概述

监视（Surveillance）是空中交通管制的三大支柱之一（通信、导航、监视，即CNS）。管制员需要知道每架航空器"在哪里"，才能提供间隔服务、避免冲突。

根据ICAO Doc 9924《航空监视手册》的定义，航空监视系统是指为ATM及机载用户提供航空器位置及相关信息的系统。监视手段可以大致分为两类：

  • 航路/空域监视：覆盖航路、终端区等广域空间，用于对空中飞行的航空器进行监视
  • 机场场面监视：覆盖机场跑道、滑行道、停机坪等区域，用于对地面运动的航空器和车辆进行监视

本文按照这两个维度，逐一介绍各类监视系统的原理和特点。

航路/空域监视

一次监视雷达（PSR）

PSR（Primary Surveillance Radar，一次监视雷达） 是最传统的雷达监视手段。它的工作原理与军用雷达相同：向空间发射电磁波脉冲，当脉冲遇到目标（航空器）后被反射回来，雷达接收反射信号，根据信号的往返时间和天线方位角确定目标的位置（距离和方位）。

项目说明
工作原理发射电磁波脉冲，接收目标反射回波
是否需要机载设备配合不需要（非协作式）
提供信息目标的距离和方位（二维位置）
不能提供的信息高度、航班号、应答机编码等识别信息
典型工作频段L波段（1–2 GHz）或S波段（2–4 GHz）
探测距离通常60–200 NM，视功率和天线而定
天线转速通常6–15 rpm

PSR的核心优势在于非协作性——它不依赖目标上的任何设备，只要目标能反射电磁波就能被探测到。这意味着即使航空器的应答机故障或关闭，PSR仍然可以"看到"它。

但PSR也有明显的局限：

  • 无法识别目标：雷达屏幕上只能看到一个回波点，不知道它是哪架航空器
  • 受杂波干扰：地面反射、气象回波、鸟群等都可能产生虚假目标
  • 无高度信息：仅提供二维平面位置
  • 设备昂贵：大功率发射机和大型天线的采购与维护成本高

正因为PSR无法提供识别信息，实际运行中它几乎总是与二次雷达（SSR）配合使用。PSR提供位置，SSR提供识别和高度，两者融合后才能形成管制员屏幕上完整的航迹标牌。

二次监视雷达（SSR）

SSR（Secondary Surveillance Radar，二次监视雷达） 的工作原理与PSR完全不同。它不依赖目标的反射回波，而是通过询问-应答机制工作：地面SSR发射询问信号，航空器上的应答机（Transponder） 收到询问后，主动发射应答信号，其中包含航空器的识别编码和高度等信息。

SSR源自二战时期的IFF（敌我识别）系统，是一种协作式监视手段——需要目标航空器装有工作正常的应答机。

SSR的模式

模式询问频率应答频率提供信息
Mode A1030 MHz1090 MHz4位八进制应答机编码（0000–7777），用于识别
Mode C1030 MHz1090 MHz气压高度（以100ft为增量）
Mode S1030 MHz1090 MHz24位ICAO地址（全球唯一）、高度（25ft增量）、航班号等

Mode A/C

传统的Mode A/C是SSR最早期的工作模式：

  • Mode A：管制员分配一个4位应答机编码（Squawk Code），航空器设置后，SSR询问时应答该编码，管制员据此在屏幕上识别目标
  • Mode C：航空器应答机自动报告气压高度

Mode A/C的主要问题是：

  • 编码数量有限（4096个），在繁忙空域容易出现编码冲突
  • 多架航空器在同一方位角上时，应答信号可能互相干扰（称为"果实效应"，Garbling/FRUIT）
  • 无法选择性地询问特定航空器

Mode S

Mode S（Select） 是SSR的重大升级。它为每架航空器分配一个24位ICAO地址（全球唯一，类似于网络设备的MAC地址），支持选择性询问——地面站可以单独询问某一架特定的航空器，而不是像Mode A/C那样对所有航空器广播询问。

Mode S的优势：

  • 唯一识别：24位地址全球唯一，不存在编码冲突
  • 选择性询问：减少频率拥塞和信号干扰
  • 更高精度：高度报告精度提升至25ft增量
  • 数据链能力：可承载额外数据（如航班号、选定高度、气象信息等）
  • 支持ADS-B和ACAS/TCAS：Mode S是ADS-B和TCAS的通信基础
项目Mode A/CMode S
识别方式4位八进制编码（4096个）24位ICAO地址（约1677万个）
询问方式全呼（所有航空器都应答）选择性询问（点名应答）
高度精度100 ft25 ft
数据链能力无有（可传输附加数据）
抗干扰能力较弱（果实效应）强

