星載ADS-B接收系統及其應用

● 文|國防科學技術大學航天科學與工程學院　陳利虎　陳小前　趙勇

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星載ADS-B接收系統及其應用

● 文|國防科學技術大學航天科學與工程學院陳利虎陳小前趙勇

星載ADS-B接收系統有著全天時、全天候、大范圍、遠距離、衛星探測合法性等優點，可從空間對全球航空目標進行位置跟蹤、監視及物流調控。本文介紹了星載ADS-B系統的定義、特點和應用前景；分析了國內外研究現狀，介紹了國防科技大學“天拓三號”星載ADS-B系統在軌應用情況；提出了未來ADS-B微納衛星星座組網方案設想。

一、概述

近年來，航空業發展迅速，飛行流量持續快速增長使得民航空域資源嚴重短缺，給航跡跟蹤、流量控制、航空安全、事故搜救等帶來了巨大挑戰。為了實現對大流量空中交通的無縫連續監視，需要建設復雜的雷達網絡和數據處理系統；另一方面，受自然環境限制，全世界大部分地區沒有得到航空監控，尤其在海洋、極地、山區、沙漠和不發達地區安裝地面監視設備在技術和經濟上無法實現。在這一背景下，廣播式自動相關監視 （Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）技術應運而生。

ADS-B技術采用全向廣播方式自動播發機型、航空代碼、位置、速度、高度和航線等，將衛星導航、通信技術、機載設備以及地面設備等先進技術相結合，提供了更加安全、高效的空中交通監視手段，能有效提高管制員和飛行員的運行態勢感知能力，擴大監視覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運行效率。ADS-B工作原理如圖1所示。

圖1　ADS-B工作原理

國際民航組織于第十一屆航行大會確定ADS-B技術為全球新航行技術的主要發展方向。歐洲要求從2015年起重量大于5700kg或者速度大于250節的飛機強制裝配ADS-B播發設備，對于已經投入使用的飛機截止到2017年完成改裝。美國、加拿大等國家也采取了類似的舉措。預計到2020年，ADS-B將會在世界范圍內實際投入運行。

中國民航高度重視新航行技術的應用與實施，不斷加強ADS-B 技術研究與應用，在技術政策與規章標準制定、機載設備加改裝、地面設備研制生產、技術驗證與試驗運行等方面開展了大量工作，為ADS-B 地空監視（ADS-B OUT）的實施奠定了基礎。目前，國內70%的民航飛機已裝備ADS-B設備，在2020年后所有高性能飛行器將強制安裝ADS-B設備。

當前，基于ADS-B飛行器跟蹤技術的空中管理還主要依靠陸基雷達，但國內外已經嘗試將高靈敏度ADS-B接收機安裝到低軌衛星上，通過星載ADS-B對航空飛機進行跟蹤，廣域偵收信號，衛星位于境內時實時轉發偵收的信號，位于境外時先存儲后轉發。在星載ADS-B飛行器跟蹤技術應用以前，依靠陸基雷達實現全球空管的范圍只有10%，而星載ADS-B飛行器跟蹤技術應用之后將會將范圍擴大到100%。

星載ADS-B對陸基監控不到的遠海、極地以及大量的遙遠不發達地區的空中管制意義非常重大。利用低軌衛星星座可實現全球范圍內的航空目標準實時或實時目標監控、空中流量測量和航線優化，有效提高航空飛行效率和安全系數。另外，如果將已偵聽的航空目標與其它偵察手段結合，能夠實現軍機的鑒別和跟蹤。星載ADS-B獲取的信息對于國民經濟建設和軍事偵察具有重要價值。星載ADS-B應用效果如圖2所示。

圖2　星載ADS-B偵收應用效果圖

二、國內外發展現狀

1．國外發展現狀

ADS-B從1991年首次在瑞典首都的Bromma機場成功演示以來，在國際民航組織新航行系統發展規劃的指導下，歐洲、北美和澳大利亞等地區的航空組織進行了卓有成效的研究和實驗，一些具有代表性的進展有：1994年初，美國聯邦航空局在Boston Logan機場對ADS-B監視功能的性能開展了地對地通訊的實驗；2008年，歐空局率先開始研究1090ES模式的ADS-B信號能否被低軌道衛星接收到，研究和仿真促使了“星載ADSB”(ADS-B Over Satellite，AOS)的誕生；2010年11月，加拿大對飛臨哈德森灣上空的航空器強制要求裝備ADS-B發射系統；2011年，GlobalStar和ADS-B Technology開發出了ALAS （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；2013年，德國航空中心研制發射了國際首顆星載ADS-B的實驗衛星Proba-V；2015年，銥星二代衛星開始陸續發射，計劃于2017年完全替代目前網絡，預計其將成為第一個完成星座組網的ADS-B系統；2015年11月，國際電信聯盟（International Telecommunications Union，ITU）將用于飛機和人造衛星的通信頻率確定為1087.7-1092.3MHz，ADS-B的頻譜利用資源得到有效保障。雖然從星載ADS-B概念提出到目前不到十年時間，但其已經取得了較大的發展，目前，德國、丹麥、加拿大、美國、中國等相繼開展了星載ADS-B系統的研制，并發射了自己的ADS-B小衛星。

