用于空中交通管制的二次监视雷达系统

摘要

本发明涉及一种用于空中交通管制的二次监视雷达系统(1)，二次监视雷达以下称为SSR。SSR系统(1)包括多个二次雷达站(2)并且适于借助在二次雷达站(2)与空中交通工具的应答机(9)之间发送的数据信号(8)的传播时间测量来确定空中交通工具在二次雷达站(2)的至少一些二次雷达站(2)的覆盖范围之内的位置。二次雷达站(2)中的每个都工作在已被同步的本地时基上。为了提供没有群的SSR系统(1)的雷达站(2)的高精度的同步，建议SSR系统(1)的二次雷达站(2)根据要被同步的二次雷达站(2)接收到的并且SSR系统(1)的其他二次雷达站(2)之一所广播的同步信号(10)的内容被同步。优选地，该内容包括同步信号(10)的传输时间。

说明书

本发明涉及一种用于空中交通管制的二次监视雷达(以下简称为SSR)系统。SSR 系统包括多个二次雷达站并且适于确定空中交通工具在二次雷达站中的至少一些二次雷 达站的覆盖范围之内的位置。空中交通工具的位置借助在二次雷达站与空中交通工具的 应答机之间传输的数据信号的传播时间测量来确定。为了实现精准的传播时间测量，为 了允许比较通过二次雷达站测量的传播时间并且为了实现借助所谓的多点定位或者双曲 定位过程对空中交通工具的位置进行可靠计算，二次雷达站中的每个都工作在同步本地 时基上。

原理上，传播时间测量可以以两种不同的方式来实现：空中交通工具广播地面基站 所接收的信号，地面基站测量“到达时差”，或者实现所传输的信号的实际传播时间测量。

二次监视雷达被称为“二次”，以使其区别于通过无线电信号从空中交通工具、例 如飞机的外壳被动反射而工作的“一次雷达”。一次雷达在大型全金属飞机的情况下最佳 地工作，而对于小型复合飞机不是很好。该一次雷达的范围也受到地形和气象条件(例 如雨或雪)限制，并且该一次雷达也检测诸如汽车、丘陵和树之类的不期望的对象。此 外，不是所有一次雷达都可估计飞机的海拔高度。二次雷达克服了这些限制，但是二次 雷达取决于飞机中的应答机来响应于来自二次雷达站(例如地面站)的专门的询问，以 使得飞机更明显并且报告飞机的海拔高度和与飞机有关的其他信息。

二次监视雷达(SSR)系统是用在空中交通管制(ATC)中的雷达系统并且也是用在 机载防撞系统(ACAS)中的雷达系统。SSR系统不仅检测和测量飞机的位置，而且向飞 机本身请求诸如其身份和海拔高度的附加信息。不像通过检测所反射的无线电信号来仅 测量目标的范围和方位的一次雷达系统，SSR取决于其目标装备有雷达应答机，该雷达 应答机在某些时刻(例如定期地)发送包含编码数据的信号或者通过发送包含编码数据 的响应信号来应答专门的询问信号。编码数据被SSR系统用来通过多点定位而分别定位 应答机的位置和飞机的位置。

二次雷达站是位于地面上的某些固定位置处的基站。二次雷达站的位置对于基站所 连接到的中央处理单元是已知的，并且被用于确定应答机的位置和飞机的位置。使用多 点定位来检测飞机的位置和海拔高度的SSR系统依靠SSR系统的所有二次雷达站的本地 时基的精确同步。当前使用的多点定位同步技术是：

—通过外部时钟的同步(公共时钟模式)，外部时钟信号通常由GPS(全球定位系统) 或者GNSS(全球导航卫星系统)提供并且由二次雷达站中提供的GPS或者GNSS接收机 接收。

—借助单独的附加校准发射机、例如借助该发射机发射的高频(HF)信号的单向同 步。二次雷达站位于校准发射机的覆盖区域之内并且只能从校准发射机接收校准信号， 但不能向校准发射机发送信号。通过相同的校准发射机同步的所有二次雷达站形成所谓 的群。在两个群之间形成相互关系，其中二次雷达站之一从两个或更多校准发射机接收 校准信号，并且两个或更多群时基之间的差被传送到中央处理单元。在较大的系统或WAM (广域多点定位)系统中，期望的覆盖区域可超过单个校准发射机所覆盖的区域；各具 有自己的时基的多个群必须被建立并且这些群不得不被桥接。用于同步一个群的多个站 的同步消息没有包含针对定时的有用信息。仅根据同步消息的到达时间来执行同步，同 步消息的内容对于同步不重要。

GB 2 250 154 A和EP 0 653 643 A描述了多点定位系统，这些多点定位系统的基 站必须被同步。这些现有技术参考中使用的同步源是HF信号。该信号包括发送信号的基 站的标识符(ID)。接收方基站将该ID与关于信号到达该接收方基站的到达时间(TOA) 的信息一起转发给这些基站所连接到的中央处理单元。所限定的基站位置在中央处理单 元处是已知的。中央处理单元根据ID、TOA和基站的位置确定不同接收方基站的内部时 钟的偏移。因此，公知的同步方法需要单独的附加中央处理单元，用于执行基站的同步， 其中所有基站必须被连接该单独的附加中央处理单元。此外，用于多点定位系统的同步 的HF信号并没有被用于传输有用的定时数据。

[09]因此，本发明的目标是提供没有群的WAM系统的雷达站的容易和简单的高精度的同 步。

为了解决该目标，本发明建议一种包含权利要求1的特征的用于空中交通管制的 SSR系统。特别是，建议了根据SSR系统的要被同步的二次雷达站所接收到的并且由SSR 系统的其他二次雷达站之一所广播的同步信号的内容来同步该二次雷达站。当然，SSR 系统的二次雷达站中的一个以上的二次雷达站可根据本发明被同步，特别是SSR系统的 所有二次雷达站可被同步。

