第4章-监视系统分解.ppt

1、,新航行系统导论,Introduction to CNS/ATM,倪育德,中国民航大学,第4章 监视系统,4.1 概述,4.3 自动相关监视系统,Introduction to CNS/ATM,4.2 现行监视系统,中国民航大学 CAUC,4.1 概 述,独立监视,非独立监视（即相关监视）,监视系统分类,地面自行监视，不依赖用户或外部传媒,一次监视雷达（PSR）属于独立监视,依靠用户发送位置等报告,人工位置报告、自动相关监视（ADS）属于非独立监视,合作式独立监视,依靠用户应答或第三方传媒发送应答信号,二次监视雷达（SSR）属于合作式独立监视,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,所谓

2、现行监视系统，是指那些在ICAO制定并通过CNS/ATM方案之前已有的监视系统。,一、一次监视雷达（1）,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,一、一次监视雷达（2）,上世纪40年代由英国研制成功,PSR为空管飞机的监视作出了卓越的贡献,在CNS/ATM概念中，PSR将逐渐消失,PSR对目标的基本测量参数是目标距雷达的距离和目标角位置，有些雷达还可以测定运动目标的相对速度 。,现代空管监视系统中，PSR往往与SSR地面系统合装,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,一、一次监视雷达（3）,目标距离的测量,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,一、一次监视雷达（4）,目标

3、方位的测量,目标角位置指方位角或仰角，在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用雷达的方向性天线来实现的。,目标速度的测量,运动目标相对雷达的速度可以利用多普勒效应或距离变化率来测量。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,一、一次监视雷达（5）,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（1）,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（2）,1. 概述（1）,SSR是高精度的近程脉冲（时间）测距/测向系统，它是构成现代空中交通管制的重要监视系统。,上世纪六十年代中期出现SSR，当时叫“敌我识别器（IFF）”。,SSR是IC

4、AO的标准监视系统。,SSR的装备量在世界范围内呈上升趋势。,目前在民航监视系统应用中，SSR与PSR一般是同台安装的,提高监视功能的可靠性,还有一些飞机没有加装SSR应答机,考虑到飞行安全，对空域还必须监视其他飞行物,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（3）,1. 概述（2）,SSR主要可以获取目标的下列消息,飞机的距离和方位；,飞机的识别代码；,飞机的气压高度；,飞机紧急告警信息，如飞机发生紧急故障、无线电通信失效、飞机被劫持。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（4）,1. 概述（3）,SSR与PSR主要性能比较

5、,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（5）,1. 概述（4）,SSR的发展趋势,A/C模式或S模式的SSR用作终端区和高密度陆地空域的监视；,自动相关监视（ADS）用在其他空域，最终将普遍使用ADS，并且可以和SSR重叠 ；,一次监视雷达（PSR）将逐步消失 。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（6）,2. SSR的工作过程（1）,f问=1030MHz，f答=1090MHz 。,采用视距传播方式，垂直极化。,P问=2000W，P答=700W，作用距离R=200nm,询问机天线的旋转周期T=415s,中国民航大学 CA

6、UC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（7）,2. SSR的工作过程（2）,天线系统,SSR应答机天线系统,SSR询问机及其天线系统,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（8）,2. SSR的工作过程（3）,询问模式,P2：旁瓣抑制脉冲,CAAC：使用A、C模式,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（9）,2. SSR的工作过程（4）,应答信号格式（1）,F1、F2为帧脉冲，它们总是存在的。,SPI为特殊位置识别脉冲，只有按下应答机控制盒上的相应按纽才会产生SPI脉冲。,每个脉冲的宽度为：0.450.1s,

7、中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（10）,2. SSR的工作过程（5）,应答信号格式（2）,总共可以组成4096个独立的应答码。,飞机的识别代码,紧急代码,飞机气压高度代码,7500表示飞机被劫持,7600表示无线电通信失效,7700表示飞机发生危急故障,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（11）,2. SSR的工作过程（6）,飞机识别代码的编码（1）,飞机识别代码：ABCD,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（12）,2. SSR的工作过程（7）,飞机识别代码的编码（2）,例飞