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SESAR（Single European Sky ATM Resarch），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 （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。

ESA 2013年發射了由德國航空航天中心（DLR）研制的PROVE-V衛星搭載了ADS-B接收機，驗證了星載ADS-B飛行器跟蹤技術。在首次進行試驗時2小時內接收到了12000余條ADS-B報文見圖3、圖4、圖5所示。它的成功驗證了從太空進行空管的可能性。

圖3　PROVE-V衛星在英國空域偵收到的ADS-B信號

圖4　PROVE-V衛星在澳大利亞空域偵收到的ADS-B信號

圖5　PROVE-V衛星ADS-B偵收幅寬示意圖（單軌約500km）

該衛星驗證了從太空持續跟蹤航空器的可能性。在不到的兩年時間里，對地覆蓋范圍相對較小（約1200L×500W (km)）的ADS-B載荷已接收了來自15000多架飛機的2500萬個位置信號。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。

2013年前后，美國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（見圖6、圖7），預計2017－2020年提供全球商業化服務。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。

圖6　搭載ADS-B載荷的下一代銥星星座

圖7　下一代銥星星座搭載的ADS-B載荷陣列天線

丹麥的GomSpace公司于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（見圖8）。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。

圖8　GOMX-1衛星（右上螺旋為ADS-B天線）

之后發射了GOMX-2，但是火箭升空后爆炸。在2015年8月19日成功發射了GOMX-3到國際空間站（見圖9），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。

圖9　GOMX-3衛星及其在空間站分離

加拿大皇家軍事學院（RMCC）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。試驗進行了3次，其中2009年6月12日和2012年3月21日的實驗結果比較好，氣球上接收機接收的數據與地面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（見圖10）。CANX-7衛星預計2016年發射。

圖10　CanX-7衛星進行ADS-B飛行器跟蹤

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；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；而前文提到的Iridium系統已經開始了組網的第一步。

2．國內發展現狀

國防科技大學微納衛星工程中心2015年9月發射了“天拓三號”（TT-3）。這是我國首次進行星載航空目標自動識別信號接收試驗。TT-3星載ADS-B接收系統平均每天可接收全球范圍40多萬條ADS-B報文數據，幅寬超過2000km，成功實現對全球范圍航空目標的準實時目標監控、空中流量測量，接收的報文數據可為航空安全、航線優化、航空管制和提升航空效率提供信息服務。如圖11、圖12所示。

圖11　TT-3星載ADS-B單軌幅寬示意圖（2015-09-22）

圖12　TT-3星載ADS-B 8小時偵收數據示意圖（2015-09-22）

三、ADS-B星座方案設想

單星對于目標的重訪時間將很長（通常超過10小時），導致了系統的實用性降低。為了能夠快速反應目標的動態變化情況，提高覆蓋性能，必須采用星座組網方案。

如需要全球實時，則需要建設類似美國銥星的星座（66星組網，且擁有星間鏈路），構建周期和經費均較為龐大。考慮經濟性和效費比，可以分別建設區域實時覆蓋和準實時全球覆蓋星座。

全世界的經濟中心集中在南北緯37°以內，可考慮建設中低緯度實時或準實時覆蓋同時兼顧全球覆蓋的星座，如設計中傾角LEO（40～45°）+太陽同步軌道LEO的混合星座，使用36顆（6軌道面，每軌道面6顆）40°傾角LEO衛星+2×2顆太陽同步軌道衛星實現中低緯度準實時覆蓋，同時太陽同步軌道的衛星可保證全球覆蓋。

四、結束語

星載ADS-B具有位置高遠、廣域覆蓋的優勢，其偵收信息在軍事上可用于監視全球航空目標，配合重要目標詳查；在國民經濟建設中可用于掌握全球航空動態、維護航行安全、分析全球經濟態勢等，在智能大交通、空管、物流等各領域應用廣泛。總的來說星載ADS-B具有巨大的軍民兩用價值。

2015年國內星載ADS-B系統的首次飛行驗證圓滿完成，改進型星載ADS-B載荷、低信噪比解調和多信號沖突信號分選算法等研究進展順利，微納衛星平臺的研制和驗證日漸完善，各應用單位在星載ADS-B數據處理和顯示、數據庫的建設方面日漸成熟。綜合以上幾個有利因素，可以看出我國建設實用化的星載ADS-B偵收系統已經具有良好的基礎和條件。

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