SSR是目前全球使用最广泛的航路监视手段。绝大多数管制区域都部署了SSR，Mode S正在逐步取代传统的Mode A/C。

ADS-B（广播式自动相关监视）

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance–Broadcast，广播式自动相关监视） 是一种全新理念的监视技术。与雷达"由地面主动探测目标"不同，ADS-B是由航空器主动向外广播自身的位置、速度、识别等信息，地面站和其他航空器均可接收。

名称中每个词都有含义：

词含义
Automatic自动发送，无需飞行员操作或地面询问触发
Dependent依赖机载导航系统（通常是GNSS/GPS）提供位置数据
Surveillance用于监视目的
Broadcast广播式发送，不针对特定接收方

ADS-B Out 与 ADS-B In

ADS-B分为两个方向：

类型说明
ADS-B Out航空器向外广播自身信息（位置、速度、高度、识别等），供地面站和其他航空器接收。这是各国强制要求装备的部分
ADS-B In航空器接收其他航空器广播的ADS-B信息，在驾驶舱显示周围交通态势。目前尚未普遍强制要求

对管制员而言，ADS-B Out是关键——地面ADS-B接收站收到航空器广播的信息后，将其送入管制自动化系统，管制员即可在屏幕上看到航空器的位置和标牌信息。

ADS-B的数据链

ADS-B信息的传输主要使用两种数据链：

数据链频率说明
1090ES（1090 MHz Extended Squitter）1090 MHz基于Mode S应答机的扩展发射，是ICAO全球标准，国际民航主流选择
UAT（Universal Access Transceiver）978 MHz美国FAA推广的替代方案，仅在美国18000ft以下使用

中国民航采用1090ES作为ADS-B数据链标准。

ADS-B的优势与局限

优势局限
更新率高（通常每秒1–2次，远高于雷达的4–12秒）依赖GNSS——GNSS信号受干扰或欺骗时，ADS-B数据不可靠
位置精度高（取决于GNSS精度）依赖机载设备——应答机故障则无法监视
地面设备简单、成本低（仅需接收站）数据完整性和安全性问题（信号可被伪造）
可部署在雷达难以覆盖的偏远地区协作式系统，无法探测未装备ADS-B的目标
提供丰富信息（位置、速度、航向、识别、意图等）

截至目前，美国（2020年起）、欧洲、澳大利亚、中国等主要航空国家/地区已陆续强制要求在特定空域装备ADS-B Out。ADS-B正在成为与SSR并列的核心监视手段。

ADS-C（合同式自动相关监视）

ADS-C（Automatic Dependent Surveillance–Contract，合同式自动相关监视） 是另一种自动相关监视技术，主要用于洋区和偏远地区等无雷达覆盖的空域。

与ADS-B的"广播"不同，ADS-C是点对点的合同式通信：地面ATC系统与航空器之间建立一个"合同"（Contract），约定航空器在什么条件下报告位置信息。

合同类型说明
周期性合同（Periodic）航空器按固定时间间隔（如每隔几分钟）自动报告位置
事件触发合同（Event）当特定事件发生时报告（如航向变化超过阈值、到达某航路点等）
按需合同（Demand）管制员随时请求一次位置报告
紧急合同（Emergency）紧急情况下自动报告

ADS-C通过卫星数据链（如FANS 1/A系统中的SATCOM）或VDL（VHF Data Link）传输数据，是FANS（Future Air Navigation System）的重要组成部分。

对比项ADS-BADS-C
通信方式广播（一对多）点对点合同（一对一）
数据链1090ES / UATSATCOM / VDL
更新率高（每秒1–2次）低（通常数分钟一次）
主要应用有地面基础设施的空域洋区、偏远地区
覆盖范围受限于地面接收站通过卫星可实现全球覆盖

ADS-C虽然更新率低，但在洋区飞行中，它是管制员获取航空器位置的主要手段之一。随着星基ADS-B的发展，洋区监视能力正在大幅提升。

星基ADS-B（Space-Based ADS-B）

传统的ADS-B地面接收站只能部署在陆地上，对于占地球表面约70%的海洋和偏远地区无法覆盖。星基ADS-B 通过在低轨卫星上搭载ADS-B接收器，实现了对全球任意位置ADS-B信号的接收。

目前最具代表性的星基ADS-B系统是 Aireon 系统，其ADS-B接收载荷搭载在Iridium NEXT卫星星座（66颗低轨卫星，轨道高度约780km）上，于2019年投入运行。

项目说明
覆盖范围全球100%覆盖，包括洋区和极地
更新率约每8秒一次（远高于ADS-C的数分钟）
依赖条件航空器需装备ADS-B Out（1090ES）
主要用途洋区和偏远地区的实时监视，补充或替代ADS-C

