CICC科普欄目｜ADS-B廣播式預警系統

ADS-B全稱是Automatic Dependent Surveillance - Broadcast，中文是廣播式自動相關監視，顧名思義，即無需人工操作或者詢問，可以自動地從相關機載設備獲取參數向其他飛機或地面站廣播飛機的位置、高度、速度、航向、識別號等信息，以供管制員對飛機狀態進行監控。它衍生於ADS（自動相關監視），最初是為越洋飛行的航空器在無法進行雷達監視的情況下，希望利用衛星實施監視所提出的解決方案。

原理介紹

ADS-B系統是一個集通信與監視於一體的信息系統，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的主要信息是飛機的4維位置信息(經度、緯度、高度和時間)和其它可能附加信息(衝突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點等信息)以及飛機的識別信息和類別信息。此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、空速、風速、風向和飛機外界溫度等。這些信息可以由以下航空電子設備得到：(1)全球衛星導航系統(GNSS);(2)慣性導航系統(INS);(3)慣性參考系統(IRS);(4)飛行管理器；(5)其它機載感測器。ADS-B的信息傳輸通道以ADS-B報文形式，通過空-空、空-地數據鏈廣播式傳播。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、處理及有效演算法，並且形成清晰、直觀的背景地圖和航跡、交通態勢分佈、參數窗口以及報文窗口等，最後以偽雷達畫面實時地提供給用戶。

相對於航空器的信息傳遞方向，ADS-B分為兩類：發送（OUT）和接收（IN）。其中OUT是ADS-B的基本功能，它負責將信號從飛機發送方經過視距傳播發送給地面接收站或者其他飛機。ADS-B IN是指航空器接收其他航空器發送的ADS-B OUT 信息或地面服務設備發送的信息，為機組提供運行支持和情境意識，如衝突告警信息，避碰策略，氣象信息。

ADS-B系統工作主要基於的機載設備有：（1）ATC 應答機：它是ADS-B系統的核心，負責收集和處理有關參數，由ATC天線通過數據鏈向地面站和其他飛機廣播。（2）MMR接收機：用來根據導航衛星計算精確地飛機位置和速度信息，傳送給ATC應答機。（3）ADIRU計算機：嚮應答機提供飛機的氣壓高度等大氣數據信息。（4）TCAS計算機：針對使用ADS-B IN 功能的飛機上，TCAS計算機用於接收1090MHZ擴展電文的數據鏈，將地面站或者其他OUT的信號顯示在駕駛艙內。（5）數據鏈系統：ADS-B的OUT和IN功能都是基於數據鏈通信技術，目前應用最廣泛的也是國際民航組織推薦的是基於SSR的S模式擴展電文（ES）功能的1090MHz頻率。因該頻段為TCAS工作頻段，因而相對擁擠，目前正在發展其他的數據鏈包括UAT、VDL Mode 4。

ADS-B系統的工作流程：（1）裝備了GPS系統的飛機從導航衛星接收授時信息從而精確地確定飛機位置和速度。（2）ADS-B發送設備從關聯機載設備（如MMR、ADIRU）獲取所需參數信息，通過數字式數據鏈，向地面的ADS-B接收機和其它飛機廣播精確的位置和速度，以及飛機識別信息、航班號、空地狀態等數據。（3）ADS-B信號接收方，如綜合在地面ATC系統中，或者安裝在其他飛機上向使用者提供實時的空中交通狀態。

ADS-B技術是新航行系統中非常重要的通信和監視技術，把衝突探測、衝突避免、衝突解決、ATC監視和ATC一致性監視以及機艙綜合信息顯示有機的結合起來，為新航行系統增強和擴展了非常豐富的功能，同時也帶來了潛在的經濟效益和社會效益。

技術優勢

ADS-B技術用於空中交通管制，可以在無法部署航管雷達的大陸地區為航空器提供優於雷達間隔標準的虛擬雷達管制服務;在雷達覆蓋地區，即使不增加雷達設備也能以較低代價增強雷達系統監視能力，提高航路乃至終端區的飛行容量；多點ADS-B地面設備聯網，可作為雷達監視網的旁路系統，並可提供不低於雷達間隔標準的空管服務;利用ADS-B技術還在較大的區域內實現飛行動態監視，以改進飛行流量管理；利用ADS-B的上行數據廣播，還能為運行中的航空器提供各類情報服務。ADS-B技術在空管上的應用，預示著傳統的空中交通監視技術即將發生重大變革。

