浅析S模式询问发射机在ADS-B地面站中的应用

摘  要：在没有S模式二次雷达的情况下，为进一步提升ADS-B地面站后端数据融汇系统和自动化系统数据融合的可靠性，使ADS-B的报文包含二次代码，通过在ADS-B站点增加询问发射功能，获取当前空域S模式应答机地址码，再控制询问发射机UF5点呼飞行器下发二次代碼。验证结果表明，ADS-B接收机发送的ADS-B报文有效地关联上正确二次代码，从而可以将询问发射机有效应用到无S模式二次雷达的ADS-B覆盖区域，有效提高该作用范围内ADS-B报文的二次代码挂码率。

关键词：ADS-B;S模式询问信号;二次代码;BDS寄存器

中图分类号：TN929.5                文献标识码：A文章编号：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作为一种新型的空中管制监视技术，可以部署在无雷达的区域，为航空器管制提供优于雷达间隔标准的虚拟雷达管制服务。对于管制中心来说，ADS-B地面站建设成本大约是传统二次雷达的九分之一，其定位精度主要依赖于机载GNSS系统，可达到10米量级，监视数据一般情况下为1秒2次。但ADS-B技术作为一种非独立协作式监视技术，其定位精度以及监视数据很大程度上依赖于机载设备。

现阶段，我国民用航空飞行器ADS-B应答机的版本大多为DO260（版本0）。该版本的ADS-B报文中不含有二次代码信息。因此，在无S模式二次雷达覆盖的区域，ADS-B接收机可能无法获取到飞行器的二次代码信息。AC雷达仅提供目标位置、二次代码以及高度信息。而ADS-B目标大多以24位地址码进行关联。如果ADS-B目标不含有二次代码信息，这可能给管制员带来一定的不便，也给后端自动化融合系统带来数据融合错误的风险。在ADS-B系统正式运行之际，后端融汇系统和自动化系统的鲁棒性尤为重要。因此，笔者提出了一种工程上让版本0/1的ADS-B目标自动关联上二次代码的解决方案并进行论证分析，最后给出实验结果。

1  背景

1.1  呼伦贝尔东山国际机场

呼伦贝尔东山国际机场，现有进近监视手段为一部AC/S模式合装二次雷达和ADS-B数据，接入自动化系统，提供给塔台管制使用。二次雷达工作在AC模式下，海拉尔周边无S模式雷达，空域ADS-B目标基本无二次代码信息。

1.2  石家庄正定国际机场

石家庄正定国际机场现有进近监视手段为一部雷神二次雷达（AC）、一部移动雷达和ADS-B数据，接入自动化系统，提供给塔台管制使用。石家庄周边北京、天津都有S模式雷达，且基本能覆盖石家庄高空空域。根据石家庄空管雷达站提供数据分析，河北空域近90%的ADS-B目标有二次代码信息，在石家庄的进近管制区内仅有部分高度较低的起飞或降落目标无二次代码。

2  DO260版本分析

《1090 MHz扩展电文ADS-B和TIS-B最低运行性能标准》是航空无线电技术委员会（RTCA）制定的关于ADS-B设备的标准文件，该文件有三个版本，分别为RTCA DO-260和DO-260A/B。在民航标准MH/T4036-2012中规定接收机至少能解析这些标准中的DF17和DF18格式数据，具体定义如表1所示。

在后文中只讨论民航标准中要求的三种ADS-B报文格式，即DF=17和DF=18（CF=0或1）的情况。

根据RTCA《1090MHz扩展电文ADS-B和TIS-B最低运行性能标准》三个版本总结的常用ADS-B消息类型如表2所示[2-5]。通常飞机在正常情况下仅有版本2的ADS-B应答机会在28状态报中下发二次代码。其实版本1中也可以下发二次代码，但仅作为测试项在测试报（Type Code=23）中，正常飞行中不会发送该报文。

从表2我们可以得知，仅有版本2的28状态报文会含有二次代码信息，但我国现阶段飞行器ADS-B应答机版本大多处于版本0阶段，在2018年9月国际民航组织会议上，关于新疆飞行情报区ADS-B应答机版本的数据如表3所示[6]。当时乌鲁木齐空域仅13.46%的应答机为版本2。

