機(jī)也攜帶模式S轉(zhuǎn)發(fā)器。

三、SSR的出現(xiàn)

在早期雷達(dá)中，目標(biāo)是通過定向能量的窄旋轉(zhuǎn)波束引導(dǎo)兆瓦的射頻能量。這種射頻能量將被反射到目標(biāo)上，一些能量會(huì)反彈回發(fā)射雷達(dá)天線。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)，是指目標(biāo)的返回射頻能量隨著目標(biāo)距離的平方反比函數(shù)減小。例如，一個(gè)目標(biāo)的返回能量比另一個(gè)目標(biāo)的距離要大一倍，只是接近目標(biāo)的四分之一。然后在1950中提出了一種通過消除平方反比定律的方法來擴(kuò)展雷達(dá)的有用范圍的方法。飛機(jī)開始攜帶轉(zhuǎn)發(fā)器，無線電發(fā)射機(jī)用自己的RF能量來回應(yīng)雷達(dá)詢問，而不是反射的無線電能量。這就是所謂的二次監(jiān)視雷達(dá)。

在1980年S模式應(yīng)答器格式成立。它允許傳輸更多的脈沖，因此，可以獲取更多的信息。S模式格式實(shí)際上包括25種可能的上行鏈路和下行鏈路格式的子集。短脈沖包含56個(gè)脈沖的信息，而長脈沖包含112位脈沖。

目前只有格式0，4，5，11，16，20，21和24是用于航空。Rannoch解碼器能夠解碼所有25種格式。只有DF 17將成為ADS-B第一格式（Automatic Dependent Surveillance- Broadcast）系統(tǒng)。該格式將包含關(guān)于飛機(jī)緯度、經(jīng)度和高度的信息。這個(gè)數(shù)據(jù)可以來自GPS或其他導(dǎo)航系統(tǒng)。飛機(jī)將每秒發(fā)射DF 17每秒一次。這是被稱為“斷續(xù)”，將使飛機(jī)和地面控制器得到非常準(zhǔn)確的位置信息。Rannoch解碼器用在ADS-B系統(tǒng)上面的操作試驗(yàn)是在1997年7月亞特蘭大國際機(jī)場進(jìn)行的。

四、它是如何工作的

Rannoch解碼器是由一個(gè)天線，一個(gè)1090 MHz的接收器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和解碼器，奔騰處理器和軟件組成的，1090 MHz的接收器是一個(gè)非常小的單元，它可以附在天線或解碼處理器上。它也能夠接收1030MHz的監(jiān)測地面和空中的詢問。接收器通過同軸電纜接收直流電源，可以在1030 MHz或1090MHz的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程切換。接收器設(shè)計(jì)為使用上行和下行格式的調(diào)制和帶寬來工作。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和解碼器設(shè)計(jì)成一體的硬件體系結(jié)構(gòu)，從低端PC機(jī)ISA總線到用于商業(yè)應(yīng)用的VME總線。解碼器電路在任何時(shí)候都可重新配置。該軟件提取編碼模式的地址，將地址轉(zhuǎn)換為美國注冊號(hào)，并進(jìn)行錯(cuò)誤檢測和校正。它還提取海拔高度，即25或100分辨率的壓力高度。然后可查到所有已登記的飛機(jī)的數(shù)據(jù)庫。解碼器的輸出包括計(jì)算機(jī)時(shí)間、s模式地址、下行格式、所有者/操作員、序列號(hào)和高度。這個(gè)軟件很容易修改的，方便排除數(shù)據(jù)庫中的任何字段。數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)地發(fā)送到監(jiān)視器、硬盤驅(qū)動(dòng)器和串行端口。該軟件還能夠設(shè)置信號(hào)強(qiáng)度閾值，該閾值不包括低于指定電平的應(yīng)答器傳輸?shù)慕邮铡?/p>

解碼器準(zhǔn)確識(shí)別飛機(jī)的能力取決于數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性。隨著新飛機(jī)投入使用，飛機(jī)登記偶爾發(fā)生變化，數(shù)據(jù)庫變得不那么可靠了。幸運(yùn)的是，大多數(shù)航班不經(jīng)常改變所有權(quán)，因此他們的注冊號(hào)碼不太可能改變。該數(shù)據(jù)庫每季度更新一次。解碼器是無法確定外國飛機(jī)注冊號(hào)。然而，一些國家已經(jīng)建立了已登記飛機(jī)的數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的模式S地址。此外，解碼器可以在機(jī)場使用，以確定特定的外國飛機(jī)的S模式地址，這可以在數(shù)據(jù)庫中與飛機(jī)的登記號(hào)碼比對。

解碼器的一個(gè)應(yīng)用是監(jiān)視超過噪聲限制的航空器。許多機(jī)場對起飛或降落時(shí)可能產(chǎn)生的噪音水平有限制。大型機(jī)場通常有非常先進(jìn)的噪音監(jiān)測系統(tǒng)，直接進(jìn)入機(jī)場監(jiān)視雷達(dá)記錄飛行路線。然而較小的機(jī)場無法在這個(gè)復(fù)雜的設(shè)備上花那么多錢，所以他們更需要降低成本而不影響飛機(jī)正常進(jìn)出港。

解碼器的另一個(gè)應(yīng)用是收取著陸費(fèi)。著陸費(fèi)為機(jī)場運(yùn)營商帶來可觀的收入。未收取的費(fèi)用是收入損失。目前，機(jī)場運(yùn)營商使用的方法，如審查燃油收入，以確定某一個(gè)航空公司月內(nèi)著陸飛機(jī)的數(shù)量和類型。解碼器可以很容易地給機(jī)場工作人員提供此類信息。作為ADS-B地面站的一部分，解碼器可以解碼下行格式，如DF17，使空中交通控制顯示可以生成。最后，作為一個(gè)多邊體系的一個(gè)組成部分，幾個(gè)解碼器可用于計(jì)算應(yīng)答器發(fā)送到達(dá)時(shí)間，然后用一個(gè)中央處理器將使用三角測量來確定飛機(jī)的精確定位和跟蹤共享數(shù)據(jù)。

五、結(jié)語

解碼器的開發(fā)過程中的主要目標(biāo)之一就是要使它比其他同樣技術(shù)的設(shè)備便宜，如TCAS。由于該系統(tǒng)是定制設(shè)計(jì)的，我們能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的成本目標(biāo)。其他類似的系統(tǒng)通常是基于改進(jìn)的商用設(shè)備，如TCAS，這意味著用戶不得不為閑置或不適用的功能買單。在性能方面，系統(tǒng)的定制元素決定了范圍和解碼速率，提供了最佳解決方案。在我們的試驗(yàn)中，我們展示了我們的系統(tǒng)解碼A、C、S模式和敵我識(shí)別傳輸?shù)哪芰?。該設(shè)備已在美國各大機(jī)場的空中交通管理研究項(xiàng)目中進(jìn)行了部署，其觀測數(shù)據(jù)比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)場監(jiān)視雷達(dá)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些數(shù)據(jù)適合繪制上升和下降剖面圖。接收機(jī)解碼器技術(shù)可用于機(jī)場運(yùn)營商的噪聲監(jiān)測和著陸收費(fèi)?？罩薪煌ǖ膽?yīng)用包括多點(diǎn)定位系統(tǒng)ADS-B地面站接收器。這種技術(shù)是在機(jī)場進(jìn)行研究的一種更為實(shí)用的方法。而不是要求雷達(dá)數(shù)據(jù)帶和解析數(shù)據(jù)，手動(dòng)數(shù)據(jù)可以自動(dòng)收集和實(shí)時(shí)處理。（作者單位為中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局）