基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的ADS—B技術(shù)

王秋萍

摘 要：目前，以美國GPS為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并在民用航空領(lǐng)域得到了充分應(yīng)用。未來多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新技術(shù)、新體制的出現(xiàn)，將促使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為航空應(yīng)用的重要手段。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)是一種建立在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈通信基礎(chǔ)上的航空器監(jiān)視新技術(shù)。本文介紹了ADS-B技術(shù)的原理、系統(tǒng)組成、應(yīng)用功能以及ADS-B的3種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。

關(guān)鍵詞：GNSS ADS-B技術(shù) 數(shù)據(jù)鏈 應(yīng)用功能

中圖分類號：V447 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0058-03

2011年12月27日，由中國自主建設(shè)、能夠獨立運行、且與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始試運行，向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時服務(wù)。該系統(tǒng)將于2020年實現(xiàn)全球覆蓋，最終建成全球、全天候、高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)。而美國的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)早在20世紀90年代就已經(jīng)建成并投入使用，歐盟也在打造自己的“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。至此，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的格局已經(jīng)呈現(xiàn)。

具有全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Φ男l(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）。GNSS是一個綜合星座系統(tǒng)，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的“伽利略”系統(tǒng)、中國的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及WAAS、LAAS和EGNOS等衛(wèi)星增強系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身星歷參數(shù)和時間信息給用戶接收機，用戶接收機接收到這些信息后，經(jīng)過運算求出接收機的位置、速度、運動方向和時間信息等。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)允許無限量的用戶使用合適的接收機，為不同類型的用戶提供授時和測速測距服務(wù)。

現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)為民用航空導(dǎo)航應(yīng)用帶來了新的技術(shù)手段，未來多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新技術(shù)、新體制的出現(xiàn)，也將促使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為航空應(yīng)用的重要手段。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱“ADS-B”）技術(shù)是國際民航組織正在大力推廣的一項基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視技術(shù)。

1 ADS-B技術(shù)原理

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance- Broadcast）的含義如下。

Automatic——數(shù)據(jù)自動廣播發(fā)送無需人工干預(yù)。

Dependent——信息基于機載數(shù)據(jù)，不依賴于地面。

Surveillance—— 提供位置和其他用于監(jiān)視的數(shù)據(jù)。

Broadcast——采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，任何飛機或地面站配備相應(yīng)設(shè)施均可接收該信號。

ADS-B的信息直接從機載設(shè)備中得到，通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和其他信息源系統(tǒng)獲取飛機的呼號、位置、速度、高度及其他可能的附加信息（航空器類別、沖突告警信息、航線拐點、飛行員輸入信息等），以報文的形式通過地-空/空-空數(shù)據(jù)鏈向空中和地面自動廣播，供其他航空器和地面設(shè)備接收和顯示。ADS-B技術(shù)原理圖如圖1所示。

2 ADS-B應(yīng)用功能

相對于航空器的信息傳遞方向，機載ADS-B的應(yīng)用功能可分為發(fā)送（ADS-B OUT）和接收（ADS-B IN）兩類。

ADS-B OUT作為機載ADS-B設(shè)備的基本功能，是指ADS-B發(fā)射機以一定的周期自動向周圍其他飛機或者地面站廣播發(fā)送飛機的位置信息和其他附加信息。地面站接收到的OUT信息可供地面空中交通管制員使用，起到類似于雷達監(jiān)視且優(yōu)于雷達監(jiān)視的功能。

ADS-B IN是指機載ADS-B設(shè)備接收來自其他飛機ADS-B設(shè)備發(fā)送的OUT信息或ADS-B地面站設(shè)備發(fā)送的信息，ADS-B IN可以使飛行員在CDTI（座艙顯示器）上看到其他飛機的飛行狀況。

此外，ADS-B還具有廣播式交通信息服務(wù)（Traffic Information Service-Broadcast，TIS-B）和廣播式飛行信息服務(wù)（Flight Information Service-Broadcast，F(xiàn)IS-B）兩項擴展功能。TIS-B將從雷達或其他監(jiān)視源獲取的監(jiān)視信息通過上行數(shù)據(jù)鏈傳給裝有ADS-B設(shè)備的飛機，F(xiàn)IS-B通過上行數(shù)據(jù)鏈上傳氣象信息給加裝了ADS-B設(shè)備的飛機。

3 ADS-B系統(tǒng)組成

ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)主要由機載設(shè)備和地面站構(gòu)成。

機載設(shè)備包括機載GNSS接收機、其他機載信息源、機載收發(fā)信機和座艙交通信息顯示器（CDTI）等。ADS-B機載設(shè)備接收到本機的位置、速度、高度和時間等數(shù)據(jù)后，處理成適合數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)腁DS-B消息格式，并將這些消息向空間自動廣播出去。同時，機載設(shè)備接收地面站和其他飛機的廣播信息，經(jīng)過機載ADS-B信息處理器的處理，通過CDTI顯示出來，可供飛行員掌握空中交通狀況。

地面站包括天線、地面接收機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、顯示單元、附屬網(wǎng)絡(luò)和傳輸設(shè)備等，ADS-B地面站接收來自飛機機載設(shè)備自動廣播的ADS-B消息，對消息進行處理并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式后傳送至信息處理系統(tǒng)，在地面管制部門的顯示器上顯示該飛機的位置和狀態(tài)信息，為管制員提供更精確、快速的飛機信息。此外，地面站也可對系統(tǒng)工作狀態(tài)起到監(jiān)控功能。

ADS-B技術(shù)超越了傳統(tǒng)的陸基監(jiān)視服務(wù)的概念，不僅可以實現(xiàn)地對空的監(jiān)視，也可以實現(xiàn)空中飛機的相互監(jiān)視。

