S模式ADS-B系統(tǒng)性能分析

曾一江

(成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校，成都 610036)

0 引言

目前世界上大多數(shù)的民航監(jiān)視系統(tǒng)，主要采用二次雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)A/C模式監(jiān)視系統(tǒng)到S模式監(jiān)視系統(tǒng)的演變，S模式二次雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)，為每架飛機(jī)分配了一個唯一的地址，采用了點名詢問的工作方式，減少了傳統(tǒng)的A/C模式存在的竄擾和混擾問題，得到了大力推廣，特別是它具有數(shù)據(jù)鏈功能，能夠傳輸較多的飛機(jī)信息，在歐美一些發(fā)達(dá)國家進(jìn)入了實用階段，而其信號格式已用于空中防撞系統(tǒng)(ACAS)和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B);ADS-B主要利用衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)通過S模式擴(kuò)展間隙振蕩器以廣播的方式發(fā)送位置等信息，屬于國際民用航空組織(ICAO)定義的新航行系統(tǒng)(FANS)范疇。早期的這種技術(shù)主要應(yīng)用于缺少監(jiān)視技術(shù)的海洋區(qū)域，由于設(shè)備成本低，在某些方面性能優(yōu)于現(xiàn)在已在使用的二次監(jiān)視雷達(dá)，因而得到了較快的發(fā)展，大有代替二次監(jiān)視雷達(dá)的趨勢。S模式廣播信息除用于空中和地面監(jiān)視系統(tǒng)外，也用于機(jī)載防撞系統(tǒng)。

S模式ADS-B提供了從信標(biāo)監(jiān)視環(huán)境向衛(wèi)星導(dǎo)航/ADS環(huán)境的自然過度。本文主要介紹S模式ADS-B監(jiān)視技術(shù)的基本原理及應(yīng)用，并對其系統(tǒng)的性能進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 S模式ADS-B工作原理

ADS-B主要利用S模式的斷續(xù)振蕩器發(fā)送廣播信息，早期的S模式的斷續(xù)振蕩主要用于交通防撞系統(tǒng)(ACAS)中，采用的是S模式的DF11號格式，傳輸56位信息，廣播的內(nèi)容僅包括飛機(jī)的地址碼、通信能力等，所有應(yīng)答機(jī)都以1 Hz的頻率廣播信息，以便為ACAS提供探測飛機(jī)的位置，從而采取避撞措施;ADS-B采用的是S模式的DF17號格式(用于S模式應(yīng)答機(jī))、DF18(用于無S模式應(yīng)答機(jī))和用于軍用的DF19號格式［1］，傳輸信息包括112位，形式如圖1所示，這種新格式除了傳輸S模式地址信息、通信能力外，還傳輸56位ADS-B數(shù)據(jù)信息，如圖2 所示［2］。

ADS-B包括五種數(shù)據(jù)信息，其中兩種飛機(jī)位置信息，一種位置信息用于在飛行中報告空中位置，另一種用于飛機(jī)在機(jī)場時報告表面位置，另外三種分別提供國際民用航空組織 (ICAO)飛機(jī)的識別信息，空中飛機(jī)速度信息和事件驅(qū)動信息。飛機(jī)的位置信息以平均2 Hz的頻率發(fā)送，飛機(jī)識別信息平均每5 s發(fā)送一次，斷續(xù)振蕩的間隙是隨機(jī)的，以避免兩個飛機(jī)造成的同步干擾，斷續(xù)振蕩器的發(fā)射間隙一律被分配在的0.4～0.6 s之間，在其間是隨機(jī)抖動的。而飛機(jī)在特定的時間內(nèi)僅有一種位置信息運(yùn)用，這取決于當(dāng)時飛機(jī)是在地面還是在空中，而識別信息在兩種情況下都被發(fā)送。

空中位置信息詳情(圖2)，包括5位類型字段，34位經(jīng)、緯度信息(各17位)，12位高度信息，1位轉(zhuǎn)向指示，2位監(jiān)視狀態(tài)信息，2位空閑位，在確定的600海里(1海里=1.852 km)的區(qū)域范圍，經(jīng)度和緯度的位提供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，轉(zhuǎn)向指示允許快速識別一個飛機(jī)的機(jī)動。ADS-B應(yīng)用場景示意圖如圖3所示。

圖3 ADS-B應(yīng)用場景示意圖

地面的位置格式與空中的很相似，不同的是用航速和航向代替高度，經(jīng)度和緯度也有所改變，由于確定的范圍對于地面的飛機(jī)來說更小(約160 km)，位置分辨率達(dá)到1.25 m。

提供飛機(jī)的識別碼(如:AA 123)對ACAS和交通信息座艙顯示(CDTI)有利。由于飛機(jī)的識別碼很少改變，將每5 s發(fā)送一次，因為5種ADS信息都包含了模式S的地址信息將飛機(jī)的位置信息與飛機(jī)識別碼相關(guān)聯(lián)沒有問題。