星基ADS-B的意义在于：它首次实现了对全球空域的实时监视覆盖。在此之前，洋区管制员只能依赖ADS-C的低频率位置报告（间隔数分钟甚至十几分钟），航空器之间需要保持很大的间隔（如北大西洋的纵向间隔曾为10分钟）。有了星基ADS-B，洋区间隔可以显著缩小，提升空域容量和航路效率。

北大西洋空域已率先应用Aireon星基ADS-B服务，将纵向间隔从原来的10分钟缩减至更小的值，每年为航空公司节省大量燃油。

多点定位（MLAT）与广域多点定位（WAM）

MLAT（Multilateration，多点定位） 是一种基于到达时间差（TDOA, Time Difference of Arrival） 原理的监视技术。它通过在一定区域内部署多个接收站，测量航空器应答机信号到达各接收站的时间差，利用双曲线定位原理计算出航空器的位置。

工作原理

  1. 航空器的应答机发射信号（可以是对SSR询问的应答，也可以是ADS-B的自发广播，或Mode S的自发Squitter）
  2. 多个地面接收站同时接收到该信号
  3. 由于各接收站与航空器的距离不同，信号到达各站的时间存在微小差异
  4. 中央处理系统根据这些时间差，计算出航空器的位置

定位至少需要4个接收站同时收到信号（3个时间差确定三维位置）。接收站越多，定位精度和冗余性越高。

MLAT与WAM

MLAT技术根据覆盖范围的不同，有两种典型应用：

类型覆盖范围典型应用
场面MLAT（Airport MLAT）机场场面及近场区域场面监视，跟踪跑道和滑行道上的航空器与车辆
广域多点定位（WAM, Wide Area Multilateration）数十至数百公里的广域空间航路/终端区监视，替代或补充SSR

WAM本质上就是大范围部署的MLAT系统，接收站分布在更广的区域内，用于提供航路级别的监视服务。

项目说明
工作原理到达时间差（TDOA）定位
是否需要机载设备需要（应答机，协作式）
定位精度场面MLAT可达数米级；WAM通常优于雷达
优势设备成本低于雷达；可部署在地形复杂、雷达难以覆盖的区域；精度高；天然兼容ADS-B接收
局限需要多个接收站协同工作；覆盖范围受接收站布局影响；协作式系统

WAM在欧洲多个国家已投入运行，用于替代老旧的SSR。例如捷克、奥地利等国已将WAM作为主要的航路监视手段之一。

航路/空域监视系统对比

系统类型是否协作提供信息更新率典型覆盖主要优势主要局限
PSR雷达非协作距离、方位4–12秒60–200 NM不依赖机载设备无识别/高度信息，成本高
SSR雷达协作距离、方位、高度、识别4–12秒200+ NM提供完整识别和高度信息依赖应答机
ADS-B非雷达协作位置、速度、高度、识别等1–2秒受限于地面站更新快、精度高、成本低依赖GNSS和应答机
ADS-C非雷达协作位置、速度、高度等数分钟全球（卫星）洋区/偏远区覆盖更新率低
星基ADS-B非雷达协作同ADS-B~8秒全球全球实时覆盖依赖ADS-B Out装备
WAM非雷达协作位置、高度、识别1–2秒数十至数百km精度高、成本低于雷达需多站协同

机场场面监视

机场场面是航空运行中最复杂的环境之一——跑道、滑行道、停机坪上同时有多架航空器和大量地面车辆在运动。尤其在低能见度条件下，塔台管制员无法目视观察场面情况，必须依赖场面监视系统来掌握地面交通态势。

场面监视雷达（SMR）

SMR（Surface Movement Radar，场面监视雷达） 也称为场面探测设备（Surface Detection Equipment, SDE），是最传统的场面监视手段。它本质上是一部安装在塔台或机场高点的一次雷达，专门用于探测机场地面上的航空器和车辆。

项目说明
工作原理与PSR相同，发射电磁波并接收反射回波
工作频段通常为X波段（9.0–9.5 GHz），波长短，分辨率高
天线转速通常15–60 rpm（远高于航路雷达），更新率快
探测范围机场场面及近场区域
是否协作非协作——可探测任何反射目标
提供信息目标的位置（距离和方位）
不能提供的信息目标识别（不知道是哪架航空器或哪辆车）

SMR的优势与PSR类似——非协作性，可以探测任何地面目标，包括未装备应答机的车辆、施工设备甚至跑道上的异物（FOD）。

但SMR也有明显的局限：

  • 无法识别目标：屏幕上只有回波点，管制员需要结合其他信息判断目标身份
  • 受遮挡影响：航站楼、机库等建筑物会造成雷达盲区
  • 杂波问题：雨雪天气、地面积水等会产生杂波干扰
  • 分辨率限制：在停机坪等目标密集区域，可能无法区分相邻目标