4 ADS-B數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)是ADS-B的關(guān)鍵技術(shù)，它是ADS-B信息傳播的載體，在很大程度上影響著相關(guān)機載和地面設(shè)備的所需通信性能。目前ADS-B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)主要有1090MHz S模式擴展電文數(shù)據(jù)鏈（1090ES）、通用訪問收發(fā)機數(shù)據(jù)鏈（UAT）和模式4甚高頻數(shù)據(jù)鏈（VDL Mode4）3種類型，這3種數(shù)據(jù)鏈互不兼容。

4.1 1090MHz S模式擴展電文數(shù)據(jù)鏈（1090ES）

1090ES數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)亲钤玳_發(fā)的一種數(shù)據(jù)鏈。它是一種基于S模式擴展應(yīng)答機的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，使用頻率是1090MHz，傳輸速率為1Mbps。在原來56位的S模式格式的基礎(chǔ)上，ADS-B系統(tǒng)應(yīng)用中擴展到了112位，包括24位比特碼、高度、呼號等。1090ES數(shù)據(jù)鏈目前在TCAS和S模式雷達等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，技術(shù)已趨于成熟。使用1090ES數(shù)據(jù)鏈對機載設(shè)備的改裝要求不高，使用現(xiàn)有的天線，僅需升級現(xiàn)有的應(yīng)答機軟件，再加裝一條GPS連線。

1090ES數(shù)據(jù)鏈技術(shù)也存在一些缺陷：由于它支持TCAS、SSR等多項業(yè)務(wù)，易因為容量限制而造成數(shù)據(jù)鏈擁堵。同時，1090ES地面站采用全向天線，當(dāng)空中的飛機數(shù)量較多時，信號交疊易產(chǎn)生干擾。此外，1090ES數(shù)據(jù)鏈的上行廣播能力明顯低于UAT數(shù)據(jù)鏈。

4.2 通用訪問收發(fā)機數(shù)據(jù)鏈（UAT）

UAT數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲绹鵀橹С滞ㄓ煤娇諔?yīng)用ADS-B系統(tǒng)功能專門設(shè)計的一種地空雙向數(shù)據(jù)鏈，工作頻率為978MHz，采用二進制連續(xù)相位移頻鍵控調(diào)制方式，傳輸速率為1.04Mbps。UAT每幀時間長度為1s，分為兩段，前188ms供地面站廣播TIS-B和FIS-B消息，后812ms供飛機用戶向外廣播ADS-B消息。UAT數(shù)據(jù)鏈的實施需要在通用航空飛機上加裝GPS接收機、ADS-B發(fā)射機和天線。

UAT數(shù)據(jù)鏈工作頻率為978MHz，在美國屬于公共寬帶信道，在中國屬于DME測距機的頻率962～1213MHz范圍內(nèi)，容易被干擾。

4.3 模式4甚高頻數(shù)據(jù)鏈（VDL Mode4）

VDL Mode4數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)悄壳皣H民航組織和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會推薦的規(guī)范化VHF數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，采用自組織式時分多路（STDMA）和超長幀技術(shù)。STDMA將VHF通信信道分為若干幀，再將幀分為眾多的時隙，每個用戶（飛機或地面站）將其信息放入不同的時隙中傳輸，各用戶利用GNSS進行定位和時間同步。VDL Mode4使用頻率為118～137MHz范圍，采用25kHz標(biāo)準(zhǔn)信道寬度和高斯濾波頻移鍵控（GFSK）調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為19.2kbps。VDL Mode4數(shù)據(jù)鏈的實施需要加裝新的VDL M4機載收發(fā)機設(shè)備。

VDL M4數(shù)據(jù)鏈的缺點是它存在明顯的共址干擾問題。

1090ES數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菄H民航組織推薦的、全球可互用的ADS-B地空數(shù)據(jù)鏈，美國、歐洲、澳大利亞等國家和地區(qū)結(jié)合自身情況選擇了相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈——美國選擇1090 ES數(shù)據(jù)鏈主要用于國際運輸飛行和國內(nèi)18000英尺（含）以上的高空飛行，選擇UAT數(shù)據(jù)鏈用于低空飛行的通用航空器；澳大利亞僅僅選擇了1090ES數(shù)據(jù)鏈；歐洲也主要使用1090ES數(shù)據(jù)鏈，并考慮使用VDL-4數(shù)據(jù)鏈；中國民航目前選擇的是1090ES數(shù)據(jù)鏈。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)空管雷達監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)能夠提供比民用航空一/二次監(jiān)視雷達獲得更多的目標(biāo)信息，可實現(xiàn)空-地監(jiān)視、空-空監(jiān)視和地-地監(jiān)視，具有數(shù)據(jù)精度高、信息內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)更新率快等明顯優(yōu)勢，而且地面站建設(shè)簡便靈活，建設(shè)維護成本低，無論是對于無法部署雷達的區(qū)域還是對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)都有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前，ADS-B已經(jīng)在美國、澳大利亞、歐洲和亞洲等發(fā)達國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，中國民航也一直積極跟蹤和研究ADS-B技術(shù)的發(fā)展，實施了一系列ADS-B技術(shù)應(yīng)用的運行試驗與驗證工程，先后制定了《中國ADS-B技術(shù)政策》《廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）在飛行運行中的應(yīng)用》《在無雷達區(qū)使用1090MHz擴展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視的適航和運行標(biāo)準(zhǔn)指南》《中國民航監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用政策》等監(jiān)視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、政策和發(fā)展策略，有計劃地部署ADS-B地面基礎(chǔ)設(shè)施，逐步推進ADS-B技術(shù)在中國民航的應(yīng)用。

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