S模式的监视与通信功能

【摘 要】 随着航空事业和科学技术的发展,S模式二次雷达正逐步取代传统的A/C模式二次雷达,成为主流的空中交通管制设备.本文就S模式的监视功能和通信功能进行探讨.

【关 键 词 】 S模式 询问 监视 通信A/B

近年来空中交通密度日增、航路拥挤、航站区工作量过重,各种干扰问题更趋严重.在英国对现有SSR系统的研究表明,随着飞机数量的持续增加,时间不同步和信号混淆问题已成为ATC系统中使用SSR的限制因素.为抑制应答路径的干扰,模式A和模式C图表提取器需要多个同步应答来识别飞机的存在.在美国,一些机场繁忙时刻经常会遭遇饱和情况,使航管监视变得很糟糕[1].

英美各国针对现有二次雷达存在的各种问题,提出的解决方案是对飞机进行单独询问,使应答可相互隔离,以此改进和提高空中交通管制能力.该方案的实施,S模式应运而生.

1.S模式简介

1.1 概述

S模式是在传统A/C模式基础上发展起来的,同样采用询问应答协同工作方式,但调制方式采用DPSK调制,与A/C模式不同.S模式二次监视雷达系统包括具有S模式能力的询问机和应答机,ICAO为每架飞机(应答机)分配了唯一地址(24位地址),询问机可对飞机进行全呼询问和选址询问.询问信号格式如图1所示,应答信号格式如图2所示.

图1中P1、P2脉冲为同步脉冲,P5为询问旁瓣抑制脉冲,P6为信息脉冲,询问码速4MHz.P6信息位长56位或者112位;56位时为短格式询问,主要用于监视询问;112位时为长格式询问,除监视询问外,还具有数据链通信功能.

图2中应答脉冲采用脉位调制,码速1MHz.前4个脉冲为同步脉冲,后面为56个或112个脉冲信息;56个应答信息,称为短格式应答;112个应答信息,称为长格式应答.

1.2 S模式主要特点

(1)兼容性强.S模式二次雷达系统采用1030MHz频率询问,1090MHz频率应答,与传统A/C模式的工作频率相同.该系统不仅具有S模式功能,同时兼容A/C模式功能.在S模式询问应答中,包含A/C模式的相关信息.

(2)干扰小.S模式询问,其同步头P1、P2抑制应答机进行A/C模式应答.选址询问时,只有对应地址的飞机进行应答,减少多个飞机同时应答对空间造成干扰.

(3)定位精度高.S模式询问采用单脉冲技术,可单独对特定飞机进行询问,解决相邻目标的应答干扰问题.提高探测概率,减小误码率,目标定位精度高.

(4)抗干扰能力强.S模式采用了DPSK调制和CRC校验和纠错的方式,抗干扰能力强.

(5)数据链通信能力.除监视功能外,S模式还具有数据链通信功能.可实现地-空之间通信,传送气象信息、交通信息等.在密集飞行区域,数据链通信可帮助飞机以更好的高度安全飞行,同时让飞机在更经济的航线上飞行.

1.3 S模式应用等级

S模式应用等级分为以下5级:

一级:

支持ATCRBS和S模式的监视功能.功能描述如下:

(1)A模式和C模式:A模式为身份识别,C模式为气压高度报告.

(2)ATCRBS/S模式和S模式全呼.ATCRBS/S模式为交互模式,即A/C/S全呼.当A/C/S全呼为P4长(P4宽度为1.6us)询问时,A/C模式应答机采用A/C模式应答,S模式应答机采用DF11应答;当A/C/S全呼为P4短(P4宽度为0.8us)询问时,A/C模式应答机采用A/C模式应答,S模式应答机不应答.S模式全呼采用UF11询问,DF11应答.

(3)监视高度和身份识别:监视高度采用UF4询问,DF4应答;身份识别采用UF5询问,DF5应答.

(4)锁定协议:非选择全呼锁定和多站锁定协议.