根据本发明，建议使用时间信号或时间信标发射机作用校准设备。时间信号或者时 间信标发射机是优选的，但不一定是SSR系统的二次雷达站中的至少一个。根据优选实 施例，发射机并不是单独的附加硬件单元。而是，公知的SSR系统中已经存在的硬件被 用于附加地执行二次雷达站的同步。因此，这些发射机并不是仅发送任意同步信号，该 信号也包括关于并且允许接收该信号的(多个)二次雷达站的同步的数据有效载荷中的 信息。同步信号优选地包括数据包。该同步信号特别是包含指示同步信号的传输时间的 信息。

根据本发明的二次监视雷达(SSR)系统与现有技术中已知的常规多点定位系统的 重要差别在于如下内容：常规系统使用它们自己或者外部收发器发送的同步消息。包含 在那些消息中的数据被用于仅仅标识源，而并不包含可直接用于同步过程本身的任何有 用信息。根据本发明，指示同步信号的传输时间的信息在信号中被发送。这允许接收方 基站自发地使它们的本地时钟同步。没有单独的附加中央处理单元需要用于使SSR系统 的基站同步。根据本发明，该信号中所发送的附加数据被嵌入该信号本身中并且可被直 接用于同步，而不必向其他外部实体请求其他信息。二次雷达站的同步可以在接收同步 信号的站中的每个站中被执行。这意味着，根据本发明，多点定位系统的同步并不要求 附加的外部处理单元和将基站与处理单元连接的数据链路。

因此，本发明允许更灵活的WAM/多点定位系统设计。与此相反，现有技术中已知的 常规系统被组织成单元或群，并且两个WAM系统之间的互连要求复杂的协议。

对于WAM系统，整个同步网格可以使用冗余链路来建立，以改善整个同步性能。与 当前同步技术相比，接收机(二次雷达站)不需要附加的数据链路来进行同步，因为该 接收机(二次雷达站)可接收对于其同步所需的所有相关信息并且根据从WAM系统的一 个或多个其他二次雷达站接收到的同步信号的内容推断所述相关信息。同步所需的所有 信息被包含在同步数据包的有效载荷中。二次雷达站中的每个都通过从其他雷达站中的 一个或多个接收同步信息并且处理同步信息来规定其自己的同步。这种技术可被用于使 任何尺寸的WAM系统同步，而不必引入具有不同时基的不同群。相反，在所有二次雷达 站同步之后，整个WAM系统将运行在公共的同步时基上。为了简化操作和处理，这可以 是UTC(世界协调时)或其某些衍生形式，但是当然也可是任何其他(包括合成的)时 基。

当然，要被同步的二次雷达站能不仅从一个其他雷达站而且从多个其他雷达站接收 同步数据包。那么，要被同步的雷达站可执行某种表决或者数学处理，以便达到要被同 步的雷达站基于其来使其本地时基同步的单个时基。如果二次雷达站从其他二次雷达站 中的一个以上的二次雷达站接收到同步信号，则接收方二次雷达站可选择同步信号中的 被最佳同步的由其他二次雷达站发送的一个同步信号。在那种情况下，同步信号的内容 可包括d被同步到的那些二次雷达站的标识和/或关于发送站的同步质量的信息。

包含在同步信号的有效载荷中的并且用于同步雷达站的信息例如包括从发射方二 次雷达站发送同步信号的时刻(“传输时间”)。传输时间是(不是指向某个接收方二次雷 达站或针对某个接收方二次雷达站提供的)非特定信号，其可由SSR系统的任何接收站 来接收和处理。传输时间不能总是被提前测量(在已发生实际发送并且信号已离开广播 天线之前)，因为在信号被实际发送之前，也就是在知道精确的传输时间之前，传输时间 的值必须被插入到数据有效载荷中。在这种情况下，同步信号可包含两个连续的数据包 或电报。两个数据包中的第二数据包包含第一包的传输时间。

在所谓的相干系统中，传输时间可以提前确定。在那种情况下，单个数据包会是足 够的。然而，本发明的广播通过要被同步的接收站来接收的数据包中的传输时间的思想 是相同的。

除传输时间之外，同步信号也可包含来自时间信标发射机的状态数据，时间信标发 射机给出不同的健康信息，健康信息可被用来生成整个网络中的不同二次雷达站的状态 的实时思想。时间信标发射机的概念允许甚至在多点定位系统之外使用时间信标，而无 需具有到这些时间信标发射机的附加的数据链路。从架构观点看来，有史以来第一次在 地面站本身中使用时间信标执行同步功能。

包含在发送站发送的同步信号中的信息优选是发射机的时域中的时间信息。所发射 的信号是并不意图用于某个接收机并且因此可被在所发送的信号的作用范围之内的任何 接收站接收的非特定信号。在接收机处，从发送站接收到的时间信息可被用于确定发射 机的时域中的同步信号的预测的到达时间。与像接收机的时域中的实际到达时间的附加 信息一起可被用于确定发射机的时域与接收机的时域之间的差，并且最终可被用于使接 收机在发射机的时域上同步。

作为同步信号的有效载荷内容发送的所发送的时间信息优选是传输时间。与像发送 站到接收站的距离和信号的传播时间的附加信息一起通常可被用来确定发射机的时域中 的预测的到达时间。

当然，也会能通过如下方式来确定接收站处的时钟校正值：在考虑同步信号的传播 时间的情况下，将接收到的同步信号中所包含的广播站的时域中的传输时间与接收站的 时域中的根据在接收站接收同步信号的实际时间所确定的估计的传输时间进行比较。