2 S模式ADS-B在監(jiān)視中的應(yīng)用

S模式ADS-B從GPS或DGPS獲得精確、可靠的導(dǎo)航信息，可應(yīng)用于多種不同的監(jiān)視情況，主要包括地-空監(jiān)視，地面監(jiān)視和空-空監(jiān)視。

2.1 地-空監(jiān)視

地-空監(jiān)視主要用于地面對空中目標(biāo)的監(jiān)視，S模式ADS-B地-空中監(jiān)視的概念如圖3所示，通常情況下地面站天線在方位上提供全向的方位圖，這樣的天線可以提供覆蓋50海里的監(jiān)視區(qū)域，GPS的精確度取決于GPS可用性選擇，可用性選擇是一個技術(shù)名詞，主要是美國國防部基于安全原因考慮設(shè)置的，可用性選擇打開用于民用，精度相對較差，但此時GPS的精度已足夠滿足大多數(shù)終端區(qū)域監(jiān)視的需要。對于那些精度要求高的，如精確的飛機(jī)跑道監(jiān)視，可使用差分GPS(DGPS)。地面站向上廣播提供不同的修正信息給飛機(jī)，這種上行的發(fā)射頻率采用1030 MHz，與二次監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)射頻率相同。

通過使用6個扇區(qū)的地面天線，可使監(jiān)視范圍擴(kuò)展到100海里的區(qū)域，通過多站點的使用，可代替監(jiān)視范圍達(dá)200海里區(qū)域二次監(jiān)視雷達(dá)。

2.2 地面監(jiān)視

當(dāng)飛機(jī)在跑道上時，S模式ADS-B機(jī)載設(shè)備廣播發(fā)送地面位置信息，用于地面站對機(jī)場飛機(jī)的監(jiān)視。

在地面監(jiān)視中，對一些大型機(jī)場，主要存在多徑干涉和來自建筑物遮擋，可能防礙地面站可靠地接收，一般可通過建立多站解決。

另外就是地面監(jiān)視要求更高的精度，一般的GPS定位精度難以滿足要求，可采用DGPS提供準(zhǔn)確的位置信息。

2.3 空-空監(jiān)視

對于S模式廣播的ADS-B信息，不但可以被地面站接收，也可以被附近的飛機(jī)接收，用于空中交通防撞系統(tǒng)和(ACAS)交通信息座艙顯示(CDTI)。

早期的ACAS系統(tǒng)，可以跟蹤附近目標(biāo)，并辨別可能的威脅，只可采取垂直機(jī)動的避讓方法，如ACAS-Ⅱ。S模式 ADS-B可支持 ACAS-Ⅲ，這種ACAS系統(tǒng)將提供水平和垂直的避讓解決方案，它需要精確知道鄰近的飛機(jī)的位置信息和區(qū)域及高度信息，GPS為基礎(chǔ)的導(dǎo)航可提供所需的精確信息。

通常情況下，為了減少相互干擾，ACAS都被動接收ADS-B的廣播信息，主動詢問主要對飛機(jī)ADS-B廣播的位置信息進(jìn)行驗證［3］。

在沒有裝備ACAS系統(tǒng)的飛機(jī)，ADS-B可以為CDTI提供廣播信息，CDTI是比ACAS簡單的系統(tǒng)，它為駕駛員座艙顯示本機(jī)和鄰近的飛機(jī)的位置信息，但不提供解除危險的決定。

3 S模式ADS-B性能分析

一個飛機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)不僅僅有高的可靠性，還必須要有有效的準(zhǔn)確性，可以覆蓋足夠大的區(qū)域，且可以有足夠的監(jiān)視容量，另外，對于部分使用電磁波的系統(tǒng)，需要有必要的帶寬。

3.1 可靠性

S模式ADS-B斷續(xù)振蕩器使用S模式二次監(jiān)視雷達(dá)的下行回答波形，工作在1090 MHz頻點，數(shù)據(jù)使用脈沖位置編碼(PPM)調(diào)制，以每秒1兆位的速度傳輸，信息中包含24位奇偶校驗位，提供有效的抗干擾能力，和糾、檢錯能力，具有較高的可靠性。

3.2 精確度

S模式ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的精確度取決于獲得導(dǎo)航信息的源，以及S模式ADS-B位置編碼信息的精度。S模式ADS-B位置編碼信息在前面已描述，空中位置信息提供5.1 m經(jīng)度和緯度信息分辨率，地面位置信息提供1.25 m經(jīng)度和緯度分辨率，高度采用與現(xiàn)在S模式應(yīng)答機(jī)相同的精度，即25英尺。

假設(shè)導(dǎo)航的數(shù)據(jù)來自GPS和氣壓高度表，當(dāng)GPS選擇可用性(SA)打開時，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確度在幾米。

