低成本的SSR/ADS—B解码器

黄星远

对于许多航空研究和发展计划，有必要获得准确的飞机位置和身份信息。以前在终端地区进行的许多分析都使用了终端雷达系统记录的雷达监视数据。这些分析要求从空中交通管制中转换和处理雷达带。这种分析的问题包括数据更新率低（终端区域每4.8秒一次），足够低的覆盖率（低于雷达截止），数据延迟（它可以长达2秒），以及从磁带中手动排序和解析数据的密集任务。协助研究和发展计划的Rannoch已经制定和实施了实时独立的雷达接收机解码系统。系统进行解码，在1090 MHz和1030 MHz雷达数据（下行链路和上行链路）包括S模式，TCAS， ADS-B，和IFF（敌我识别）。在一个典型的终端区域，该系统对每架飞机高达10Hz的实时雷达数据进行解码。本文介绍了该系统的应用来帮助几个空中交通控制（ATC）包括尾涡的研究计划。描述了一种与尾涡传感器套件建立MD集成的设备，并给出了肯尼迪国际机场的现场试验结果。

一、介绍

沃尔普中心，美国国家航空航天局和美国联邦航空局的孟菲斯已在肯尼迪机场等诸多国际机场进行尾涡的研究许多年了。他们的研究目的是描述尾流的行为，并最终能够预测它们的运动，以便在尾迹涡相遇之前，空中交通管制系统能够对飞机发出警告。检测和表征尾涡行为的一个关键因素是确定什么类型的飞机产生一组特定的旋涡。在过去，这些数据是由观察者收集的，（他们必须非常熟悉不同的飞机类型），或者通过获得联邦航空局雷达数据，确定哪些飞机是感兴趣的飞机，并将它们与尾涡传感器的数据相匹配。这些方法被证明有许多缺点。观察者昼夜不停地雇佣，有时会在辨认和时间记录上犯错误。在数据收集结束时，所有观察者的数据都必须与来自尾涡传感器的数据进行手工集成。

来自ATC雷达的飞机数据要求事先提供给联邦航空局。之后，需要相当大的努力从这些雷达数据中分离出有用的飞机数据，并将雷达数据与相应的传感器数据相匹配。由于机场监视雷达每4.8秒钟旋转一次，飞机轨道有时很难跟踪。当飞机接近雷达天线时，它们偶尔会低于天线的覆盖范围，因此很难在机场附近跟踪飞机。由于这些缺点，兰诺赫公司从沃尔普中心的合同下，集成一个SSR解码器自动识别着陆飞机型号和类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，被动，独立，和自动化的飞机识别设备。我们想要建造的设备成为TCAS单元的一部分，这并不妨碍任何ATC或其他设备，这将在无人值守的环境下连续工作。此外，该设备必须符合国际民航组织模式的SARP的确定的指导方针和ADS-B的要求。有了这些要求，我们决定最好的办法是开发一种能够收听飞机的应答器传输的设备。S模式应答机是所有超过30个座位的载客飞机的必需设备。这一要求包括在美国运营的外国航空公司，许多有10至30个座位的飞机也配备了S模式應答器，尽管这不是必需的。许多商业喷气机也携带模式S转发器。

三、SSR的出现

在早期雷达中，目标是通过定向能量的窄旋转波束引导兆瓦的射频能量。这种射频能量将被反射到目标上，一些能量会反弹回发射雷达天线。这种方法的一个缺点，是指目标的返回射频能量随着目标距离的平方反比函数减小。例如，一个目标的返回能量比另一个目标的距离要大一倍，只是接近目标的四分之一。然后在1950中提出了一种通过消除平方反比定律的方法来扩展雷达的有用范围的方法。飞机开始携带转发器，无线电发射机用自己的RF能量来回应雷达询问，而不是反射的无线电能量。这就是所谓的二次监视雷达。

在1980年S模式应答器格式成立。它允许传输更多的脉冲，因此，可以获取更多的信息。S模式格式实际上包括25种可能的上行链路和下行链路格式的子集。短脉冲包含56个脉冲的信息，而长脉冲包含112位脉冲。

