淺析S模式詢問發(fā)射機(jī)在ADS-B地面站中的應(yīng)用

摘? 要：在沒有S模式二次雷達(dá)的情況下，為進(jìn)一步提升ADS-B地面站后端數(shù)據(jù)融匯系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的可靠性，使ADS-B的報(bào)文包含二次代碼，通過在ADS-B站點(diǎn)增加詢問發(fā)射功能，獲取當(dāng)前空域S模式應(yīng)答機(jī)地址碼，再控制詢問發(fā)射機(jī)UF5點(diǎn)呼飛行器下發(fā)二次代碼。驗(yàn)證結(jié)果表明，ADS-B接收機(jī)發(fā)送的ADS-B報(bào)文有效地關(guān)聯(lián)上正確二次代碼，從而可以將詢問發(fā)射機(jī)有效應(yīng)用到無S模式二次雷達(dá)的ADS-B覆蓋區(qū)域，有效提高該作用范圍內(nèi)ADS-B報(bào)文的二次代碼掛碼率。

關(guān)鍵詞：ADS-B;S模式詢問信號(hào);二次代碼;BDS寄存器

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）15-0077-05

Abstract： To make ADS-B message contain secondary code without S-mode secondary radar， so as to improve the reliability of data fusion between back-end data fusion system and automation system. Add the interrogation transmitting function at ADS-B station， obtain the address code of mode s transponder in the current airspace through ADS-B data， and then control the interrogation transmitter UF5 calling aircraft to send the secondary code. ADS-B message sent by ADS-B receiver is effectively associated with correct secondary code. The effective application of interrogation transmitter in ADS-B coverage area without S-mode secondary radar can effectively improve the secondary code hanging rate of ADS-B message within this range.

Keywords： ADS-B; S-mode interrogation signal; secondary code; BDS register

0? 引? 言

ADS-B作為一種新型的空中管制監(jiān)視技術(shù)，可以部署在無雷達(dá)的區(qū)域，為航空器管制提供優(yōu)于雷達(dá)間隔標(biāo)準(zhǔn)的虛擬雷達(dá)管制服務(wù)。對(duì)于管制中心來說，ADS-B地面站建設(shè)成本大約是傳統(tǒng)二次雷達(dá)的九分之一，其定位精度主要依賴于機(jī)載GNSS系統(tǒng)，可達(dá)到10米量級(jí)，監(jiān)視數(shù)據(jù)一般情況下為1秒2次。但ADS-B技術(shù)作為一種非獨(dú)立協(xié)作式監(jiān)視技術(shù)，其定位精度以及監(jiān)視數(shù)據(jù)很大程度上依賴于機(jī)載設(shè)備。

現(xiàn)階段，我國民用航空飛行器ADS-B應(yīng)答機(jī)的版本大多為DO260（版本0）。該版本的ADS-B報(bào)文中不含有二次代碼信息。因此，在無S模式二次雷達(dá)覆蓋的區(qū)域，ADS-B接收機(jī)可能無法獲取到飛行器的二次代碼信息。AC雷達(dá)僅提供目標(biāo)位置、二次代碼以及高度信息。而ADS-B目標(biāo)大多以24位地址碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如果ADS-B目標(biāo)不含有二次代碼信息，這可能給管制員帶來一定的不便，也給后端自動(dòng)化融合系統(tǒng)帶來數(shù)據(jù)融合錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。在ADS-B系統(tǒng)正式運(yùn)行之際，后端融匯系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)的魯棒性尤為重要。因此，筆者提出了一種工程上讓版本0/1的ADS-B目標(biāo)自動(dòng)關(guān)聯(lián)上二次代碼的解決方案并進(jìn)行論證分析，最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1? 背景

1.1? 呼倫貝爾東山國際機(jī)場

呼倫貝爾東山國際機(jī)場，現(xiàn)有進(jìn)近監(jiān)視手段為一部AC/S模式合裝二次雷達(dá)和ADS-B數(shù)據(jù)，接入自動(dòng)化系統(tǒng)，提供給塔臺(tái)管制使用。二次雷達(dá)工作在AC模式下，海拉爾周邊無S模式雷達(dá)，空域ADS-B目標(biāo)基本無二次代碼信息。

1.2? 石家莊正定國際機(jī)場

石家莊正定國際機(jī)場現(xiàn)有進(jìn)近監(jiān)視手段為一部雷神二次雷達(dá)（AC）、一部移動(dòng)雷達(dá)和ADS-B數(shù)據(jù)，接入自動(dòng)化系統(tǒng)，提供給塔臺(tái)管制使用。石家莊周邊北京、天津都有S模式雷達(dá)，且基本能覆蓋石家莊高空空域。根據(jù)石家莊空管雷達(dá)站提供數(shù)據(jù)分析，河北空域近90%的ADS-B目標(biāo)有二次代碼信息，在石家莊的進(jìn)近管制區(qū)內(nèi)僅有部分高度較低的起飛或降落目標(biāo)無二次代碼。