8、机的识别代码为3570，画出应答码的帧结构。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（13）,2. SSR的工作过程（8）,飞机高度代码的编码,飞机高度代码：DABC,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（14）,2. SSR的工作过程（9）,PPI显示画面（1）,平面位置显示器（PPI）显示的主要内容包括：,飞机位置（距离、方位）显示：将距离和方位数据显示在距离方位线的端点，用飞机符号或其他符号表示飞机所在位置。,在所选定的飞机位置符号附近显示如下数据标牌：,飞机识别代码或飞机呼号,飞机气压高度,特殊显示：飞机紧急情况显示

9、（用“闪亮”方式显示飞机符号和标牌。,航迹显示：用出现在飞机符号后面的一串亮点来显示飞机的航迹。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（15）,2. SSR的工作过程（10）,PPI显示画面（2）,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,二、二次监视雷达A/C模式（16）,2. SSR的工作过程（11）,PPI显示画面（3）,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（1）,1. 概述（1）,A/C模式SSR的缺陷,在询问信号作用范围内的飞机，会对询问信号作出近似同步的应答，在显示上造成应答信号的混叠，增加了管制员的工作负担。

10、,当飞机机动飞行（上升、下降、转弯等）时，机身、机翼将应答天线遮蔽，使得飞行目标信号丢失或中断。,地面反射信号产生的盲区，降低了接收弱信号的能力。,固定目标的反射引起虚假目标显示。,目标的方位、距离参数分辨率低，精度差等 。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（2）,1. 概述（2）,S模式SSR的发展,美、英两国早在上世纪70年代就开始对SSR的性能进行改进研究，分别提出了几乎一致的改进方案,英国：“选择寻址（Adel）”二次监视雷达,美国：离散选址信标系统（DABS）,1983年，ICAO就对其进行认可和批准，并称其为S模式系统。,中国民航大学 CAUC,

11、4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（3）,1. 概述（3）,S模式SSR的特点,f问=1030MHz，f答=1090MHz 。,采用视距传播方式，垂直极化。,S模式系统的地面询问是一种只针对选定地址编码的飞机专门呼叫的询问，它与现用A、C模式SSR的根本差别在于，装有S模式应答机的飞机，都有自己单独的地址码，即编有地址的飞机对地面的询问也用本机所编地址来回答，因而每次询问都能指向选定的飞机。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（4）,2. S模式SSR系统的组成,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（5）,3. S模式

12、SSR询问模式（1）,询问模式的类型,一种是为兼容AC模式而设的S模式脉幅调制（PAM）询问脉冲信号,另一种是专为S模式使用的二进制差动相移键控（DPSK）询问信号,询问飞机的代号和高度,可作上传输报文通信A和加长报文通信C的数据通信之用,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（6）,3. S模式SSR询问模式（2）,脉幅调制询问信号（1）,A模式：与普通SSR的A模式相同,C模式：与普通SSR的C模式相同,A模式/S模式全呼叫,若A-C模式应答机接收到此询问，则只对P1和P3译码，以A模式回答飞机的代号 。,S模式应答机接收到该询问信号，它从P1、P3和P4脉冲

13、认出是A/S模式全呼叫的询问，则S模式应答机以带本飞机离散地址（24位）的“S模式全呼叫回答”信号作回答。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（7）,3. S模式SSR询问模式（3）,脉幅调制询问信号（2）,C模式/S模式全呼叫,若A-C模式应答机接收到此询问信号，只对P1和P3译码，译码成功后，以C模式的高度码回答飞机的高度。,若是S模式应答机接收到该询问信号，则它从P1、P3和P4脉冲认出是“C模式/S模式全呼叫”的询问，则S模式应答机也是以带本飞机离散地址（24位）的“S模式全呼叫回答”信号作回答。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次

