ADS—B技術(shù)在INDRA空管自動(dòng)化系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：為應(yīng)對(duì)一些地區(qū)復(fù)雜的地形環(huán)境，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)全覆蓋，滿足日益增長(zhǎng)的空中交通需求，國(guó)際民航組織及其相關(guān)國(guó)家連同其他國(guó)際組織達(dá)成協(xié)定，即使用ADS-B技術(shù)作為未來全球空中交通監(jiān)視手段的主要發(fā)展方向。文章介紹了ADS_B技術(shù)的原理和INDRA空管自動(dòng)化系統(tǒng)，并以西安區(qū)管中心為例，闡述ADS-B在INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ADS-B技術(shù)；INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)；空中交通管制；雷達(dá)信號(hào)；飛行計(jì)劃 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP315 文章編號(hào)：1009-2374（2017）01-0041-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.020

近年來，我國(guó)民航空中交通管制監(jiān)視系統(tǒng)的保障能力大幅提升，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2015年中國(guó)民航年飛行起降架次為780萬(wàn)架次，同比增長(zhǎng)5.7%，而截至2016年8月底，西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)航班起降架次為880萬(wàn)架次，另外，至2020年底中國(guó)機(jī)場(chǎng)數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到260個(gè)。

運(yùn)用傳統(tǒng)航空監(jiān)視手段，可以達(dá)到東部航線基本實(shí)現(xiàn)部分地區(qū)兩重或三重雷達(dá)覆蓋，但民航運(yùn)輸日益增大，擁堵狀況日益明顯；西部地區(qū)雷達(dá)設(shè)施不完善，信號(hào)覆蓋不完全，受地形復(fù)雜和高海拔的影響，航線和機(jī)場(chǎng)搭建傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視設(shè)備困難、維護(hù)成本高。因此為適應(yīng)民航運(yùn)輸需求，彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)視手段的不足，尋求更加高效的監(jiān)視手段，中國(guó)民航積極開展了ADS-B的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)工作，已實(shí)施一系列ADS-B技術(shù)應(yīng)用的運(yùn)行試驗(yàn)與驗(yàn)證工程，目前已經(jīng)完成8套1090ES數(shù)據(jù)鏈ADS-B地面站的建設(shè)工作。通過新技術(shù)應(yīng)用，縮小飛行間隔，提高空域容量，減輕管制員工作負(fù)荷，促進(jìn)管制運(yùn)行安全和效率的提高。

1 ADS-B原理簡(jiǎn)介

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）的全稱是Automatic Dependent Surveillance-Broadcast。ADS-B定義了一種新型的監(jiān)視手段，它通過數(shù)據(jù)鏈以廣播形式向外發(fā)送自身的狀態(tài)信息，信息如飛機(jī)的標(biāo)識(shí)、呼號(hào)、位置（經(jīng)緯度、高度）、速度、爬升、下降和轉(zhuǎn)彎等其他信息，這些信息可由同樣加裝ADS-B設(shè)備的飛機(jī)和地面站接收并顯示。本機(jī)作為產(chǎn)生信息的數(shù)據(jù)源向外廣播，它也能接收到來自其他飛機(jī)的廣播信息。ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)提高了對(duì)空域的利用，改進(jìn)了對(duì)目標(biāo)的監(jiān)視能力，提高了飛行安全。ADS-B是ADS技術(shù)的一種，是實(shí)現(xiàn)未來自由飛行理念的重要保證。

ADS-B具有如下特征：（1）Automatic：全天候運(yùn)行，無需監(jiān)視；（2）Dependent：只依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供的精確數(shù)據(jù)；（3）Surveillance：通過監(jiān)視獲得航班號(hào)、位置、高度、速度、矢量角及其他信息；（4）Broadcast：無需應(yīng)答，ADS-B信息發(fā)送者通過廣播形式發(fā)送信息，不僅是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送，而且是將信息周期性地廣播給通信空域內(nèi)的任何一個(gè)裝有相關(guān)設(shè)備的用戶，即只要有效范圍內(nèi)安裝ADS-B機(jī)載系統(tǒng)的飛機(jī)，都可以不受限制的接收ADS-B信息。

簡(jiǎn)單來說，ADS-B的工作原理就是由機(jī)載設(shè)備接收到機(jī)載導(dǎo)航和定位系統(tǒng)的報(bào)文，將飛機(jī)位置信息以1s的間隔向外廣播，自動(dòng)傳送給地面站和周圍其他飛機(jī)，同時(shí)飛機(jī)自身也接收空域內(nèi)其他飛機(jī)的數(shù)據(jù)廣播。

