二次雷达S模式应答信号与ADS-B信号的甄别研究

李明洋，时宏伟，颜可壹（四川大学 计算机学院，国家空管自动化系统技术重点实验室，四川 成都 610064）

二次雷达S模式应答信号与ADS-B信号的甄别研究

李明洋，时宏伟，颜可壹
（四川大学 计算机学院，国家空管自动化系统技术重点实验室，四川 成都 610064）

阐述了SSR的S模式应答信号与1090ES ADS-B系统的信号格式与特点，并对其进行了对比分析；针对这两种同频信号，提出了一种结合民航空管实际应用的区分方法。理论分析及仿真实验证明，该方法可较好地解决二次雷达S模式应答信号与ADS-B信号的甄别问题。

ADS-B；1 090 MHz；S模式；信号甄别

0 引言

S模式二次雷达SSR是民航空中交通管制系统中的重要监视手段，在全球已得到了广泛应用。随着技术的不断进步和发展，广播式自动相关监视ADS-B、多点定位MLAT/WAM等先进监视系统也将与PSR、SSR共同担负起对空监视任务［1］。但是，S模式SSR与ADS-B系统都共用同一频率，在实际应用中（无论是在终端区还是航路上）极易产生相互混淆或干扰的问题。

此外，MLAT多点定位系统也是基于S模式SSR应答信号或ADS-B信号等，很难确定二次雷达发出的询问脉冲类别，故无法断定是二次雷达S模式应答信号还是ADS-B信号，这样也势必对目标定位处理造成困惑。因此，如何从S模式应答信号中甄别并分离出ADS-B信号就显得格外重要。

1 SSR数据与ADS-B数据比较分析

ADS-B采用GPS全球定位技术和地空-空空数据链技术，定位精度高、数据更新率快、监视信息丰富完整，并且系统建设运行成本较低，较易推广应用。SSR采用询问-应答的工作方式，数据更新周期通常为4～7s，因采用类似PSR的方位、距离测量方法，其定位测量较ADS-B差，并且系统建设成本较高。SSR获取的目标位置数据表征为数据格式为方位角、高度（C模式）、斜距［2-3］。ADS-B与SSR数据比较如表1所示。

表1 ADS-B与SSR数据对比

2 同频率的两种信号

2.1 SSR系统S模式应答信号格式

航空器上的应答机在收到询问信号后以 1 090 MHz频率发送应答信号，S模式SSR应答信号由应答报头和应答数据块组成，应答消息信号如图1所示。

图1 S模式应答信号格式

其中，导前脉冲占8μs，由宽度为0.5μs的4个脉冲组合而成，且每一个脉冲都固定在0μs、1.0μs、3.5μs、4.5μs的位置，若要S模式应答信号进行识别，首先就要对这4个前导脉冲进行探测。后面为56bit短格式数据或112bit长格式数据，每位数据脉冲均采用间隔宽为1μs，并且每个间隔又分为0.5μs的有脉冲时间和0.5μs的无脉冲时间，采用脉相调制，“1”表示前半部分有脉冲后跟空脉冲，“0”表示前半部分空脉冲后跟有脉冲［4］。

对于S模式询问，机载应答机可以相应地发送几种不同类型应答信号。S模式应答信号有24种有效的应答类型，现在已分配的有8种［5］。一种类型是DF占2bit表示是通信-D应答，这种类型使用与通信-C询问类似的方法传输大量的数据；另一种类型DF占5bit，DF=00000和DF=10000的应答类型用于TCAS系统的空对空监视应答，这里不做考虑，DF=00100或DF=00101是最普遍的S模式的应答，DF=01011为S模式全呼应答，这6种应答格式以及字段定义如表2所示。

表2 二次雷达S模式应答信号格式

2.2 ADS-B1090ES信号格式与分析

2.2.1 ADS-B系统的数据链技术

1090ES是基于SSR的S模式扩展电文的功能，就是基于S模式长报文的一种技术，1090ES传输的数据包括24位ICAO地址、飞机四维信息等。每0.5s更新一次要传送的位置信息，数据传输率为1Mbit/s［6］。本文所讨论的ADS-B系统均是指采用1090ES数据链技术。

2.2.2 ADS-B系统的信号格式

ADS-B消息传输波形见图1，消息数据块应该在第一个传输脉冲开始后的8μs开始，112个1μs间隔被分派给每一个ADS-B消息。ADS-B消息基本格式如表3所示。

其中，DF=17格式为S模式应答机发射的ADS-B消息，CA字段表示S模式应答机的能力，AA字段表示24bit ICAO地址，ME字段包含ADS-B消息，PI字段用于奇偶校验。DF=18格式用于非S模式应答机发射的ADS-B消息或TIS-B消息，CF字段用来表明ME字段含有ADS-B消息或者是TIS-B消息，此外，CF字段也明确了AA字段所包含的地址类型。对于DF=19格式，如果AF字段等于0，那么后续字段表明ADS-B消息，该格式被用于军事应用预留字段，一般情况对此不予处理。

3 同频信号SSR系统S模式与ADS-B系统应答信号的甄别过程

结合以上分析两种信号的各自特点，提出下述甄别方法，具体步骤如下：

（1）提取脉冲序列中的信息脉冲，根据脉冲序列长度判断筛选，由于ADS-B消息数据采用长消息格式传输，故短消息格式（56bit）数据一定不属于ADS-B数据，即可判定为SSR系统S模式应答信号（短消息格式），否则进行下一步。

