讓飛機“永不失聯”
——衛星在全球航空飛行跟蹤中的應用

● 文|北京羽尋科技有限公司 藍天翼

讓飛機“永不失聯”
——衛星在全球航空飛行跟蹤中的應用

● 文|北京羽尋科技有限公司 藍天翼

一、引言

2014年3月8日，馬航370失聯，引發了全世界網民和航空愛好者的一番討論，為什么在科技如此發達的今天，馬航370會從“眼皮子”底下消失呢？“不是有遙感衛星嗎？”、“不是有通信衛星嗎？”、“不是有GPS嗎？”、“不是有雷達嗎？”

馬航370失聯后，網友貼出了FlightRadar24［1］網站發布的MH370最后位置的消息（如圖1），這引發了大家對FlightRadar24的興趣，人們不禁會問：“這樣一個航空發燒友創辦的網站為何能夠先于官方公布失聯客機位置？”、“他們是如何做到的？”

圖1 FlightRadar24網站上MH370的軌跡圖

大連港口局部高分二號衛星影像

該圖（成像時間2015年1月27日） 為大連港口局部高分二號衛星真彩色影像（0.8m分辨率）。大連位于遼東半島南端，其大連灣內的港口港闊水深，冬季不凍，萬噸貨輪暢通無阻。圖像左側可以看到廠房屋頂的“大船集團”大字，右側有在海中和船塢的萬噸貨輪。

中國資源衛星應用中心 供圖

2014年12月20日，百度發布了一款基于大數據的APP“百度天眼”，并率先上線蘋果APP Store，在該應用中，只要輸入國內在途航班的航班號，即可顯示出該飛機的各項狀態指標（如圖 2），盡管該應用在2015年10月已經無法查詢到任何實時數據，但網友們依然在網上提出了各種關于“百度天眼”的問題：“百度是如何獲取這些數據的？”、“這些數據準確嗎？”、“百度開發這樣一款應用的目的只是為大眾查詢航班信息嗎”？“這與‘飛常準’、‘航旅縱橫’等網站有什么區別？”

圖2 百度天眼ZH9675航班的實時航跡圖

諸多問題的答案，全部指向一個焦點：全球航班跟蹤系統（Global Flight Tracking System），即在全球范圍內實時獲取所有航班即時位置等飛行信息的系統。以下三個關鍵詞可以完美闡述這一系統的獨特價值：

·全球范圍

·實時數據

·所有航班

現有的技術手段，包括前面提到的通信衛星、遙感衛星、雷達、GPS，都不能同時滿足以上三個條件，時至今日，這種應用仍舊是一種尚未實現的設想；幸運的是，在產業界，全球航班跟蹤系統的概念已不新鮮，早在2013年國際上就已開始研究；馬航370失聯事件則成為全球范圍內推動其發展的關鍵里程碑；此后，從系統規劃、國際規則、頻率資源、產品研制與實驗等各個方面迅速推進，衛星更是在其中扮演了不可或缺的角色。

本文基于近幾年來對全球航空飛行跟蹤系統的研究，特別是衛星在其中的地位和作用，探討這項聽起來似乎不可能的應用的發展現狀及趨勢，并進一步對其中一些問題帶來的思考進行討論。

二、發展全球航空飛行跟蹤系統的意義

航空，特別是民航業務，盡管始終占據著最安全的運輸工具的第一位，但由于民航的國際影響力和災難發生的生還率較低，無論何時何地出現空難后的社會輿論總是大于任何一種運輸工具出現災難后的情形。馬航370客機失聯后的兩周內，幾乎世界所有媒體都對該事件進行了持續報道，一旦出現疑似客機動向的新聞，都能立刻被推上頭條。

讓飛機“永不失聯”，是乘客的需要，是航空公司的需要，是政府管理的需要，是在全球范圍內的普遍需要，是真正的“剛需”。因此，對飛機安全的需要，決定了全球航空飛行跟蹤系統最重要的意義，世界上所有運營、使用航空系統的國家或機構，都無法拒絕建立全球航空飛行跟蹤系統的倡議，國際電聯2015年世界無線電通信大會為此臨時設置議題［2］并迅速獲得通過也說明了這一點。