目前只有格式0，4，5，11，16，20，21和24是用于航空。Rannoch解码器能够解码所有25种格式。只有DF 17将成为ADS-B第一格式（Automatic Dependent Surveillance- Broadcast）系统。该格式将包含关于飞机纬度、经度和高度的信息。这个数据可以来自GPS或其他导航系统。飞机将每秒发射DF 17每秒一次。这是被称为“断续”，将使飞机和地面控制器得到非常准确的位置信息。Rannoch解码器用在ADS-B系统上面的操作试验是在1997年7月亚特兰大国际机场进行的。

四、它是如何工作的

Rannoch解码器是由一个天线，一个1090 MHz的接收器，模数转换器和解码器，奔腾处理器和软件组成的，1090 MHz的接收器是一个非常小的单元，它可以附在天线或解码处理器上。它也能够接收1030MHz的监测地面和空中的询问。接收器通过同轴电缆接收直流电源，可以在1030 MHz或1090MHz的情况下进行远程切换。接收器设计为使用上行和下行格式的调制和带宽来工作。

模拟数字转换器和解码器设计成一体的硬件体系结构，从低端PC机ISA总线到用于商业应用的VME总线。解码器电路在任何时候都可重新配置。该软件提取编码模式的地址，将地址转换为美国注册号，并进行错误检测和校正。它还提取海拔高度，即25或100分辨率的压力高度。然后可查到所有已登记的飞机的数据库。解码器的输出包括计算机时间、s模式地址、下行格式、所有者/操作员、序列号和高度。这个软件很容易修改的，方便排除数据库中的任何字段。数据被实时地发送到监视器、硬盘驱动器和串行端口。该软件还能够设置信号强度阈值，该阈值不包括低于指定电平的应答器传输的接收。

解码器准确识别飞机的能力取决于数据库的准确性。随着新飞机投入使用，飞机登记偶尔发生变化，数据库变得不那么可靠了。幸运的是，大多数航班不经常改变所有权，因此他们的注册号码不太可能改变。该数据库每季度更新一次。解码器是无法确定外国飞机注册号。然而，一些国家已经建立了已登记飞机的数据库和相应的模式S地址。此外，解码器可以在机场使用，以确定特定的外国飞机的S模式地址，这可以在数据库中与飞机的登记号码比对。

解码器的一个应用是监视超过噪声限制的航空器。许多机场对起飞或降落时可能产生的噪音水平有限制。大型机场通常有非常先进的噪音监测系统，直接进入机场监视雷达记录飞行路线。然而较小的机场无法在这个复杂的设备上花那么多钱，所以他们更需要降低成本而不影响飞机正常进出港。

解码器的另一个应用是收取着陆费。着陆费为机场运营商带来可观的收入。未收取的费用是收入损失。目前，机场运营商使用的方法，如审查燃油收入，以确定某一个航空公司月内着陆飞机的数量和类型。解码器可以很容易地给机场工作人员提供此类信息。作为ADS-B地面站的一部分，解码器可以解码下行格式，如DF17，使空中交通控制显示可以生成。最后，作为一个多边体系的一个组成部分，几个解码器可用于计算应答器发送到达时间，然后用一个中央处理器将使用三角测量来确定飞机的精确定位和跟踪共享数据。

五、结语

解码器的开发过程中的主要目标之一就是要使它比其他同样技术的设备便宜，如TCAS。由于该系统是定制设计的，我们能够实现生产设备的成本目标。其他类似的系统通常是基于改进的商用设备，如TCAS，这意味着用户不得不为闲置或不适用的功能买单。在性能方面，系统的定制元素决定了范围和解码速率，提供了最佳解决方案。在我们的试验中，我们展示了我们的系统解码A、C、S模式和敌我识别传输的能力。该设备已在美国各大机场的空中交通管理研究项目中进行了部署，其观测数据比标准机场监视雷达高出一个数量级。这些数据适合绘制上升和下降剖面图。接收机解码器技术可用于机场运营商的噪声监测和着陆收费。空中交通的应用包括多点定位系统ADS-B地面站接收器。这种技术是在机场进行研究的一种更为实用的方法。而不是要求雷达数据带和解析数据，手动数据可以自动收集和实时处理。（作者单位为中国民用航空华北地区空中交通管理局）