借助所描述的单向同步，雷达站可被同步到公共时基，例如被同步到SSR系统的至 少一个其他二次雷达站的时基。单向同步允许SSR系统的二次雷达站的容易、快速和可 靠的同步。另外，双向同步可被使用，以便增强多点定位过程、即飞机位置的确定的性 能和精度。通常，(对应于雷达站的)校准节点之间的几何距离是已知的，因为(对应于 发送同步数据包的雷达站的)固定的发射机位于固定的已知位置。双向技术可被用来检 查在传输路径中是否有附加的未知影响(山、建筑物、树、气象干扰等)，这可影响同步 数据包从其他雷达站中的至少一个到要被同步的雷达站的传播时间。假设基站之间的距 离是固定的，则双向同步通过将单向同步的结果与双向同步的结果进行比较来允许对整 个SSR系统的实时性能测试。在那种情况下，特别是通过考虑传输路径中影响响应信号 的实际传播时间的某些效应，以较高的精度确定所估计的传播时间并且因而确定飞机的 位置。进一步地，双向同步也允许接收同步信号的二次雷达站的更精确的同步。此外， 双向技术允许评估如下传输路径：在所述传输路径上，响应信号从飞机的应答机行进到 接收方雷达站，而同步信号从发射方雷达站行进到要被同步的雷达站。如果该站是最近 定位在需要的任何地方的移动二次雷达站，并且如果该站的位置还没有被确定和/或被传 送给其他雷达站，则这是特别有利的。

为了实现双向同步，要被同步的站也广播数据信号。这些数据信号通过SSR系统的 广播同步信号的站来接收。因而，发送站广播同步信号并且从作用范围中的其他二次雷 达站接收数据。接收到的数据信号可被用于确定可从其接收到数据信号的那些站、即作 用范围中的那些站，并且确定从这些站接收到的数据信号的质量。

其他站发送的数据信号可通过发送同步信号的站并且也可通过其他站中的一个或 多个来接收。接收数据信号的站(其中发送同步信号的站)可将信息输入到不时地被更 新的列表中。该列表可被定期地更新或者在某事件发生时被更新，例如，如果从新站接 收到信号，如果接收到的信号的质量变化或者如果从某个站不再接收到信号，则更新该 列表。该列表也可包含分配给列表中包含的不同站并且表示曾确定从某个站接收到的数 据信号的质量的时间的时间戳。

包含在列表中的信息可被广播到SSR系统的其他站，优选地作为同步信号的有效载 荷的部分被广播。由于当在二次雷达站之中经空中接口发送数据时带宽受限，所述信息 优选地针对包含在列表中的站逐一连续发送，其中同步信号中的每个都优选地包含在列 表中所包含的站之一的信息。如果二次雷达站所发送的每个同步信号都包含关于到列表 的恰好一个其他站的传输路径的信息，则在发送同步信号的站的作用范围中已发送对应 于站的总数目的多个同步信号之后，包含在列表中的所有信息已被发送。

关于从广播站到要被同步的二次雷达站之一的传输路径的附加信息被作用范围中 的所有其他站来接收并且从有效载荷中来提取。然而，关于传输路径的附加信息仅通过 其涉及的那个接收站来处理。例如，如果接收站通知附加信息涉及广播站到另一站的传 输路径，则针对其本地时钟的同步，接收站仅使用包含在其中的传输时间，而不管关于 传输路径的信息。与此相反，如果接收站通知所述附加信息涉及广播站到接收站的传输 路径，则该接收站针对其本地时钟的同步使用包含在其中的传输时间并且使用关于传输 路径的信息来更新传播时间值，以便针对将来的同步获得更高的精度。

由于站的位置和传输路径的特征仅在例外情况下变化的事实并且如果这些站的位 置和传输路径的特征变化，则这些站的位置和传输路径的特征以非常长的时间常数变化， 并且由于站装备有晶体振荡器的事实，关于广播站处的包含在列表中的传输路径的附加 信息必须并非非常频繁地被更新并且被发送到其他站。在每一分钟或多个分钟一次、优 选地一分钟一次或两次的范围中的更新和发送率将提供良好的结果。

例如，如果二次雷达站在作用范围中具有十个其他SSR系统的站，并且如果关于传 输路径的附加信息经空中接口被广播，则同步信号定期地每秒被发送两次，也就是每分 钟被发送120次。如果同步信号包含关于到作用范围中的站中的仅一个站的传输路径的 附加信息，则同步信号会必须包含针对某个站的附加信息。如果关于传输路径的信息被 每分钟更新一次，则每分钟发送的120个同步信号中的仅十个同步信号会不得不包含关 于传输路径的附加信息。要被同步的接收站将能够使其本地时域每分钟同步120次并且 能够每分钟更新一次关于从广播站被发送到接收站的信号的传播时间的信息。包含关于 传输路径的附加信息的同步信号可被连续发送，使得要在那个时刻被发送的剩余110个 同步信号会不包括关于传输路径的附加信息。可替换地，包含关于传输路径的附加信息 的同步信号可被分发，使得例如每十二个同步信号会包括关于从广播站到作用范围中的 其他站之一的传输路径的附加信息。

当然，包含在同步信号中的附加信息可经在广播二次雷达站与要被同步的二次雷达 站之间的任何传输路径被发送，例如经SSR系统的二次雷达站之间建立的单独的发送线 路或者单独的网络被发送。在那种情况下，较高的带宽是可用的，并且会可能在要被立 即同步的发送同步信号的二次雷达站处发送包含在列表中的所有信息。

根据本发明的优选实施例，建议经也被用于向飞机的应答机发送询问信号并且用于 从飞机的应答机接收响应信号的空中接口来发送同步信号，甚至发送同步数据包(sync 包)。同样的情况适用于在双向技术中从要被同步的二次雷达站发送到SSR系统中的一个 或多个其他二次雷达站的数据包。Sync和数据包也可经也被用于在地面站与飞机之间传 输信号的空中接口被发送。地面站与飞机之间的通信可使用模式S(上行链路：1030MHz、 下行链路：1090MHz)、UAT(通用访问收发机；上行链路和下行链路：例如使用978MHz)、 (利用现有的航空VHF频率中的一个或多个的)VHF数据链路(VDL)模式4或者其在其 他频率上的变型。所有RF信号可被用来携带同步信息。针对空中交通管制系统，这意味 着，每个RF信号链路(不管主要目的是什么)可被用来使多点定位系统同步。本发明的 目的是最小化附加RF信号的使用并且以混合方式使用已经现有的信号。数据调制到这些 信号中的方式可以是使用已经现有的数据字段或者使用附加的调制或编码方案，这些附 加的调制或编码方案对于已经使用这些信号的老式设备是不可见的和透明的。