除了ICAO会议上的数据外，我们在海拉尔所做的实验也印证了我国当前ADS-B应答机版本大多数都处于版本0的情况。

3  S模式询问信号在ADS-B中应用分析

3.1  询问信号分析

根据ICAO附件10第四卷，S模式上行询问信号频率为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为上行短消息（56位）高度请求，UF5为上行短消息识别请求，UF11为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为下行高度应答，DF5为下行识别应答，DF11为下行全呼叫应答，DF17和DF18为ADS-B自动下发的数据格式，没有对应的上行格式。常用S模式信号如表4所示。

通过询问发射机点呼发送监视识别请求UF5，对应的应答机就有可能发送DF5作为应答信号，发送DF5或是DF21通过UF5中RR（Reply Request）字段确定。如图1所示，在DF5识别应答信号中ID即为二次代码信息，以及通过AP校验可以计算出该目标的24位地址码信息。这样就能让ADS-B目标通过24位地址码关联上二次代码信息了。

3.2  ADS-B询问系统结构

飞行器正常情况下一直在下发DF17的ADS-B信号，接收机接收到飞行器目标后将其封装成Cat021数据格式报文。询问控制系统接收该报文，从而提取出当前空域所有的ADS-B目标地址码，再通过询问控制策略（例如：询问作用距离、询问频率、飞行器目标报文版本判断等）控制询问发射机通过UF5点呼飞机，使飞行器下发DF5报文，接收机接收到DF5报文，即可提取出该飞机的二次代码，完成ADS-B目标和二次代码关联。ADS-B询问系统原理如图2所示。

该系统在ADS-B站点需新增加设备包括一台工作站和一台询问发射机，工作站用来部署询问控制软件。ADS-B站点、工作站以及询问发射机通过网络交换机进行物理连接。其示意图如图3所示。

为有效地降低对空域飞行器应答机占用，并降低出现的S模式异步干扰的可能。询问系统增加了两种作用距离控制功能：第一种为通过控制询问发射功率，达到限制询问发射距离作用;第二种为通过ADS-B目标经纬度和当前询问站点坐标的判断，选择性地询问距离较近目标。除了距离控制外，还可以通过询问信号判断ADS-B 目标应答机版本。如果是版本2（DO-260B）的目标，则不发射询问信号。

3.3  询问控制系统软件

工作站上部署ICS（Interrogator Control System）软件界面如图4所示。左边列表为当前空域目标的已知24位ICAO地址码。主窗口为当前空域交通态势，当目标为绿色时，表示该目标已成功关联二次代码，红色则表示该目标未关联地址码。

其主要功能为：

（1）解析ADS-B报文，提取空域ADS-B目标;

（2）生成询问发射机控制指令，控制询问发射机产生UF5点呼信号;

（3）监控询问发射机工作状态;

（4）监控Cat21数据源状态。

3.4  无线电传播距离分析

通信距离通常与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关，自由空间损耗公式如式（1）所示。

其中l0为传输损耗（单位dB），d为传输距离（单位km），f为频率（单位MHz）。

询问信号的中心频率为1 030 MHz，由式（1）可以看出，当距离增大1倍时，Lfs将增大6 dB，对应的发射功率将增大4倍。

接收端场强公式如式（2）所示。

其中Pr為接收功率单位dBm，Pt为发射功率（dBm），Gt和Gr分别为发射天线增益和接收天线增益，单位为dB，Lt和Lr为发射和接收馈线损耗，Lo为空间传播损耗。将Lo带入式1，就可以大概计算出询问信号的有效通信距离。

以空管公司TXS-I型询问发射机为例，其发射峰值功率为57 dBm，发射天线增益为5 dB，飞机接收天线增益约为5 dBm，飞机应答机动态灵敏度大约为-75 dBm，馈线即其他损耗约为5 dB，则最大作用距离计算公式如式（3）所示。

通过式（3），我们可以得到一个理论的覆盖范围，如表5所示。

3.5  实验结果分析

3.5.1  海拉尔实验结果

海拉尔空域ADS-B基本无二次代码信息，同时也意味着该空域飞行器没有下发DF5报文信息，这也从侧面印证了海拉尔周边无S模式二次雷达。所以，针对该空域我们实验选择的询问发射功率为峰-峰值500 W，即57 dBm。如图5所示，每一个距离环为50公里，通过对ADS-B数据二次代码挂码情况进行分析，基本有效覆盖距离约为145 km，基本符合理论作用距离。该系统有效地解决了该空域版本0和版本1的ADS-B目标无二次代码问题，提高了后端数据融汇系统的可靠性。

