АНАЛИЗ ОГРАНИЧЕНИЙ СЕЛЕКТИВНОГО ОПРОСА MODE S В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ НАГРУЗКИ КАНАЛА 1090 МГЦ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются ограничения функционирования системы Mode S в условиях высокой нагрузки канала 1090 МГц. Показано, что, несмотря на использование селективного опроса и адресации, Mode S остаётся уязвимой к интерференции, ложным несинхронным ответам и наложению сообщений вследствие совместного использования радиочастотного диапазона. Анализ нормативных документов и результатов современных исследований демонстрирует, что историческое требование совместимости вынудило Mode S работать в перегруженном радиочастотном окружении, что порождает фундаментальные ограничения её помехоустойчивости. На основе теоретического анализа, моделирования и экспериментальных наблюдений выявлены ключевые механизмы возникновения помех и их влияние на достоверность радиолокационной информации. Предложены подходы к повышению устойчивости обработки сигналов и улучшению качества наблюдения в кооперативных системах УВД.

ABSTRACT

This paper examines the operational limitations of the Mode S surveillance system under high traffic load in the 1090 MHz channel. It is shown that despite the use of selective interrogation and aircraft addressing, Mode S remains vulnerable to interference, unsynchronized replies, and message overlap due to shared spectrum usage. An analysis of regulatory documents and recent studies demonstrates that historical compatibility requirements forced Mode S to operate within a congested radio-frequency environment, resulting in fundamental constraints on its interference resistance. Based on theoretical analysis, modeling, and experimental observations, key mechanisms of interference formation and their impact on the reliability of surveillance data are identified. Approaches to improving signal-processing robustness and enhancing the quality of cooperative air-traffic surveillance are proposed.

Ключевые слова: ограничения Mode S, селективный опрос; интерференция; наложение ответов; перегруженность канала 1090 МГц.

Keywords: Mode S limitations, selective interrogation, interference, reply overlap, 1090 MHz channel congestion.

Введение

Рост интенсивности воздушного движения привёл к существенному увеличению нагрузки на кооперативные системы наблюдения, использующие общий частотный ресурс 1030/1090 МГц. В этом диапазоне одновременно работают системы ATCRBS (Mode A/C), Mode S, ADS-B 1090ES, TCAS, MLAT/WAM, что неизбежно вызывает взаимные помехи, ложные несинхронные ответы и наложения сообщений. Эти эффекты становятся критичными в условиях высокой плотности сообщений и напрямую влияют на достоверность радиолокационных данных. Mode S изначально проектировался как совместимый и прозрачный по отношению к ATCRBS протокол. Требование обратной совместимости предопределило его работу в тех же частотных каналах — запрос на 1030 МГц и ответ на 1090 МГц. Несмотря на внедрение селективного опроса и адресации, Mode S остался частью общего спектра, где продолжают функционировать независимые источники сигналов, не синхронизированные между собой. Это означает, что системные ограничения, присущие ATCRBS, в том числе высокая вероятность наложения сообщений, были неизбежно унаследованы Mode S. Цель данной статьи — проанализировать ограничения селективного опроса Mode S в условиях высокой нагрузки канала 1090 МГц, исследовать механизмы возникновения помех и предложить решения для повышения устойчивости обработки радиолокационной информации [11, 12].

Материалы и методы исследования

Исследования работы радиолокационных систем в диапазоне 1030/1090 МГц показывают, что при высокой плотности воздушного движения канал обмена испытывает серьёзные ограничения. Отмечается, что ответы, поступающие от запросов соседних станций, формируют несинхронные помеховые сигналы, которые приходят в случайные моменты времени и мешают приёму нужных сообщений, что приводит к уменьшению эффективности станции. Также указывается, что в районах с большим числом источников запросов бортовые ответчики получают чрезмерную частоту сигналов и не всегда могут своевременно отвечать локальному радиолокатору, причём увеличение частоты опросов лишь усиливает перегрузку [7, 10].

Математические модели работы режима S подтверждают, что вероятность наложения сигналов возрастает пропорционально росту числа одновременно действующих воздушных судов, а быстро увеличивающееся количество запросов приводит к повторяющимся конфликтам сообщений и снижению вероятности их корректного приёма. В работах по оценке функционирования сетей наблюдения подчёркивается, что смешанные сообщения от разных самолётов становятся неразделимыми для стандартного приёмника, что приводит к заметному снижению качества обновления данных [5, 6, 13].