2 ADS-B技術(shù)在INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

INDRA AirCon 2100（以下簡(jiǎn)稱INDRA）自動(dòng)化系統(tǒng)是由西班牙英德拉公司開發(fā)設(shè)計(jì)的空管自動(dòng)化系統(tǒng)，可以為區(qū)域和塔臺(tái)等不同管制中心提供空中交通管制服務(wù)，支持一、二次雷達(dá)、ADS-B及ADS-C、AIDC/OLDI移交、CPDLC地空數(shù)據(jù)鏈、飛行計(jì)劃等航班信息服務(wù)和空中交通信息服務(wù)，讓管制員全面掌握空中動(dòng)態(tài)，向航班發(fā)出實(shí)時(shí)指令，增強(qiáng)航班飛行安全。INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)具備監(jiān)視數(shù)據(jù)的接入及處理、多雷達(dá)航跡融合、綜合航跡與飛行計(jì)劃的相關(guān)處理、圖形生成及顯示、告警功能以及數(shù)據(jù)記錄和回放等功能模塊。

2.1 信號(hào)接入模塊

SFE（Surveillance Front End，監(jiān)視數(shù)據(jù)前端處理）是INDRA自動(dòng)化的前端設(shè)備，提供ADS-B、雷達(dá)等監(jiān)視數(shù)據(jù)的接收和預(yù)處理，SFE包括外部接口設(shè)備和RDCU（Radar Data Compressor Unit，監(jiān)視數(shù)據(jù)比選單元）。ADS-B數(shù)據(jù)通過外部接口設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)至RDCU，RDCU中每個(gè)數(shù)據(jù)源均配置為雙通道模式，即主備通道模式。若兩通道均正常工作，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)比選，時(shí)刻對(duì)比兩通道數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)；一旦系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到主用通道數(shù)據(jù)質(zhì)量低于備用通道，則自動(dòng)切換到備用。用戶也可手動(dòng)進(jìn)行選擇。另外，RDCU還為ADS-B數(shù)據(jù)提供時(shí)間戳處理功能。

INDRA系統(tǒng)支持的ADS-B數(shù)據(jù)格式為ASTERIX Cat021/023，傳輸協(xié)議為HDLC、X.25及IP組播。

INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)的外部接口設(shè)備有：分路器（串口輸入x1，串口輸出x4）；復(fù)用器（串口輸入x16，網(wǎng)口輸出x2）；48口以太網(wǎng)交換機(jī)。已有的配置共允許32路監(jiān)視數(shù)據(jù)串口傳輸，72路監(jiān)視數(shù)據(jù)網(wǎng)口傳輸。

2.2 多雷達(dá)航跡融合模塊

SDP（Surveillance Data Processing，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理服務(wù)器），該模塊負(fù)責(zé)接收和處理不同的監(jiān)視數(shù)據(jù)來源，提供飛行計(jì)劃與雷達(dá)數(shù)據(jù)相關(guān)、多雷達(dá)航跡跟蹤處理、處理STCA、MSAW等安全告警及ADS數(shù)據(jù)跟蹤等功能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、真實(shí)的空中交通態(tài)勢(shì)處理，并將不同航跡傳輸至SDDs（Surveillance Data Display，監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示）和SNETs（Safety Net Processor，安全告警服務(wù)器）。