3.5.2  石家庄实验结果

石家庄周边有S模式二次雷达，且该空域二次代码覆盖良好，约90%目标存在二次代码。没有二次代码的ADS-B目标大多为高度较低的起飞或降落的进近目标。所以为了降低询问对飞机应答机的占用，同时满足进近空域覆盖的需求，该空域选择了125W的询问发射功率，通过对实验数据的分析，作用覆盖范围基本满足理论分析。且该ADS-B询问发射站，成功解决了高度较低的目标不能挂二次代码的问题。

4  潜在问题分析

4.1  Comm-B数据分析

通过询问发射的方式，除了可以获取到飞行器的二次代码的获取外，S模式应答机还有一个BDS（Comm-B Data Selector）寄存器，该寄存器存储了大量飞机相关的信息，通过获取这些寄存器的信息，可以帮助管制人员更好地了解飞机状态，更好地指挥飞机。询问发射机在发射上行询问信号UF4或UF5时，可以通过控制RR（Reply Request）、DI（Designator Identification）、SD（Special Designator）三个字段达到让应答机下发任意的BDS信息，并填充在UF20或UF21的Comm-B字段中。其中较为有用的数据还有BDS1，0用以描述S模式数据链的能力、BDS4，0选择高度的意图数据和BDS4，8甚高频通道报告等数据项。这些数据项都可以帮助管制员更好地了解飞机的运行状态。

虽然Comm-B数据项十分丰富，但在有S模式二次雷达的区域，可能导致BDS SWAP的错误，不能正确解析BDS数据。但在无S模式二次雷达区域，通过控制询问的时序，就可以达到正确解析Cat021/250 Mode S MB Data数据的目的，完成BDS数据的获取。

4.2  对S模式雷达异步干扰

该询问发射机发送的询问信号和S模式二次雷达询问信号相同，但该询问系统和S模式雷达之间没有通信协调手段，当两个询问信号同时到达飞机的时候，就有可能对雷达造成异步干扰。为了降低对雷达的影响，我们可以通过判断飞机应答机是否下发DF4来判断该目标是否在S模式雷达作用范围内，来选择性地点呼S模式雷达无法询问到的目标。或在附近无雷达区域的目标使用该系统，用以填补ADS-B数据项的不足。

5  结  论

在现有空管运行模式下，管制员对于空管自动化系统的应用和依赖程度不断提高，ADS-B数据作为监视数据源，其可靠性对管制的安全性尤为关键，如何更安全有效地应用ADS-B数据显得尤为重要。在无S模式雷达覆盖区域使用1 030 MHz上行数据链发送询问信号，通过接收1 090 MHz扩展电文下行数据达到更好地掌握飞行器当前状态信息的目的。并结合理论分析，通过实验验证了询问发射机在ADS-B中的应用的可行性。但询问发射系统可能对S模式雷达存在一定的异步干扰。系统设计时应考虑一定范围内是否存在S模式雷达，并做到询问作用距离和询问频率的精确控制，避免过度占用应答机的应答时隙而导致雷达错误定位或BDS SWAP的问题。

参考文献：

[1] 中国民用航空局.1090MHz扩展电文广播式自动相关监视地面站（接收）设备技术要求：MH/T 4036-2012 [S].北京：中国民用航空局，2012.

[2] RTCA. Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Automatic Dependent Surveillance - Broadcast（ADS-B）：DO-260 [S].Washington：RTCA Inc，2000.

[3] RTCA. Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance – Broadcast（ADS-B） and Traffic Information Services – Broadcast（TIS-B）：DO-260A [S].Washington：RTCA Inc，2003.

[4] RTCA. Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance – Broadcast（ADS-B） and Traffic Information Services – Broadcast（TIS-B）：DO-260B [S]. Washington：RTCA Inc，2009.

[5] EUROCAE. Technical Specification forA 1090 MHz Extended Squitter ADS-B Ground System：ED129B [S].Malakoff：EUROCAE，2016.

[6] Gang L. Full implementation of ADS-B OUT operation in Urumqi FIR of China：SP3-ASWG/8 ICAO [C].Montreal：ICAO，2018.

[7] ICAO. Surveillance and Collision Avoidance System：Annex 10 vol4 [S].Montreal：ICAO，2007.

[8] ICAO. Technical Provisions for Mode S Services and Extended Squitter：Doc 9871 AN/460 [S].Montreal：ICAO，2012.

作者簡介：吕培培（1985—），女，汉族，河南平顶山人，工程师，本科，研究方向：通信导航监视。

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