Дополнительные исследования показывают, что наложение ответов происходит уже при разности дальностей порядка 3 км, когда временные структуры импульсов становятся неразличимыми и приёмник рассматривает такие сигналы как искажённые. Указывается, что перекрытие ответов возникает в широком диапазоне сочетаний дальности и азимута, что заметно ухудшает работу систем, основанных на режимах A/C и S [4].

Таким образом, результаты моделирования и анализа реальных данных сходятся в том, что рост интенсивности полётов неизбежно приводит к увеличению числа наложенных сигналов, перегрузке ответчиков и снижению надёжности приёма информации. Это подтверждает, что даже современные системы режима S не обеспечивают гарантированной устойчивости при высоких нагрузках, поскольку проблема перекрытия ответов носит системный характер [4, 7].

Современные приемные станции ADS-B, MLAT и WAM, как правило, используют одноканальные приёмники с ненаправленными антеннами, из-за чего вероятность временного пересечения Mode S-сообщений становится существенной и возрастает по мере увеличения интенсивности воздушного движения. Если ответы или squitter-передачи нескольких источников накладываются во времени, полученные сообщения повреждаются и не могут быть корректно декодированы; при этом невозможно однозначно определить местоположение и идентификацию излучающих объектов — как воздушных, так и наземных [14, 15].

Для наземных приёмников, расположенных в центральной части Европы (Брюссель), интенсивность поступающих несинхронных ответов может варьировать от 25 000 до 95 000 сообщений в секунду, в зависимости от времени года, числа активных запросчиков и прочих факторов. При таких уровнях FRUIT вероятность обнаружения целей на дальностях более 20 морских миль может снижаться до значений менее 70 %, что серьёзно влияет на качество и достоверность радиолокационной информации [2, 9].

Механизм селективного адресования является одним из ключевых элементов протокола Mode S и основан на использовании уникального 24-битного ICAO-адреса, присваиваемого каждому воздушному судну. Этот адрес обеспечивает однозначную идентификацию борта и используется в наземных и бортовых системах для корреляции данных наблюдения, мультирадарного трекинга и алгоритмов ACAS/TCAS. Транспондер Mode S отвечает как на индивидуальные запросы, адресованные конкретному ICAO-адресу, так и на широковещательные all-call сообщения, применяемые при первоначальном обнаружении цели.

Рисунок 1. Последовательность захвата цели и активации режима lockout в системе Mode S

Селективное адресование снижает количество неадресных ответов и уменьшает вероятность возникновения FRUIT и импульсных перекрытий, характерных для SSR Mode A/C. Структура 24-битного адреса включает префикс государства и индивидуальный регистрационный номер, что позволяет масштабировать адресное пространство. Для предотвращения повторных all-call ответов применяется механизм lockout: транспондер запоминает Interrogator Code (IC) станции, обнаружившей цель, и блокирует ответы на её повторные широковещательные запросы в течение установленного интервала. Однако lockout не распространяется на запросы других Mode S/SSR радаров, TCAS или ADS-B передач. Поэтому, несмотря на адресацию и исключение повторного обнаружения, полностью устранить FRUIT и garbling в многосистемной среде 1030/1090 МГц невозможно (рисунок 1) [16].

Таким образом, совместная работа Mode A/C, Mode S и ADS-B и др. на 1090 МГц вызывает появление FRUIT — несинхронных ответов от сторонних запросчиков. Одновременное проявление помех типа garbling и FRUIT приводит к ошибкам декодирования, ложным отметкам и снижению достоверности радиолокационной информации.

Гарблинг возникает при наложении последовательностей нескольких транспондеров в одном временном окне, особенно при малой разности дальностей и азимутов. В таких условиях приёмник теряет способность разделять импульсы, что приводит к потере данных. Даже при использовании цифровых алгоритмов не всегда удаётся восстановить структуру сообщения, и искажённые ответы отбрасываются как недостоверные [3, 6].

Различают два типа гарблинга: асинхронный, при котором частичное декодирование ещё возможно, и синхронный, когда временные сетки сообщений совпадают полностью, что делает восстановление структуры невозможным. Синхронный гарблинг приводит к формированию ложных импульсных комбинаций и появлению фиктивных целей (рисунок 2) [7, 17].

