1090ES ADS—B地面站設(shè)備的優(yōu)化探討

邱志豪

摘 要 本文在綜合分析現(xiàn)有1090ES ADS-B地面站設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)ADS-B地面站設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化探討，完善現(xiàn)有做法，補(bǔ)充新的有益措施。

關(guān)鍵詞 ADS-B 地面站 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：V351.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.08.019

Discussing the optimization of 1090ES ADS-B Ground Station

QIU Zhihao

（Middle South Regional Air Traffic Management Bureau of CAAC， Guangzhou，Guangdong 510403）

Abstract Based on the comprehensive analysis of the existing 1090ES ADS-B ground station equipment， according to the actual situation and the equipment using the experience of the study on Optimization of ADS-B ground station equipment， improve the existing practices and complement new measures.

Keywords ADS-B； ground station； optimization

0 引言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS-B是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的空管監(jiān)視新技術(shù)。國際民航組織將其確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向，國際航空界正在積極推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。中國民航結(jié)合現(xiàn)狀和未來發(fā)展需求，也制定了ADS-B發(fā)展規(guī)劃、應(yīng)用原則和總體策略，確定運(yùn)輸航空采用1090MHz ES數(shù)據(jù)鏈，實(shí)施遵循“西部先試先行、由西向東穩(wěn)步推進(jìn)”原則。同時(shí)編寫發(fā)布了《1090兆赫擴(kuò)展電文廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備技術(shù)要求（MHT4036-2012）》（簡稱技術(shù)要求），[1]努力推行ADS-B地面站設(shè)備入網(wǎng)許可測(cè)試工作。

為了響應(yīng)民航強(qiáng)國號(hào)召和推進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)化，近年來國內(nèi)設(shè)備廠家大力發(fā)展ADS-B地面站設(shè)備，該設(shè)備目前僅擁有接收功能，不具備發(fā)射功能。與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，ADS-B 地面站設(shè)備不僅提供更實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)視信息，還具有建設(shè)成本少、數(shù)據(jù)精度高、使用壽命長等明顯優(yōu)勢(shì)。

由于現(xiàn)有ADS-B地面站設(shè)備的技術(shù)要求覆蓋較廣，對(duì)某些指標(biāo)或功能點(diǎn)規(guī)定不夠細(xì)致，這樣給設(shè)備廠家很大自由發(fā)揮空間。在實(shí)際研制生產(chǎn)過程中，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和對(duì)技術(shù)要求理解的側(cè)重點(diǎn)不同，各設(shè)備廠家所用設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)技術(shù)方法也不一樣，故他們生產(chǎn)的ADS-B地面站設(shè)備富有特色且各有優(yōu)缺點(diǎn)。無論是外觀樣式還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能操作，均存在一些差異。例如接收機(jī)有墻掛式和機(jī)柜式兩種，而機(jī)柜式中板件模塊又有插拔式和固定式等。

雖然這些ADS-B地面站設(shè)備的功能和性能都符合技術(shù)要求，但是從用戶角度來看，非常需要一種工作效率高、可靠性強(qiáng)和智能化的設(shè)備，這對(duì)設(shè)備功能部分需求將超出技術(shù)要求的范圍，故需要不斷完善ADS-B地面站設(shè)備。

1 地面站設(shè)備優(yōu)化

1.1 接收機(jī)配置

目前A DS-B地面站設(shè)備是單站獨(dú)立運(yùn)行，不涉及復(fù)雜子系統(tǒng)，其主要組成包括天饋線部分（ADS-B 天線和GNSS天線）、接收機(jī)、監(jiān)控顯示終端、配套交換機(jī)等。

（1）采用雙機(jī)冗余配置。技術(shù)要求有明確要求設(shè)備（天線除外）應(yīng)采用雙機(jī)冗余配置，單路輸出，具有自動(dòng)切換和手動(dòng)切換方式，切換應(yīng)不影響數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性。這種采用雙機(jī)冗余配置能更好保證地面站設(shè)備可靠性，適合安裝在無人值守的邊遠(yuǎn)臺(tái)站，跟國外采用單機(jī)模式不同，可見國內(nèi)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的要求更高。

（2）采用交流和直流供電。接收機(jī)電源要求支持交流和直流，交流優(yōu)先，可以自動(dòng)切換。若遇到特殊情況需要將接收機(jī)安裝在室外工作，則考慮在機(jī)柜內(nèi)置UPS電源，保證短時(shí)間斷電仍可工作。

（3）采用天線防護(hù)措施。若室外天線使用低噪聲大器，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝工藝，做好防雷接地和防水滲透，避免出現(xiàn)問題而降低天線性能。

1.2 主備切換

ADS-B地面站設(shè)備應(yīng)采用合理的自動(dòng)切換機(jī)制，盡最大可能保證信號(hào)輸出連續(xù)而不中斷。

（1）設(shè)定故障分級(jí)。根據(jù)對(duì)地面站設(shè)備運(yùn)行影響的嚴(yán)重程度，可以將故障劃分級(jí)別，具體如下：射頻接收故障、信號(hào)處理故障最有可能中斷信號(hào)輸出；GNSS信號(hào)丟失故障不會(huì)造成信號(hào)輸出，但隨著時(shí)間的增加會(huì)造成時(shí)鐘漂移，從而影響輸出信號(hào)質(zhì)量；交流電源故障、直流電源故障和信標(biāo)信號(hào)丟失故障不會(huì)造成信號(hào)中斷，基本不影響信號(hào)質(zhì)量，所以級(jí)別最低。