再看看目前使用的單脈沖二次監(jiān)視雷達(dá)(對于8 m天線系統(tǒng))的性能，傳統(tǒng)的二次監(jiān)視雷達(dá)測量目標(biāo)位置是采用極坐標(biāo)形式，距離測量是靠測量電磁波在空中的傳播時間，目前二次雷達(dá)的通用測距精度可做到75 m，而測角主要采用單脈沖測角，精度在0.06°，也就是在方位上的誤差隨目標(biāo)距離的增大而增大，對50 km的目標(biāo)方位誤差約50 m，對100 km的目標(biāo)，方位誤差約100 m，而ADS-B主要取決于GPS的定位精度，并不隨目標(biāo)的距離遠(yuǎn)近而變化，可見從定位精度來說，ADS-B遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的二次監(jiān)視雷達(dá)。

3.3 監(jiān)視范圍

S模式ADS-B的監(jiān)視范圍主要包括空-空監(jiān)視、地-空監(jiān)視、地-地監(jiān)視，空-空監(jiān)視應(yīng)用在空中交通防撞系統(tǒng)(ACAS)，因為 ACAS與 S模式 ADS-B都采用的同樣類型的應(yīng)答機(jī)，ACAS需要接收S模式ADS-B的廣播信息，ACAS作用距離在10～15海里。

地-空的監(jiān)視范圍取決于地面接收器的性能，對于地-空監(jiān)視，50海里將滿足終端區(qū)域監(jiān)視需要，100海里對于常規(guī)監(jiān)視足夠，地面站由于作用距離大于ACAS，因而接收機(jī)應(yīng)該比ACAS設(shè)備有較好噪聲系數(shù)，高增益的天線。地-空監(jiān)視的效果見表2，表中列出了終端區(qū)域和常規(guī)情況對鏈路的預(yù)算評估，同時提供了與現(xiàn)有的ACAS作為對比。終端區(qū)域與常規(guī)情況的不同在于接收天線的增益，對終端區(qū)域監(jiān)視，5英尺垂直孔徑圓柱型天線在方位上可以產(chǎn)生全向波束，天線增益為4 dB，這種天線與全向天線一樣簡單。對于常規(guī)監(jiān)視需要6扇區(qū)天線，如圖4所示，每個扇區(qū)都與終端區(qū)域天線一樣有相同的垂直孔徑，但是水平波束寬度將減小以提高天線增益，兩種情況都有一定的鏈路余量:終端區(qū)域監(jiān)視為12 dB，常規(guī)監(jiān)視為9 dB。

圖4 六扇區(qū)天線

表2 空中監(jiān)視鏈路評估

對于地-地監(jiān)視，主要用于機(jī)場地面的監(jiān)視，系統(tǒng)工作區(qū)域主要取決于系統(tǒng)所處的多種強(qiáng)反射面和障礙物。對于S模式ADS-B系統(tǒng)工作于這樣的環(huán)境，需要多個接收站來覆蓋機(jī)場的主要移動區(qū)域。在國外對一些具體的機(jī)場進(jìn)行了測試，如在波士頓Logan國際機(jī)場對S模式ADS-B的測試，需要4個地面接收站［4］。

4.4 工作容量

目前工作在1090 MHz頻率的有信標(biāo)二次監(jiān)視雷達(dá)應(yīng)答機(jī)、S模式二次監(jiān)視雷達(dá)應(yīng)答機(jī)和S模式ADS-B，因而在1090 MHz頻率存在干涉現(xiàn)象，所以對于一個S模式ADS-B系統(tǒng)可容納的飛機(jī)的數(shù)量是有限的，S模式應(yīng)答機(jī)回答包括56位“短”S模式回答和112位“長”S模式回答，S模式ADS-B的斷續(xù)振蕩器與長S模式回答信號格式相同。

在特定的時間窗口到達(dá)接收站的不同類型的1090 MHz的信息將采用泊松概率來描述。根據(jù)S模式信號編碼的特點，設(shè)一個S模式ADS-B的斷續(xù)振蕩器信號被正確接受的條件:(1)沒有其他的S模式回答在給定時間內(nèi)與之交疊;(2)最多一個空中管制信標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)(ATCRBS)回答信號同時與之交疊。第一個條件是比較保守的，因為對于一個強(qiáng)信號與一個弱信號通常能夠正確解碼，第二個條件根據(jù)是S模式具有糾錯能力，能從一個交疊的ATCRBS回答信號中恢復(fù)。