(5)基本数据链:不包括数据链路能力报告.

(6)空对空服务和断续振荡发送:空对空服务采用UF0询问,DF0应答.断续振荡发送采用约1次/秒的主动报,报文格式DF11.

二级:

除具有一级能力外,还支持以下功能:

(1)双向空对空信息交流:UF16询问,DF16应答.

(2)地对空数据上行链路,通信A:通信A采用UF20/UF21询问,询问信息中含MA(56位)字段.

(3)空对地数据下行链路,通信B:通信B采用DF20/UF21应答,应答信息中含MB(56位)字段.

(4)多站点报文协议:多站锁定协议,应答机与多站之间的基本数据通信.

(5)数据链路能力报告:报告处理BDS10寄存器内容的能力.

(6)飞机识别报告:报告处理BDS20寄存器内容的能力.

(7)TCAS/ACAS交叉链接能力.

二级S模式除具有监视能力外,还具有基本数据链通信能力.和以上只具有数据链通信能力,不具有监视能力.

除具有二级能力外,还具有上传ELM(扩展长度报文)和接收处理能力.ELM是采用通信C(UF24)发送和接收,由一串上行发射信息组成.仅在接收到发射信息中,UF24字段RC等于2时才进行应答确认.

四级:

除具有能力外,还具有ELM下传和接收处理能力,下传ELM以通信D(DF24)发送和接收.四级允许空中向地面发送加长数据链报文,也能从地面向空中发送加长数据链报文,并发送二级S模式无法提供的空中交通服务所需要的其它报文.

五级:

除具有全ELM(四级)能力外,还支持增强性数据链协议.该级只针对应答机,允许同时与多个S模式询问机进行数据链通信,而不需要多站点配合,增大了数据链路的传输能力.因此五级S模式应答机比其它等级的应答机具有更高的最低数据链路容量. 1.4 S模式应用发展现状

1.4.1 国外应用发展现状

欧美等国的S模式二次雷达发展较为成熟,且正逐步取代传统的A/C模式二次雷达,成为主流的空中交通管制设备.其中,Raytheon、Thales、Selex、柯林斯等国外公司均能提供具有二级S模式能力及以上的询问机或应答机.

1.4.2 国内应用发展现状

国内民航,各大航空公司的大型客机均已安装二级或以上S模式能力的应答机.大多数机场目前仍采用传统A/C模式二次雷达,部分预留了S模式接口,具备S模式升级能力.只有北京、上海、广州、成都等少数机场正逐步推广S模式航管二次雷达的应用,但也只是S模式的一级应用.

随着“十二五”空管规划的逐步实施,国内军/民航步入了快速发展轨道.据预测,“十二五”期间民航运输将以年均13%的速度快速增长,到2015年机队规模达到2850架,机场数量达到220个,飞行总量达1143万架次,相对2010年翻一番,S模式二次雷达系统普遍使用将成为发展的必然趋势.

2.S模式监视功能

S模式监视主要应用于二次雷达监视、广播式自动相关监视、多点相关监视和防撞监视系统等.

2.1 二次雷达监视

二次雷达监视是通过二次雷达询问,主动获取目标(飞机)的高度和识别代码,同时自主测量目标的方位和距离,实现对目标的监视功能.其信号格式[3][4]如图3所示.

图3中,PC字段定义见表1,RR字段定义见表2,FS字段指示目标飞行状态,DR字段指示目标的下行链路请求,AC字段为目标飞行的高度代码,ID字段为目标的识别代码,AP字段为含飞机的24位地址码的奇偶校验代码.

二次雷达采用S模式UF4进行高度询问(PC等于0,RR<16),则对应24位地址码的目标采用DF4进行高度应答,同时报告目标的飞行状态和下行链路请求状况.

二次雷达采用S模式UF5进行识别询问(PC等于0,RR<16),则对应24位地址码的目标采用DF5进行识别应答,同时报告目标的飞行状态和下行链路请求状况.

