ADS-B航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)的工作原理及應(yīng)用分析

作者：張?zhí)炱?，郝建華，許斌，丁丹

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，以及軍事和民用需求的促進(jìn)，航空領(lǐng)域呈現(xiàn)出前所未有的發(fā)展形勢(shì)，航空需求與日俱增，國(guó)家和公眾對(duì)空域的需求與可供使用的空域資源不足的矛盾日益突出，飛行活動(dòng)出現(xiàn)了許多新情況和新特點(diǎn)。政府職能部門、國(guó)內(nèi)外企業(yè)和個(gè)人擁有航空器和直升機(jī)數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)，且大部分在大中城市和機(jī)場(chǎng)密集地區(qū)飛行，使空域的飛行活動(dòng)愈來愈變得錯(cuò)綜復(fù)雜。根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸部的報(bào)告，2007年美國(guó)單程飛行數(shù)達(dá)到近750萬次。中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司預(yù)測(cè)，到2026年我國(guó)客運(yùn)周轉(zhuǎn)量接近1.2萬億人千米。航空運(yùn)輸市場(chǎng)的快速發(fā)展帶來機(jī)場(chǎng)和航路的擁擠。因此，如何充分、合理、科學(xué)、可靠地利用這樣一個(gè)繁忙的空域，成為極其緊迫和重要的問題。必須建立完善的空管系統(tǒng)，包括先進(jìn)機(jī)載設(shè)備、配套建設(shè)的空-空數(shù)據(jù)鏈、地-空數(shù)據(jù)鏈和地面用戶設(shè)備。

自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS）技術(shù)是新航行系統(tǒng)發(fā)展最重要的成果，是國(guó)際上解決空中交通管制（空管）最有效的辦法。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是一種基于GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)。

ADS-B系統(tǒng)

ADS-B主要實(shí)施空對(duì)空監(jiān)視，一般情況下，只需機(jī)載電子設(shè)備（GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI），不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能，裝備了ADS-B的飛機(jī)可通過數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其它數(shù)據(jù)（如速度、高度及飛機(jī)是否轉(zhuǎn)彎、爬升或下降等）。ADS-B接收機(jī)與空管系統(tǒng)、其它飛機(jī)的機(jī)載ADS-B結(jié)合起來，在空地都能提供精確、實(shí)時(shí)的沖突信息。

ADS-B系統(tǒng)由多地面站和機(jī)載站構(gòu)成，以網(wǎng)狀、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式完成數(shù)據(jù)雙向通信。機(jī)載ADS-B通信設(shè)備廣播式發(fā)出來自機(jī)載信息處理單元收集到的導(dǎo)航信息，接收其他飛機(jī)和地面的廣播信息后經(jīng)過處理送給機(jī)艙綜合信息顯示器。機(jī)艙綜合信息顯示器根據(jù)收集的其他飛機(jī)和地面的ADS-B信息、機(jī)載雷達(dá)信息、導(dǎo)航信息后給飛行員提供飛機(jī)周圍的態(tài)勢(shì)信息和其他附加信息（如：沖突告警信息，避碰策略，氣象信息）。

ADS-B系統(tǒng)的工作原理如圖1、圖2所示［7］。

圖1表示具有同類設(shè)備飛機(jī)之間的相互監(jiān)視以及地面對(duì)空監(jiān)視的工作原理。ADS-B信息主要包括：飛機(jī)標(biāo)識(shí)、飛機(jī)類別、3維位置、速度以及其它附加信息。圖2表示地面向空中廣播空中交通態(tài)勢(shì)信息（TIS-B）、飛行情報(bào)服務(wù)以及接收和處理ADS-B下行信息的工作原理。

ADS-B系統(tǒng)是一個(gè)集通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)，由信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示三部分組成。ADS-B的主要信息是飛機(jī)的4維位置信息（經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間）和其它可能附加信息（沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點(diǎn)等信息）以及飛機(jī)的識(shí)別信息和類別信息。此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、空速、風(fēng)速、風(fēng)向和飛機(jī)外界溫度等。這些信息可以由以下航空電子設(shè)備得到：（1）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）;（2）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）;（3）慣性參考系統(tǒng)（IRS）;（4）飛行管理器;（5）其它機(jī)載傳感器。ADS-B的信息傳輸通道以ADS-B報(bào)文形式，通過空-空、空-地?cái)?shù)據(jù)鏈廣播式傳播。ADS-B的信息處理與顯示主要包括位置信息和其它附加信息的提取、處理及有效算法，并且形成清晰、直觀的背景地圖和航跡、交通態(tài)勢(shì)分布、參數(shù)窗口以及報(bào)文窗口等，最后以偽雷達(dá)畫面實(shí)時(shí)地提供給用戶。

