S模式雷達(dá)技術(shù)在空管自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

◆應(yīng)偉煜 楊 愷 周祿華

（1.中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局 上海 200335；2.南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司 江蘇210014）

S模式雷達(dá)技術(shù)在空管自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

◆應(yīng)偉煜1楊 愷2周祿華2

（1.中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局 上海 200335；2.南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司 江蘇210014）

民航空中交通流量的持續(xù)增長對提升空管監(jiān)視設(shè)備提出了更高的要求，目前普遍使用的A/C模式二次雷達(dá)，由于二次代碼資源缺乏、缺少飛行員和航空器的下行數(shù)據(jù)、航空器數(shù)據(jù)更新頻率低等不足，已經(jīng)無法滿足未來民航發(fā)展的需求。本文分析了S模式雷達(dá)技術(shù)，通過對下行數(shù)據(jù)的解析和應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)有空管雷達(dá)融合、相關(guān)和告警技術(shù)，提出為了S模式雷達(dá)技術(shù)在空管系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

s模式；下行數(shù)據(jù)；空管系統(tǒng)

0 引言

到 2020 年，我國民航空中交通流量將達(dá)到2014年的3倍左右，年起降架次將超過1500萬。雷達(dá)等傳統(tǒng)監(jiān)視技術(shù)及其布局、數(shù)量將難以滿足日益增長的航空運(yùn)輸?shù)男枰猍1]。華東地區(qū)空中交通流量大，飛行密度高，空域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，迫切需要S雷達(dá)技術(shù)提供監(jiān)視補(bǔ)盲與備份，以提升空中交通管制能力。同時，地面監(jiān)視處理系統(tǒng)也需要航空器更多的信息，普通的A/C模式二次雷達(dá)已經(jīng)無法更好的適應(yīng)目前眾多的實(shí)際需求。一種新的我們稱之為S模式的雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。

S模式技術(shù)從二十世紀(jì)六十年代開始發(fā)展，現(xiàn)階段基于S模式應(yīng)答機(jī)的技術(shù)已十分成熟。目前商用航空器已大部分安裝了S模式應(yīng)答機(jī)。S模式應(yīng)答機(jī)目前主要應(yīng)用在S模式雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)、1090兆赫擴(kuò)展電文的ADS-B技術(shù)和在防相撞系統(tǒng)中。

1 S模式雷達(dá)技術(shù)簡介

A/C模式應(yīng)答機(jī)監(jiān)視能力（Mode A/C Surveillance）。傳統(tǒng)的A/C模式應(yīng)答機(jī)能應(yīng)答詢問機(jī)發(fā)出的詢問信號，A模式詢問時，應(yīng)答信號為4096個MODE 3/A二次代碼；C模式詢問時，應(yīng)答信號為高度編碼信息。通過雷達(dá)詢問機(jī)和機(jī)載A/C模式應(yīng)答機(jī)聯(lián)合可以提供航空器的二次代碼、高度和位置信息。用于管制[2]。

“S”是選擇(Select)的意思。S模式二次雷達(dá)是由傳統(tǒng) A/C模式二次雷達(dá)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。當(dāng)有限的二次雷達(dá)識別碼（最多4096個）成為航班量增長的瓶頸時，英國和美國分別開始發(fā)展改進(jìn)系統(tǒng)，英國發(fā)展了選擇地址二次監(jiān)視雷達(dá)（ADSEL），美國研究了離散尋址信標(biāo)系統(tǒng)（DABS），1981年英美達(dá)成協(xié)議將兩者合而為一，稱為S模式系統(tǒng)[3]。

由于 S模式基于傳統(tǒng)A/C模式，因此S模式完全兼容傳統(tǒng)A/C模式。S模式相對于常規(guī)A/C模式有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）S模式二次雷達(dá)足以解決傳統(tǒng)A/C二次雷達(dá)A碼（識別碼）資源緊張的問題

S模式系統(tǒng)為每架飛機(jī)提供了單獨(dú)的24位地址碼，總共具有16，777，216個地址碼。全球范圍內(nèi)每架飛機(jī)的S模式地址在出廠后唯一指定，S模式二次雷達(dá)用S模式地址碼來代替A碼實(shí)現(xiàn)識別功能。

（2）詢問方式的改變，根本上解決了應(yīng)答混淆現(xiàn)象

S模式雷達(dá)發(fā)射的詢問信號中包含了飛機(jī)的地址碼，只有地址碼相符的飛機(jī)才會產(chǎn)生應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)了有選擇的點(diǎn)名制詢問，被點(diǎn)名的回答，未被點(diǎn)名的不回答，因此現(xiàn)在分辨兩架飛機(jī)有如分辨兩個人，即使他們抱在一起也能將他們分開。

