混合二次雷达解决方案在空管监视系统中的应用

混合二次雷达解决方案在空管监视系统
中的应用
摘要：1030/1090MH频段用于空中交通管制，包括二次监视雷达（SSR）、空
中防撞系统（TCAS）和广播式自动相关监视（ADS-B）系统。

空中交通量的日益
增加将导致1030/1090 MHz频段出现严重阻塞，从而使ADS-B和TCAS系统在
2035年无法满足最低性能需求。

如今在一些高密度的空中交通地区已经出现SSR
间歇应答。

而随着空中交通的发展，这种影响将逐步扩大，最终导致空中交通管
制无法准确跟踪飞机。

本文提出三种使用可变SSR询问功率的替代方法来缓解频
谱阻塞。

仿真结果显示，本文提出的方法使频谱阻塞在SSR应答机占用率方面减
少了92%。

此外，该方法在模拟环境中使S模式询问识别码需求数量减少了50%。

关键词：二次雷达、空中交通管制、S模式、广播式自动相关监视
1.引言
二次监视雷达（SSR）、空中防撞系统（TCAS）、多点定位系统（MLAT）和
广播式自动相关监视（ADS-B）等空中交通管制系统均使用1030/1090 MHz频率。

除ADS-B外，这些系统的询问机以1030 MHz频率发送询问信号，应答机以
1090MHz频率回复。

应答报文通常包含身份信息、高度信息等，具体内容由询问
类型决定。

询问机和应答机之间的斜距根据信号往返时间计算。

在ADS-B系统中，应答机以1090 MHz频率周期性广播飞机跟踪数据。

多种监测系统使用相同频率
的目的是为了新发展的监测系统与飞机上已有应答机具备兼容性。

但是现存的和
计划的空中监测系统将使1030/1090MHz频段出现严重阻塞，预计在2035年该频
段将无法满足空管监测和防撞系统的性能要求[1]。

频谱阻塞的主要原因是询问功率过大和询问次数过多。

大询问功率是因为
SSR询问功率需满足老式空中交通管制雷达信标系统（ATCRBS）应答机的低灵敏度。

重叠覆盖也可能导致模式S询问识别（II）码冲突。

II码编码在S模式询问
信息中，以便机载应答机辨别是由哪个询问机发出的询问。

但当应答机处于SSR 的重叠覆盖范围内并
使用了相同的II码时，应答机仅对第一个SSR进行应答。

因此，应答机对于其他有相同II码的SSR可能延迟应答甚至无应答。

II码冲突的部分原因是FAA目前仅使用15个不同的II码。

为了尽量减少II码冲突，一些S模式SSR根据方位扇区使用不同的II代码[2]。

未来，美国联邦航空局计划使用63个监视识别（SI）码，这将足以消除II冲突。

然而问题是63个SI码的使用还需要多年的时间使大多数S模式应答机兼容[2]。

为了减少频谱拥塞，多国实施SSR集群或联网。

SSR组网技术在联网集群中共享目标跟踪和询问调度信息，从而避免多个SSR询问相同的目标。

但目前基于扇区方位和ADS-B服务的可变SSR询问功率技术可提供一种更具成本效益的SSR 频谱阻塞问题解决方案。

本文中的“混合SSR解决方案”是指结合可变分区询问功率和ADS-B飞机跟踪信息来减少SSR频谱阻塞的方法。

本方案中，SSR独立于其他SSR运行，其运行效益预计优于SSR组网。

2.混合SSR解决方案
2.1 分区询问功率
现代SSR具备按扇区改变发射功率的能力，SSR在与其他SSR重叠覆盖较大的方位扇区减小发射功率，从而限制SSR的覆盖范围。