14、监视雷达S模式（8）,3. S模式SSR询问模式（4）,脉幅调制询问信号（3）,“仅A模式全呼叫”信号仅对询问机管辖范围内的全部A-C模式应答机作呼叫，而不要求引出S模式应答机作回答。,若AC模式应答机收到该询问信号，则以A模式回答飞机的代号。,若S模式应答机收到该询问，由于P4脉冲宽度仅为0.8s，它便抑制S模式应答机不作回答。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（9）,3. S模式SSR询问模式（5）,脉幅调制询问信号（4）,“仅C模式全呼叫”信号也是仅对询问机管辖范围内的全部AC模式应答机作呼叫，而不要求引出S模式应答机作回答。,若AC模式应答机对此询问

15、作响应时，各自以其C模式的高度码来报告飞机的高度。,若S模式应答机收到该询问，由于P4脉冲宽度仅为0.8s，它便抑制S模式应答机不作回答。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（10）,3. S模式SSR询问模式（4）,差动相移键控询问信号 （1）,S模式二进制差动相移键控（DPSK）询问是在“AC模式/S模式全呼叫”询问之后，地面询问机接收到S模式应答机的S模式“全呼叫回答”，已获得了该飞机位置（方位、距离、高度）和该飞机地址码，并以带有该飞机地址字段作S模式点名式的询问时使用。,全部S模式点名询问信号（包括“仅S模式全呼叫”询问信号）均为DPSK信号，这种询

16、问信号由P1、P2和P6脉冲组成。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（11）,3. S模式SSR询问模式（5）,差动相移键控询问信号 （2）,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（12）,3. S模式SSR询问模式（6）,差动相移键控询问信号 （3）,P1、P2为前导脉冲（同步脉冲），它们之间的间隔为2s，与普通SSR的旁瓣抑制情况相同，因此，若AC模式应答机收到该询问信号，其询问信号中的P1、P2脉冲就可以抑制AC模式应答机，使之在29s内不作回答，以防止由于AC模式应答机的随机触发而导致的同步窜扰。,中国民航大学 CAUC

17、,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（13）,3. S模式SSR询问模式（7）,差动相移键控询问信号 （4）,P6在P1脉冲前沿之后的3.5s以10300.01MHz发射P6等幅波，经1.25s后，把等幅波的相位倒相180。此后0.5s的倒相等幅波作为第一码元前的起始基准相位。串行的“码元”中把信息存在P6之内，第一码元开始产生在同步倒相（SPR）之后的0.5s处。码元1就是一个持续0.25s的等幅波射频间隔，每一码元应有257.50.0025Hz。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（14）,3. S模式SSR询问模式（8）,差动相移键控询问信号

18、（5）,在DPSK信号P6之内共有56或112个码元，在最后一个“码元”之后有一个0.5s宽的保护间隔，以防止P6的后沿干扰解调处理。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（15）,3. S模式SSR询问模式（9）,差动相移键控询问信号 （6）,在P6之内包含的数据块有56位短报文和112位长报文两种，其中最后字段为24位飞机地址和奇偶校验位，其余的位作为信息使用。数据块中的24位地址码可为16777216架飞机提供地址，足以为可预见到的全球每架飞机分配一个专用地址识别码。而数据块中的其他二进制码，分别用作控制字、识别/高度询问，及传递空中其他信息，如天气报告，

19、起飞许可，高度许可等。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（16）,3. S模式SSR询问模式（10）,差动相移键控询问信号 （7）,旁瓣抑制的方法与模式A/C的处理方法不同。模式S的旁瓣抑制脉冲P5从天线的控制波束发射，在时间上与同步相位倒相（反转）重叠。如果从旁瓣收到询问，由于P5脉冲信号强于P6，应答机不能检测出同步相位反转，也就不能回答。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（17）,4. S模式SSR应答格式（1）,应答信号的类型,兼容的S模式回答信号,S模式应答机所发射的应答信号，若是响应AC模式/S模式全呼叫或S模