另一方面，通過近幾年來對于全球航空飛行跟蹤系統的跟蹤研究，筆者也發現，在“安全”這一基礎功能背后，更加豐富的數據應用場景被開發，許多大數據公司對全球航空飛行數據的需求日益迫切，特別是基于互聯網應用層面的業務模式，已引起歐美等國的高度關注，使全球航空飛行跟蹤系統展現出特有的、頗具潛力的商業價值。

三、全球航空飛行跟蹤需求

如前所述，全球航空飛行跟蹤系統需要滿足以下功能：

（1）跟蹤內容

·位置跟蹤。這也是需要進行航空飛行跟蹤最基本的跟蹤內容。

·狀態跟蹤。這是在位置跟蹤基礎上更豐富的跟蹤內容，與位置不同，飛行狀態是判斷飛行中故障、操作等的重要依據。

（2）跟蹤要求

·連續性。航空飛行跟蹤具有一定的特殊性，以目前最長的跨洋航班為例，其總時間長度也不會超過15個小時，因此小時級，甚至更高頻度的跟蹤是有必要的，目前ICAO規定的航班飛行跟蹤頻度約在15分鐘左右，針對特定需求也已經有公司給出了分鐘級，甚至秒級的跟蹤方案。

·全球性。要求被跟蹤的航空器具有一定的全球普適的特征，也就意味著航空器上應有標準統一、強制安裝的位置，狀態傳感器以及在海洋和陸地都提供跟蹤的手段。

綜合以上需求不難發現，常用的諸如遙感、雷達等方法僅能夠解決全球航空飛行跟蹤的一部分要求。例如遙感衛星可通過光學或微波探測器獲取一些參數，其位置信息并不精確，又如雷達盡管能夠提供位置信息，但在狀態信息上無法提供更多參考。通信被認為是解決全球飛行跟蹤最好的手段，而對于全球性的要求，特別是海洋上空的航班顯然無法通過部署在航線附近的陸基通信設備來解決。基于此，通過衛星為全球航空飛行跟蹤系統提供通信支持，是該系統實現的的唯一方法，這在全球范圍內已成為普遍共識。

四、全球飛行跟蹤系統發展

衛星通信被認為是在全球航空飛行跟蹤中切實可行的唯一方法，而傳統的衛星通信技術主要包括高軌和低軌移動通信兩種方式。以Inmarsat為代表的高軌通信衛星服務和以Iridium為代表的低軌通信衛星服務目前確實被許多航空公司選為進行全球航空飛行跟蹤的手段，但目前仍存在各公司標準并不一致，數據格式不統一，各地航班數據不共享，非全球航空公司皆有的局面。

自動相關監視（ADS）系統的出現，似乎提供了一種解決上述問題的可行性。

ADS系統是一項隨著民航對于飛行跟蹤和飛行狀態監視而產生的新體制，其發展過程中出現了兩種不同的體制，ADS-B與ADS-C。

兩者有相似的地方，也有一定的區別。相似之處在于其都包含了自動、相關和監視的特點，即飛機系統根據自身的傳感器，自動將用于監視的信息發送出去；區別在于“-B”是Broadcast，即不論對方是否接收都會自動廣播，而“-C”是Contract，需要接收方給予確認或“握手”后才能繼續通信。

1.當前飛行跟蹤系統使用的ADS-B技術

ADS-B技術原本是一項用于地面的技術，目前ADS-B包括三種數據鏈技術，分別是S模式超長電文（1090ES）、通用訪問收發機（UAT）和模式4甚高頻數據鏈（VDL-4）。由于ADS-B中“-B”的特性，意味著只要任意用戶具有與發射體制相同的接收機，就能夠在鏈路條件允許的情況下，接收到飛機發射的ADS-B報文。

ADS-B的報文包括如下內容：

a）飛機標識，飛機地址包括航班號、ICAO的24bit全球唯一的地址編碼；b）位置（經度/緯度）；c）位置完好性/位置精度；d）氣壓高度和幾何高度；e）垂直升降率（垂直/爬升速率）；f）航跡角與地速；g）緊急情況指示（選擇緊急代碼時）；h）特殊位置識別（SPI）。

其中的位置信息，是通過飛機的GNSS接收機獲取的飛機實時高精度位置信息，這意味著其位置精度與GNSS系統的位置精度是一致的。把該位置與之前所述地面雷達獲取位置的精度信息進行一個比較（見圖3、圖4）。