这将减少应答机接收不必要的询问，也避免SSR接收到无效应答。

本文假设所有现存的SSR都可以在必要时通过微小的硬件/软件更改来提供基于方位角的可变分区功率。

由于航路SSR 组和终端SSR组的服务空域不同，覆盖区域由它们分别确定，通过跟踪到最近两个SSR的距点来确定扇区覆盖范围上限。

扇区覆盖范围、天线增益和各种损耗决定了扇区的发射功率。

分区发射功率使雷达覆盖范围不再固定为终端SSR 60 nm 或航路SSR 250 nm的典型范围，而是随方位角而变化。

2.2 ADS-B优化SSR询问
ADS-B具有来自全球卫星导航系统（GNSS）的准确实时飞机跟踪信息。

如果ADS-B飞机跟踪数据（包括位置和身份信息）传递给SSR，SSR可以使用这些数据优化其询问方案。

图1描述了使用ADS-B跟踪信息的优化SSR询问的概念操作。

在这种架构中，SSR网络将理想地共享一个询问代码，并使用模式A/C和模式S 点名询问目标。

只有当模式S目标没有回复点名信息时，才会使用模式S全呼，这种情况多发生在应答机锁定状态终止时。

图1 ADS-B优化SSR询问操作流程
3.混合SSR解决方案模拟评估
仿真结果表明，本文提出的SSR解决方案在减少所需II码和应答机占用时间方面是有效的。

应答机占用或处理时间是指从接收传入信号到能够应答另一个询问的持续时间。

应答机所有信号的总占用时间是衡量频谱拥塞程度的一种简单方法。

一般来说，频谱拥塞越严重，应答机总占用时间越长。

表1总结了SSR运行参数。

大多数运行参数基于FAA飞行试验[1]，所有SSR 均假设使用大垂直孔径（LVA）天线。

本文还假设S模式SSR均为单脉冲。

有两种机载应答机：ATCRBS和模式S。

其处理时间模型列于表2[3]。

忽略使用P2和P5脉冲进行旁瓣抑制的处理时间。

表1 SSR运行参数
航路SSR终端SSR
表2 应答机处理时间
接收信号ATCRBS应答机S模式应答机
156.75156.75
169.75169.75
P1 P3短P4模式A，
模式C
156.7526.6
169.7539.6
P1 P3长P4模式A，
模式C
156.75328.6
169.75341.6
P1 P2 P6正确地址点名（全呼），短应答，长应答37321.75
377.75
P1 P2 P6错误地址点
名
3749.75
3.1 混合SSR操作方案
对以下四种工作模式进行了仿真：固定全功率、分区询问功率、ADS-B优化
固定全功率和ADS-B优化分区询问功率。

“Terra Fix”也包括在可选模拟模式中，“Terra Fix”是一种P4脉冲抑制解决方案，主要针对无法处理仅有P4脉冲
的ATCRBS全呼的旧ATCRBS应答机。

SSR目前使用P1和P3脉冲进行模式A/C询问，代替了仅P4脉冲的ATCRBS全呼。

S模式应答机响应传统的A/C模式询问和S模
式询问，生成冗余的应答消息。

启用“Terra Fix”模式时，SSR使用A/C模式P1和P3脉冲询问ATCRB和S
模式应答机。

禁用“Terra Fix”模式时，S模式SSR使用仅ATCRBS全呼从ATCRBS应答机获取应答，并抑制S模式应答机应答。

S模式仅全呼询问不考虑“Terra Fix”模式，使用P1、P2和P6，ICAO飞机地址为‘1111 1111 1111 1111 1111’。

在所有操作模式下，终端SSR和航路SSR的S 模式全呼锁定初始范围分
别设置为60 nm和250 nm。

图3显示了整个模拟过程。

图中，可选操作模式为灰色。

除了提出的混合SSR解决方案外，还对SSR组网进行了模拟，以比较两者性能。

SSR集群可以有效地消除全呼和同步SSR询问，主要的区别在于，SSR集群不会根据目标与SSR的距离动态改变询问功率。

图2 模拟流程图
3.2 应答机占用时间计算
第i架飞机的应答机占用时间可表示为：
其中，是交错模式的应答机处理时间，由SSR和机载应答机的类型决定。

M是SSR交错模式的编号。

N是已有SSR的总数。

如果第i架飞机（Airi）由第j个SSR（SSRj）探测，则指示函数定义为1，否则为零。

应答机接收到的信号功率可表示为：
其中，Pr是应答机接收到的信号功率。

Pt是发射的信号功率。

Gt是SSR的天线增益。

Gr是应答机天线增益。

Misc包括各种损耗，如询问波形损耗（1.5 dB）、发射机损耗（2.5 dB）、应答机损耗（3 dB）和大气损耗（1 dB），这些损耗值均是保守估计。

FSPL是自由空间路径损耗，其形式如下
其中R是SSR和飞机之间的距离，f是1030 MHz频率，c是光速。

要被SSR 探测，Pr必须大于应答机最小阈值电平（MTL）。

ATCRBS应答机的MTL设置为−69 dBm。

S模式应答机的MTL设置为−72 dBm。

相比于固定全功率的传统SSR操作，混合SSR解决方案有更多的函数为零的情况。

因此，分布式飞机的总应答机占用时间将具有以下关系
这里K是模拟环境中的飞机总数。

如式（1）和式（4）所示，在该模拟中不考虑其他拥塞影响，例如对相同应答机的同步询问或由于多径引起的窜扰询问。

4.结论
本文提出了混合SSR解决方案来减少1030/1090 MHz频谱拥塞。

混合SSR解决方案利用了现代SSR的分区询问能力和ADS-B飞机跟踪信息。

这两项功能可以帮助SSR优化询问功率，交错模式可减少询问的总次数和应答机的总占用率。

本文通过蒙特卡罗模拟，根据所需的II代码数量和应答机平均占用时间来衡量混合SSR解决方案的有效性。

从模拟结果来看，分区发射功率模式下只需要7个II 代码，而固定全功率模式下则需要15个II码。

与固定全功率模式相比，ADS-B
优化分区功率模式在“Terra-Fix”启用和“Terra-Fix”禁用状态下的应答机平均占用率分别降低了92%和90%。

ADS-B优化的分区功率模式显示出比SSR集群更好的性能。

仿真发现，在各种工作模式中，分区功率是降低应答机平均占用率的最重要因素。

但也不能忽略使用ADS-B的好处。

消除S模式全呼对于减少应答机占用时间的影响并不明显。

但是，减少全呼将显著降低异步干扰，而本文并未对其进行量化。

未来的研究将包含混合SSR解决方案对异步干扰的影响。

参考文献
[1] 1090 MHz Spectrum Analysis Team, Final report on 1090 MHz spectrum congestion in 2035 and performance of systems operating in the band, FAA, Washington, DC, August, 2009, pp. 6–20, 84.
[2] S. Wright, Selection and coordination of Mode S interrogator codes for systems supporting the U.S. National Airspace System, in: ICAO Aeronautical Surveillance Panel Technical Subgroup Meeting, Paris, France, June 2013.。