ADS-B技術(shù)是新航行系統(tǒng)中非常重要的通信和監(jiān)視技術(shù)，把沖突探測(cè)、沖突避免、沖突解決、ATC監(jiān)視和ATC一致性監(jiān)視以及機(jī)艙綜合信息顯示有機(jī)的結(jié)合起來，為新航行系統(tǒng)增強(qiáng)和擴(kuò)展了非常豐富的功能，同時(shí)也帶來了潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

ADS-B技術(shù)應(yīng)用

ADS-B技術(shù)用于空中交通管制，可以在無法部署航管雷達(dá)的大陸地區(qū)為航空器提供優(yōu)于雷達(dá)間隔標(biāo)準(zhǔn)的虛擬雷達(dá)管制服務(wù);在雷達(dá)覆蓋地區(qū)，即使不增加雷達(dá)設(shè)備也能以較低代價(jià)增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)視能力，提高航路乃至終端區(qū)的飛行容量;多點(diǎn)ADS-B地面設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，可作為雷達(dá)監(jiān)視網(wǎng)的旁路系統(tǒng)，并可提供不低于雷達(dá)間隔標(biāo)準(zhǔn)的空管服務(wù);利用ADS-B技術(shù)還在較大的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)飛行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，以改進(jìn)飛行流量管理;利用ADS-B的上行數(shù)據(jù)廣播，還能為運(yùn)行中的航空器提供各類情報(bào)服務(wù)。ADS-B技術(shù)在空管上的應(yīng)用，預(yù)示著傳統(tǒng)的空中交通監(jiān)視技術(shù)即將發(fā)生重大變革。

ADS-B技術(shù)用于加強(qiáng)空-空協(xié)同，能提高飛行中航空器之間的相互監(jiān)視能力。與應(yīng)答式機(jī)載避撞系統(tǒng)（ACAS/TCAS）相比，ADS-B的位置報(bào)告是自發(fā)廣播式的，航空器之間無須發(fā)出問詢即可接收和處理漸近航空器的位置報(bào)告，因此能有效提高航空器間的協(xié)同能力，增強(qiáng)機(jī)載避撞系統(tǒng)TCAS的性能，實(shí)現(xiàn)航空器運(yùn)行中即能保持最小安全間隔又能避免和解決沖突的空-空協(xié)同目的。ADS-B系統(tǒng)的這一能力，使保持飛行安全間隔的責(zé)任更多地向空中轉(zhuǎn)移，這是實(shí)現(xiàn)“自由飛行”不可或缺的技術(shù)基礎(chǔ)。

ADS-B技術(shù)用于機(jī)場(chǎng)地面活動(dòng)區(qū)，可以較低成本實(shí)現(xiàn)航空器的場(chǎng)面活動(dòng)監(jiān)視。在繁忙機(jī)場(chǎng)，即使裝置了場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)，也難以完全覆蓋航站樓的各向停機(jī)位，空中交通管理“登機(jī)門到登機(jī)門”的管理預(yù)期一直難以成為現(xiàn)實(shí)［8］。利用ADS-B技術(shù)，通過接收和處理ADS-B廣播信息，將活動(dòng)航空器的監(jiān)視從空中一直延伸到機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋，因此能輔助場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)“門到門”的空中交通管理。甚至可以不依賴場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)地面移動(dòng)目標(biāo)的管理。

