低成本的SSR/ADS—B解碼器

黃星遠

對于許多航空研究和發展計劃，有必要獲得準確的飛機位置和身份信息。以前在終端地區進行的許多分析都使用了終端雷達系統記錄的雷達監視數據。這些分析要求從空中交通管制中轉換和處理雷達帶。這種分析的問題包括數據更新率低（終端區域每4.8秒一次），足夠低的覆蓋率（低于雷達截止），數據延遲（它可以長達2秒），以及從磁帶中手動排序和解析數據的密集任務。協助研究和發展計劃的Rannoch已經制定和實施了實時獨立的雷達接收機解碼系統。系統進行解碼，在1090 MHz和1030 MHz雷達數據（下行鏈路和上行鏈路）包括S模式，TCAS， ADS-B，和IFF（敵我識別）。在一個典型的終端區域，該系統對每架飛機高達10Hz的實時雷達數據進行解碼。本文介紹了該系統的應用來幫助幾個空中交通控制（ATC）包括尾渦的研究計劃。描述了一種與尾渦傳感器套件建立MD集成的設備，并給出了肯尼迪國際機場的現場試驗結果。

一、介紹

沃爾普中心，美國國家航空航天局和美國聯邦航空局的孟菲斯已在肯尼迪機場等諸多國際機場進行尾渦的研究許多年了。他們的研究目的是描述尾流的行為，并最終能夠預測它們的運動，以便在尾跡渦相遇之前，空中交通管制系統能夠對飛機發出警告。檢測和表征尾渦行為的一個關鍵因素是確定什么類型的飛機產生一組特定的旋渦。在過去，這些數據是由觀察者收集的，（他們必須非常熟悉不同的飛機類型），或者通過獲得聯邦航空局雷達數據，確定哪些飛機是感興趣的飛機，并將它們與尾渦傳感器的數據相匹配。這些方法被證明有許多缺點。觀察者晝夜不停地雇傭，有時會在辨認和時間記錄上犯錯誤。在數據收集結束時，所有觀察者的數據都必須與來自尾渦傳感器的數據進行手工集成。

來自ATC雷達的飛機數據要求事先提供給聯邦航空局。之后，需要相當大的努力從這些雷達數據中分離出有用的飛機數據，并將雷達數據與相應的傳感器數據相匹配。由于機場監視雷達每4.8秒鐘旋轉一次，飛機軌道有時很難跟蹤。當飛機接近雷達天線時，它們偶爾會低于天線的覆蓋范圍，因此很難在機場附近跟蹤飛機。由于這些缺點，蘭諾赫公司從沃爾普中心的合同下，集成一個SSR解碼器自動識別著陸飛機型號和類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，被動，獨立，和自動化的飛機識別設備。我們想要建造的設備成為TCAS單元的一部分，這并不妨礙任何ATC或其他設備，這將在無人值守的環境下連續工作。此外，該設備必須符合國際民航組織模式的SARP的確定的指導方針和ADS-B的要求。有了這些要求，我們決定最好的辦法是開發一種能夠收聽飛機的應答器傳輸的設備。S模式應答機是所有超過30個座位的載客飛機的必需設備。這一要求包括在美國運營的外國航空公司，許多有10至30個座位的飛機也配備了S模式應答器，盡管這不是必需的。許多商業噴氣機也攜帶模式S轉發器。

三、SSR的出現

在早期雷達中，目標是通過定向能量的窄旋轉波束引導兆瓦的射頻能量。這種射頻能量將被反射到目標上，一些能量會反彈回發射雷達天線。這種方法的一個缺點，是指目標的返回射頻能量隨著目標距離的平方反比函數減小。例如，一個目標的返回能量比另一個目標的距離要大一倍，只是接近目標的四分之一。然后在1950中提出了一種通過消除平方反比定律的方法來擴展雷達的有用范圍的方法。飛機開始攜帶轉發器，無線電發射機用自己的RF能量來回應雷達詢問，而不是反射的無線電能量。這就是所謂的二次監視雷達。

在1980年S模式應答器格式成立。它允許傳輸更多的脈沖，因此，可以獲取更多的信息。S模式格式實際上包括25種可能的上行鏈路和下行鏈路格式的子集。短脈沖包含56個脈沖的信息，而長脈沖包含112位脈沖。

