浅谈S模式的监视与通信功能

【摘 要】 随着航空事业和科学技术的发展，S模式二次雷达正逐步取代传统的A/C模式二次雷达，成为主流的空中交通管制设备。本文就S模式的监视功能和通信功能进行探讨。

【关键词】 S模式 询问 监视 通信A/B

近年来空中交通密度日增、航路拥挤、航站区工作量过重，各种干扰问题更趋严重。在英国对现有SSR系统的研究表明，随着飞机数量的持续增加，时间不同步和信号混淆问题已成为ATC系统中使用SSR的限制因素。为抑制应答路径的干扰，模式A和模式C图表提取器需要多个同步应答来识别飞机的存在。在美国，一些机场繁忙时刻经常会遭遇饱和情况，使航管监视变得很糟糕[1]。

英美各国针对现有二次雷达存在的各种问题，提出的解决方案是对飞机进行单独询问，使应答可相互隔离，以此改进和提高空中交通管制能力。该方案的实施，S模式应运而生。

1 S模式简介

1.1 概述

S模式是在传统A/C模式基础上发展起来的，同样采用询问应答协同工作方式，但调制方式采用DPSK调制，与A/C模式不同。S模式二次监视雷达系统包括具有S模式能力的询问机和应答机，ICAO为每架飞机（应答机）分配了唯一地址（24位地址），询问机可对飞机进行全呼询问和选址询问。询问信号格式如图1所示，应答信号格式如图2所示。

图1中P1、P2脉冲为同步脉冲，P5为询问旁瓣抑制脉冲，P6为信息脉冲，询问码速4MHz。P6信息位长56位或者112位；56位时为短格式询问，主要用于监视询问；112位时为长格式询问，除监视询问外，还具有数据链通信功能。

图2中应答脉冲采用脉位调制，码速1MHz。前4个脉冲为同步脉冲，后面为56个或112个脉冲信息；56个应答信息，称为短格式应答；112个应答信息，称为长格式应答。

1.2 S模式主要特点

（1）兼容性强。S模式二次雷达系统采用1030MHz频率询问，1090MHz频率应答，与传统A/C模式的工作频率相同。该系统不仅具有S模式功能，同时兼容A/C模式功能。在S模式询问应答中，包含A/C模式的相关信息。

（2）干扰小。S模式询问，其同步头P1、P2抑制应答机进行A/C模式应答。选址询问时，只有对应地址的飞机进行应答，减少多个飞机同时应答对空间造成干扰。

（3）定位精度高。S模式询问采用单脉冲技术，可单独对特定飞机进行询问，解决相邻目标的应答干扰问题。提高探测概率，减小误码率，目标定位精度高。

（4）抗干扰能力强。S模式采用了DPSK调制和CRC校验和纠错的方式，抗干扰能力强。

（5）数据链通信能力。除监视功能外，S模式还具有数据链通信功能。可实现地-空之间通信，传送气象信息、交通信息等。在密集飞行区域，数据链通信可帮助飞机以更好的高度安全飞行，同时让飞机在更经济的航线上飞行。

1.3 S模式应用等级

S模式应用等级分为以下5级：

一级：

支持ATCRBS和S模式的监视功能。功能描述如下：

（1）A模式和C模式：A模式为身份识别，C模式为气压高度报告。

（2）ATCRBS/S模式和S模式全呼。ATCRBS/S模式为交互模式，即A/C/S全呼。当A/C/S全呼为P4长（P4宽度为1.6us）询问时，A/C模式应答机采用A/C模式应答，S模式应答机采用DF11应答；当A/C/S全呼为P4短（P4宽度为0.8us）询问时，A/C模式应答机采用A/C模式应答，S模式应答机不应答。S模式全呼采用UF11询问，DF11应答。

（3）监视高度和身份识别：监视高度采用UF4询问，DF4应答；身份识别采用UF5询问，DF5应答。

（4）锁定协议：非选择全呼锁定和多站锁定协议。

（5）基本数据链：不包括数据链路能力报告。

（6）空对空服务和断续振荡发送：空对空服务采用UF0询问，DF0应答。断续振荡发送采用约1次/秒的主动报，报文格式DF11。

二级：

除具有一级能力外，还支持以下功能：

（1）双向空对空信息交流：UF16询问，DF16应答。

（2）地对空数据上行链路，通信A：通信A采用UF20/UF21询问，询问信息中含MA（56位）字段。

（3）空对地数据下行链路，通信B：通信B采用DF20/UF21应答，应答信息中含MB（56位）字段。

（4）多站点报文协议：多站锁定协议，应答机与多站之间的基本数据通信。

（5）数据链路能力报告：报告处理BDS10寄存器内容的能力。

（6）飞机识别报告：报告处理BDS20寄存器内容的能力。

（7）TCAS/ACAS交叉链接能力。

二级S模式除具有监视能力外，还具有基本数据链通信能力。三级和三级以上只具有数据链通信能力，不具有监视能力。

三级：

除具有二级能力外，还具有上传ELM（扩展长度报文）和接收处理能力。ELM是采用通信C（UF24）发送和接收，由一串上行发射信息组成。仅在接收到发射信息中，UF24字段RC=2时才进行应答确认。