圖3 ADS-B與雷達軌跡圖對比

圖4 被測物與基站（雷達）距離與被測物位置精度關系圖［3］

如圖3、圖4所示，ADS-B與雷達比較的兩大優勢：一是雷達反饋是每12秒一次，飛機位置是不連續的，而ADS-B是每秒一次，相對雷達來說位置信息連續性更好；二是雷達的精度與ADS-B相比較低，這是由于雷達測量原理本身決定的，其精度是與被測物體到雷達的距離成反比的，因此當飛機與雷達距離達到100NM后，雷達的精度僅能達到500m，而ADS-B由于廣播的是GNSS接收機解算出的精確位置，其與基站的距離跟精度完全無關。

如果沒有FlightRadar24和“百度天眼”，不會有這么多的人關注到ADS-B這項只在航空領域應用的技術。FlightRadar24和“百度天眼”恰好就是利用了ADS-B的特性，進行了ADS-B信號的接收。

但是，在海洋等許多特殊地區，是無法在航線附近安裝接收設施的，ADS-B面臨的最突出問題就是無法實現全球監視，這也正是馬航370失聯后無法獲知其精確位置的原因之一（見圖5）。

圖5 地基ADS-B系統覆蓋區域的局限性［4］

2.衛星在ADS-C中的應用

根據ADS-C的服務提供方Inmarsat的官方報告來看，大多數寬體客機或跨洋航班的班機上都安裝了ADS-C裝置。ADS-C有兩種主要報告形式，一是常規位置報告，這是一種周期性的報告，每隔一定時間長度ADS-C裝置會自動發射給Inmarsat接收；另一種是自動觸發的偏差報告，這是遇到特定事件后的突發報告，該報告不僅能夠將偏差信息發送出去，還能夠更改常規位置周期報告的周期。在2014年之前，常規周期性位置報告的周期在30-40分鐘的間隔，2014年后改到了15分鐘以內的間隔，隨著跟蹤系統需求的不斷提升，未來有可能ICAO還會將間隔進一步降低到5-10分鐘。［5］

馬航370沒有ADS-C嗎？

回顧該事件與ADS-C相關的細節，首先赤道附近的區域毫無疑問是Inmarsat的覆蓋區，目前只要不是±75°以上的高緯度區域，Inmarsat衛星是能夠完全覆蓋的；再看馬航370的機型，是Boeing 777，該機型是寬體客機，從事的是跨洋航班，為符合ICAO的標準，一定是有ADS-C裝置的；最后看Inmarsat在最終的飛機搜救中“立功”的表現，Inmarsat聲稱收到了兩次馬航370“Ping”信號，根據兩次“Ping”信號的多普勒信息，其確定了兩條馬航370的可能軌跡，最終引導著原先在越南海域搜救的各國隊伍走向了印度洋。

從整個的過程來看，確實沒有任何關于ADS-C中周期性位置報告被接收的信息，如果從“Ping”信號這樣的“信息”中，Inmarsat都能夠分析出一定的軌跡信息，那么如果有了準確的位置信息，搜救難度應會大大降低才對。那這又是怎么回事呢？說好的位置信息去哪了？

2014年5月12日，就在馬航370失聯兩個月后，Inmarsat官網公布了一則新聞《Inmarsat將提供免費全球航班跟蹤服務》；同一天，在網上出現了一位名為Jason Mick的評論員文章《MH370災難之后 Inmarsat 為全部商業飛機提供免費衛星跟蹤》［6］，稱“英國公司決定放棄追蹤飛機帶來的少許收入，因為這些收入在飛機失事帶來的令人頭疼和痛心的問題面前不值一提”，文章最后一句甚至給出了因為免費衛星跟蹤服務的推出，Inmarsat的損失“超過一億美元”。如此看來，衛星的飛機跟蹤服務在MH370之前是收費的。但該跟蹤服務是否是ADS-C呢？