ADS-B技術(shù)能夠真正實(shí)現(xiàn)飛行信息共享?？罩薪煌ü芾砘顒?dòng)中所截獲的航跡信息，不僅對(duì)于本區(qū)域?qū)嵤┛展苁潜匦璧?，?duì)于跨越飛行情報(bào)區(qū)（特別是不同空管體制的情報(bào)區(qū)）邊界的飛行實(shí)施“無縫隙”管制，對(duì)于提高航空公司運(yùn)行管理效率，都是十分寶貴的資源。但由于傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)的遠(yuǎn)程截獲能力差、原始信息格式紛雜、信息處理成本高，且不易實(shí)現(xiàn)指定航跡的篩選，難以實(shí)現(xiàn)信息共享。遵循“空地一體化”和“全球可互用”的指導(dǎo)原則發(fā)展起來的ADS-B技術(shù)，為航跡信息共享提供了現(xiàn)實(shí)可行性。

ADS-B技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用概況和存在的問題

應(yīng)用概況

ADS技術(shù)的應(yīng)用方面，中國(guó)航空的起步并不晚。1998年，中國(guó)航空為了探索新航行系統(tǒng)發(fā)展之路，促進(jìn)西部地區(qū)航空運(yùn)輸發(fā)展，在國(guó)際航空組織新航行系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)下，抓住中國(guó)西部地區(qū)開辟歐亞新航路的戰(zhàn)略機(jī)遇，啟動(dòng)了第一條基于ADS技術(shù)的新航行系統(tǒng)航路（L888航路）建設(shè)。L888航路裝備了FANS 1/A定義的ADS-C監(jiān)視工作站，并在北京建立了網(wǎng)管數(shù)據(jù)中心。2000年，新系統(tǒng)完成了評(píng)估和測(cè)試并投入運(yùn)行。2004年，北京、上海、廣州三大區(qū)域管制中心相繼建成。為三大區(qū)管中心配套的空管自動(dòng)化系統(tǒng)都具備了ADS航跡處理能力。經(jīng)驗(yàn)證，新系統(tǒng)可以處理和顯示基于ACARS數(shù)據(jù)的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視航跡，也可以實(shí)施“航管員/飛行員數(shù)據(jù)鏈通信”（CPDLC）。這標(biāo)志了中國(guó)航空的主要空管設(shè)施已經(jīng)具備了ADS監(jiān)視能力。隨著我國(guó)航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)模擴(kuò)大和機(jī)型的更新，近年來許多航空器都選裝了適合新航行系統(tǒng)的機(jī)載電子設(shè)備，具備了地空雙向數(shù)據(jù)通信能力。

中國(guó)航空在發(fā)展新航行系統(tǒng)和改進(jìn)空中交通監(jiān)視技術(shù)方面開展了建設(shè)性的活動(dòng)，取得了一些成果，但總體上沒有突破ADS-C的技術(shù)框架。因此，對(duì)解決空管的突出問題，改善安全與效率，效果并不明顯。ADS-B技術(shù)的逐步成熟，將為我們尋求新的突破提供了機(jī)會(huì)。當(dāng)今ADS-B技術(shù)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，而我國(guó)仍在ADS的概念階段徘徊不前。當(dāng)別人尋求以成本更低、效率更高、用途更廣的新航行監(jiān)視技術(shù)取代雷達(dá)技術(shù)時(shí)，我們還在加緊部署雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)。過去十年，航空空管在發(fā)展主義的旗幟下實(shí)現(xiàn)了規(guī)模的擴(kuò)張，但是，發(fā)展質(zhì)量不容樂觀。一個(gè)重要的事實(shí)是極具說服力的：澳大利亞全境部署的雷達(dá)數(shù)量大致與上海飛行情報(bào)區(qū)可用的雷達(dá)資源相當(dāng)。澳大利亞同行的優(yōu)勢(shì)，很大程度上得益于ADS-B技術(shù)的超前規(guī)劃和大膽應(yīng)用。相比之下，我們?cè)贏DS-B的實(shí)用技術(shù)研究、機(jī)載設(shè)備配備、地面系統(tǒng)建設(shè)、飛行和管制人員的操作技能培訓(xùn)等多方面，都還缺乏現(xiàn)實(shí)可行的規(guī)劃安排。

可喜的是相關(guān)當(dāng)局開始考察該技術(shù)的運(yùn)行狀況，并表示進(jìn)一步開發(fā)、利用這項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)航空活動(dòng)發(fā)展提供了現(xiàn)實(shí)可行性。