目標(biāo)數(shù)據(jù)識(shí)別的過程是：接收目標(biāo)報(bào)告→按需過濾→轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的ASTERIX格式→分配給其他子功能，例如MST。MST（Multi Sensor Tracking，多雷達(dá)航跡跟蹤器）子系統(tǒng)是SDP的核心，它能夠預(yù)處理接收到的數(shù)據(jù)（點(diǎn)跡或報(bào)告）以便用于后續(xù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標(biāo)系以及目標(biāo)過濾，其他處理例如點(diǎn)跡-航跡相關(guān)和雷達(dá)偏差預(yù)測(cè)，在MST接收數(shù)據(jù)之前進(jìn)行處理。當(dāng)跟蹤航班的水平位置時(shí)，MST首先執(zhí)行高級(jí)IMM（Interacting Multiple Model，交互式多模型）過濾將新的點(diǎn)跡或報(bào)告與每個(gè)系統(tǒng)航跡更新關(guān)聯(lián)，這一高級(jí)篩選能夠處理水平位置、速度矢量及“位置&矢量”等測(cè)量項(xiàng)。同時(shí)，對(duì)于垂直方向，MST采用標(biāo)準(zhǔn)的卡爾曼濾波與垂直機(jī)動(dòng)決策算法相結(jié)合的方法，來預(yù)測(cè)每一個(gè)系統(tǒng)航跡的高度和垂直速度。多雷達(dá)航跡也叫系統(tǒng)航跡，當(dāng)航空器被多種監(jiān)視源探測(cè)到時(shí)，MST根據(jù)這些數(shù)據(jù)源計(jì)算出系統(tǒng)航跡，提高精確度、連續(xù)性和覆蓋面。當(dāng)一架航空器的信息由多個(gè)ADS-B地面站提供時(shí)，系統(tǒng)仍將其看作單一監(jiān)視數(shù)據(jù)來源，與其他監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。因此即使不同ADS-B地面站設(shè)計(jì)廠家不同，自動(dòng)化系統(tǒng)也能進(jìn)行信息無差別處理。

MST的主要功能包括多雷達(dá)航跡跟蹤子模塊。多雷達(dá)航跡跟蹤子模塊是指在多重監(jiān)視源覆蓋的情況下，對(duì)系統(tǒng)航跡進(jìn)行初始化、維持、更新和取消。INDRA系統(tǒng)航跡更新的頻率是固定的，設(shè)置為4s，這保證了管制員能從SDD上看到周期性的連續(xù)的航跡更新。兩個(gè)及兩個(gè)以上代表同一航班的系統(tǒng)航跡可以合并為一個(gè)單系統(tǒng)航跡，ADS-B航跡的合并條件是滿足航班號(hào)、位置及監(jiān)視源關(guān)鍵參數(shù)等條件。

在未來，SDP將向其他系統(tǒng)傳輸ASTERIX Cat022格式的TIS-B（Traffic Information Service-Broadcast，廣播式空中交通信息服務(wù)），并處理和顯示GPS可用性的警告信息，該信息可能會(huì)影響來自外部監(jiān)控系統(tǒng)中目標(biāo)航跡的導(dǎo)航精確性。

2.3 飛行計(jì)劃處理模塊

FDP（Flight Plan Processing，飛行計(jì)劃處理器）接收處理外部系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)文并生成計(jì)劃，提供AIDC、航班識(shí)別、飛行計(jì)劃與系統(tǒng)航跡相關(guān)、飛行計(jì)劃的添加/修改/刪除/查詢等功能。

2.3.1 航班識(shí)別。這一功能提供以下服務(wù)：航班24位地址碼（Mode S & ADS-B）或二次代碼（Mode A）識(shí)別、僅基于飛行數(shù)據(jù)的模擬航跡的生成與發(fā)展等。

2.3.2 飛行計(jì)劃與系統(tǒng)航跡的相關(guān)。這一功能自動(dòng)相關(guān)當(dāng)前的飛行計(jì)劃與自動(dòng)化系統(tǒng)航跡，航班號(hào)、航班24位地址碼、二次代碼、地理位置是滿足相關(guān)的關(guān)鍵因素。

基于二次代碼和地理位置的相關(guān)，即系統(tǒng)檢測(cè)代碼是否符合時(shí)會(huì)考慮當(dāng)前和之前的二次代碼，且該目標(biāo)處于相關(guān)的地理范圍（INDRA系統(tǒng)可手動(dòng)配置）內(nèi)，一旦相關(guān)，飛行計(jì)劃信息會(huì)及時(shí)更新，并在管制員席位SDD上顯示一個(gè)航班標(biāo)牌。另外，也可以由管制員席位手動(dòng)輸入進(jìn)行相關(guān)。

在相關(guān)過程中，可能會(huì)存在由兩個(gè)系統(tǒng)航跡的二次代碼相同引起的模糊問題，這時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)根據(jù)飛行計(jì)劃計(jì)算的4D軌跡和系統(tǒng)航跡進(jìn)行一致性檢測(cè)，兩者相符時(shí)才會(huì)相關(guān)成功，若這一過程失敗，相關(guān)則不會(huì)自動(dòng)完成，需由管制員手動(dòng)操作。

