S模式ADS-B系统性能分析

曾一江

(成都电子机械高等专科学校，成都 610036)

0 引言

目前世界上大多数的民航监视系统，主要采用二次雷达监视系统，经历了从传统A/C模式监视系统到S模式监视系统的演变，S模式二次雷达监视系统，为每架飞机分配了一个唯一的地址，采用了点名询问的工作方式，减少了传统的A/C模式存在的窜扰和混扰问题，得到了大力推广，特别是它具有数据链功能，能够传输较多的飞机信息，在欧美一些发达国家进入了实用阶段，而其信号格式已用于空中防撞系统(ACAS)和广播式自动相关监视系统(ADS-B);ADS-B主要利用卫星导航数据通过S模式扩展间隙振荡器以广播的方式发送位置等信息，属于国际民用航空组织(ICAO)定义的新航行系统(FANS)范畴。早期的这种技术主要应用于缺少监视技术的海洋区域，由于设备成本低，在某些方面性能优于现在已在使用的二次监视雷达，因而得到了较快的发展，大有代替二次监视雷达的趋势。S模式广播信息除用于空中和地面监视系统外，也用于机载防撞系统。

S模式ADS-B提供了从信标监视环境向卫星导航/ADS环境的自然过度。本文主要介绍S模式ADS-B监视技术的基本原理及应用，并对其系统的性能进行详细分析。

1 S模式ADS-B工作原理

ADS-B主要利用S模式的断续振荡器发送广播信息，早期的S模式的断续振荡主要用于交通防撞系统(ACAS)中，采用的是S模式的DF11号格式，传输56位信息，广播的内容仅包括飞机的地址码、通信能力等，所有应答机都以1 Hz的频率广播信息，以便为ACAS提供探测飞机的位置，从而采取避撞措施;ADS-B采用的是S模式的DF17号格式(用于S模式应答机)、DF18(用于无S模式应答机)和用于军用的DF19号格式［1］，传输信息包括112位，形式如图1所示，这种新格式除了传输S模式地址信息、通信能力外，还传输56位ADS-B数据信息，如图2 所示［2］。

ADS-B包括五种数据信息，其中两种飞机位置信息，一种位置信息用于在飞行中报告空中位置，另一种用于飞机在机场时报告表面位置，另外三种分别提供国际民用航空组织 (ICAO)飞机的识别信息，空中飞机速度信息和事件驱动信息。飞机的位置信息以平均2 Hz的频率发送，飞机识别信息平均每5 s发送一次，断续振荡的间隙是随机的，以避免两个飞机造成的同步干扰，断续振荡器的发射间隙一律被分配在的0.4～0.6 s之间，在其间是随机抖动的。而飞机在特定的时间内仅有一种位置信息运用，这取决于当时飞机是在地面还是在空中，而识别信息在两种情况下都被发送。

空中位置信息详情(图2)，包括5位类型字段，34位经、纬度信息(各17位)，12位高度信息，1位转向指示，2位监视状态信息，2位空闲位，在确定的600海里(1海里=1.852 km)的区域范围，经度和纬度的位提供5.1 m的分辨率，高度表提供25英尺(1英尺=0.3048 m)的分辨率，转向指示允许快速识别一个飞机的机动。ADS-B应用场景示意图如图3所示。

图3 ADS-B应用场景示意图

地面的位置格式与空中的很相似，不同的是用航速和航向代替高度，经度和纬度也有所改变，由于确定的范围对于地面的飞机来说更小(约160 km)，位置分辨率达到1.25 m。

提供飞机的识别码(如:AA 123)对ACAS和交通信息座舱显示(CDTI)有利。由于飞机的识别码很少改变，将每5 s发送一次，因为5种ADS信息都包含了模式S的地址信息将飞机的位置信息与飞机识别码相关联没有问题。

2 S模式ADS-B在监视中的应用

S模式ADS-B从GPS或DGPS获得精确、可靠的导航信息，可应用于多种不同的监视情况，主要包括地-空监视，地面监视和空-空监视。

2.1 地-空监视

地-空监视主要用于地面对空中目标的监视，S模式ADS-B地-空中监视的概念如图3所示，通常情况下地面站天线在方位上提供全向的方位图，这样的天线可以提供覆盖50海里的监视区域，GPS的精确度取决于GPS可用性选择，可用性选择是一个技术名词，主要是美国国防部基于安全原因考虑设置的，可用性选择打开用于民用，精度相对较差，但此时GPS的精度已足够满足大多数终端区域监视的需要。对于那些精度要求高的，如精确的飞机跑道监视，可使用差分GPS(DGPS)。地面站向上广播提供不同的修正信息给飞机，这种上行的发射频率采用1030 MHz，与二次监视雷达的发射频率相同。