假設(shè)S模式ADS-B的斷續(xù)振蕩信號被準(zhǔn)確接受的概率為P

式中，n1、n2、n3是指每個飛機(jī)每秒分別的發(fā)送ATCRBS、短的S模式和長的S模式回答信號的平均數(shù);t1、t、t3代S模式ADS-B的斷續(xù)振蕩信號易受到ATCRBS、短S模式和長的S模式回答信號分別干擾的時間長度;m是能產(chǎn)生干涉回答的飛機(jī)的總數(shù)(有些飛機(jī)超出監(jiān)視系統(tǒng)的覆蓋范圍)。

ATCRBS 回答持續(xù)20.3 μs，短和長的 S 模式回答信號分別持續(xù) 64 μs和 120 μs(包括 8 μs 的前導(dǎo)脈沖)。由于S模式ADS-B的斷續(xù)振蕩信號持續(xù)120 μs，t1、t2、t3的值為:t1=0.000140 s;t2=0.000184 s;t3=0.000240 s。

根據(jù)空管系統(tǒng)的監(jiān)視性能要求，設(shè)S模式ADSB的正確接收概率為99.5%，數(shù)據(jù)更新率為5 s，計算出S模式ADS-B容量，見表3。表中考慮3種不同情況下S模式ADS-B的容量，第1種假設(shè)每個飛機(jī)對于ATCRBS詢問，每秒回答120次，第2種假設(shè)每秒回答60次，第3種假設(shè)沒有ATCRBS回答，S模式在所有情況下都假設(shè)每架飛機(jī)每秒的回答數(shù)量是8次短回答，6次長回答，第1種代表高回答率的ATCRBS回答環(huán)境，第2種是中回答率的估算，第3種情況提供了當(dāng)ATCRBS詢問機(jī)完全被模式S詢問機(jī)所代替時容量能夠得到怎樣的改善，從表中可以看出，基本能夠滿足大部分國家對空管系統(tǒng)的要求。

表3 空中監(jiān)視容量(更新率5秒，正確接收率≥99.5%)

在地面，S模式應(yīng)答機(jī)不能夠回答ATCRBS詢問或者S模式全呼叫詢問，而且短斷續(xù)振蕩信號不會被廣播，因此地面干涉源的數(shù)量將比空中的少，而多徑卻是防礙地面斷續(xù)振蕩信息被正確的接收的主要因素，假設(shè)有5%的斷續(xù)振蕩信號由于多徑而丟失，如果他們沒有與來自地面其他飛機(jī)的發(fā)送的長S模式信號的交疊，剩下的振蕩周期被成功的解碼，在這些假設(shè)情況下，一個單天線能夠容納超過250架飛機(jī)，達(dá)到97%的正確接收概率。

對于空中監(jiān)視，扇形的天線被用于增加監(jiān)視的總?cè)萘俊?/p>

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的發(fā)射機(jī)。這里主要分析S模式ADS-B斷續(xù)振蕩器對其他使用這一頻段的用戶的影響。

每架配備或沒有配備S模式ADS-B的飛機(jī)的信道總占據(jù)情況見表4，回答率假設(shè)為表3的第一種情況，每架飛機(jī)的S模式ADS-B斷續(xù)振蕩器每秒平均增加2.2個長模式 S的發(fā)射，增加信道占據(jù)264 μs。每架飛機(jī)總的信道利用率從不配備S模式ADS-B的0.3368%增加到配備后的0.3632%，這被認(rèn)為是可容忍的。事實上由于ADS S模式可以使ACAS在大多數(shù)的時間以被動方式工作，在高密度環(huán)境，總的信道占用實際將減小。

表4 S模式ADS-B信道占據(jù)情況

4.6 存在問題

S模式ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)主要利用GPS和慣性導(dǎo)航信息，通過機(jī)載應(yīng)答機(jī)進(jìn)行廣播，靠地面系統(tǒng)被動接收而進(jìn)行，也就是監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性主要取決于被監(jiān)視目標(biāo)的機(jī)載設(shè)備本身(包括機(jī)載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及應(yīng)答機(jī))，如機(jī)載設(shè)備故障，將失去對該目標(biāo)的監(jiān)視能力。

5 結(jié)語

S模式ADS-B是利用S模式二次監(jiān)視雷達(dá)信號格式的的一種新的監(jiān)視系統(tǒng)，采用GPS/DGPS作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)源，能夠支持很多類型的監(jiān)視:如常規(guī)的監(jiān)視、終端區(qū)域的監(jiān)視、精確的跑道的監(jiān)視、地面監(jiān)視、ACAS，同時由于成本低、性能優(yōu)越，因而近年在一些國家得到較快的發(fā)展，我國目前在一些小機(jī)場已開始試用，相信在不久的將來會得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］ICAO附件10第Ⅵ卷.航空電信［S］.2007.

［2］ICAO.二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)手冊［S］.2004.

［3］方愔.S模式 ADS-B 系統(tǒng)［J］.航空電子技術(shù)，1999，4.

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

［5］中國民用航空局.廣播自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)在飛行運(yùn)行中的應(yīng)用［S］.2008.