场面多点定位（Airport MLAT）

场面MLAT 是将多点定位技术应用于机场场面监视。在机场周围部署多个接收站，通过TDOA原理定位场面上航空器和装备应答机的车辆。

项目说明
工作原理TDOA多点定位（与航路MLAT相同）
定位精度可达3–7.5米级（远高于SMR）
是否协作协作——需要目标装备应答机
提供信息位置 + 识别信息（应答机编码/ICAO地址）
优势精度高；可识别目标；不受建筑物遮挡影响（只要有足够接收站）
局限无法探测未装备应答机的目标（如普通车辆、FOD）

场面MLAT相比SMR的最大优势是可以识别目标——管制员不仅能看到目标在哪里，还能知道它是谁。这在复杂的场面交通管理中至关重要。

许多大型机场同时部署SMR和场面MLAT，两者互补：SMR提供非协作探测能力（覆盖所有目标），MLAT提供识别能力（标注目标身份）。

A-SMGCS（高级场面活动引导与控制系统）

A-SMGCS（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，高级场面活动引导与控制系统） 并不是一种单一的监视设备，而是一个综合性的场面管理系统，将多种监视手段融合在一起，并在此基础上提供引导和控制功能。

ICAO Doc 9830定义了A-SMGCS的四个核心功能层级：

层级功能说明
1监视（Surveillance）融合SMR、场面MLAT、ADS-B等多源数据，在电子地图上显示所有场面目标的位置和识别信息
2路径规划（Routing）为航空器和车辆自动规划从当前位置到目标位置的最优滑行路径
3引导（Guidance）通过灯光引导系统（如滑行道中线灯、停止排灯）引导航空器沿规划路径滑行
4控制（Control）自动检测冲突并发出告警，必要时自动控制灯光系统阻止航空器进入冲突区域

A-SMGCS的监视层通常融合以下数据源：

  • SMR：提供非协作目标探测
  • 场面MLAT：提供协作目标的高精度定位和识别
  • ADS-B：接收航空器广播的位置和识别信息
  • 飞行数据处理系统（FDPS）：提供航班计划信息，用于关联目标与航班号
  • 车辆定位系统：部分机场为地面车辆配备GPS定位设备

通过多源数据融合，A-SMGCS能够在电子场面地图上为管制员呈现完整的场面交通态势图，每个目标都标注有识别信息和运动状态。

A-SMGCS是现代大型机场场面管理的标准配置。在低能见度运行（LVP）条件下，A-SMGCS是塔台管制员掌握场面态势的核心工具。中国的大型枢纽机场（如北京大兴、上海浦东等）均已部署A-SMGCS。

场面监视系统对比

系统类型是否协作识别能力精度主要优势主要局限
SMR雷达非协作无中等可探测所有目标无法识别目标，受遮挡和杂波影响
场面MLAT非雷达协作有高（米级）精度高，可识别目标无法探测未装备应答机的目标
A-SMGCS综合系统两者兼有有高多源融合，功能全面系统复杂，部署成本高

监视系统的发展趋势

航空监视技术正在经历从"以雷达为中心"向"多源融合"的转变：

  • ADS-B逐步成为主力：越来越多的国家和地区强制要求ADS-B Out，ADS-B正在从雷达的补充手段发展为核心监视手段
  • 星基ADS-B填补空白：洋区和偏远地区的监视盲区正在被星基ADS-B消除，全球实时监视覆盖成为现实
  • WAM替代老旧雷达：在部分地区，WAM正在替代维护成本高昂的老旧SSR
  • 多源数据融合：现代管制自动化系统将PSR、SSR、ADS-B、MLAT/WAM等多种数据源融合处理，为管制员提供统一的航迹显示
  • PSR的角色变化：随着协作式监视手段的普及，PSR作为"最后防线"的非协作探测能力仍然不可替代，但新建PSR的需求在减少
  • 场面监视智能化：A-SMGCS从单纯的监视向自动冲突检测、路径规划和灯光引导发展，提升场面运行安全和效率

小结

管制监视系统可以按照"空中"和"地面"两个维度来理解。空中监视方面，PSR和SSR是传统的雷达手段，ADS-B和WAM是新兴的非雷达手段，ADS-C和星基ADS-B则解决了洋区和偏远地区的监视难题。地面监视方面，SMR和场面MLAT分别提供非协作和协作探测能力，A-SMGCS将它们融合为一个完整的场面管理系统。

对管制员而言，理解各类监视系统的原理和特点，有助于理解屏幕上航迹信息的来源和可靠性——为什么有的目标有标牌有的没有，为什么有时位置会跳变，为什么洋区间隔比陆地大。这些问题的答案，都藏在监视系统的工作原理之中。