Inmarsat在2014年的一份提及“ATM演進”的報告中提到了ADS-C技術［5］，并將該技術定位為“ATM演進的重要因素”，其中有兩個細節，一是在其中說明了“基礎跟蹤服務免費”，二是標明了“航線收費極低（約10美元/航班）”。從這兩個細節看，Inmarsat在2014年5月12日宣布免費的服務，其實就是ADS-C的基礎服務，即15分鐘級別的位置跟蹤報告。而馬航370之所以并沒有位置跟蹤報告，僅有“Ping”信號，極有可能是馬航的飛機有ADS-C裝置但沒有購買服務，導致只有“Ping”卻沒有“Contract”。

3.衛星在ADS-B中的應用

解決ADS-B海上接收受限問題的答案是：采用星載（或稱天基）ADS-B，即通過衛星接收原先僅用于地面的ADS-B技術。

（1）星載ADS-B系統組成

典型的星載ADS-B系統組成見圖6。

圖6 衛星ADS-B示意圖

由圖6可以清晰地看出來衛星在星載ADS-B中承擔的作用，就是將原先飛機-基站的鏈路，通過衛星和地面站進行連接，這樣，在帶有ADS-B的飛機飛到沒有ADS-B基站覆蓋的區域內時，只要飛機處在相應衛星的覆蓋區內，衛星可接收來自飛機廣播的實時狀態信息，并通過回傳鏈路將信息傳回地面控制系統內，確保飛機“永不失聯”。

（2）“大佬”的星載ADS-B

歐美由于率先完成了地基ADS-B系統的建設，因此也都率先將目光投向了星載ADS-B技術。

歐洲由歐盟和歐洲航空安全組織發起了單一歐洲天空空中交通管理研究項目（SESAR），其中星載ADS-B技術也被列為未來空中交通管理的飛行跟蹤手段之一，同時ESA也發出了項目邀請，推進星載ADS-B載荷研制和ADS-B衛星在軌演示驗證。

美國由于通航發展迅速，因此也是全球最早開始部署地基ADS-B并將目光率先瞄向天基ADS-B系統的國家。

2011年，GlobalStar和ADS-B Technology開發出了ALAS［7］［8］（ADS-B Link Augmentation System），通過該系統，能夠將載有ALAS系統的飛機的ADS-B數據通過GlobalStar L/S數據鏈與衛星進行數據交換。2015年7月21-28日，GlobalStar在美國進行了約36小時的飛行試驗來對星載ADS-B信號的接收進行驗證，飛行期間，GlobalStar共收到了129300條報文中的125795條，接收成功率達到97%；8月12日，GlobalStar與ADS-B Technology宣布，NASA Langley選擇了ALAS系統作為NASA雙向通信需求的研究工作。

2013年前后，美國的Iridium公司宣布將搭載ADS-B接收機到其未來發射的Iridium-NEXT星座上，預計2017-2020年提供全球商業化服務［9］。該信息在馬航事件后不斷被提上航天類科技新聞頭條，因為銥星的星座覆蓋特性全球有目共睹，基于星間鏈路和全球覆蓋星座，確保了即使經過北極上空的飛機，也能夠被Iridium衛星接收并通過星間鏈路傳到地面網關站，為用戶提供準實時的ADS-B信息，因此Iridium-NEXT的這項應用被輿論寄予厚望，被稱作能讓全球航班“永不失聯”的“殺手锏”。

（3）典型星載ADS-B系統

任何一個天基接收系統都不可能僅由一家或幾家大型公司獨占，未來的天基接收系統最大的商業價值在于數據，而非星座本身，因此有明晰的商業數據用戶和完整的大數據產業鏈條的后來者，與技術體制與產品研制的先發者在產業和資源等方面各具優勢。星載ADS-B的發展中也呈現出這種局面。

1） GomSpace［10］

GomSpace于2013年11月21日將GOMX-1發射入軌，該衛星搭載了該公司第一代星載ADS-B接收機，該接收機在軌工作狀態良好，回傳了大量有效ADS-B數據。但由于該衛星的平臺僅采用了9.6kbit/s的下行速率，有大量的接收并解調的數據沒有成功下傳。

GOMX-1后，GomSpace公布了其下一步規劃，并在2015年8月19日成功發射了GOMX-3到國際空間站，在2015年10月5日將該衛星部署到近地軌道。GOMX-3與GOMX-1相比，有三處主要變化，一是衛星尺寸由2U變為了3U，二是搭載了第二代ADS-B星載接收機，三是采用了X頻段的數傳，下行速率達到2Mbit/s。