（2）提取脉冲序列中前导脉冲后5B，根据DF位判断，若DF=17则判定为ADS-B信号，若DF=18则转到步骤（6），否则进行下一步。

（3）根据报文位解码值确认。通常如果CA/FS解码值处于1～3，则可以判定该估计信号为SSR系统S模式应答信号；若CA/FS解码值处于4～7，则可判定为ADSB1090ES信号。若激活SPI特殊脉冲时，一个等效SPI的脉冲应在S模式应答器FS字段中发射，此时有可能产生编码值4或5，这种情况将进入下一步继续识别。

（4）对比ME字段前5bit包含TYPE子字段，有些情况后紧接着3bit包含相应的SUBTYPE子字段，可以共同决定ME字段剩余部分传送的ADS-B或TIS-B消息内容。TYPE码元为1、2、3、4时可确定飞机ID与消息类型。

（5）监视状况子字段位于ME字段的6bit和7bit，当S模式应答机系统不能执行ADS-B功能时，监视状况字段为0，表示该消息非ADS-B消息。

（6）当DF=18，提取CF字段的3bit数据，若CF=0，表示ME字段包含ADS-B消息，且AA字段含ADS-B系统发射部分24bit ICAO地址；若CF=1，表示ME字段包含一个ADS-B消息，且AA字段包含ADS-B系统非标准ICAO24bit位地址，若CF为2～5，表示ME字段包含一个TIS-B消息。

（7）当每次收到信号后，与现维护的信号列表进行比较，如果该信号按照每秒一次稳定出现，则断定为ADS-B1090ES信号。每个适应性处理周期（如4～6s内）检查仅收到1～2次的信号，因为ADS-B系统的周期为1s，可以断定这些信号为SSR系统S模式应答信号［7］。

具体的识别方法流程如图2所示。

图2 算法甄别流程

4 仿真与分析

对表4所示的4种仿真信息序列进行识别过程如下：

（1）对序号1信息脉冲序列的识别过程

①检测脉冲序列长度，由于该脉冲具有112bit长度，进行下一步识别。

②提取前5B的DF字段，判断该DF=17，可判定为ADS-B信息，或者也可进一步识别。

③检测6～8B，由于该序列无SPI，CA/FS解码值为5，即可进一步断定是ADS-B信息。

（2）对于序号2信息脉冲的识别过程

①检测脉冲序列长度，由于该脉冲具有112bit长度，进行下一步识别。

②提取前5B的DF字段，判断该DF=18，进行步骤③识别。

③提取CF字段数据，CF=0判断为ME字段包含的是ADS-B消息。

（3）对序号3信息脉冲序列的识别过程

①检测脉冲序列长度，由于该脉冲具有112bit长度，进行下一步识别。

②提取前5B的DF字段，判断DF=20，可判断为SSR系统S模式应答亦或可以进一步识别。

③提取DF后3bit为0，故无法识别是哪种消息，执行下一步。

④假设为ADS-B消息提取ME数据中表示type字段的值为0，故无法识别飞机。所以为SSR系统S模式应答信号。

（4）对序号4信息脉冲序列的识别过程

①检测脉冲序列长度，由于该脉冲具有56bit长度，可断定非ADS-B信号，故为SSR系统S模式应答信号。进一步识别消息类型，执行步骤②。

②提取DF字段信息位，判断DF=4，为SSR系统S模式应答信号中监视高度应答信号。

表4 消息序列的识别结果

5 结论

本文针对SSR系统S模式应答信号与ADS-B信号提出了一种简单可行的甄别处理方法，该方法可对这两种同频率下的信号在噪声较低的情况下进行有效的甄别。通过仿真实验验证，证明该方法可望在民航空管目前的多种对空监视系统的综合应用中完善信号的处理能力，从而进一步提高各种新型监视系统的应用效率。

［1］TIMMERMAN J，JONES D R.Runway incursion prevention system ADS-B and DGPS data link analysis dallas-fort worth international airport［R］.NASA/CR-2001-211242，Virginia，NASA，2001.

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［6］CHUNG W W，STAAB R.A 1090extendedsquitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）reception model for air-traffic-management Simulations［C］.AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit，2006.

［7］张鹏，王运锋.机载应答机A/C模式应答信号的识别方法［J］.信号处理，2012（4）：559-564.

Research on the discrimination between SSR mode S transponder signal and ADS-B signal

Li Mingyang，Shi Hongwei，Yan Keyi （College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610064，China）

This paper describes the signal formats and characteristics between mode S transponder signal of SSR and 1090ES ADS-B signal，on which comparative and analytic studies are also conducted.To distinguish these two signals of the same frequency，this paper proposes a method considering the practical application of civil aviation.By theoretical analysis and doing simulation experiment，this method proposeed in this paper can better solve the problem of distinguishing SSR mode S transponder signal and ADS-B signal.

ADS-B；1 090 MHz；mode S；signal discrimination

TN967

A

1674-7720（2015）20-0067-03

李明洋，时宏伟，颜可壹.二次雷达S模式应答信号与 ADS-B信号的甄别研究［J］.微型机与应用，2015，34（20）：67-69.

2015-06-23）

李明洋（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：信号与信息处理技术。

时宏伟（1965-），男，硕士，教授，主要研究方向：信息融合与实时处理系统。