а)                                                           б)

Рисунок 2. Пример формирования несовпадающего временного наложения (а) и перекрывающихся импульсных сигналов (гарблинг) (б)

FRUIT возникает, когда борт отвечает на запросы других РЛС, и такие ответы поступают вне ожидаемого окна. В условиях перекрытия зон обнаружения несколько запросчиков вызывают рост ложных импульсов, появление некоррелируемых отметок и ухудшение точности сопровождения, что делает алгоритмы подавления FRUIT критически важными при высокой загруженности спектра 1030/1090 МГц.

Рост интенсивности воздушного движения является одним из ключевых факторов увеличения нагрузки на радиочастотный спектр 1030/1090 МГц. Согласно прогнозу EUROCONTROL (осень 2024 г.), европейская сеть УВД рассматривает устойчивый среднегодовой прирост числа рейсов в период до 2030 года. В качестве базового уровня принят трафик 2019 года (≈11,1 млн рейсов), который используется как предкризисная точка сравнения. После резкого спада в 2020–2021 годах, связанного с пандемией, отрасль демонстрирует уверенное восстановление: уже в 2023 году объём полётов достиг отметки ~10,1 млн (рисунок 3) [18].

Рисунок 3. Прогноз количества рейсов в европейском воздушном пространстве на период 2024–2030 гг. в сравнении с уровнем 2019 года

Базовый прогноз EUROCONTROL на 2025 год указывает на увеличение трафика на 3,7 % относительно 2024 года и практически полное восстановление уровня 2019 года. К 2030 году ожидается рост до 12,0–12,2 млн рейсов по базовому сценарию и до 13,3 млн — по оптимистичному.

Представленные данные EUROCONTROL наглядно демонстрируют высокую плотность и хаотичность распределения ответов Mode S в европейском воздушном пространстве. На карте показано, что даже в пределах одной секунды фиксируется значительное число коротких и длинных сообщений Mode S, формируемых как в режиме All-Call, так и в режиме селективного опроса. Такая концентрация импульсных ответов приводит к усложнению декодирования, повышает вероятность наложений и создаёт нагрузку на наземные приемники, особенно в зонах пересечения трасс. Так как доступ к каналам 1030/1090 МГц ограничен, в то время как объём обмена непрерывно растёт, это формирует предпосылки для частых коллизий, повторных запросов и увеличения числа All-Call транзакций. Это подтверждает выводы о том, что Mode S, несмотря на независимую адресацию и селективный опрос, функционирует в условиях перегруженной среды и остаётся уязвимым к интерференции, garbling и FRUIT (рисунок 4)[1].

Рисунок 4. Пространственное распределение частоты ответов Mode S на 2023 год

Для воспроизведения условий перегруженной среды 1030/1090 МГц был создан экспериментальный стенд на базе модулей nRF24L01+, работающих в диапазоне 2.4 ГГц, но обеспечивающих высокую скорость импульсной модуляции и позволяющих воспроизводить структуру SSR/Mode S сигналов. Один передающий модуль использовался как генератор полезного сигнала, второй — как источник помех, имитирующий:

• перекрывающиеся импульсные последовательности (garbling);
• несинхронные ответы, имитирующие FRUIT;
• варьирующиеся задержки и случайные временные сетки сообщений;
• плотный поток коротких Mode S short/long replies, аналогичный EUROCONTROL-картам [19].

Запись данных осуществлялась через последовательный порт Arduino и выводом в формат CSV, после чего информация обрабатывалась в Python. Таким образом, стенд позволил в контролируемых условиях воспроизвести те же эффекты, что наблюдаются в загруженном канале 1090 МГц, включая ложные импульсы и значительное падение SNR (рисунок 5).