20、式选址（点名）询问或仅S模式全呼叫，则以S模式的脉位调制回答信号作回答。,S模式应答机所发射的应答信号，若是响应AC模式（包括仅AC模式全呼叫）的询问，则以AC模式的脉码调制回答信号作回答。,S模式回答信号,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（18）,4. S模式SSR应答格式（2）,兼容的S模式回答信号,S模式应答机所发射的应答信号，若是响应AC模式（包括仅AC模式全呼叫）的询问，则以AC模式的脉码调制回答信号作回答。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（19）,4. S模式SSR应答格式（3）,S模式回答信号（1）,S模式

21、应答机所发射的应答信号，若是响应AC模式（包括仅AC模式全呼叫）的询问，则以AC模式的脉码调制回答信号作回答。,中国民航大学 CAUC,4.2 现行监视系统,三、二次监视雷达S模式（20）,4. S模式SSR应答格式（4）,S模式回答信号（2）,S模式回答信号中，数据块有56位和112位两种。数据块包含的主要内容有：24位飞机地址和奇偶校验位，控制字、识别/高度应答，新通信频率确定，最低安全高度告警，驾驶员对管制员批准的致谢等。,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,一、概述（1）,自动相关监视（ADS）是ICAO在新航行系统中所推荐的一种新监视技术。,所谓自动相关监视系统，是指机

22、载导航系统获得的导航信息（这些信息至少包括飞机的识别信息和四维位置信息），通过卫星数据链或VHF空地数据链，自动实时地发送到地面接收和处理系统，然后通过显示系统将飞机位置点图形化地映射到显示屏幕上，使其能像雷达点迹一样在屏幕上显示出来。因此，ADS的显示被称为伪雷达或仿雷达。,ADS的类型,选址式自动相关监视（ADS-A），或合同式自动相关监视（ADS-C）,广播式自动相关监视（ADS-B）,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,一、概述（2）,ADS-A与ADS-B的比较（1）,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,一、概述（3）,ADS-A与ADS-B的比较（2）,

23、中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（1）,1. ADS-B概念的提出,ADS：建立在地对空监视基础之上,机载防撞系统（ACAS）或交通防撞系统（TCAS）：80年代后期发展起来的，建立在空对空监视基础之上,机场场面活动监视：地对地监视,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（2）,2. ADS-B的发展过程（1）,1989年以来，瑞典民航局（SCAA）和Swedavia机构在对FANS的开发研究中，提出了一个和移动电话系统结构相似的方案，称之为“蜂窝式CNS概念（CCC）”。,CCC系统的核心为GNSS转发器加上VHF自组

24、织TDMA数据链实现飞机广播位置报告和地面上传DGNSS修正数据。,瑞典和丹麦合作，在斯堪的那维亚半岛上从斯德哥尔摩至哥本哈根区域内建立了5个地面台作大面积试验。1994年6月进行了较大规模的飞行试验。,Eurocae WG-51工作组对CCC系统进行了研究，制定了最低运行性能规范，作为ADS-B的标准。,瑞典民航局（SCAA）研制的系统被称为“GNSS 转发器（GNSS transponder）”,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（3）,2. ADS-B的发展过程（2）,1992年3月：FAA委托林肯实验室进行S模式数据链应用的示范，建议利用S模式长格

25、式自发报告（Squitter）去广播飞机的GPS测定位置，并于1993年4月，利用S模式进行DGPS修正数据的全方向广播。整个系统被称为“GPS自发报告（GPS Squitter）”。,GPS Squitter系统地面设备不用SSR，只需S模式通信功能的发射接收设备。根据用途分成3种：,场面监视功能：作用距离3nm,终端监视功能：作用距离50nm,航路监视功能：作用距离100nm,RTCA也研究了上述问题，并定义了一个新术语：自动相关监视广播（ADS-B）,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（4）,2. ADS-B的发展过程（3）,瑞典民航局（SCAA）研