ADS-B技術用於加強空-空協同，能提高飛行中航空器之間的相互監視能力。與應答式機載防撞系統（ACAS/TCAS）相比，ADS-B的位置報告是自發廣播式的，航空器之間無鬚髮出問詢即可接收和處理漸近航空器的位置報告，因此能有效提高航空器間的協同能力，增強機載避撞系統TCAS的性能，實現航空器運行中即能保持最小安全間隔又能避免和解決衝突的空-空協同目的。ADS-B系統的這一能力，使保持飛行安全間隔的責任更多地向空中轉移，這是實現「自由飛行」不可或缺的技術基礎。

ADS-B技術用於機場地面活動區，可以較低成本實現航空器的場面活動監視。在繁忙機場，即使裝置了場面監視雷達，也難以完全覆蓋航站樓的各向停機位，空中交通管理「登機門到登機門」的管理預期一直難以成為現實。利用ADS-B技術，通過接收和處理ADS-B廣播信息，將活動航空器的監視從空中一直延伸到機場登機橋，因此能輔助場面監視雷達，實現「門到門」的空中交通管理。甚至可以不依賴場面監視雷達，實現機場地面移動目標的管理。

ADS-B技術能夠真正實現飛行信息共享。空中交通管理活動中所截獲的航跡信息，不僅對於本區域實施空管是必需的，對於跨越飛行情報區(特別是不同空管體制的情報區)邊界的飛行實施「無縫隙」管制，對於提高航空公司運行管理效率，都是十分寶貴的資源。但由於傳統的雷達監視技術的遠程截獲能力差、原始信息格式紛雜、信息處理成本高，且不易實現指定航跡的篩選，難以實現信息共享。遵循「空地一體化」和「全球可互用」的指導原則發展起來的ADS-B技術，為航跡信息共享提供了現實可行性。

ADS-B技術對空中交通管制和航空公司均有好處，主要體現在以下方面：

（1）對於管制中心來說，ADS-B地面站建設成本是傳統二次雷達的九分之一，精度可以提高至10米量級，監視數據更新速度更快（1秒1次）。在無雷達區ADS-B作為唯一的機載監視數據源用於地面對空中交通的監視，以減小航空器的間隔標準，優化航路設置，提高空域容量，在面對諸如芝加哥管制中心失火，該區域雷達監視失效的情況時，可以相對靈活的將該區域飛機轉交其他管制中心。而在雷達覆蓋的區域，地面監視同時使用雷達和ADS-B OUT作為監視信息源。可以縮小雷達覆蓋邊緣區域內航空器的最小間隔標準，並且減少所需要的雷達數量。同時使用ADS-B OUT或者綜合使用ADS-B和其他監視數據源（比如場監雷達、多點定位），為機場的地面交通監控和防止跑道侵入等提供監視信息，提高塔台人員的情景意識。

（2）對於航空公司來說，ADS-B的優點表現在安全、效益和容量三個方面。首先， ADS-B可以保持或改善航空工業現有的安全標準；其次效益方面，ADS-B極大地提高了ATC系統監視數據的精度，這會幫助ATC了解飛機間的實際間隔，使管制員避免效率低下的引導指令來保持間距。在尾隨程序中，幫助飛機機動到最佳運行高度，允許飛行員向ATC請求並接收改變到更高，燃油效率更佳的巡航高度。或許你會考慮到系統改裝的成本，實際上飛機廠家以及設備製造商早已取證和制定標準，新交付的飛機大多數可以滿足運行要求，對於老舊飛機僅需要部分線路預留改裝以及機載設備的升級即可。最後容量方面，因為ADS-B的高精度和報告頻率的增加可以大幅消減飛機的間隔要求，提高空中交通管制系統的容量。

概況:

鑒於ADS-B 種種優勢，世界範圍內都在積極推進ADS-B 系統的建設，目前來說已知最早的ADS-B強制要求是在2010年11月的加拿大哈德森灣，在那裡尾隨間隔將從80海里縮小到5海里。另外澳大利亞在2013年12月開始強制實施ADS-B運行。由於澳大利亞西部大部分空域沒有被雷達系統覆蓋，所以他們選擇了ADS-B監視，以避免昂貴的雷達系統建設費用和維護費用。歐洲計劃2015年對進入歐洲空域的飛機強制實施ADS-B OUT，且自2013年起對生產線上飛機強制要求滿足ADS-B OUT運行。美國計劃到2020年1月對所有飛機，包括商用飛機和通用航空，強制要求ADS-B Out。從現在開始到2020年，隨著ADS-B Out設備的增加，FAA希望在營運人自願的基礎上裝備ADS-B In功能，以便為用戶提供更多的經營效益。正在探索在非雷達覆蓋區域NRA的ADS-B Out功能的運行。民航已經在成都至九寨的航路上實施全程ADS-B監視，並逐步在非雷達覆蓋區域的航路上實施ADS-B監視的運行。成都-拉薩航線監視工程於2009年6月獲得民航局批准，2011年7月8日，該航線開始實施 ADS-B監視條件下縮小間隔。