2? DO260版本分析

《1090 MHz擴(kuò)展電文ADS-B和TIS-B最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)》是航空無線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）制定的關(guān)于ADS-B設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)文件，該文件有三個(gè)版本，分別為RTCA DO-260和DO-260A/B。在民航標(biāo)準(zhǔn)MH/T4036-2012中規(guī)定接收機(jī)至少能解析這些標(biāo)準(zhǔn)中的DF17和DF18格式數(shù)據(jù)，具體定義如表1所示。

在后文中只討論民航標(biāo)準(zhǔn)中要求的三種ADS-B報(bào)文格式，即DF=17和DF=18（CF=0或1）的情況。

根據(jù)RTCA《1090MHz擴(kuò)展電文ADS-B和TIS-B最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)》三個(gè)版本總結(jié)的常用ADS-B消息類型如表2所示[2-5]。通常飛機(jī)在正常情況下僅有版本2的ADS-B應(yīng)答機(jī)會(huì)在28狀態(tài)報(bào)中下發(fā)二次代碼。其實(shí)版本1中也可以下發(fā)二次代碼，但僅作為測試項(xiàng)在測試報(bào)（Type Code=23）中，正常飛行中不會(huì)發(fā)送該報(bào)文。

從表2我們可以得知，僅有版本2的28狀態(tài)報(bào)文會(huì)含有二次代碼信息，但我國現(xiàn)階段飛行器ADS-B應(yīng)答機(jī)版本大多處于版本0階段，在2018年9月國際民航組織會(huì)議上，關(guān)于新疆飛行情報(bào)區(qū)ADS-B應(yīng)答機(jī)版本的數(shù)據(jù)如表3所示[6]。當(dāng)時(shí)烏魯木齊空域僅13.46%的應(yīng)答機(jī)為版本2。

除了ICAO會(huì)議上的數(shù)據(jù)外，我們?cè)诤＠瓲査龅膶?shí)驗(yàn)也印證了我國當(dāng)前ADS-B應(yīng)答機(jī)版本大多數(shù)都處于版本0的情況。

3? S模式詢問信號(hào)在ADS-B中應(yīng)用分析

3.1? 詢問信號(hào)分析

根據(jù)ICAO附件10第四卷，S模式上行詢問信號(hào)頻率為1 030±0.2 MHz，上行格式用UF（Uplink Format）表示，其中上行格式包括UF0、UF4、UF5、UF11、UF16、UF20、UF21等。其中UF4為上行短消息（56位）高度請(qǐng)求，UF5為上行短消息識(shí)別請(qǐng)求，UF11為S模式全呼[6]。下行格式用DF（Downlink Format）表示，其中下行格式包括DF0、DF4、DF5、DF11、DF16、DF17、DF18、DF20、DF21等。其中DF4為下行高度應(yīng)答，DF5為下行識(shí)別應(yīng)答，DF11為下行全呼叫應(yīng)答，DF17和DF18為ADS-B自動(dòng)下發(fā)的數(shù)據(jù)格式，沒有對(duì)應(yīng)的上行格式。常用S模式信號(hào)如表4所示。

通過詢問發(fā)射機(jī)點(diǎn)呼發(fā)送監(jiān)視識(shí)別請(qǐng)求UF5，對(duì)應(yīng)的應(yīng)答機(jī)就有可能發(fā)送DF5作為應(yīng)答信號(hào)，發(fā)送DF5或是DF21通過UF5中RR（Reply Request）字段確定。如圖1所示，在DF5識(shí)別應(yīng)答信號(hào)中ID即為二次代碼信息，以及通過AP校驗(yàn)可以計(jì)算出該目標(biāo)的24位地址碼信息。這樣就能讓ADS-B目標(biāo)通過24位地址碼關(guān)聯(lián)上二次代碼信息了。

3.2? ADS-B詢問系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛行器正常情況下一直在下發(fā)DF17的ADS-B信號(hào)，接收機(jī)接收到飛行器目標(biāo)后將其封裝成Cat021數(shù)據(jù)格式報(bào)文。詢問控制系統(tǒng)接收該報(bào)文，從而提取出當(dāng)前空域所有的ADS-B目標(biāo)地址碼，再通過詢問控制策略（例如：詢問作用距離、詢問頻率、飛行器目標(biāo)報(bào)文版本判斷等）控制詢問發(fā)射機(jī)通過UF5點(diǎn)呼飛機(jī)，使飛行器下發(fā)DF5報(bào)文，接收機(jī)接收到DF5報(bào)文，即可提取出該飛機(jī)的二次代碼，完成ADS-B目標(biāo)和二次代碼關(guān)聯(lián)。ADS-B詢問系統(tǒng)原理如圖2所示。