26、制的 “GNSS transponder”和FAA的 “GPS Squitter）”系统的研究和发展情况，都曾在ADSP会议上提交信息文件。ADSP-2会议认为，这些方法与当时定义的ADS-A不同，是ADS-A的异化形式。,ADS-B已成为ICAO新航行系统方案中的一种重要组成部分。,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（5）,3. ADS-B实施现状 （1）,美国,欧洲,在经过了阿拉斯加地区一系列试验和评估后，美国FAA于2002年公布了关于ADS-B数据链的决定，在国内开始实施ADS-B服务，其中商业航空运输采用1090 ES数据链，通用航空方面采用通用

27、访问收发信机（UAT）数据链。,目前已规划了短期和中期ADS-B实施内容，特别强调采用1090 ES数据链方式，并将尽早实施ADS-B应用（包括空地/空空应用）。,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（6）,3. ADS-B实施现状 （2）,澳大利亚,亚洲,已完成了ADS-B的试验与运行评估工作，认为ADS-B具有类似甚至优于单脉冲二次雷达的监视性能。因此，澳大利亚民航局在2010年以后，将提供航路管制监视的方式逐渐过渡到ADS-B监视。,ICAO的亚太地区航行规划和实施小组正在规划ADS-B在该地区的实施，建议近期使用1090 ES数据链作为ADS-B类雷

28、达服务的数据链。,中国,成都九寨航路的ADS-B试验工程：中国民航局2006年5月启动,民航飞行学院的ADS-B试验,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（7）,4. ADS-B支持的应用,空-空监视：改善飞机碰撞能力，提供驾驶舱交通信息显示（CDTI）,地-地监视：即地面监视，包括跑道和滑行道，防止地面相撞（依靠DGNSS信息）,地-空监视：航路、终端区、精密跑道监控（PRM）,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（8）,5. ADS-B的组成与基本工作过程（1）,ADS信息源,传输信道,信息处理和应用显示,中国民航大学

29、 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（9）,5. ADS-B的组成与基本工作过程（2）,对飞机而言，ADS-B信息源包括各种机载导航传感器和接收机以及大气数据系统。原始数据采集后交由机载飞行管理计算机（FMC）进行整理和融合形成ADS信息，由ADS接口组件（ADSU）交由发射装置发射。,ADS-B信息源,ADS-B传输信道,VHF数据链,S模式SSR数据链,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（10）,5. ADS-B的组成与基本工作过程（3）,地面ATC部门的飞行数据处理系统（FDPS）可以将飞机的位置点图形映射到显示终端屏幕上，使

30、其能像雷达点迹一样在屏幕上显示出来，即伪雷达显示。,ADS-B的信息处理和应用显示,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（11）,6. ADS-B可传送信息的类型（1）,具有ADS-B功能的飞机可以对外广播各类所需的监视信息,标识号（ID）,呼号（CALL SIGN）：由7个字母数字组成，对于不接受ATS服务的飞机或车辆以及军用飞机不需要此类信息。,地址（ADDRESS）：用以唯一标识飞机的24位地址。,类型（CATEGORY）：由国际民航组织定义的描述航空器类别的标识，如轻型机、中型机及滑翔机等。,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播

31、式自动相关监视（11）,6. ADS-B可传送信息的类型（2）,状态矢量：移动目标的状态矢量包括在全球统一参考系统下的三维位置和速度等信息。,三维位置：在传输数据格式上要求不损失精度和完好性，几何位置元素使用WGS-84坐标系。,三维速度：包括水平速度矢量和垂直速度，几何速度信息使用WGS-84坐标系。,飞机转向标示：左转、右转和直飞。,导航不确定度分类（NUCNavigation Uncertain Category） ：包括位置不确定度NUCP和速度不确定度NUCR。,中国民航大学 CAUC,4.3 自动相关监视系统,二、广播式自动相关监视（12）,6. ADS-B可传送信息的类型（3）,状态和意图信息：主要用于支持ATS和空空应用,紧急/优先状态（Emergency/Priority）：用于标识紧急或优先级状态的相关信息，如非法侵入告警和油量供应不足等。,当前意图信息（Current Intent）：当前需要发布的飞机意图状态，包括目标高度、所期望的航迹等。,航路意图信息（Trajectory Change Point）：提供航路发生改变的相关意图信息，如当前航路改变意图信息