根据该实施例，同步数据包从二次雷达站中的至少一个到要被同步的二次雷达站的 发送并且数据包在相反方向上的发送以RF链路执行，使得双向计算可纯粹地基于机场周 边活动区数据来执行。

由于所有站都装备有十分精确的晶体振荡器，所以同步状态包的发送率可低至每分 钟一次或两次。发送率高到足以确保这些站的本地时钟的同步的期望精度在仅数纳秒范 围中。根据状态包生成的“水平状态”在某个时间周期上是恒定的，并且因此并不一定 必须被更频繁地发送。

SSR系统的不同二次雷达站将同步信号本身处理为包含针对同步的所有相关信息的 数据链路。本发明的重要方面是将同步信号混合使用，一方面为无线数据链路而另一方 面为携带针对同步过程的所有相关数据并且不仅用作发送机的标识源的方式。

同步信号携带数据的事实也可被用来发送比纯同步相关数据更多的信息。针对具有 低交通量的区域中的实现方案，这个附加信息甚至可以包括来自远程传感器的测量结果， 从而使得附加的数据链路(其可能非常昂贵)不是必需的。附加信息可在与最初使用的 同步信号相同的频率和调制方案或者在其他频率上被发送。由于现今的大多数硬件是频 率捷变的，所以相邻信道上的发送可以是选项；这可利用已经安装的硬件、线缆和/或天 线来完成。一个实施例可以是，例如在像UAT等的窄带调制方案的情况下，使用具有 1090/1030能力的时间信标发射机来在1030/1090MHz或者在其间的任何频带中发送附加 数据。

所建议的时间信标发射机架构允许多个多点定位传感器接收机的精确同步。以相同 的方式，系统的时间信标发射机所发射的时间信号也可被移动或者机载参与者用来独立 地执行定位。换言之，SSR系统的二次雷达站的同步架构也被用于导航目的。这(至少 在本地)提供完全独立于常规导航系统、像例如GPS、伽利略或者类似的导航系统的导 航系统，这允许用户执行RAIM(接收机自主完好性监测)测量(实时检查接收机是否在 给定的时间容差之内适当地工作)。

一从四个时间信标站接收到信号，则移动单元就可求解其位置/时间等式(4个未知 元)。如果该移动单元从较少时间信标站接收信号，则该移动单元可至少部分地或者(通 过使用像DME(距离测量设备)的位置确定的附加非完整方式)完整地求解其定位等式。

根据本发明的优选实施例，多个时间信标发射机工作在航空SSR雷达频带 (1030/1090MHz)。然而，时间信标发射机也可使用DME频带(960MHz到1215MHz)或 者像在110MHz到118MHz之间的ILS(仪表着陆系统)/VOR(VHF全向无线电范围)的 其他无线电导航频带中的其他频率和调制方案。那么，参与者(也就是机载接收机)将 出于定位目的而使用包含在这些信号中的信息。此新方面是现在有两个利用时间信标的 多点定位系统：一个是在地面上具有传感器的“经典”系统，另一个是机载系统，其中 这些信号被用作导航和补充NAVAIDS(导航辅助：使用时间和测距的导航系统)的附加 物，从而仅给全二维/三维导航系统递送像DME的非完整解决方案。

时间信标可以以不同方式发送定时信息。如稍后详细描述的那样，在非相干系统中， 定时信息可以被分割成挑战(challenge)/增援对(follow-up pair)。这意味着，包成 对地被发送，最初包含系统ID和状态信息。在相干系统中，传输时间提前已知，因此成 对不再是必需的并且数据包仍携带精确的传输时间。该信息也可经由所谓的背驮式调制 (piggyback modulation)、例如覆盖不同用途的其他信号的扩频编码信号来发送。

因此，不仅多点定位系统而且VOR、ILS或者DME发射机都可装备有辅助发射机或 调制器来及时发送准确的并且高度精确的时间信标。

目前，在现有技术中，多点定位系统的公知的同步源是GPS。利用本发明，其他时 间源也可被用来使多点定位系统、像基于VLF的信号、LORAN(远程导航)等同步。当多 点定位时间信标(或者其他信标)使用这些可替换的时间输入时，独立于GPS的基于地 面的时间广播系统或者其他基于空间的GNSS可被建立，从而允许机载参与者针对其独立 定位而使用这个可替换的时间源。

以下参考附图详细解释本发明的优选实施例。其中：

图1示出了根据本发明的SSR系统的第一优选实施例；

图2示出了根据本发明的SSR系统的第二优选实施例；

图3示出了根据本发明的借助SSR系统进行空中交通管制的方法的优选实施例；以 及

图4示出了用于使SSR系统的二次雷达站同步的优选方法。

图1示出了根据本发明的第一实施例的二次监视雷达(SSR)系统1。SSR系统1包 含多个二次雷达站2，像图1中所示的站A、B、C和D。对于本领域技术人员明显的是， SSR系统1可包含多于或少于图1中示出的四个站2的站2。站2中的每个都配备有至少 一个天线3，用于发送(发射)和接收射频(RF)信号。数据可以经由RF信号根据ICAO (国际民用航空组织)定义的模式S标准来发送。所有站2经由通信链路5被连接到中 央处理单元4。链路5可以是有线或者无线链路。处理单元4包含控制单元6和可视化 单元7。当然，本发明并不限于根据模式S协议的数据信号，而是可利用在地面站与飞 机、例如UAT之间交换的任何种类的信号来实现。