（3）詢問率和應(yīng)答率的降低，從根本上減少了雷達(dá)間異步干擾的產(chǎn)生

由于S模式雷達(dá)是點(diǎn)名詢問，因此采用S模式后，我們就可降低對目標(biāo)的詢問率，因而也降低了目標(biāo)的應(yīng)答率，從而降低了異步干擾的產(chǎn)生。

（4）S模式雷達(dá)能夠得到比A/C模式雷達(dá)更豐富的信息

S模式具有地空雙向數(shù)據(jù)交流功能，其中可以攜帶大量數(shù)據(jù)信息。通過詢問應(yīng)答模式，可以讀取機(jī)載應(yīng)答機(jī) BDS寄存器中的信息，因此S 模式下雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)信息十分豐富，其中包括：飛機(jī)航班號、飛機(jī)24 位地址信息、飛機(jī)磁航向、飛機(jī)真空速、飛機(jī)轉(zhuǎn)彎角等。這些信息便于管制人員了解飛機(jī)更詳細(xì)的狀況。

（5）S模式雷達(dá)接收的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)可靠

由于應(yīng)答信號采用了新的調(diào)制和編碼方式，使解碼的誤碼率大大降低，因此S模式二次雷達(dá)所接收到的信息的完整性和可靠性比傳統(tǒng)的A/C模式二次雷達(dá)高。另外，S模式二次雷達(dá)可以提供分辨率為25英尺（7.62米）的高度信息，優(yōu)于傳統(tǒng)的A/C模式分辨率為100英尺（30.48米）的高度信息。

目前上海區(qū)管中心的主用/備用自動化系統(tǒng)引接了10部S模式雷達(dá)，分別是：上海虹橋、南京尹山、南昌生米、福州風(fēng)洞山、連云港袁閘、青島流亭、杭州恩瑞特、寧波、合肥、鹽城恩瑞特，這10部S模式雷達(dá)基本可以覆蓋上海大部分區(qū)域。

2 目前的S模式雷達(dá)應(yīng)用

S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)采用的格式為ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)中的048類和034類，其中048類是單雷達(dá)目標(biāo)報告001類信息的升級版，034類是單雷達(dá)勤務(wù)報告002類信息的升級版。

以2010年發(fā)布的1.17版048類格式定義為例，與001類所具有的數(shù)據(jù)項(xiàng)相比，最大的不同是多出了飛機(jī)識別信息（航班號I048/240）、24位地址碼（I048/210）和 ACAS報告（I048/260）等新數(shù)據(jù)項(xiàng)。

在現(xiàn)有空管自動化系統(tǒng)的版本中，S模式信息主用應(yīng)用于如下幾方面：

2.1 S模式雷達(dá)的融合處理

當(dāng)系統(tǒng)中S模式雷達(dá)信息參加融合時，系統(tǒng)級別的相關(guān)會優(yōu)先考慮S模式的地址碼和航班號，系統(tǒng)級別的融合跟蹤會采用S模式的雷達(dá)信息。

S模式雷達(dá)輸出的信息包括高度信息、A碼、飛機(jī)識別信息（航班號）SI、飛機(jī)24位地址信息SA、信號強(qiáng)度信息、方位信息、時標(biāo)信息。無論是任何版本的數(shù)據(jù)類型，包括ASTERIX的CAT048、CAT034、CAT021、CAT02、CAT001等種類信息，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理能根據(jù)數(shù)據(jù)類型的各個數(shù)據(jù)項(xiàng)，提取分解目標(biāo)狀態(tài)的各個信息，包括高度、位置、方向、速度、呼號、地址等信息，實(shí)現(xiàn)單監(jiān)視信息的相關(guān)和跟蹤，同時把這些數(shù)據(jù)融合到系統(tǒng)航跡中，產(chǎn)生信息更全面的系統(tǒng)航跡。

2.2 界面顯示

通過管制界面菜單欄的彈出的下拉菜單按鈕，可供更換使用的航空器識別源包括：

（1）和航跡相關(guān)的飛行計劃的航班呼號(顯示為：ACID)；

（2）航跡的A/C模式的二次代碼(顯示為：SSR)；

（3）航跡的24位航空器地址碼(顯示為：24 BIT)；

（4）航跡的目標(biāo)航跡識別碼(顯示為：TRGT ID)。

通過菜單按鍵可對管制界面上監(jiān)視航跡標(biāo)牌的航空器識別源進(jìn)行切換顯示切換SSR、24位地址碼、目標(biāo)識別碼（航班呼號）之間顯示切換。

2.3 自動相關(guān)

自動相關(guān)是基于比較監(jiān)視航跡中送來的信息和飛行計劃數(shù)據(jù)之間的信息，綜合采用以下相關(guān)因素： Target ID（航班呼號）、Target ADD（24位地址碼）、ASSR、PSSR四個因素的權(quán)值， 并可以離線配置這些相關(guān)因素，綜合權(quán)值最高的航跡與計劃對優(yōu)先做相關(guān)判斷。這樣可以充分利用S模式的信息進(jìn)行相關(guān)，極大的提升了相關(guān)的準(zhǔn)確性。