通过使用6个扇区的地面天线，可使监视范围扩展到100海里的区域，通过多站点的使用，可代替监视范围达200海里区域二次监视雷达。

2.2 地面监视

当飞机在跑道上时，S模式ADS-B机载设备广播发送地面位置信息，用于地面站对机场飞机的监视。

在地面监视中，对一些大型机场，主要存在多径干涉和来自建筑物遮挡，可能防碍地面站可靠地接收，一般可通过建立多站解决。

另外就是地面监视要求更高的精度，一般的GPS定位精度难以满足要求，可采用DGPS提供准确的位置信息。

2.3 空-空监视

对于S模式广播的ADS-B信息，不但可以被地面站接收，也可以被附近的飞机接收，用于空中交通防撞系统和(ACAS)交通信息座舱显示(CDTI)。

早期的ACAS系统，可以跟踪附近目标，并辨别可能的威胁，只可采取垂直机动的避让方法，如ACAS-Ⅱ。S模式 ADS-B可支持 ACAS-Ⅲ，这种ACAS系统将提供水平和垂直的避让解决方案，它需要精确知道邻近的飞机的位置信息和区域及高度信息，GPS为基础的导航可提供所需的精确信息。

通常情况下，为了减少相互干扰，ACAS都被动接收ADS-B的广播信息，主动询问主要对飞机ADS-B广播的位置信息进行验证［3］。

在没有装备ACAS系统的飞机，ADS-B可以为CDTI提供广播信息，CDTI是比ACAS简单的系统，它为驾驶员座舱显示本机和邻近的飞机的位置信息，但不提供解除危险的决定。

3 S模式ADS-B性能分析

一个飞机监视系统不仅仅有高的可靠性，还必须要有有效的准确性，可以覆盖足够大的区域，且可以有足够的监视容量，另外，对于部分使用电磁波的系统，需要有必要的带宽。

3.1 可靠性

S模式ADS-B断续振荡器使用S模式二次监视雷达的下行回答波形，工作在1090 MHz频点，数据使用脉冲位置编码(PPM)调制，以每秒1兆位的速度传输，信息中包含24位奇偶校验位，提供有效的抗干扰能力，和纠、检错能力，具有较高的可靠性。

3.2 精确度

S模式ADS-B监视系统的精确度取决于获得导航信息的源，以及S模式ADS-B位置编码信息的精度。S模式ADS-B位置编码信息在前面已描述，空中位置信息提供5.1 m经度和纬度信息分辨率，地面位置信息提供1.25 m经度和纬度分辨率，高度采用与现在S模式应答机相同的精度，即25英尺。

假设导航的数据来自GPS和气压高度表，当GPS选择可用性(SA)打开时，由GPS提供的水平位置估算精度小于100 m，采用差分DGPS可以提供水平位置的精确度在几米。

再看看目前使用的单脉冲二次监视雷达(对于8 m天线系统)的性能，传统的二次监视雷达测量目标位置是采用极坐标形式，距离测量是靠测量电磁波在空中的传播时间，目前二次雷达的通用测距精度可做到75 m，而测角主要采用单脉冲测角，精度在0.06°，也就是在方位上的误差随目标距离的增大而增大，对50 km的目标方位误差约50 m，对100 km的目标，方位误差约100 m，而ADS-B主要取决于GPS的定位精度，并不随目标的距离远近而变化，可见从定位精度来说，ADS-B远远优于传统的二次监视雷达。

3.3 监视范围

S模式ADS-B的监视范围主要包括空-空监视、地-空监视、地-地监视，空-空监视应用在空中交通防撞系统(ACAS)，因为 ACAS与 S模式 ADS-B都采用的同样类型的应答机，ACAS需要接收S模式ADS-B的广播信息，ACAS作用距离在10～15海里。

地-空的监视范围取决于地面接收器的性能，对于地-空监视，50海里将满足终端区域监视需要，100海里对于常规监视足够，地面站由于作用距离大于ACAS，因而接收机应该比ACAS设备有较好噪声系数，高增益的天线。地-空监视的效果见表2，表中列出了终端区域和常规情况对链路的预算评估，同时提供了与现有的ACAS作为对比。终端区域与常规情况的不同在于接收天线的增益，对终端区域监视，5英尺垂直孔径圆柱型天线在方位上可以产生全向波束，天线增益为4 dB，这种天线与全向天线一样简单。对于常规监视需要6扇区天线，如图4所示，每个扇区都与终端区域天线一样有相同的垂直孔径，但是水平波束宽度将减小以提高天线增益，两种情况都有一定的链路余量:终端区域监视为12 dB，常规监视为9 dB。

图4 六扇区天线

表2 空中监视链路评估

对于地-地监视，主要用于机场地面的监视，系统工作区域主要取决于系统所处的多种强反射面和障碍物。对于S模式ADS-B系统工作于这样的环境，需要多个接收站来覆盖机场的主要移动区域。在国外对一些具体的机场进行了测试，如在波士顿Logan国际机场对S模式ADS-B的测试，需要4个地面接收站［4］。