GomSpace的ADS-B星載接收機在網站上公開售賣［11］，并標出了其星載接收機的性能指標，最大功耗1W，最大每秒接收ADS-B包數量800包，靈敏度高于-103dBm。從指標來看，該接收機的性能還是非常不錯的。

2） RMCC

RMCC（Royal Military College of Canada，加拿大皇家陸軍學院）響應加拿大國防研究與發展部的號召，在2009年開始研究天基接收ADS-B可行性，并由學生發起了一項氣球試驗，驗證是否能夠通過氣球上的ADS-B接收機來接收飛機的ADS-B信號［12］。

試驗進行了三次，其中2009年6月12日和2012年3月21日的試驗結果比較好，氣球上接收機接收的數據與NAV Canada地面ADS-B基站接收的數據吻合較好。隨后，該項目被并入了CANX-7衛星項目［13］。

加拿大的CANX項目是一系列用于天基演示驗證的項目，其CANX-6項目就是天基AIS的演示驗證，因此CANX-7項目選中天基ADS-B，可以看做是加拿大對于天基ADS-B項目未來前景的期待。在CANX-7項目中的星載ADS-B接收機由COM DEV和RMCC共同完成，巧合的是，COM DEV恰好是CANX-6中星載AIS接收機的研制方。CANX-7衛星預計2015-2016年發射。

3） PROBA-V［14］

PROBA-V是QinetiQ公司為ESA研制的一顆植被觀測衛星，該衛星于2013年5月7日發射升空，搭載了DLR研制的星載ADS-B接收機。

該接收機接收的數據通過與澳大利亞的地基ADS-B網絡數據比對，吻合結果非常好，驗證了DLR研制的天基ADS-B接收機的接收性能。

（4）星載ADS-B發展趨勢

在多個衛星公司競相發射ADS-B衛星的同時，包括ESA在內的多個機構也紛紛公布了未來的天基ADS-B星座規劃，這些規劃中，星載ADS-B或作為主載荷，或作為搭載載荷，均體現了在全球航空飛行跟蹤業務領域里，這些公司和機構的決心。

荷蘭的ISIS公司預計將在2017年發射ADS-B的PoC衛星，并在2018年中期組網形成天基ADS-B系統［15］；ESA成立了歐洲全球監視研究組，提出將ADS-B技術帶到太空，提供全球覆蓋，10～15s更新速率的準實時ADS-B數據；而前面提到的Iridium更是在今年就將發射其搭載了ADS-B接收機的星座衛星，開始組網的第一步。

如果說全球航行安全是所有公司和機構發展全球航空飛行跟蹤的出發點，那么在獲取了全球航空飛行跟蹤數據后的大數據業務，極有可能會成為“航天商業化”中一項不可或缺的產物。

4.全球飛行跟蹤系統大數據應用

就在Iridium-NEXT的72顆搭載ADS-B載荷的衛星即將開始第一輪發射之時，不少目光已經投向了為這72個載荷買單的數據公司，即加拿大的Aireon［16］。Aireon將全球ADS-B監視定義為“Game Changer”，從其公開的許多商業文件和利益相關方分析，這絕不是一家僅僅將飛行安全作為主要業務的數據運營商，其目光投向的領域，正是如火如荼的“大數據”。

2014年9月22日，Aireon宣布用于搜救的全球ADS-B數據將會免費提供給用戶，同時，Aireon也表示，盡管全球ADS-B數據不能夠避免類似MH370的悲劇發生，但是這樣的數據能夠很大程度上提高搜救的效率和成果。從這則新聞不難看出，其實Aireon為用戶提供的數據，特別是地面基站無法接收到的數據，并不是免費的。

Aireon將潛在用戶劃為四個領域，分別是空中導航服務供應商、航空公司、通用航空和國土安全部門。同時，Aireon也將ADS-B的用戶劃分了不同數據和服務級別的多個目標市場，可謂是深思熟慮。更讓人想不到的是，Aireon還發布了ADS-B的商業價值分析，其中包括節省燃油、節省飛行時間和減少等候時間三項，Aireon給出了詳細的計算結果。