目前只有格式0，4，5，11，16，20，21和24是用于航空。Rannoch解碼器能夠解碼所有25種格式。只有DF 17將成為ADS-B第一格式（Automatic Dependent Surveillance- Broadcast）系統。該格式將包含關于飛機緯度、經度和高度的信息。這個數據可以來自GPS或其他導航系統。飛機將每秒發射DF 17每秒一次。這是被稱為“斷續”，將使飛機和地面控制器得到非常準確的位置信息。Rannoch解碼器用在ADS-B系統上面的操作試驗是在1997年7月亞特蘭大國際機場進行的。

四、它是如何工作的

Rannoch解碼器是由一個天線，一個1090 MHz的接收器，模數轉換器和解碼器，奔騰處理器和軟件組成的，1090 MHz的接收器是一個非常小的單元，它可以附在天線或解碼處理器上。它也能夠接收1030MHz的監測地面和空中的詢問。接收器通過同軸電纜接收直流電源，可以在1030 MHz或1090MHz的情況下進行遠程切換。接收器設計為使用上行和下行格式的調制和帶寬來工作。

模擬數字轉換器和解碼器設計成一體的硬件體系結構，從低端PC機ISA總線到用于商業應用的VME總線。解碼器電路在任何時候都可重新配置。該軟件提取編碼模式的地址，將地址轉換為美國注冊號，并進行錯誤檢測和校正。它還提取海拔高度，即25或100分辨率的壓力高度。然后可查到所有已登記的飛機的數據庫。解碼器的輸出包括計算機時間、s模式地址、下行格式、所有者/操作員、序列號和高度。這個軟件很容易修改的，方便排除數據庫中的任何字段。數據被實時地發送到監視器、硬盤驅動器和串行端口。該軟件還能夠設置信號強度閾值，該閾值不包括低于指定電平的應答器傳輸的接收。

解碼器準確識別飛機的能力取決于數據庫的準確性。隨著新飛機投入使用，飛機登記偶爾發生變化，數據庫變得不那么可靠了。幸運的是，大多數航班不經常改變所有權，因此他們的注冊號碼不太可能改變。該數據庫每季度更新一次。解碼器是無法確定外國飛機注冊號。然而，一些國家已經建立了已登記飛機的數據庫和相應的模式S地址。此外，解碼器可以在機場使用，以確定特定的外國飛機的S模式地址，這可以在數據庫中與飛機的登記號碼比對。

解碼器的一個應用是監視超過噪聲限制的航空器。許多機場對起飛或降落時可能產生的噪音水平有限制。大型機場通常有非常先進的噪音監測系統，直接進入機場監視雷達記錄飛行路線。然而較小的機場無法在這個復雜的設備上花那么多錢，所以他們更需要降低成本而不影響飛機正常進出港。

解碼器的另一個應用是收取著陸費。著陸費為機場運營商帶來可觀的收入。未收取的費用是收入損失。目前，機場運營商使用的方法，如審查燃油收入，以確定某一個航空公司月內著陸飛機的數量和類型。解碼器可以很容易地給機場工作人員提供此類信息。作為ADS-B地面站的一部分，解碼器可以解碼下行格式，如DF17，使空中交通控制顯示可以生成。最后，作為一個多邊體系的一個組成部分，幾個解碼器可用于計算應答器發送到達時間，然后用一個中央處理器將使用三角測量來確定飛機的精確定位和跟蹤共享數據。

五、結語

解碼器的開發過程中的主要目標之一就是要使它比其他同樣技術的設備便宜，如TCAS。由于該系統是定制設計的，我們能夠實現生產設備的成本目標。其他類似的系統通常是基于改進的商用設備，如TCAS，這意味著用戶不得不為閑置或不適用的功能買單。在性能方面，系統的定制元素決定了范圍和解碼速率，提供了最佳解決方案。在我們的試驗中，我們展示了我們的系統解碼A、C、S模式和敵我識別傳輸的能力。該設備已在美國各大機場的空中交通管理研究項目中進行了部署，其觀測數據比標準機場監視雷達高出一個數量級。這些數據適合繪制上升和下降剖面圖。接收機解碼器技術可用于機場運營商的噪聲監測和著陸收費。空中交通的應用包括多點定位系統ADS-B地面站接收器。這種技術是在機場進行研究的一種更為實用的方法。而不是要求雷達數據帶和解析數據，手動數據可以自動收集和實時處理。（作者單位為中國民用航空華北地區空中交通管理局）