在飞机(未示出)上的应答机9在模式S标准(1090MHz)上广播响应信号8，该响 应信号8可被在应答机9的覆盖区域之内的站A、B、C的天线3接收。SSR系统1的二 次雷达站2中的至少一些二次雷达站2不时地发送根据模式S标准(1030MHz)的专用询 问信号8、8’。站A、B和C发送的询问信号8被在飞机(未示出)上的应答机9接收。 站D所发送的询问信号8’不管出于什么原因都没有被应答机9接收。应答机9甚至在 飞机上的应答机9之后的处理逻辑检查接收到的信号8是否包含有效询问。如果情况如 此，则应答机9在模式S标准(1090MHz)下广播响应信号8，该响应信号8可被在应答 机9的覆盖区域之内的站A、B、C的天线3接收。响应信号8例如包含飞机的标识、飞 机的预期方向和关于飞机的健康和状态的其他信息。

信号8的定时信息、特别是指示响应信号8在站A、B、C处接收的时间(到达时间) 的信息经由通信链路5被发送到中央处理单元4。站A、B、C的位置在中央处理单元4 中是已知的。通过评估从站A、B、C被提供给处理单元4的时间值，处理单元4确定在 一方面为站A、B、C与在另一方面为应答机9之间的距离。飞机的位置在处理单元4中 借助所谓的多点定位过程来确定，并且该位置可能与关于飞机的其他信息一起可被显示 在可视化单元7上。

二次雷达站2中的每个都具有本地时钟，例如晶体振荡器形式的本地时钟，从而提 供本地时基或者时域。为了允许可靠和精确地确定飞机的位置，二次雷达站2甚至其本 地时钟不得不被同步。本发明涉及用于使站2同步到针对所有站2有效的公共时基上的 特别有利的方式。为了简化操作，这个公共时基可以是UTC或者其一些衍生方案。然而， 公共时基也可以是任何其他(包括合成的)时基。

二次雷达站2的同步借助包含在站2之中被发送的同步信号10(例如数据包)的有 效载荷中的同步信息来执行。特别是，同步信息包含关于同步信号10的传输时间的定时 信息。同步数据包10优选地也作为根据模式S标准(或者任何其他标准、例如UAT)的 RF(射频)信号被发送。

本发明的主要思想是提供一种用于使SSR系统1的二次雷达站2同步的容易、简单 且廉价的方式。这通过使用已经存在于站2中的硬件来实现。在站2之中经由已经现有 的信号发送设备发送定时信息。为了借助模式S多点定位过程确定飞机的位置，站2已 经装备有用于在1090MHz频带中从应答机9接收时间信标信号8和用于在1030MHz频带 中发送询问信号8的硬件。这个硬件被用来在二次雷达站2中发送和接收同步信号10。 因而，站2在1030MHz频带(在那种情况下，站2中的接收机会不得不被扩展到1030MHz 频带)中发送同步信号10，或者优选地在1090MHz频带(在那种情况下，站2中发射机 会不得不被扩展到1030MHz频带)中发送同步信号10。二次雷达站2中的发射机和/或 接收机的扩展可被容易实现，因为所需的硬件已经存在于站2中。所需的调制方法也已 经在站2中被实现。

此外，本发明在没有附加的外部处理单元的情况下完成，二次雷达站2不得不被连 接到所述附加的外部处理单元，用于计算不同本地时钟相对于公共时基的偏移并且用于 实现站2的同步。相反，根据本发明，确定本地时钟的偏移，并且在这些站2本身中执 行这些站的同步。这通过将定时信息、特别是指示同步信号10的传输时间的信息作为在 站2之中的同步信号10的部分进行发送来实现。这给予接收同步信号10的每个二次雷 达站2执行其自己的同步的可能性。因而，每个二次雷达站2都能够通过仅仅收听和接 收同步信号10来自己同步。中央处理单元4仅用于分别确定应答机9和飞机的位置。该 中央处理单元4并不用于使二次雷达站2同步。

根据本发明的同步过程非常快速，因为对于执行站2的同步无需在二次雷达站2自 身与可能的其他外部实体之间的问答式通信。仅仅站2中的一个或多个必须发送已经包 含所有信息的同步信号10，其中接收站2需要所述所有信息，以便能够执行其自己的同 步。特别是，接收站2并不必须从其他外部实体取得附加信息或者在能够执行同步之前 向发送站2发送响应。

在相干系统中，同步信号10的传输时间可以容易地并且相当精确地被预测并且在 同步信号10中被发送。然而，在非相干系统中，这并不是那么容易。在那种情况下，同 步信号10包含至少两个连续发送的数据包。同步信号10的传输时间的值是两个连续发 送的数据包的第二数据包的内容。传输时间的值基于从两个连续发送的数据包中的第一 数据包的传输获得的知识来预测。当然，包含两个连续发送的数据包的同步信号10并不 限于非相干系统，而是也可被用在相干系统中。

基于PAM-FAR(精确进场监控法兰克福领空)多点定位系统的可能应用，SSR系统 1可覆盖每100海里大约150(对应于每200km近似250)的区域。包含二次雷达站2的 网络的同步基于骨干网并且成网状。站2中的至少一些站充当时间信标发射机。在图1 中示出的实例中，站A和C充当时间信标发射机。当然，可能的是，该网络的所有站2 充当时间信标发射机。充当时间信标发射机的站2优选地被处于暴露的地点，例如处于 电视或无线电广播塔的顶部上。充当时间信标发射机的站A和C周期地发送同步数据包 10，例如每秒发送一次或两次。

包含在同步信号10的有效载荷中的并且用于雷达站2的同步的信息例如包括同步 信号10从发送方二次雷达站A、C被发送的时刻(所谓的“传输时间”)。当然，代替实 际传输时间，也可使用指示传输时间的一些其他变量或值。传输时间在发送站的时域中 被确定。为了促进要被同步的站中的不同时间的处理，时间值都可以以标准化时间、例 如UTC(世界协调时)来提供。传输时间不能被提前测量，因为在信号10被实际发送之 前，也就是在已知精确的传输时间之前，传输时间的值不得不被插入到数据有效载荷中。 会可能的是，将传输时间的估计值插入到同步信号10的有效载荷中。

