S模式空管二次雷達詢問與監視技術研究

鄒殿臣

摘要：隨著我國軍民航飛行流量的日益增加，A/C模式的二次雷達在空中交通管制高強度使用中已暴露出諸多不足。S模式是一種先進二次雷達協議，正在逐步取代傳統的A/C模式得到普及應用。本文首先分析了S模式二次雷達系統的工作原理，進一步研究了S模式詢問和應答信號格式，最后分析了S模式二次雷達應用于空中交通管制系統的優勢。

關鍵詞：S模式 二次雷達 信息處理 詢問與監視

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0086-02

二次雷達，也叫二次監視雷達（Secondary Surveillance Radar：SSR）[1]，可以克服一次雷達（RSR）的混擾和串擾等缺點。二次雷達是針對一次雷達而言，它是在第二次世界大戰后從軍用的敵我識別系統（IFF）發展起來的，IFF有多種詢問模式和應答模式。二次雷達目前廣泛使用了單脈沖目標檢測技術，大大提高了對飛機方位測量的精度和應答解碼的準確度。

在以往空中交通管制中通常使用A/C模式二次雷達，其工作過程采用A模式和C模式進行輪流詢問，A模式用來識別空中飛機代號，C模式用來識別飛機高度。由于空中交通流量日益增加，航路擁擠，傳統A/C模式二次雷達逐漸暴露問題：飛機編碼數量有限，代碼數僅為4096個；可交換信息少，只能應答飛機的代號、氣壓高度，遠不能滿足高性能空管系統自動化的要求；飛機的機動飛行將會遮蔽機載天線以及地面反射將會產生盲區；目標方位、距離等參數的分辨率低等。針對上述問題，為滿足空中交通日益增長的需要，美、英等國從20世紀70年代以來，研制發展了離散選址信標系統DABS（Discrete Address Becon System）和選擇尋址二次監視雷達系統（ADSL）。兩項成果合二為一，由FAA（Federal Aviation Administrator）命名為S模式二次監視雷達。

1 S模式空管二次雷達系統工作原理

S模式空管二次雷達專為完成探測、識別合作飛機任務而設計。S模式二次雷達系統由地面S模式航管雷達詢問機和機載ATC/S模式應答機組成。整個系統采用“問—答”方式。詢問信號頻率為1030MHz，應答信號頻率為1090 MHz，與A/C模式二次雷達系統一樣，因此兩個系統能夠兼容并用。同時為了克服A/C模式二次雷達系統的缺陷，S模式二次雷達采用離散選址信標系統，整個系統組成如圖1所示。

離散選址信標系統的基本思想是賦予每架飛機一個指定的地址碼，由地面系統計算機控制進行“一對一”的點名問答，即地面詢問是一種只針對選定地址編碼的飛機專門呼叫的詢問。它與A/C模式二次雷達的根本區別是，裝有離散選址信標系統S模式應答機的飛機，都有自己單獨的地址碼，即編有地址的飛機對地面詢問也用本機所編的地址碼來應答，因而每次詢問都能指向所選定的飛機。但為了不使現存系統完全淘汰，機載S模式應答機設計成與現在的A/C模式系統兼容并用，簡稱這種兼容兩種模式的應答機為ATC/S模式應答機，即ATC應答機也能應答A/S模式和C/S模式全呼叫的詢問，而S模式應答機也能作A模式和C模式的應答[2]。

S模式詢問機由雙通道結構組成，參見圖1。S模式詢問機的一個重要功能是對目標飛機預先按規定進行地址編碼，用作選擇性詢問。S模式的地面站利用地址編碼能與每架飛機單獨聯系，詢問機只向它負責監視的飛機進行S模式詢問，它利用跟蹤裝置保存每架飛機的預測位置，等天線波束指向所需飛機時發出詢問。選擇性詢問對各次詢問進行了適當定時的點名，因而多架飛機不論其距離或方位如何靠近，其應答都不會互相重疊或竄擾，從而可以解決空管雷達系統中的同步竄擾和應答機過載等問題。因此，S模式二次雷達系統等到的飛機位置數據將比現用雷達系統準確和可靠，為管制人員提供了比較平滑而且前后一致的目標航跡。

2 S模式空管二次雷達詢問和應答信號格式

2.1 詢問信號格式

S模式地面詢問信號的頻率是1030MHz，為了適應A/C模式和S模式的兼容并用，地面詢問機發送兩種類型的詢問信號。一種是為兼容而設的S模式脈幅調制（PAM）詢問脈沖信號，其頻率的精度較低，為1030±0.2MHz；另一種是專為S模式使用的二進制差動相移鍵控（DPSK）詢問信號，這是一種等幅載波，其頻率精度要比脈幅調制信號高出20倍，達到1030±0.01MHz，這是為了在調解中不產生相位模糊現象而要求的。這種DPSK詢問信號不單只詢問飛機代號和高度，還可作上傳輸報文通信A和報文通信C的數據通信之用。

A/C/S模式全呼叫詢問信號格式如圖2所示，P4寬度為0.8us時表示A/C模式全呼叫，P4寬度為1.6us時表示A/C/S模式全呼叫。A/C/S模式全呼叫詢問時A/C和S模式的應答機均對詢問信號進行應答，其中S模式的應答信號包含飛機的身份標志和24bit地址信息。Pl和P3寬度為0.8us時，間隔8.0us為A模式詢問，應答為12位飛機代碼；間隔21.0us為C模式詢問，應答為飛機氣壓計高度。