四级：

除具有三级能力外，还具有ELM下传和接收处理能力，下传ELM以通信D（DF24）发送和接收。四级允许空中向地面发送加长数据链报文，也能从地面向空中发送加长数据链报文，并发送二级S模式无法提供的空中交通服务所需要的其它报文。

五级：

除具有全ELM（四级）能力外，还支持增强性数据链协议。该级只针对应答机，允许同时与多个S模式询问机进行数据链通信，而不需要多站点配合，增大了数据链路的传输能力。因此五级S模式应答机比其它等级的应答机具有更高的最低数据链路容量。

1.4 S模式应用发展现状

1.4.1 国外应用发展现状

欧美等国的S模式二次雷达发展较为成熟，且正逐步取代传统的A/C模式二次雷达，成为主流的空中交通管制设备。其中，Raytheon、Thales、Selex、柯林斯等国外公司均能提供具有二级S模式能力及以上的询问机或应答机。

1.4.2 国内应用发展现状

国内民航，各大航空公司的大型客机均已安装二级或以上S模式能力的应答机。大多数机场目前仍采用传统A/C模式二次雷达，部分预留了S模式接口，具备S模式升级能力。只有北京、上海、广州、成都等少数机场正逐步推广S模式航管二次雷达的应用，但也只是S模式的一级应用。

随着“十二五”空管规划的逐步实施，国内军/民航步入了快速发展轨道。据预测，“十二五”期间民航运输将以年均13%的速度快速增长，到2015年机队规模达到2850架，机场数量达到220个，飞行总量达1143万架次，相对2010年翻一番，S模式二次雷达系统普遍使用将成为发展的必然趋势。

2 S模式监视功能

S模式监视主要应用于二次雷达监视、广播式自动相关监视、多点相关监视和防撞监视系统等。

2.1 二次雷达监视

二次雷达监视是通过二次雷达询问，主动获取目标（飞机）的高度和识别代码，同时自主测量目标的方位和距离，实现对目标的监视功能。其信号格式[3][4]如图3所示。

图3中，PC字段定义见表1，RR字段定义见表2，FS字段指示目标飞行状态，DR字段指示目标的下行链路请求，AC字段为目标飞行的高度代码，ID字段为目标的识别代码，AP字段为含飞机的24位地址码的奇偶校验代码。

二次雷达采用S模式UF4进行高度询问（PC=0，RR

二次雷达采用S模式UF5进行识别询问（PC=0，RR

2.2 广播式自动相关监视

S模式广播式自动相关监视即ADS-B中的1090ES格式，是通过接收目标发送的扩展断续振荡报文，获取目标的位置、航班号等信息，实现对目标的监视功能。其信号格式如图4所示。

图4中，CA字段报告目标的S模式等级能力和空中/地面状态。AA字段为飞机的24位地址，ME字段为扩展断续振荡报文，主要包括位置（经度、纬度、高度）、航班号、航速、航向等信息。DF18与DF17的差异：产生DF18扩展断续振荡报告的设备不具备应答功能。

随着S模式广播式自动相关监视的发展，向飞机提供图形化气象、地形和飞行信息（包括FIS-B信息和TIS-B信息），将会有效减少中低空冲突和天气相关事故的风险。但该监视系统基于GNSS，若GNSS因某些原因失效，将无法实现监视功能。其发展趋势将是多点相关监视。

2.3 防撞监视

S模式防撞监视，是通过发送S模式空-空监视询问，获取目标高度等信息，自主测量目标的距离，从而实现对目标的监视功能，并决定采取何种防撞策略。其信号格式如图5所示。

图5中，VS字段为0时，飞机在空中；为1时，在地面。飞机不具有自动确定在地面/空中功能时，将始终报告为空中状态。SL字段指示目标的TCAS的工作灵敏度等级，RI字段指示目标的决断能力或空速。

2.4 多点相关监视

多点相关监视系统（MDS）又称ADS-X，是基于应答机的多点地面监视系统。使用多个接收器捕获应答信号并计算目标的位置，实现对目标的监视功能。重要特点是通过高刷新率来跟踪定位和识别安装非S模式应答设备、S模式应答设备的飞机以及安装车载应答设备的车辆。非S模式应答主要是指A/C等模式应答，S模式应答包括S模式的询问响应以及S模式断续振荡报文（DF11、DF17、DF18）。