然而，根据优选实施例，同步信号10包括至少两个连续的数据包或电报。例如通 过相同的起始地址或者其他相对应的标识，这两个分组被彼此关联，因为这两个数据包 已被相同的站2发送。这两个包紧随地被发送，也就是第二包在已完成第一包的发送之 后仅数毫秒或者甚至仅数微秒被发送。第一包的发送可被广播站2利用来确定发送属性。 结合第一数据包(挑战)的发送所确定的发送属性可被用于针对紧随的第二数据包(增 援)提供非常精确的传输时间估计。可替换地，两个数据包中的第二数据包简单地包含 第一包的实际传输时间。

同步信号10也可包含关于发送站2的状态、位置和同步的其他信息。特别是，某 个站2发送的同步信号10可包含站的地理位置、关于发送站被同步到哪个其他站2上的 信息、关于发送站2的同步质量的信息和其他关于发送站2的健康和状态的信息。其他 站2充当客户端并且可接收所发送的同步信号10。在图1中所示的实例中，站A所发送 的同步信号10被其他站B和C接收。其他站D可位于发送站A的作用范围之外，并且因 此不能接收站A所发送的同步信号10。接收站B和C可通过收听发送站A所广播的同步 信号10来自己同步。接收站B和C可根据包含在接收到的同步信息的有效载荷中的同步 信息来校正其本地时钟。通过从充当时间信标的其他二次雷达站2接收附加的同步信息， 用于同步目的的多网格网络可被建立。

由于在包括固定的二次雷达站2的网络中已知在同步信号10的发射机与接收机之 间的地理距离，所以可在接收站确定同步信号10的传播时间。除发射机与接收机之间的 距离之外还可影响传播时间的附加信息也可在同步信号10的有效载荷中被发送。该附加 信息可通过双向测量来导出，下面参考图2的实施例详细描述。图1仅涉及单向测量。 接收方多个时间信标改善了同步过程的可靠性和精度。例如，在图1中，站B从站A以 及从站C接收同步信号10。

二次雷达站A和C所发送的除了同步信号10被发送的时间之外的同步信号10可包 括附加信息。这可以是但并不限于到其他时间信标的双向测量、其他信标的可见度、存 在于传输路径中的影响同步信号10到某个站2的发送持续时间的效应、差分GPS信息和 警报。有效编码技术确保：尽管RF信道上可用的比特率相对低，该信息仍可被发送。

附加信息也可通过在相同的(1090MHz)信道或者在其他信道中使用不同的附加调 制技术或者通过将高阶调制原理添加到现有的信号结构而被发送。这个原理也可被用于 其他信号(例如UAT)。

通过使用上述针对二次雷达站2的同步技术，SSR系统1可自由缩放。该SSR系统 1可通过添加附加的站2而容易地被扩充。这些附加的站2由于以下事实可非常容易地 被同步到SSR系统1：每个二次雷达站2通过从已经同步的一个或多个其他站2接收和 处理广播同步信号10而自动简单地自己同步。相邻的WAM群并不需要专用的或专有的协 议来同步其本地时基。由于每个站2都运行在公共时基上，所以所有SSR系统的站2的 任意组合都可形成中央处理站2，这些站2中的许多可共同存在。

本发明相对于现有技术WAM同步架构的优点是定时网格可自由缩放并且固有地是冗 余的，也就是说，一个时间信标发射机(站2)的损失可通过其他站2来补偿。本发明 针对同步主干线路使用发射机—发射机链路。优点是这些链路可在双向计算的情况下被 建立和被评估，从而也监控对传输路径的影响(其被在此重新广播)。参考图2详细描述 双向同步。在图2中，那些已经从图1已知并且参考图1描述的部件具有与根据图1的 实施例的那些部件相同的附图标记。

基于广播同步信号10的二次雷达站2(例如站A)解释双向同步，该同步信号10 被另一二次雷达站2、例如站B接收。如上面所提及的那样，同步信号10在其有效载荷 中包括传输时间或者指示信号10的传输时间的另一值、即信号10离开站A的天线3的 时刻。

此外，站A也接收从其他站B和C中的一个或多个所广播的数据信号11。通过从其 他站B和C接收数据信号11，站A可发现哪个其他站B和C在作用范围之内。例如，站 D被布置在作用范围之外，并且因此站A从站D没有接收到数据信号11。此外，站A可 确定关于在站A与在作用范围之内的其他站B和C之间的传输路径的信息。该信息例如 可以是发送质量。关于在站A与其他站B和C之间的不同传输路径的信息可被输入到站 A处的列表或者数据库中。该列表可不时地被更新。该列表的内容作为成为同步信号10 的有效载荷的部分的附加信息被发送到其他站B和C。为了减小在站2之间的空中接口 上使站2同步所需的所要求的带宽，关于在站A与其他站B和C之间的传输路径的附加 信息经常比同步信息更少地被发送。例如，尽管用于站2的同步的传输时间可每秒被发 送至少一次或两次，但是如果关于(多个)传输路径的附加信息一分钟被发送一次或者 甚至更少，则这是足够的。

与关于同步信号10从发送站A到接收站B的发送持续时间(所谓的传播时间)的 信息一起，从在接收站B处的接收到的同步信号10的有效载荷所提取的传输时间被用于 基于发送站A的时基来确定到达接收站B的实际到达时间。这个基于发送站A的时基的 到达时间在接收站B中与在接收站B的时基中信号10到达接收站B的实际到达时间比较。 通过比较这两个到达时间，站B的本地时钟的校正值可被计算，并且站B的时钟可通过 校正值被校正并且与站A的本地时钟同步。当然，也会可能根据站B的时域中的实际到 达时间和同步信号10的传播时间来计算在接收站B的时域中所估计的传输时间。在那种 情况下，在广播站A的时域中的实际传输时间与在接收站B的时域中的所估计的传输时 间相比，以便获得站B的本地时钟的校正值。