Рисунок 5. Радиолокационная визуализация сигналов в программе Python: синие — корректные ответы, зелёные — FRUIT (случайные помехи), красные — наложения (garble)

После получения исходных данных была реализована трёхступенчатая система фильтрации. Каждый фильтр выполнял отдельную функцию:

1. Медианная фильтрация использовалась для подавления импульсных выбросов, возникающих при garbling и FRUIT. Она устраняла резкие скачки без искажения фронтов полезных импульсов. На этом этапе снижалась плотность ложных отсчётов и восстанавливалась структура временной сетки.
2. Фильтр Баттерворта (5-го порядка) Применялся как низкочастотный фильтр для сглаживания высокочастотных колебаний и восстановления общей формы сигнала. Он уменьшал шум, не внося фазовых искажений, что особенно важно для Mode S, где форма импульса критична для декодирования PPM-последовательности.
3. На завершающем этапе фильтр Калмана выполнял рекурсивную оценку состояния сигнала, динамически перенастраивая ковариации процесса и измерений. Это позволяло адаптироваться к изменяющемуся уровню помех и восстанавливать амплитуду полезных импульсов даже при сильных перекрытиях [8].

Результаты каскадной фильтрации продемонстрировали значительное повышение качества сигнала:

• медианный фильтр устранил большинство импульсных выбросов, связанных с garbling;
• Баттерворт дал прирост SNR за счёт подавления высокочастотного шума;
• фильтр Калмана позволил восстановить форму SSR/Mode S импульсов и стабилизировать амплитуду.

Таблица 1.

Количественное сравнение методов фильтрации радиолокационных сигналов

Наиболее высокий суммарный эффект достигается при использовании гибридного каскада, где преимущества каждого метода дополняют друг друга: медианный фильтр устраняет импульсные выбросы, фильтр Баттерворта подавляет широкополосный шум, а Калмановская фильтрация выполняет финальное уточнение оценки сигнала. Расчётные значения отношения сигнал/шум (SNR, Signal-to-Noise Ratio) и среднеквадратичной ошибки (MSE, Mean Squared Error) получены при единых экспериментальных условиях и отображены в таблице 1.

Результаты и обсуждения

Проведённый эксперимент показал, что даже при высоком уровне интерференции возможно восстановление структуры Mode S сообщений и повышение качества принимаемого сигнала. Наибольший эффект был достигнут при использовании комбинированного подхода, включающего многоканальный сбор данных, моделирование условий FRUIT и garbling, каскадную фильтрацию и адаптивную оценку шумовых характеристик.

В базовом сценарии без фильтрации входной SNR составлял около 0 дБ, что означает почти полное совпадение мощности полезного сигнала и шума — в результате радиолокационное эхо было существенно искажено. После применения каскадных методов фильтрации SNR увеличился на 5–10 дБ, а значение MSE уменьшилось почти на порядок, что свидетельствует о значительном улучшении качества сигнала.

Полученные результаты подтверждают, что применение каскадных фильтров и адаптивных методов обработки сигналов является эффективным инструментом для компенсации перегруженности канала 1030/1090 МГц и может быть использовано в системах УВД для повышения устойчивости наблюдения в условиях растущей интенсивности воздушного движения.

Заключение

Проведённое исследование демонстрирует, что даже при высокой концентрации импульсных помех возможно восстановление структуры Mode S-сообщений при использовании многоканального сбора данных и моделирования условий FRUIT и garbling. Каскадная система фильтрации позволила компенсировать деградацию сигнала и обеспечить прирост отношения сигнал/шум. Особенно значимый эффект достигается благодаря адаптивности фильтра Калмана, которая обеспечивает реконструкцию амплитуды импульсов и сглаживание вариаций, вызванных перекрытиями временных структур. В результате количество ложных импульсов, приводящих к формированию фиктивных целей, существенно снизилось, а состояние сигнала стало стабильным для декодирования. Таким образом, предложенная архитектура обработки демонстрирует практическую эффективность в условиях перегрузки канала 1090 МГц и подтверждает необходимость внедрения подобных методов в радиолокационные комплексы УВД.