4.4 工作容量

目前工作在1090 MHz频率的有信标二次监视雷达应答机、S模式二次监视雷达应答机和S模式ADS-B，因而在1090 MHz频率存在干涉现象，所以对于一个S模式ADS-B系统可容纳的飞机的数量是有限的，S模式应答机回答包括56位“短”S模式回答和112位“长”S模式回答，S模式ADS-B的断续振荡器与长S模式回答信号格式相同。

在特定的时间窗口到达接收站的不同类型的1090 MHz的信息将采用泊松概率来描述。根据S模式信号编码的特点，设一个S模式ADS-B的断续振荡器信号被正确接受的条件:(1)没有其他的S模式回答在给定时间内与之交叠;(2)最多一个空中管制信标雷达系统(ATCRBS)回答信号同时与之交叠。第一个条件是比较保守的，因为对于一个强信号与一个弱信号通常能够正确解码，第二个条件根据是S模式具有纠错能力，能从一个交叠的ATCRBS回答信号中恢复。

假设S模式ADS-B的断续振荡信号被准确接受的概率为P

式中，n1、n2、n3是指每个飞机每秒分别的发送ATCRBS、短的S模式和长的S模式回答信号的平均数;t1、t、t3代S模式ADS-B的断续振荡信号易受到ATCRBS、短S模式和长的S模式回答信号分别干扰的时间长度;m是能产生干涉回答的飞机的总数(有些飞机超出监视系统的覆盖范围)。

ATCRBS 回答持续20.3 μs，短和长的 S 模式回答信号分别持续 64 μs和 120 μs(包括 8 μs 的前导脉冲)。由于S模式ADS-B的断续振荡信号持续120 μs，t1、t2、t3的值为:t1=0.000140 s;t2=0.000184 s;t3=0.000240 s。

根据空管系统的监视性能要求，设S模式ADSB的正确接收概率为99.5%，数据更新率为5 s，计算出S模式ADS-B容量，见表3。表中考虑3种不同情况下S模式ADS-B的容量，第1种假设每个飞机对于ATCRBS询问，每秒回答120次，第2种假设每秒回答60次，第3种假设没有ATCRBS回答，S模式在所有情况下都假设每架飞机每秒的回答数量是8次短回答，6次长回答，第1种代表高回答率的ATCRBS回答环境，第2种是中回答率的估算，第3种情况提供了当ATCRBS询问机完全被模式S询问机所代替时容量能够得到怎样的改善，从表中可以看出，基本能够满足大部分国家对空管系统的要求。

表3 空中监视容量(更新率5秒，正确接收率≥99.5%)

在地面，S模式应答机不能够回答ATCRBS询问或者S模式全呼叫询问，而且短断续振荡信号不会被广播，因此地面干涉源的数量将比空中的少，而多径却是防碍地面断续振荡信息被正确的接收的主要因素，假设有5%的断续振荡信号由于多径而丢失，如果他们没有与来自地面其他飞机的发送的长S模式信号的交叠，剩下的振荡周期被成功的解码，在这些假设情况下，一个单天线能够容纳超过250架飞机，达到97%的正确接收概率。

对于空中监视，扇形的天线被用于增加监视的总容量。

4.5 信道占用

正如前面所提到的，S模式ADS-B并不是唯一使用1090 MHz的发射机。这里主要分析S模式ADS-B断续振荡器对其他使用这一频段的用户的影响。

每架配备或没有配备S模式ADS-B的飞机的信道总占据情况见表4，回答率假设为表3的第一种情况，每架飞机的S模式ADS-B断续振荡器每秒平均增加2.2个长模式 S的发射，增加信道占据264 μs。每架飞机总的信道利用率从不配备S模式ADS-B的0.3368%增加到配备后的0.3632%，这被认为是可容忍的。事实上由于ADS S模式可以使ACAS在大多数的时间以被动方式工作，在高密度环境，总的信道占用实际将减小。

表4 S模式ADS-B信道占据情况

4.6 存在问题

S模式ADS-B监视系统主要利用GPS和惯性导航信息，通过机载应答机进行广播，靠地面系统被动接收而进行，也就是监视系统的可靠性主要取决于被监视目标的机载设备本身(包括机载GPS导航系统、惯性导航系统以及应答机)，如机载设备故障，将失去对该目标的监视能力。

5 结语

S模式ADS-B是利用S模式二次监视雷达信号格式的的一种新的监视系统，采用GPS/DGPS作为导航数据源，能够支持很多类型的监视:如常规的监视、终端区域的监视、精确的跑道的监视、地面监视、ACAS，同时由于成本低、性能优越，因而近年在一些国家得到较快的发展，我国目前在一些小机场已开始试用，相信在不久的将来会得到更加广泛的应用。

［1］ICAO附件10第Ⅵ卷.航空电信［S］.2007.

［2］ICAO.二次监视雷达系统手册［S］.2004.

［3］方愔.S模式 ADS-B 系统［J］.航空电子技术，1999，4.

［4］WOOD M L.Propagation of Mode S Beacon Signal on the Airport Surface［Z］.

［5］中国民用航空局.广播自动相关监视系统(ADS-B)在飞行运行中的应用［S］.2008.