僅S模式全呼叫詢問信號格式如圖3所示，P1和P2脈沖寬度均為0.8us且脈沖幅值相等，間隔2.0us，這就和普通二次雷達系統的旁瓣抑制情況相同。P2脈沖之后是一個P6長脈沖，持續時間為16.25us或30.25us。P6脈沖之內有一系列的相位反轉用來攜帶被傳輸的數據，該數據采用差動移相鍵控（DPSK）的方式發送。S模式二進制差動相移鍵控詢問信號是一種利用正弦波射頻載波詢問變化來傳送數據的方式，是在“A/C模式/S模式全呼叫”詢問之后，地面詢問接收機收到S模式應答機的S模式“全呼叫回答”，已獲得了飛機位置（方位、距離和高度）和該飛機地址碼，并以帶有該飛機地址碼字段作S模式點名式的詢問時使用。全部S模式點名詢問信號（包括僅S模式“全呼叫”詢問信號）均是二進制差動相移鍵控信號，其發射頻率的精度要求較高，為1030±0.01MHz。

2.2 應答信號格式

S模式應答機發射的應答信號，主要有兩種：若是相應A/C模式的詢問，則以A/C模式的脈沖調制應答信號作回答；若是相應A/C模式/S模式全呼叫、S模式選址詢問或S模式全呼叫，則以S模式的脈沖調制應答信號作回答。

S模式應答信號格式如圖4所示，應答的脈沖調制信號由前同步脈沖和數據脈沖組成。前同步脈沖由起始的8.0us內兩組0.5us寬的脈沖對形成。應答數據是由脈位調制的，其脈沖位置隨調制信號的二進制數而變化，所有脈沖幅度和寬度不變，有56位和112位兩種。在每位1us間隔的前半周0.5us內發射脈沖時，表示邏輯電平1；而在后半周0.5us內發射脈沖時，表示邏輯電平0。這種編碼稱為曼切斯特編碼，保留了同步信息并具有一定的抗干擾能力，因為干擾不可能使得干擾能抑制某個位置上的脈沖或是在鄰近的位置上插入一個脈沖[4]。圖3中應答數據脈沖對應位的順序為01011···001。

對于S模式的詢問信號，當S模式應答機采用脈位調制應答時，其下傳輸應答格式有25種，目前主要使用的有8種：

S模式下傳輸應答0號格式“專門監視（短報文）”的應答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應答4號格式“報告飛機高度”的應答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應答5號格式“報告飛機代號”的應答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應答11號格式“全呼叫應答”的應答信號，由56位組成。

S模式下傳輸應答16號格式“專門監視（長報文）”的應答信號，由112位組成。

S模式下傳輸應答20號格式“報告飛行高度，通信B”的應答信號，由112位組成。

S模式下傳輸應答21號格式“報告飛機代號，通信B”的應答信號，由112位組成。

S模式下傳輸應答24號格式“通信D加長報文” 的應答信號，由112位組成。

3 S模式空管二次雷達監視的功能優勢

S模式二次監視雷達是一種發展的趨勢，具有基本監視、增強監視、數據鏈等多種功能，它既保留了空中交通管制雷達信標系統（ATCRBS）的功能，又增加了S模式特有的功能。S模式二次雷達具有一下幾個優點：

兼容性：S模式二次監視雷達系統同樣采用“問—答”方式，但詢問是用具有選擇性的S模式工作。為了使A/C模式和S模式兼容并用，A/C模式應答機應能應答S模式的詢問，而S模式應答機也應能回答A/C模式的詢問。為了適應A/C模式和S模式的詢問，DABS地面詢問機對其所管轄范圍內的所有飛機做一個“全呼叫”的詢問作應答。

選擇性尋址：S模式利用離散尋址而不是廣播方法來請求應答，詢問信號和應答信號都帶有表示飛機代號的24bit二進制地址，一機一碼，防止詢問信號竄擾其他飛機。

數據鏈傳輸：S模式數據鏈可應用于ADS-B，利用大量飛機裝載的S模式機載應答機，通過數據鏈可以實現地空、空空和地地的信息傳輸。

校驗與糾錯：接收方通過解析收到的信息來校驗數據和地址是否被正確傳輸，如果解析數據錯誤，可采用相關技術進行數據解錯、修正，保證了數據傳輸的可靠性。

防相撞手段：空中交通警戒和防撞系統（TCAS）利用S模式應答器的信號來確定臨近飛機的距離和高度，可確切知道對方的坐標位置，有利于選擇正確的回避措施。

具有S模式接收、發送功能的詢問機和應答機是現代雷達的代表，S模式優越性使其在空中交通管制、飛機防相撞、多點定位、ADS-B等系統和軍用敵我識別系統中廣泛應用。歸納S模式二次監視雷達的特點，今后二次雷達發展趨勢有三個方面，即單脈沖技術、選擇性詢問和空地雙向數據通信。

4 結語

目前我國航空又進入了一個大規模的雷達更新換代的基礎建設階段，S模式二次雷達的優勢在于它是建立在一次監視雷達和傳統二次雷達的基礎之上，航空器有豐富的資源可以被我們充分利用，不需要管制員與飛行員更多的干預，就能夠提供更多的服務功能[3]。充分利用S模式二次雷達，科學合理地控制航空流量，將進一步提高我國空中交通管制效率。

參考文獻

[1]Manual the secondary surveillance radar system [M].ICAO，2004.

[2]汪晉峰.對單脈沖二次雷達S模式的認識[J].信息與電腦（理論版），2011（6）194：195.

[3]程擎.新航行系統與飛行安全研究[D].西南交通大學，2003.

[4]王洪，劉呂忠，汪學剛.二次雷達S模式綜述[J].電訊技術，2008（7）：113-118.

[5]張尉.二次雷達原理[M].北京：國防工業出版社，2007.

[6]劉慧英，周勇.空中交通管理系統導論[M].北京：國防工業出版社，2002.