不确定性的元素是关于同步信号10从发送站A到接收站B的发送持续时间(传播 时间)的信息，如果该信息仅基于在两个站A与B之间的距离来计算。距其他站2的距 离可被存储在SSR系统1的所有二次雷达站2中。然而，这仅在固定的站2中是可能的。 此外，这暗示SSR系统1的结构、特别是所有站2的数目和标识是已知的并且被预先存 储在所有站2中。这明显减小了系统1的灵活性，因为添加新站2可以是十分复杂的。 此外，每个站2都必须具有用于存储网络信息的适当的存储装置。

如果站2是移动的，则有利的是，站2被配备有用于确定其位置的装置、例如GPS 或者其他类似的卫星接收机。由GPS或者类似系统确定的关于站2的实际位置的精确信 息可作为同步信号10的有效载荷的部分从发送站A被发送到接收站B。利用这个信息和 已知其自己的位置，接收站B可计算针对在广播站A与接收站B之间的距离并且进而针 对同步信号10从发送站A到接收站B的发送持续时间的十分精确的值，即使站A、B是 移动站2。

如果确定SSR系统1的站2之间的发送质量，则同步信号10的发送持续时间的值 的精度可进一步被增强。这可借助通过广播同步信号10的站A从其他站2、例如站B和 C接收到的数据信号11来实现。指示发送质量的值例如可以是其他数据信号11从发送 站B和C到接收站A的实际发送持续时间。其他信号11可以是类似于同步信号10的在 其有效载荷中携带同步信息的同步信号。通过评估接收站A中的所发送的信号11的时间 属性，可确定针对在站A与B之间的信号发送持续时间的高度精确的实际值。那么，该 信息可被插入到同步信号10的有效载荷中并且从站A被发送到站B，在站B中该信息在 其他时间值和信息之中被用来计算针对本地时钟的校正值。信号10、11在站2之间的两 个方向上的发送是图2中所示的双向同步的部分。

尽管在本专利申请中提及从一个站到另一站的数据发送，但是清楚的是这并不是点 到点的数据发送。相反地，所发送的信号是被某个站2、例如站A发送并且被在站A的 覆盖区域之内的其他站2中的任何站、例如站B、C或D接收的广播信号。相同的情况适 用于也为广播信号的返回信号11。尽管如此，广播信号10和/或11可包含将某个信号 10、11分配给某个接收站2的接收地址信息。例如，站C所广播的同步信号10被站B 和D(其最终被同步到站C上)接收。如果返回信号11也已包含同步信息，则该返回信 号可被视为同步信号。在那种情况下，站C所发送的返回信号11会对应于由站C广播的 同步信号10，并且同步信号10(作为返回信号11)会被站A(其最终也被同步到站C 上)接收。

图3示出了根据本发明的借助SSR系统1进行空中交通管制的方法的优选实施例。 根据图3的方法运行在SSR系统1的二次雷达站2之一上。该方法在功能框20中开始， 在功能框20中，定时器t₁和t₂被置为零。在接下来的功能框21中，由站2广播模式S 询问信号8或者任何其他类型的适当的广播信号。该信号8可以被飞机的应答机9接收， 该应答机9发送相对应的模式S或者任何其他类型的适当的响应信号8。在功能框22中， 应答机9所发送的信号8被二次雷达站2接收。在功能框23中，接收到的信号8被处理， 或者至少关于飞机的位置和海拔高度的信息可能与关于信号8的时间属性的信息一起在 站2中被确定并且经由通信链路5被转发给SSR系统1的中央处理单元4。在处理单元4 中，飞机的位置被计算(控制单元6)并且与关于飞机的其他信息一起被可视化(可视 化单元7)。

然后，在功能框24中，站2接收从一个或多个其他站2所广播的至少一个同步信 号10。在功能框25中，根据一个或多个接收到的同步信号10的内容、特别是传输时间 来使站2的本地时钟同步。同步信号10被SSR系统1的站2中的每个近似每秒发送一次。 如果接收到的同步信号10包括关于从发送站2到运行本方法的接收站2的传输路径的附 加信息，则该附加信息从信号10的有效载荷被提取并且被处理，以便更准确地确定信号 10从广播站2到接收站2行进所需的传播时间。关于从发送站2到并不是其上运行本方 法的站2的其他站2的其他传输路径的附加信息被丢弃。然而，与此处所描述的方法类 似的方法也可运行在那些站上。每个站2将关于传输路径的附加信息插入到其近似每分 钟发送的同步信号10的有效载荷中，也就是说近似每第60个同步信号10包括关于在发 送站与接收站2之间的发送质量的附加信息。

在询问框26中，确定时间t是否已超过某个时间值、例如1秒。如果否，则站2 继续发送模式S或类似的询问信号并且继续从飞机应答机9接收模式S或类似的响应信 号(框21至23)，并且站2继续从其他站2接收同步信号10以及继续使其本地时钟同 步(框24和25)，直至该时间超过一秒。

如果时间t已超过一秒，则在功能框27中，定时器t₁再次被置为零。在功能框28 中，站2广播自己的信号11，该信号11可被在作用范围之内的其他站2接收并且可包 含用于使其他站2同步的信息。因而，在这个实施例中，同步信息、特别是信号11的传 输时间每秒都被站2广播。

在询问框29中，确定时间t₂是否已超过某个时间值、例如一分钟。如果否，则该 方法返回到功能框21，直至定时器t₂已超过一分钟。如果定时器t₂已超过一分钟，则在 功能框30中，定时器t₂再次被置为零。那么，在功能框31中，站2在下次本方法运行 该步骤的步骤28期间给其他站2中的一个或多个提供关于发送质量的附加信息，其中该 附加信息要被插入到站2所广播的并且在作用范围之内的其他站2所接收的同步信号11 中。