2.4 24位地址碼重碼告警

在現(xiàn)有空管自動化系統(tǒng)版本中，若發(fā)現(xiàn)飛行器出現(xiàn)相同TARGET ADDRESS，在管制界面出現(xiàn)DUPE重碼告警功能。

3 S模式雷達(dá)應(yīng)用過程中的問題

3.1 航空公司輸入不準(zhǔn)確問題

在S模式雷達(dá)運(yùn)行初期，存在著部分航空公司在FPL中輸入錯誤的航空器24BIT CODE甚至不予輸入，一些機(jī)組在航空器的FMC系統(tǒng)中系統(tǒng)輸入與FPL中呼號不符的航班號，或者不予輸入，導(dǎo)致不能發(fā)揮S模式的功能，為此專門協(xié)調(diào)相關(guān)航空公司，對于具備S模式的航空器，在填報或拍發(fā)FPL是能在報文第18編組中正確輸入該航空器唯一的24BIT CODE，并且機(jī)組在航空器的FMC系統(tǒng)規(guī)范輸入與FPL中呼號保持一致的航班號。

3.2 機(jī)載設(shè)備24bit重碼問題

在現(xiàn)有 THALES自動化系統(tǒng)版本中，若發(fā)現(xiàn)飛行器出現(xiàn)相同TARGET ADDRESS，在管制界面出現(xiàn)DUPE重碼告警功能。按常規(guī)，這種DUPE不應(yīng)該存在，因?yàn)?4bit是飛機(jī)全球唯一的標(biāo)識，不應(yīng)該有重復(fù)。但是，上海曾出現(xiàn)3次此類告警，出現(xiàn)此類告警時，由于DUPE還有二次代碼重碼的含義，所以一般管制員會修改航班的二次應(yīng)答機(jī)，但是告警始終無法消除，給管制工作帶來影響。

4 S模式雷達(dá)在今后的新應(yīng)用

4.1 S模式下行數(shù)據(jù)的顯示

新應(yīng)用中加入了S模式下行數(shù)據(jù)飛行員選擇高度，飛機(jī)航向，飛機(jī)地速等等顯示。具體實(shí)現(xiàn)：可以在管制界面增加一個Downlink Data window，當(dāng)在管制界面上選中一架航班時，該航班的某些下行數(shù)據(jù)將在該窗口中顯示。如下圖1所示。

圖1 下行數(shù)據(jù)顯示圖

4.2 顯示航班呼號

在新應(yīng)用中，當(dāng)出現(xiàn)沒有相關(guān)的S模式航跡時，管制界面上將同時顯示SSR及Target ID （航班呼號），這樣管制員可以獲得更多的飛機(jī)識別信息。下行數(shù)據(jù)顯示圖如圖2所示。

圖2 航班號顯示圖

4.3 呼號不一致告警

在新應(yīng)用中，當(dāng)相關(guān)的航跡中的航班呼號與S模式雷達(dá)探測到的下行數(shù)據(jù)中的航班呼號不一致時，將會產(chǎn)生告警。這樣可以提醒管制及時發(fā)現(xiàn)，避免錯誤相關(guān)導(dǎo)致的錯誤管制。

4.4 CFL不一致告警

當(dāng)S模式下行數(shù)據(jù)中的飛行員選擇高度與飛行計劃數(shù)據(jù)中管制員指令高度不一致時，將會產(chǎn)生告警。提醒管制員和飛行員核對飛行高度。

5 結(jié)束語

目前上海自動化系統(tǒng)是2015升級新版本之后，才剛剛開始真正對S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，S模式有許多下行數(shù)據(jù)，自動化系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用也只處于初步研究階段，大多數(shù)數(shù)據(jù)也僅是供管制員顯示，真正能應(yīng)用的數(shù)據(jù)也只是航班號，地址碼和飛行員選擇的高度。并且，有些數(shù)據(jù)需要航空公司，飛行員的配合才能正確使用。

對于S模式數(shù)據(jù)的應(yīng)用，國外自動化系統(tǒng)也沒有更多的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。所以，今后也需要飛行員、管制員、技術(shù)人員一起，共同對這些數(shù)據(jù)的進(jìn)行研究，其應(yīng)用之路將是任重而道遠(yuǎn)。

[1]中國民用航空ADS-B實(shí)施規(guī)劃．中國民用航空局，2012．

[2]MH 4010-2000 空中交通管制二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備技術(shù)規(guī)范．中國民用航空局，2000．

[3]王洪，劉昌忠，汪學(xué)剛．二次雷達(dá)S模式綜述[J]．電訊技術(shù)，2008．