2.2 广播式自动相关监视

S模式广播式自动相关监视即ADS-B中的1090ES格式,是通过接收目标发送的扩展断续振荡报文,获取目标的位置、航班号等信息,实现对目标的监视功能.其信号格式如图4所示.

图4中,CA字段报告目标的S模式等级能力和空中/地面状态.AA字段为飞机的24位地址,ME字段为扩展断续振荡报文,主要包括位置(经度、纬度、高度)、航班号、航速、航向等信息.DF18与DF17的差异:产生DF18扩展断续振荡报告的设备不具备应答功能.

随着S模式广播式自动相关监视的发展,向飞机提供图形化气象、地形和飞行信息(包括FIS-B信息和TIS-B信息),将会有效减少中低空冲突和天气相关事故的风险.但该监视系统基于GNSS,若GNSS因某些原因失效,将无法实现监视功能.其发展趋势将是多点相关监视.

2.3 防撞监视


S模式防撞监视,是通过发送S模式空-空监视询问,获取目标高度等信息,自主测量目标的距离,从而实现对目标的监视功能,并决定采取何种防撞策略.其信号格式如图5所示.

图5中,VS字段为0时,飞机在空中;为1时,在地面.飞机不具有自动确定在地面/空中功能时,将始终报告为空中状态.SL字段指示目标的TCAS的工作灵敏度等级,RI字段指示目标的决断能力或空速.

2.4 多点相关监视

多点相关监视系统(MDS)又称ADS-X,是基于应答机的多点地面监视系统.使用多个接收器捕获应答信号并计算目标的位置,实现对目标的监视功能.重要特点是通过高刷新率来跟踪定位和识别安装非S模式应答设备、S模式应答设备的飞机以及安装车载应答设备的车辆.非S模式应答主要是指A/C等模式应答,S模式应答包括S模式的询问响应以及S模式断续振荡报文(DF11、DF17、DF18).

S模式多点相关监视系统,不依赖于二次雷达询问机,也不受制于GNSS,只要目标发送S模式信息,就可进行定位实现监视功能.已成为A-GCS(高级场面活动引导与控制)系统的一个主要组成部分,应用于场面监视和航路监视.

3.S模式通信功能

S模式数据链通信包括通信A、通信B、通信C以及通信D.通信A和通信B为标准长度数据链通信,最多可传输4段通信报文共224位信息.通信C和通信D为扩展长度数据链通信,最多可传输16段通信报文共1280位信息.

如图6所示,ADLP、GDLP分别为机载数据链处理器和地面数据链处理器,负责应答机与询问机之间的链路通信.通信A与通信C为上行链路通信,由询问机向应答机传送报文;通信B与通信D为下行链路通信,由应答机向询问机传送报文.

通信A与通信B属于S模式应用等级的二级,通信C属于,而通信D属于四级.通信A与通信B信号格式如图7所示,通信A与通信D信号格式如图8所示.

通信A采用UF等于20/UF21从地面向飞机发送信息.除相应短格式(UF4/UF5)内容外,通信A还包含附加的56位MA字段.

通信B包括地面启动通信B(GICB)和空中启动通信B(AICB).GICB为地面询问机主动要求与空中目标进行通信;而AICB为空中目标需与地面询问机通信时,先向询问机请求通信,询问机发送询问信息授权后,开始进行通信.

通信C协议使用UF24的两个控制字段NC和RC.NC传送段号,RC标识传送报文为首段、中间段还是末段.MC字段为通信报文,一个上行链路报文最大为16段,两个连续通信C报文之间的最短时间为50微秒.

通信D协议使用DF24的两个控制字段ND和KE.ND传送段号,标识下行链路发送段的编号.MD字段为通信报文,一个下行链路报文最多为16段.下行链路只能由询问机授权后才发送,通信报文包含于通信D应答中. 4 S模式监视与通信功能在二次雷达中的应用

比较图3和图7、图8,S模式通信A与通信B只是在S模式监视中增加了MA字段或MB字段,即通信A字段或通信B字段.通信C与通信D仅具有通信功能,不具有监视功能.本节仅对通信A与通信B在二次雷达中的监视与通信应用展开讨论.