那么，本方法返回到步骤21，在步骤21，模式S或类似的询问信号8被再次发送， 直至在又一秒之后站2再次发送包括传输时间的同步信号11并且在又一秒之后该站再次 广播具有涉及在站2与其他站2中的一个或多个之间的传输路径的附加信息的同步信号 11。

站2接收到的同步信号10以及站2所广播的同步信号11经由站2的空中接口被分 别接收或发送。总之，站2配备有该空中接口，以便往返于飞机发送和接收模式S或类 似的广播信号8。存在于站2中的相同的硬件被用于SSR系统1的站2的同步。因而， 同步消息根据模式S、UAT或者类似的标准被发送。

接下来，参考图4更详细地解释使接收站2的本地时钟同步到发送站的时钟上的步 骤25。站2的同步在功能框24中以接收被其他SSR系统1的站2之一所广播的S模式 或类似的数据包开始。在功能框40中，基于接收站2的(未被同步的)本地时钟的时基 来确定数据包的到达时间。

那么，在功能框41中，接收到的数据包被标识为同步信号10的部分。出于标识的 目的，成为同步信号10的部分的数据包可包括某个标识符。可替换地，这些数据包分别 可简单地通过其内容被标识为成为同步信号10的部分。接收站2可确定这些数据包在其 有效载荷中包含同步信息、像信号10的传输时间。

那么，在接下来的功能框42中，要被用于同步站2的有效载荷信息从接收到的数 据包被提取。如上面已经指示的那样，这个信息可包括但不限于：

—发送同步信号10的站2的标识，

—同步信号10已被发送站2发送的时刻(传输时间)，

—关于在发送站2与接收站2之间的传输路径的信息，

—发送站2的位置(例如GPS数据)，

—关于发送站2被同步到SSR系统1的其他站2中的哪个其他站上的信息，以及

—关于发送站2的同步质量的信息。

在功能框43中，确定接收到的同步信号10从发送站2发送到接收站2所用的持续 时间(所谓的传播时间)。该持续时间可以以多种不同的方式来确定。例如，如果该持续 时间作为附加信息的部分在同步信号10的有效载荷中被发送，则该持续时间可直接从接 收到的数据包的有效载荷中被提取。如果发送站2的位置作为附加信息的部分在同步信 号10的有效载荷中被发送，则发送站与接收站2之间的距离并且最终传播时间可被确定。 如果发送站与接收站2之间的距离作为附加信息的部分在同步信号10的有效载荷中被发 送，则该距离可从有效载荷中被提取并且最终可确定传播时间。最后，发送站2的标识 可从接收到的信号10被提取并且被用于从数据库读出传播时间，在该数据库中存储有在 SSR系统1的所有站2之间的所有传播时间。关于在发送站2与接收站2之间的传输路 径的质量的信息可被用于增强传播时间的确定的精度。

此后，在功能框44中，接收到的信号10的到达时间通过将传输时间(该信息在接 收到的信号10的有效载荷中被发送并且在步骤42被提取)添加到在步骤43确定的传播 时间来计算。在步骤44所计算的到达时间基于发送站的(已被同步的)时基。

在功能框45中，接收站2的本地时钟的(未被同步的)时基的校正值被计算。该 计算可通过将(基于接收站2的(未被同步的)时基)在步骤40所确定的实际到达时间 与(基于发送站的(已被同步的)时基)在步骤44所计算的所预测的到达时间进行比较 来实现。这两个到达时间之间的差可被用作校正值。

最后，在功能框46中，通过将在步骤45所计算的校正值添加到接收站2的本地时 钟的本地时基，接收站2的本地时钟被同步到发送站2的本地时钟。从现在起，接收站 2被同步到发送站2，并且可以在其部分发送同步信号10，用于使其他站2同步。例如， 在图1和图2中所示的实施例中，站C被同步到站A。那么，站C可发送被用于站D的 同步的同步信号10。那样，站D可(经由站C)被同步到站A的时基，尽管站D并不在 站A的覆盖区域之内。这允许站2的网格使SSR系统1的被扩展到非常大的区域的所有 站2同步，而不必建立具有不同时基的群。

根据图5中所示的本发明的又一实施例，移动或机载用户的应答机9从发送方二次 雷达站、像雷达站A、C接收同步信号10。移动或机载用户被配备有用于根据从接收到 的信号10所提取的指示同步信号10的传输时间的信息来确定用户的当前地理位置的处 理装置。如果应答机9从四个或更多二次雷达站接收同步信号10，则该处理装置可二维 地以及三维地精确计算用户的位置。然而，如果应答机9除了接收到的同步信号10和包 含在其中的定时信息之外还接收少于四个的信号10，则来自其他位置确定装置、特别是 距离测量设备(DME)的附加信息可被用于确定移动或机载用户的当前地理位置，以便完 全独立于常规的导航系统、像GPS等来提供2D/3D导航系统的全部功能。在那种情况下， 机载用户的处理装置处理包含在时间信标发射机A、C所广播的时间信号中的定时信息以 及来自其他位置确定装置、例如DME的附加信息。所述处理装置优选地包括一个或多个 处理器，在所述一个或多个处理器上执行计算机程序，以便基于来自信号10的定时信息 以及(可能)基于来自DME的附加信息来执行机载用户的定位。根据这个实施例，同一 个信号(即同步信号10)被用于SSR系统1的二次雷达站2的同步以及(至少本地地在 同步信号10的作用范围之内)用于机载交通工具的定位。这特别是在机场附近具有特别 的优点，其中针对二次雷达站2的同步和针对飞机的定位所需的RF信号的数量可被显著 减少。

为了更好的理解，在图5中，模式S询问信号8没有示出，尽管这些模式S询问信 号8也至少暂时地存在于图5的实施例。