該系統(tǒng)在ADS-B站點(diǎn)需新增加設(shè)備包括一臺(tái)工作站和一臺(tái)詢問發(fā)射機(jī)，工作站用來部署詢問控制軟件。ADS-B站點(diǎn)、工作站以及詢問發(fā)射機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行物理連接。其示意圖如圖3所示。

為有效地降低對(duì)空域飛行器應(yīng)答機(jī)占用，并降低出現(xiàn)的S模式異步干擾的可能。詢問系統(tǒng)增加了兩種作用距離控制功能：第一種為通過控制詢問發(fā)射功率，達(dá)到限制詢問發(fā)射距離作用;第二種為通過ADS-B目標(biāo)經(jīng)緯度和當(dāng)前詢問站點(diǎn)坐標(biāo)的判斷，選擇性地詢問距離較近目標(biāo)。除了距離控制外，還可以通過詢問信號(hào)判斷ADS-B 目標(biāo)應(yīng)答機(jī)版本。如果是版本2（DO-260B）的目標(biāo)，則不發(fā)射詢問信號(hào)。

3.3? 詢問控制系統(tǒng)軟件

工作站上部署ICS（Interrogator Control System）軟件界面如圖4所示。左邊列表為當(dāng)前空域目標(biāo)的已知24位ICAO地址碼。主窗口為當(dāng)前空域交通態(tài)勢，當(dāng)目標(biāo)為綠色時(shí)，表示該目標(biāo)已成功關(guān)聯(lián)二次代碼，紅色則表示該目標(biāo)未關(guān)聯(lián)地址碼。

其主要功能為：

（1）解析ADS-B報(bào)文，提取空域ADS-B目標(biāo);

（2）生成詢問發(fā)射機(jī)控制指令，控制詢問發(fā)射機(jī)產(chǎn)生UF5點(diǎn)呼信號(hào);

（3）監(jiān)控詢問發(fā)射機(jī)工作狀態(tài);

（4）監(jiān)控Cat21數(shù)據(jù)源狀態(tài)。

3.4? 無線電傳播距離分析

通信距離通常與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān)，自由空間損耗公式如式（1）所示。

其中l(wèi)0為傳輸損耗（單位dB），d為傳輸距離（單位km），f為頻率（單位MHz）。

詢問信號(hào)的中心頻率為1 030 MHz，由式（1）可以看出，當(dāng)距離增大1倍時(shí)，Lfs將增大6 dB，對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率將增大4倍。

接收端場強(qiáng)公式如式（2）所示。

其中Pr為接收功率單位dBm，Pt為發(fā)射功率（dBm），Gt和Gr分別為發(fā)射天線增益和接收天線增益，單位為dB，Lt和Lr為發(fā)射和接收饋線損耗，Lo為空間傳播損耗。將Lo帶入式1，就可以大概計(jì)算出詢問信號(hào)的有效通信距離。

以空管公司TXS-I型詢問發(fā)射機(jī)為例，其發(fā)射峰值功率為57 dBm，發(fā)射天線增益為5 dB，飛機(jī)接收天線增益約為5 dBm，飛機(jī)應(yīng)答機(jī)動(dòng)態(tài)靈敏度大約為-75 dBm，饋線即其他損耗約為5 dB，則最大作用距離計(jì)算公式如式（3）所示。

通過式（3），我們可以得到一個(gè)理論的覆蓋范圍，如表5所示。

3.5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.5.1? 海拉爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

海拉爾空域ADS-B基本無二次代碼信息，同時(shí)也意味著該空域飛行器沒有下發(fā)DF5報(bào)文信息，這也從側(cè)面印證了海拉爾周邊無S模式二次雷達(dá)。所以，針對(duì)該空域我們實(shí)驗(yàn)選擇的詢問發(fā)射功率為峰-峰值500 W，即57 dBm。如圖5所示，每一個(gè)距離環(huán)為50公里，通過對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)二次代碼掛碼情況進(jìn)行分析，基本有效覆蓋距離約為145 km，基本符合理論作用距離。該系統(tǒng)有效地解決了該空域版本0和版本1的ADS-B目標(biāo)無二次代碼問題，提高了后端數(shù)據(jù)融匯系統(tǒng)的可靠性。