技術(shù)體制問題

在ADS-C的技術(shù)體制內(nèi)，ADS的航跡報(bào)告是有條件選擇發(fā)送的［9］。ADS-B與ADS-C之間除合約和通信協(xié)議的管理控制方式不同外，目標(biāo)下傳的位置、姿態(tài)和航行信息的內(nèi)容基本一致。機(jī)載ADS報(bào)告系統(tǒng)對(duì)報(bào)告信息的要素選項(xiàng)、重復(fù)報(bào)告周期、發(fā)送選址都是可以預(yù)設(shè)的。飛機(jī)在收到地面發(fā)送的上行申請(qǐng)電文后發(fā)送ADS下行電文，將用戶約定的報(bào)告內(nèi)容通過空/地?cái)?shù)據(jù)鏈和地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)送達(dá)用戶端。因此，ADS信息的使用是契約制的。也就是說，空管或航空公司簽派等地面用戶要想獲得所需的ADS報(bào)告，必須逐架飛機(jī)、逐條航路（或航段）約定報(bào)告信息，同時(shí)還必須與經(jīng)營(yíng)空-地、地-地?cái)?shù)據(jù)鏈傳輸業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)商定制信息傳輸服務(wù)。用戶約定的飛行航跡越多、信息要素越多、重復(fù)報(bào)告周期越短，支付的信息服務(wù)費(fèi)就越高，而且按照SITA格式電報(bào)計(jì)量的通信費(fèi)用特別昂貴。在這樣的技術(shù)體制下（附加了“第三方服務(wù)”成本），雖然在低密度航路上，基于ADS監(jiān)視技術(shù)的空中交通服務(wù)和航空公司運(yùn)行管理都能夠?qū)崿F(xiàn)，但高額的運(yùn)行成本卻讓空管和航空公司等用戶望而卻步，航空器已配置的先進(jìn)機(jī)載設(shè)備、配套建設(shè)的空-空數(shù)據(jù)鏈、地-空數(shù)據(jù)鏈和地面用戶設(shè)備也只能束之高閣。

技術(shù)兼容問題

首先是雙向通信制式的差異。ADS-B的通信制式是廣播式雙向通信，而我國(guó)用來進(jìn)行航跡跟蹤和管制數(shù)據(jù)通信的地空數(shù)據(jù)鏈，采用美國(guó)ARINC公司的AEEC618/AEEC622協(xié)議方式，屬應(yīng)答式雙向通信。此通信制式的數(shù)據(jù)刷新率受應(yīng)答協(xié)議制約，其同步性和實(shí)時(shí)性都不能滿足高密度飛行管制服務(wù)需求，無法與ADS-B技術(shù)兼容。

其次是數(shù)據(jù)鏈容量的差異。ADS-B所使用的數(shù)據(jù)鏈應(yīng)能滿足高密度飛行監(jiān)視的要求，因此對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和通信速率都有很高的要求。國(guó)際航空組織推薦的全球可互用的ADS-B的廣播數(shù)據(jù)鏈-1090MHzS模式擴(kuò)展電文數(shù)據(jù)鏈（1090ES），最大下行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度達(dá)到112位，最大數(shù)據(jù)率達(dá)到1兆比特/秒。而我國(guó)現(xiàn)用的RGS地-空數(shù)據(jù)鏈，最大下行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為32位，最大數(shù)據(jù)率僅2400比特/秒，顯然不能與ADS-B廣播電文兼容。

再則是傳輸技術(shù)上的差距。ADS-B廣播電文是面向比特的數(shù)據(jù)串，下行數(shù)據(jù)到達(dá)地面后，必須透明地傳輸至航空管制或航空運(yùn)行簽派等地面用戶端。而現(xiàn)有系統(tǒng)中，通過RGS或衛(wèi)星截獲的下行數(shù)據(jù)，須轉(zhuǎn)換為面向字符的SITA報(bào)文格式，經(jīng)低速的自動(dòng)轉(zhuǎn)報(bào)網(wǎng)傳輸?shù)接脩舳?。這種信息傳輸方式的低效率以及傳輸時(shí)延不確定性，不能適應(yīng)高密度飛行監(jiān)視。