4.1 通信A

通信A最大可链接4个通信段,数据容量可达224位.通信A询问,DI等于1/7时,SD字段最后3位为LAS子段;该子段用来向目标指明为首段、第二段、第三段(如果使用)或最后一段.每个通信A询问都必须从目标得到一个应答,否则传感器(询问机)会重复询问.当目标接收到首段、中间段和末段,表明接收到完整的通信A报文,通信A功能完成.在目标对询问机的应答响应(UF20询问,对应DF4应答;UF21询问,对应DF5应答)中,报告其高度或识别代码,以及飞行状态等信息,同时实现了监视功能.

4.2 通信B

在下行通信B报文中,最多由4个通信段组成.在首个通信MB字段中,前两位为LBS子段[5],用于指示通信为单段、两段、3段或4段L.

通信B包括通信B启动、通信B报文传输和通信B关闭.当询问机接收到所有MB报文段后,表明通信结束,通信B功能完成.

在目标与询问机通信过程中,采用DF20/21格式进行通信传输.在DF20格式中,传输MB报文,同时报告目标高度和飞行状态等信息;在DF21格式中,传输MB报文,同时报告目标识别代码和飞行状态等信息.即在进行通信B的过程中,同时实现了监视功能.

5.结语

当前S模式系统数据链最高已达5级,ICAO已明确将S模式地-空数据链作为通信的一种方式,S模式数据链通信是二次雷达发展的必然趋势.

欧美发达国家的S模式二次雷达应用比较普及,大多数地面二次雷达已实现组网,基本能实现全空域覆盖.

我国传统的A/C模式二次雷达居多,S模式二次雷达的发展还处于起步阶段,少数机场使用一级S模式二次雷达.为充分发挥S模式的特点,适应“十二五”空管发展的需求,可考虑首先在国内各干线机场配置二级S模式二次雷达,实现单雷达站的S模式监视和通信功能;在条件成熟的基础上开展S模式局部区域组网,逐步实现S模式二次雷达对全空域的覆盖.

类似论文

在英国BTEC教学模式下的移动通信教学改革

摘 要移动通信是一门综合性很强的专业课程,如何在高职教学中体现移动通信的实践性特点需要对移动通信的教学进行相应。
更新日期:2024-12-22 浏览量:157932 点赞量:34276

基于B/S模式的自考报名系统的设计与实现

摘 要:随着科技日新月异的发展,纯手工的自考报名方式已经不能满足考生和工作人员的需要 该文以武汉纺织大学高职。
更新日期:2024-5-26 浏览量:72405 点赞量:16912

基于C/S模式下二级C语言模拟考试系统开发

摘 要:本文研究目标是二级C语言考试模拟系统的开发,对系统开发环境、系统功能设计和关键技术进行了阐述 关 键 词:。
更新日期:2024-8-28 浏览量:109470 点赞量:24426

基于B/S模式的医药物流管理系统的和设计

摘 要:针对医药物流复杂性,对现代医药物流管理系统进行了研究,使用EXTJS框架搭建界面,采用Oracle数据库进行分布式布置,设计了系统。
更新日期:2024-2-15 浏览量:34129 点赞量:9126

基于B/S模式的医院门诊收费系统的设计与

摘 要:论文分析了医院门诊收费系统建设的需求,从医院门诊收费的业务需求出发,设计了门诊收费系统的总体框架,在B。
更新日期:2024-6-9 浏览量:16148 点赞量:5465

基于B/S模式的开放实验教学管理系统

【摘 要】本文概述了开放式实验教学和开放式实验教学管理的概念、开放式实验教学管理与传统实验教学管理的区别、高校实验教学。
更新日期:2024-3-6 浏览量:11218 点赞量:4207