3.5.2? 石家莊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

石家莊周邊有S模式二次雷達(dá)，且該空域二次代碼覆蓋良好，約90%目標(biāo)存在二次代碼。沒有二次代碼的ADS-B目標(biāo)大多為高度較低的起飛或降落的進(jìn)近目標(biāo)。所以為了降低詢問對(duì)飛機(jī)應(yīng)答機(jī)的占用，同時(shí)滿足進(jìn)近空域覆蓋的需求，該空域選擇了125W的詢問發(fā)射功率，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，作用覆蓋范圍基本滿足理論分析。且該ADS-B詢問發(fā)射站，成功解決了高度較低的目標(biāo)不能掛二次代碼的問題。

4? 潛在問題分析

4.1? Comm-B數(shù)據(jù)分析

通過詢問發(fā)射的方式，除了可以獲取到飛行器的二次代碼的獲取外，S模式應(yīng)答機(jī)還有一個(gè)BDS（Comm-B Data Selector）寄存器，該寄存器存儲(chǔ)了大量飛機(jī)相關(guān)的信息，通過獲取這些寄存器的信息，可以幫助管制人員更好地了解飛機(jī)狀態(tài)，更好地指揮飛機(jī)。詢問發(fā)射機(jī)在發(fā)射上行詢問信號(hào)UF4或UF5時(shí)，可以通過控制RR（Reply Request）、DI（Designator Identification）、SD（Special Designator）三個(gè)字段達(dá)到讓應(yīng)答機(jī)下發(fā)任意的BDS信息，并填充在UF20或UF21的Comm-B字段中。其中較為有用的數(shù)據(jù)還有BDS1，0用以描述S模式數(shù)據(jù)鏈的能力、BDS4，0選擇高度的意圖數(shù)據(jù)和BDS4，8甚高頻通道報(bào)告等數(shù)據(jù)項(xiàng)。這些數(shù)據(jù)項(xiàng)都可以幫助管制員更好地了解飛機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

雖然Comm-B數(shù)據(jù)項(xiàng)十分豐富，但在有S模式二次雷達(dá)的區(qū)域，可能導(dǎo)致BDS SWAP的錯(cuò)誤，不能正確解析BDS數(shù)據(jù)。但在無S模式二次雷達(dá)區(qū)域，通過控制詢問的時(shí)序，就可以達(dá)到正確解析Cat021/250 Mode S MB Data數(shù)據(jù)的目的，完成BDS數(shù)據(jù)的獲取。

4.2? 對(duì)S模式雷達(dá)異步干擾

該詢問發(fā)射機(jī)發(fā)送的詢問信號(hào)和S模式二次雷達(dá)詢問信號(hào)相同，但該詢問系統(tǒng)和S模式雷達(dá)之間沒有通信協(xié)調(diào)手段，當(dāng)兩個(gè)詢問信號(hào)同時(shí)到達(dá)飛機(jī)的時(shí)候，就有可能對(duì)雷達(dá)造成異步干擾。為了降低對(duì)雷達(dá)的影響，我們可以通過判斷飛機(jī)應(yīng)答機(jī)是否下發(fā)DF4來判斷該目標(biāo)是否在S模式雷達(dá)作用范圍內(nèi)，來選擇性地點(diǎn)呼S模式雷達(dá)無法詢問到的目標(biāo)。或在附近無雷達(dá)區(qū)域的目標(biāo)使用該系統(tǒng)，用以填補(bǔ)ADS-B數(shù)據(jù)項(xiàng)的不足。

5? 結(jié)? 論

在現(xiàn)有空管運(yùn)行模式下，管制員對(duì)于空管自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用和依賴程度不斷提高，ADS-B數(shù)據(jù)作為監(jiān)視數(shù)據(jù)源，其可靠性對(duì)管制的安全性尤為關(guān)鍵，如何更安全有效地應(yīng)用ADS-B數(shù)據(jù)顯得尤為重要。在無S模式雷達(dá)覆蓋區(qū)域使用1 030 MHz上行數(shù)據(jù)鏈發(fā)送詢問信號(hào)，通過接收1 090 MHz擴(kuò)展電文下行數(shù)據(jù)達(dá)到更好地掌握飛行器當(dāng)前狀態(tài)信息的目的。并結(jié)合理論分析，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了詢問發(fā)射機(jī)在ADS-B中的應(yīng)用的可行性。但詢問發(fā)射系統(tǒng)可能對(duì)S模式雷達(dá)存在一定的異步干擾。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一定范圍內(nèi)是否存在S模式雷達(dá)，并做到詢問作用距離和詢問頻率的精確控制，避免過度占用應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答時(shí)隙而導(dǎo)致雷達(dá)錯(cuò)誤定位或BDS SWAP的問題。

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作者簡介：呂培培（1985—），女，漢族，河南平頂山人，工程師，本科，研究方向：通信導(dǎo)航監(jiān)視。

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