發展

ADS技術的應用方面，航空的起步並不晚。1998年，航空為了探索新航行系統發展之路，促進西部地區航空運輸發展，在國際航空組織新航行系統發展規劃指導下，抓住西部地區開闢歐亞新航路的戰略機遇，啟動了第一條基於ADS技術的新航行系統航路(L888航路)建設。L888航路裝備了FANS 1/A定義的ADS-C監視工作站，並在北京建立了網管數據中心。2000年，新系統完成了評估和測試並投入運行。2004年，北京、上海、廣州三大區域管制中心相繼建成。為三大區管中心配套的空管自動化系統都具備了ADS航跡處理能力。經驗證，新系統可以處理和顯示基於ACARS數據的自動相關監視航跡，也可以實施「航管員/飛行員數據鏈通信」（CPDLC）。這標誌了航空的主要空管設施已經具備了ADS監視能力。隨著航空公司機隊規模擴大和機型的更新，許多航空器都選裝了適合新航行系統的機載電子設備，具備了地空雙向數據通信能力。

航空在發展新航行系統和改進空中交通監視技術方面開展了建設性的活動，取得了一些成果，但總體上沒有突破ADS-C的技術框架。因此，對解決空管的突出問題，改善安全與效率，效果並不明顯。ADS-B技術的逐步成熟，將為我們尋求新的突破提供了機會。當今ADS-B監視技術已經在民航處於實用階段，位於四川廣漢的民航飛行學院是最早使用ADS-B的民航單位。2009年國家「863」重點項目「國產ADS-B系統」在民用航空飛行學院綿陽分院7910號機上實施驗證飛行。此舉預示著民航運輸航空器基於精確定位的航空協同監視技術應用的大幕已經拉開。 據悉，該項目由民航飛行學院鄭孝雍院長負責，通過與民航數據通信有限責任公司、九洲電器集團公司第三研究所長達3年的 共同研發，經地面測試，各項技術符合設計要求。為進一步驗證該系統的性能，經適航部門批准，按照《CESSNA172基本型飛機搭載實驗國產ADS-B系統實施方案》的要求，於2009年12月15日裝機，將進行垂直覆蓋頂空盲區、水平覆蓋，升降速率精度校驗、位置精度、方位精度、高度精度、速度精度，數據刷新率、數據的連續穩定性測試，航班號的輸入與顯示，測試24位地址碼的顯示等測試飛行120小時。 基於精確定位的航空協同監視技術驗證飛行成功，可取代進口ADS-B系統。中南地區管理局所屬轄區內也已經在穩步推薦ADS-B應用。但是，發展質量不容樂觀。一個重要的事實是極具說服力的：澳大利亞全境部署的雷達數量大致與上海飛行情報區可用的雷達資源相當。澳大利亞同行的優勢，很大程度上得益於ADS-B技術的超前規劃和大膽應用。相比之下，我們在ADS-B的實用技術研究、機載設備配備、地面系統建設、飛行和管制人員的操作技能培訓等多方面，都還缺乏現實可行的規劃安排。

可喜的是相關當局開始考察該技術的運行狀況，並表示進一步開發、利用這項新技術，對推動航空活動發展提供了現實可行性。

技術體制

在ADS-C的技術體制內，ADS的航跡報告是有條件選擇發送的。ADS-B與ADS-C之間除合約和通信協議的管理控制方式不同外，目標下傳的位置、姿態和航行信息的內容基本一致。機載ADS報告系統對報告信息的要素選項、重複報告周期、發送選址都是可以預設的。飛機在收到地面發送的上行申請電文後發送ADS下行電文，將用戶約定的報告內容通過空/地數據鏈和地面傳輸網路送達用戶端。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報告，必須逐架飛機、逐條航路(或航段)約定報告信息，同時還必須與經營空-地、地-地數據鏈傳輸業務的運營商定製信息傳輸服務。用戶約定的飛行航跡越多、信息要素越多、重複報告周期越短，支付的信息服務費就越高，而且按照SITA格式電報計量的通信費用特別昂貴。在這樣的技術體制下(附加了「第三方服務」成本)，雖然在低密度航路上，基於ADS監視技術的空中交通服務和航空公司運行管理都能夠實現，但高額的運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機載設備、配套建設的空-空數據鏈、地-空數據鏈和地面用戶設備也只能束之高閣。