Список литературы:

1. Себальос-Гутьеррес Х., Аранда-Эсколастико Э., Морено-Салинас Д.Оптимизация использования спектра систем наблюдения Mode S путём координации извлечения параметров DAP. // Aerospace and Electronic Systems Magazine. – 2025. – Т. X, № Y. – 11 с.
2. Галати Дж., Де Матеис У., Магаззу А., Ордоне Ф. Разделение перекрывающихся ответов Mode S на одноканальных приёмных станциях с использованием цифрового пошагового улучшения. // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. – 2015. – Т. 30, № 2. – С. 44–55.
3. Гарванов И., Кабакчиев Х. Адаптивная бинарная интеграция CFAR для обработки сигналов радиолокаторов вторичного наблюдения. // Кибернетика и информационные технологии. – София: Болгарская академия наук. – 2009. – Т. 9, № 1. – С. 46–54.
4. Раджеш Р., Шарма Р., Балакришнан Т., Гупта Р. Корреляционный метод моноимпульсной обработки для разделения перекрывающихся ответов радиолокаторов вторичного обзора. // Труды конференции по радиолокации. – IEEE. – 2006. – С. 1–6.
5. Леонарди М., Лендерс В., Стромхайм М. Анализ наложения сигналов и загрузки канала в распределённых сетях наблюдения воздушного движения. // Отчёт исследовательской сети OpenSky. – 2019. – 12 с.
6. Онджю А., Чалышкан А., Эфе М. О. Алгоритм опроса режима S для зон с высокой плотностью воздушного движения. // Материалы Международной конференции по радиолокации. – IEEE. – 2022. – С. 458–466.
7. Орландо В. А. Система радиолокации Mode S. // Журнал Линкольновской лаборатории. – 1989. – Т. 2, № 2. – С. 345–380.
8. Сун Фэй, Ли Ён, Чэн Вэй, Дун Лимэн, Ли Минци, Ли Цзюньфан. Улучшенный фильтр Калмана на основе рекуррентной нейронной сети с долгой краткосрочной памятью для нелинейного сопровождения радиолокационных целей. // Wireless Communications and Mobile Computing. – 2022. – Статья № 8280428. – 10 с.
9. Алиев Т. Р., Искендеров И. А. Статистический анализ влияния перегрузки частотного диапазона на системы управления воздушным движением. // Материалы конференции «Февральские чтения 2025». – Баку: Национальная авиационная академия. – 2025. – С. 99–104.
10. Алиев Т. Р., Искендеров И. А. Повышение надёжности радиолокационных систем УВД: стратегии и современные решения. // Международный журнал авиационной науки и технологий. – 2025. – Т. 6, № 1. – С. 45–58.
11. EUROCONTROL. Основы работы режима S и применение адресации в системах вторичного радиолокационного наблюдения. Учебно-методическое руководство. // Брюссель: EUROCONTROL. – 2019. – 64 с.
12. Искендеров И. А., Алиев Т. Р. Разработка модели автономной диагностической системы TCAS с использованием бесконтактных датчиков тока. // Новые методы технического обслуживания и ремонта. – Берлин: Springer. – 2023. – С. 117–121.
13. Искендеров И. А., Алиев Т. Р. Разработка перспективных методов повышения надёжности радиолокационной информации в системе УВД. // Исследования и обновления в области применения искусственного интеллекта в беспилотных технологиях. ISUDEF-2024. – Берлин: Springer. – 2024. – С. 240–246.
14. Искендеров И. А., Алиев Т. Р. Обзор инновационных методов повышения надёжности радиолокационной информации в управлении воздушным движением. // Вестник Академии гражданской авиации. – 2024. – № 3 (34). – С. 77–88.
15. Алиев Т. Р., Искендеров И. А. Анализ методов применения искусственного интеллекта в адаптивной фильтрации радиолокационных сигналов в условиях высокодинамичной помеховой среды. // Материалы Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Искусственный интеллект – перспективы и возможности применения» – Алматы: Академия гражданской авиации. – 2025. – С. 677–682.
16. EUROCONTROL. Принципы работы режима S и система кодов опрашивающих станций. Руководство по эксплуатации. // Брюссель: EUROCONTROL. – 2003. – 52 с.
17. RadarTutorial. Fruit / Defuiter — наложения ответов в системах вторичного радиолокационного обзора. // Онлайн-ресурс. – Режим доступа: https://www.radartutorial.eu/13.ssr/sr14.en.html – Дата обращения: 01.12.2025
18. EUROCONTROL. Европейский обзор гражданской авиации. Отчёт за 2024 год. // Брюссель: EUROCONTROL. – 2025. – 26 с.
19. Nordic Semiconductor. nRF24L01. Однокристальный приёмопередатчик 2.4 ГГц. // Техническая спецификация. – Тронхейм: Nordic Semiconductor. – 2007. – 74 с.