2.4 態(tài)勢(shì)顯示處理模塊

SDD（Situation Data Display，空中交通態(tài)勢(shì)顯示器）是AirCon2100 INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)面向管制員的顯示終端，它基于系統(tǒng)對(duì)主要空中交通管制任務(wù)和環(huán)境的實(shí)時(shí)分析，可提供ADS-B等大量數(shù)據(jù)的管理。“最終實(shí)現(xiàn)”確保通過適用于用戶需求的人機(jī)交互界面，管制員更易控制及與周邊環(huán)境溝通；另一方面，也保證有效的數(shù)據(jù)顯示和自動(dòng)化支持，給予管制員更多的思考時(shí)間來做出交通管理的決策，減少其工作壓力，加強(qiáng)安全性、高效性，降低成本。

2.4.1 ADS-B數(shù)據(jù)顯示。從ADS-B位置報(bào)告中，系統(tǒng)可以得到以下數(shù)據(jù)，并顯示在SDD上相應(yīng)目標(biāo)的航班標(biāo)牌上：ADS能力（即目標(biāo)為ADS-B或ADS-C）和連接建立指示符；CPDLC能力和連接建立指示符；NIC（Navigation Integrity Control，導(dǎo)航完整性控制）指示符；ADS-B緊急模式指示符；可用的ADS-B預(yù)測(cè)航路（下兩個(gè)航路點(diǎn)）；通信協(xié)議（ATN、ACARS等）；ADS-B事件指示符。

2.4.2 ADS-B位置報(bào)告。帶有ADS-B信息的航跡，管制員能夠選擇使其與一個(gè)ADS-B位置報(bào)告關(guān)聯(lián)。

若系統(tǒng)收到ADS-B基礎(chǔ)位置報(bào)告（無速度信息），SDD屏幕上會(huì)顯示一個(gè)空心三角形來表示目標(biāo)在該位置；若收到擴(kuò)展報(bào)告（有速度信息）則顯示一個(gè)實(shí)心三角形表示。每一個(gè)三角形又連接兩條線形標(biāo)牌，一條線包括ADS-B報(bào)告的時(shí)間戳，另一條線顯示報(bào)告中包括的飛行高度。以上任意一種情況，航跡顏色是不會(huì)改變的。當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)前ADS-B位置報(bào)告接收時(shí)間之間的間隔也可以通過設(shè)置顯示出來。SDD可顯示的位置報(bào)告數(shù)量（最多為10個(gè)）及該功能的激活/關(guān)閉可以在SDD上

設(shè)置。

3 總結(jié)與展望

INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)在各國(guó)空管領(lǐng)域均應(yīng)用廣泛，支持ADS-B信號(hào)與多雷達(dá)信號(hào)融合處理，適用于國(guó)內(nèi)西北地區(qū)的實(shí)際地理情況和發(fā)展情況，并且作為西安區(qū)管中心的核心設(shè)備，必須保證監(jiān)視及其他數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性及傳輸高效性，才能為用戶提供更好的服務(wù)。

理想的空中交通服務(wù)是能實(shí)現(xiàn)飛行情報(bào)服務(wù)、空中交通管制、航空氣象服務(wù)、告警服務(wù)，這些服務(wù)都依賴于優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源。ADS-B技術(shù)能以更頻繁更準(zhǔn)確的傳輸方式，將本機(jī)信息實(shí)時(shí)傳給地面站或其他飛機(jī)，作為整個(gè)航空監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，ADS-B需要能夠給其他系統(tǒng)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。伴隨著不斷地創(chuàng)新進(jìn)步，ADS-B技術(shù)在國(guó)內(nèi)必將得到廣泛應(yīng)用，并帶動(dòng)新一代空中交通管理體系的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂小平.ADS-B技術(shù)介紹[J].空中交通管理，2005，

（4）.

[2] 潘衛(wèi)軍.空中交通管理基礎(chǔ)[M].成都：西南交通大

學(xué)出版社，2005.

[3] 李自俊.ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視原理及未來的發(fā)

展和應(yīng)用[J].中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，（5）.

[4] 何進(jìn).基于1090ES的機(jī)載ADS-B設(shè)備總體設(shè)計(jì)[J].電

訊技術(shù)，2011，（7）.

作者簡(jiǎn)介：黃丹珺（1990-），女，陜西西安人，民航西北空管局助理工程師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)通信。

（責(zé)任編輯：蔣建華）