S模式多点相关监视系统，不依赖于二次雷达询问机，也不受制于GNSS，只要目标发送S模式信息，就可进行定位实现监视功能。已成为A-SMGCS（高级场面活动引导与控制）系统的一个主要组成部分，应用于场面监视和航路监视。

3 S模式通信功能

S模式数据链通信包括通信A、通信B、通信C以及通信D。通信A和通信B为标准长度数据链通信，最多可传输4段通信报文共224位信息。通信C和通信D为扩展长度数据链通信，最多可传输16段通信报文共1280位信息。

如图6所示，ADLP、GDLP分别为机载数据链处理器和地面数据链处理器，负责应答机与询问机之间的链路通信。通信A与通信C为上行链路通信，由询问机向应答机传送报文；通信B与通信D为下行链路通信，由应答机向询问机传送报文。

通信A与通信B属于S模式应用等级的二级，通信C属于三级，而通信D属于四级。通信A与通信B信号格式如图7所示，通信A与通信D信号格式如图8所示。

通信A采用UF=20/UF21从地面向飞机发送信息。除相应短格式（UF4/UF5）内容外，通信A还包含附加的56位MA字段。

通信B包括地面启动通信B（GICB）和空中启动通信B（AICB）。GICB为地面询问机主动要求与空中目标进行通信；而AICB为空中目标需与地面询问机通信时，先向询问机请求通信，询问机发送询问信息授权后，开始进行通信。

通信C协议使用UF24的两个控制字段NC和RC。NC传送段号，RC标识传送报文为首段、中间段还是末段。MC字段为通信报文，一个上行链路报文最大为16段，两个连续通信C报文之间的最短时间为50微秒。

通信D协议使用DF24的两个控制字段ND和KE。ND传送段号，标识下行链路发送段的编号。MD字段为通信报文，一个下行链路报文最多为16段。下行链路只能由询问机授权后才发送，通信报文包含于通信D应答中。

4 S模式监视与通信功能在二次雷达中的应用

比较图3和图7、图8，S模式通信A与通信B只是在S模式监视中增加了MA字段或MB字段，即通信A字段或通信B字段。通信C与通信D仅具有通信功能，不具有监视功能。本节仅对通信A与通信B在二次雷达中的监视与通信应用展开讨论。

4.1 通信A

通信A最大可链接4个通信段，数据容量可达224位。通信A询问，DI=1/7时，SD字段最后3位为LAS子段；该子段用来向目标指明为首段、第二段、第三段（如果使用）或最后一段。每个通信A询问都必须从目标得到一个应答，否则传感器（询问机）会重复询问。当目标接收到首段、中间段和末段，表明接收到完整的通信A报文，通信A功能完成。在目标对询问机的应答响应（UF20询问，对应DF4应答；UF21询问，对应DF5应答）中，报告其高度或识别代码，以及飞行状态等信息，同时实现了监视功能。

4.2 通信B

在下行通信B报文中，最多由4个通信段组成。在首个通信MB字段中，前两位为LBS子段[5]，用于指示通信为单段、两段、3段或4段L。

通信B包括通信B启动、通信B报文传输和通信B关闭。当询问机接收到所有MB报文段后，表明通信结束，通信B功能完成。

在目标与询问机通信过程中，采用DF20/21格式进行通信传输。在DF20格式中，传输MB报文，同时报告目标高度和飞行状态等信息；在DF21格式中，传输MB报文，同时报告目标识别代码和飞行状态等信息。即在进行通信B的过程中，同时实现了监视功能。

5 结语

当前S模式系统数据链最高已达5级，ICAO已明确将S模式地-空数据链作为通信的一种方式，S模式数据链通信是二次雷达发展的必然趋势。

欧美发达国家的S模式二次雷达应用比较普及，大多数地面二次雷达已实现组网，基本能实现全空域覆盖。

我国传统的A/C模式二次雷达居多，S模式二次雷达的发展还处于起步阶段，少数机场使用一级S模式二次雷达。为充分发挥S模式的特点，适应“十二五”空管发展的需求，可考虑首先在国内各干线机场配置二级S模式二次雷达，实现单雷达站的S模式监视和通信功能；在条件成熟的基础上开展S模式局部区域组网，逐步实现S模式二次雷达对全空域的覆盖。

参考文献

[1]Michael C.Stevens.Secondary Surveillance Radar[M].1988.

[2]黎廷璋.空中交通管制应答机[M].国防工业出版社，1992.

[3]RTCA/DO-181D Minmum Operational Performance Standards for Air Traffic Control Radar Beacon System/Mode Select（ATCRBS/MODE S）Airborne Equipment[S].October 2，2008.

[4]MH/T4010―2006空中交通管制二次监视雷达设备技术规范[S].2006.

[5]ICAO ANNEX 10 Aeronautical Telecommunications VOLUME III -Communication Systems [S]July 2002.