解決現(xiàn)有系統(tǒng)與ADS-B技術(shù)兼容問題，關(guān)鍵是選擇新的空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)茿DS-B技術(shù)重要的組成部分，當(dāng)前，許多國(guó)家和組織出于不同的開發(fā)意圖，開發(fā)出了多種多樣的數(shù)據(jù)鏈，從中選擇適合我國(guó)實(shí)際的數(shù)據(jù)鏈類型，是確定機(jī)載設(shè)備性能和發(fā)展地面設(shè)施的前提。各國(guó)對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)鏈的選擇各持己見，但主流意見基本傾向于以下三種［10］：（1）甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4（VDLMode4）--歐洲較流行;其核心技術(shù)為SOTDMA協(xié)議，不足是現(xiàn)在VHF頻段資源緊張。（2）萬能電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈（UAT）--美國(guó)較流行，多用于通用航空飛機(jī);采用二進(jìn)制連續(xù)相移鍵控CP-FSK，不足是和DME地面設(shè)備的互相干擾嚴(yán)重。（3）1090MHzS模式擴(kuò)展電文數(shù)據(jù)鏈（1090ES）--國(guó)際民航組織推薦;采用選擇性詢問、雙向數(shù)據(jù)通信，不足是已出現(xiàn)頻譜過度使用的危機(jī)。這三種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)概貌見表1。

國(guó)際航空組織一直在努力倡導(dǎo)使各成員國(guó)能夠執(zhí)行一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)，從而提高數(shù)據(jù)鏈設(shè)備在全球范圍的通用性。如果空中的每架飛機(jī)都執(zhí)行同一個(gè)數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)，通過 ADS-B系統(tǒng)，每個(gè)飛行員都能看到其周圍一定范圍內(nèi)所有航空器的位置和動(dòng)態(tài)。這將顯著提高飛行員對(duì)其周圍飛行態(tài)勢(shì)的感知度，從而可以在保證飛行安全的前提下，進(jìn)一步縮小飛機(jī)間的安全間隔，優(yōu)化飛行路線，提高空域資源的利用率。

發(fā)展方向

當(dāng)前，處于成長(zhǎng)期的中國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)，空域范圍在擴(kuò)充，機(jī)隊(duì)規(guī)模在擴(kuò)大，機(jī)型在更新，空管設(shè)施面臨進(jìn)一步改造和完善。當(dāng)局將面臨選擇：是全面引進(jìn)國(guó)外ADS-B空管技術(shù)，還是在現(xiàn)有體制上改造，還是自主研發(fā)ADS-B技術(shù)。無論采用何種方式，都涉及到全面更新機(jī)載設(shè)備、調(diào)整空管地面設(shè)施的結(jié)構(gòu)、研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品等，必須協(xié)調(diào)各方，整體推進(jìn)，還需要航空宏觀政策的政策支持。出于兼容現(xiàn)有機(jī)載設(shè)備、兼顧終極發(fā)展目標(biāo)的考慮，政策取向也會(huì)有所側(cè)重。近期待實(shí)現(xiàn)和完善的目標(biāo)有：

·ADS-B技術(shù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的安排;

·機(jī)載設(shè)備全面更新;

·實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上制定ADS-B應(yīng)用規(guī)則和服務(wù)程序;

·制定陸地區(qū)域ADS-B地面系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范;

·西部地區(qū)ADS-B監(jiān)視為主、雷達(dá)監(jiān)視為輔的管制策略（限制雷達(dá)布局）［11］;

·雷達(dá)管制地區(qū)建立基于ADS-B航跡處理的應(yīng)急備份系統(tǒng);

·積極推進(jìn)空中交通管制一體化建設(shè)［12］。

結(jié)語

ADS-B系統(tǒng)對(duì)空中交通管制的發(fā)展具有十分重要的意義。根據(jù)沖突檢測(cè)和交通態(tài)勢(shì)圖顯示，實(shí)現(xiàn)飛行器相互監(jiān)視和指揮能力，增加了航行的安全性。通過有效減小飛行器在空域內(nèi)的最小間隔增大空域容量，提高了空域資源的利用率。ADS-B良好的通信功能和監(jiān)視手段能更準(zhǔn)時(shí)、及時(shí)、連續(xù)的掌握飛行器動(dòng)態(tài)，有效實(shí)施管制。我國(guó)航空事業(yè)起步較晚，技術(shù)力量薄弱，因地制宜，大力科學(xué)推進(jìn)ADS-B系統(tǒng)的實(shí)施有望迅速帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

責(zé)任編輯：‘gt