Aireon認為，通過優化航班爬升過程、提升航路利用率、根據風和氣候變化優化航路三項服務能夠在2017-2030年為北大西洋和太平洋的美國航空公司節省30億美元（整個Iridium-NEXT的投資也不過18億美元）。

從其描述的前景來看，ADS-B的全球大數據價值，前景非常可觀。其中不可忽視的一個關鍵角色，就是衛星與航空業務結合，這種結合型應用使一家從事空中導航服務的運營商，擁有了獲取全球（特別是海洋區域）飛行跟蹤數據的能力，使上述各種商業模式得以實現。

五、思考與建議

經過多年的發展，全球航空飛行發展迅猛，以民航業為代表的傳統航空業，也迎來了通用航空、無人機等新興航空業的挑戰。美國最初發展ADS-B系統的初衷，正是為了解決阿拉斯加地區通用航空經常碰撞的問題。

現今，天基ADS-B系統已經不存在技術障礙，但如何規劃星座，數據如何分發、資源如何管理、后臺如何利用這些海量數據提供更高質量的服務等問題并沒有解決。

我國在2015年9月底和10月初發射的多顆微納衛星上，都搭載了ADS-B接收機用于全球航班跟蹤，充分說明了我國衛星設備研制的能力和與國際接軌的眼界；但同時應該看到，這些衛星搭載項目，普遍出于技術驗證的目的，都沒有明晰的商業計劃和明確用戶；其他一些天基ADS-B星座系統的規劃也僅僅著眼于衛星制造的規劃，而在其對用戶應用層面的研究卻十分欠缺。

因此，在追求制造更好、更先進、更與國際接軌的衛星產品的同時，我們更應該把重點回歸到衛星應用，如何為用戶制造更“好用”的衛星，如何幫用戶開發、使用海量數據，發現、發掘、創造新的應用模式，這將是每一位投身于衛星全球航空飛行跟蹤應用的從業者需要切實考慮和研究的。

（本文亦感謝李輝研究員、杜璇女士提供的幫助）

編后語

2015年11月12日，在ITU WRC-15會議上，正式為全球航班跟蹤劃定了新頻點，而該頻點，正是本文后半部分提到的ADS-B 1090ES采用的1090MHz頻段。這意味著，從無線電規則層面，已經為該鏈路提供了“合法”的地位和使用的保障。基于此，規則基礎已經奠定，技術標準已經確立，產品設備的研制也已突破，萬事俱備，只待應用。從此，衛星在航空中的應用再寫新篇。

［1］http://www.flightradar24.com/ ， FlightRadar24 Website.

［2］https://www.itu.int/net/pressoffice/press_ releases/2014/59.aspx， lTU Newsroom.

［3］A. Smith， R. Cassell， T. Breen R. Hulstrom，C.Evers， Methods to Provide System-Wide ADS-B Back-Up， Validation and Security， 25th Digital Avionics Systems Conference， 2006 lEEE/AlAA，2006.

［4］Don Thoma，Aireon， Space Based ADS-B - Global ADS-B Coverage， lCAO SEA/BOB ADS-B WG/10，2014.11.

［5］C. Dumas， Flight Tracking The lnmarsat View -and Proposal， 2014.

［6］http://www.dailytech.com/After+MH370+Disaster+l nmarsat+Offers+Free+Satellite+Tracking+of+All+C ommercial+Aircraft/article34891.htm Jason Mick，DailyTech Website.

［7］http://www.ads-b.com/space-based.htm ADS-B Technology Website.

［8］http://www.ads-b.com/news.htm ADS-B Technology News.

［9］http://www.iridium.com lridium Website.

［10］http://www.gomspace.com GomSpace Website.

［11］http://www.gomspace.com/index.php？p=productsadsb GomSpace ADS-B Receiver.

［12］Raymond Francis， Ronald Vincent， etc， The Flying Laboratory for the Observation of ADS-B Signals， lnternational Journal of Navigation and Observation， 2011.

［13］http://utias-sfl.net/？page_id=210 Nanosatellite: CanX-7.

［14］Davy Vrancken & Stijn llsen， PROBA-V: The example of on-board and on-ground autonomy，Small Satellite Conference， 2014.

［15］http://www.isispace.nl/cms/index.php/projects/ s-ads-b lSlS Satellite ADS-B.

［16］http://www.aireon.com Aireon Website.