技術兼容

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，而用來進行航跡跟蹤和管制數據通信的地空數據鏈，採用美國ARINC公司的AEEC618/AEEC622協議方式，屬應答式雙向通信。此通信制式的數據刷新率受應答協議制約，其同步性和實時性都不能滿足高密度飛行管制服務需求，無法與ADS-B技術兼容。

其次是數據鏈容量的差異。ADS-B所使用的數據鏈應能滿足高密度飛行監視的要求，因此對數據長度和通信速率都有很高的要求。國際航空組織推薦的全球可互用的ADS-B的廣播數據鏈-1090MHzS模式擴展電文數據鏈(1090ES)，最大下行數據長度達到112位，最大數據率達到1兆比特/秒。而現用的ACARS RGS地-空數據鏈，最大下行數據長度為32位，最大數據率僅2400比特/秒，顯然不能與ADS-B廣播電文兼容。

再則是傳輸技術上的差距。ADS-B廣播電文是面向比特的數據串，下行數據到達地面后，必須透明地傳輸至航空管制或航空運行簽派等地面用戶端。而現有系統中，通過ACARS RGS或衛星截獲的下行數據，須轉換為面向字元的SITA報文格式，經低速的自動轉報網傳輸到用戶端。這種信息傳輸方式的低效率以及傳輸時延不確定性，不能適應高密度飛行監視。

解決現有系統與ADS-B技術兼容問題，關鍵是選擇新的空-空、地-空數據鏈系統。數據鏈是ADS-B技術重要的組成部分，當前，許多國家和組織出於不同的開發意圖，開發出了多種多樣的數據鏈，從中選擇適合實際的數據鏈類型，是確定機載設備性能和發展地面設施的前提。各國對ADS-B數據鏈的選擇各持己見，但主流意見基本傾向於以下三種[10]：(1)甚高頻數據鏈模式4(VDLMode4)--歐洲較流行;其核心技術為SOTDMA協議，不足是VHF頻段資源緊張。(2)萬能電台數據鏈(UAT)--美國較流行，多用於通用航空飛機；採用二進位連續相移鍵控CP-FSK，不足是和DME地面設備的互相干擾嚴重。(3)1090MHzS模式擴展電文數據鏈(1090ES)--國際民航組織推薦;採用選擇性詢問、雙向數據通信，不足是已出現頻譜過度使用的危機。

國際航空組織一直在努力倡導使各成員國能夠執行一個統一的數據鏈標準，從而提高數據鏈設備在全球範圍的通用性。如果空中的每架飛機都執行同一個數據鏈標準，通過 ADS-B系統，每個飛行員都能看到其周圍一定範圍內所有航空器的位置和動態。這將顯著提高飛行員對其周圍飛行態勢的感知度，從而可以在保證飛行安全的前提下，進一步縮小飛機間的安全間隔，優化飛行路線，提高空域資源的利用率。

當前，處於成長期的航空運輸業，空域範圍在擴充，機隊規模在擴大，機型在更新，空管設施面臨進一步改造和完善。當局將面臨選擇：是全面引進國外ADS-B空管技術，還是在現有體制上改造，還是自主研發ADS-B技術。無論採用何種方式，都涉及到全面更新機載設備、調整空管地面設施的結構、研發和生產技術產品等，必須協調各方，整體推進，還需要航空宏觀政策的政策支持。出於兼容現有機載設備、兼顧終極發展目標的考慮，政策取向也會有所側重。近期待實現和完善的目標有：

·ADS-B技術實驗計劃的安排；

·機載設備全面更新;

·實驗基礎上制定ADS-B應用規則和服務程序；

·制定陸地區域ADS-B地面系統的技術規範;

·西部地區ADS-B監視為主、雷達監視為輔的管制策略(限制雷達布局);

·雷達管制地區建立基於ADS-B航跡處理的應急備份系統；

·積極推進空中交通管制一體化建設。

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