（2）根據(jù)故障分級(jí)智能切換。地面站設(shè)備能識(shí)別和判斷故障級(jí)別，自動(dòng)切換至故障等級(jí)較低的那個(gè)接收機(jī)進(jìn)行工作。例如接收機(jī)A為主用時(shí)，其GNSS信號(hào)出現(xiàn)故障，設(shè)備會(huì)自動(dòng)切換接收機(jī)B為主用，而接收機(jī)B隨后出現(xiàn)射頻接收故障導(dǎo)致接收信號(hào)中斷，設(shè)備應(yīng)能再次自動(dòng)切換接收機(jī)A為主用。也就是說，雖然此時(shí)接收機(jī)A有GNSS信號(hào)故障，但其仍能保證設(shè)備輸出信號(hào)不中斷，可見劃定故障等級(jí)對(duì)保證信號(hào)輸出持續(xù)性有實(shí)際意義。

（3）根據(jù)信號(hào)質(zhì)量智能切換。地面站設(shè)備可以判斷當(dāng)前輸出信號(hào)質(zhì)量的好壞程度并進(jìn)行切換，其智能化要求較高。例如接收機(jī)A為主用，其某些部件沒有故障但出現(xiàn)性能下降，導(dǎo)致接收機(jī)A輸出的目標(biāo)數(shù)量比接收機(jī)B輸出的少10%，此時(shí)設(shè)備應(yīng)自動(dòng)切換接收機(jī)B為主用。

1.3 傳輸協(xié)議

為適應(yīng)不同使用場(chǎng)景，ADS-B地面站設(shè)備應(yīng)提供網(wǎng)口和串口以保證快捷輸出。

（1）采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議。網(wǎng)口輸出建議使用UDP協(xié)議并支持廣播、組播和點(diǎn)播，這樣可以容易將數(shù)據(jù)發(fā)送給多個(gè)客戶端。不建議采用TCP協(xié)議，雖然其穩(wěn)定可靠，但是每次切換主用接收機(jī)后，均需要手動(dòng)重新建立連接才能使得監(jiān)控顯示終端正常顯示，還有采用TCP協(xié)議很難跟其它在用設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，不利于后期大規(guī)模數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

（2）采用串口或其他方式。地面站設(shè)備能夠支持串口，若沒有直接串口輸出，則可以考慮外購協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將網(wǎng)口RJ45轉(zhuǎn)成串口RS232。此外，還可以考慮支持光纖和微波等傳輸方式。

1.4 報(bào)文輸出

ADS-B地面站設(shè)備的報(bào)文輸出應(yīng)滿足現(xiàn)有設(shè)備使用要求。

（1）支持多個(gè)報(bào)文版本。由于建設(shè)時(shí)期不同，現(xiàn)有在用設(shè)備支持ASTERIX CAT021報(bào)文版本不一樣，例如早期設(shè)備支持較低版本V0.23和V0.26，而近期設(shè)備支持較高版本V1.5和V2.1。故要求ADS-B地面站設(shè)備支持多個(gè)報(bào)文版本，且可以選擇設(shè)置輸出。此外，設(shè)備輸出信號(hào)質(zhì)量要穩(wěn)定可靠，盡量少出現(xiàn)目標(biāo)跳變或丟點(diǎn)情況。

（2）報(bào)文數(shù)據(jù)項(xiàng)足夠豐富。地面站設(shè)備提供報(bào)文數(shù)據(jù)項(xiàng)種類越豐富，人們所掌握信息就越多，例如24位地址碼、航班號(hào)、位置、高度、速度、完好性、二次代碼等。故地面站設(shè)備輸出不僅要提供滿足技術(shù)要求規(guī)定的必須數(shù)據(jù)項(xiàng)，還要盡量提供所能獲取有用信息的其他數(shù)據(jù)項(xiàng)。建議這些數(shù)據(jù)項(xiàng)可以配置選擇輸出，具體操作根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求而定。

（3）報(bào)文輸出頻次合理。地面站設(shè)備接收來自機(jī)載設(shè)備對(duì)外廣播的1090ES報(bào)文種類有：速度報(bào)、位置報(bào)和狀態(tài)報(bào)等，這些報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻和重復(fù)發(fā)送間隔都各不一樣。建議ADS-B地面站僅收到位置報(bào)才會(huì)將內(nèi)存中信息有效期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)組裝成一條CAT021報(bào)文進(jìn)行輸出，而收到速度報(bào)或狀態(tài)報(bào)不需要輸出，只是更新內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容及狀態(tài)。

（4）報(bào)文時(shí)間須同步。這對(duì)地面站設(shè)備有兩層要求，分別是接收機(jī)時(shí)間同步和數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)間同步。前者要求接收機(jī)切換時(shí)不能出現(xiàn)時(shí)間偏差，后者要求數(shù)據(jù)項(xiàng)的時(shí)間信息均高度一致，包括高精度時(shí)間。

1.5 報(bào)告模式

ADS-B地面站設(shè)備數(shù)據(jù)輸出應(yīng)采用合理的報(bào)告模式。現(xiàn)有數(shù)據(jù)輸出主要含有數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)報(bào)告模式和周期報(bào)告模式，前者是一旦地面站設(shè)備接收到位置報(bào)時(shí)就立即輸出，后者是地面站設(shè)備按照設(shè)置時(shí)間間隔輸出。

（1）支持多種報(bào)告模式。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)報(bào)告模式對(duì)單個(gè)地面站設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行時(shí)比較有用，而周期報(bào)告模式對(duì)多個(gè)地面站設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)時(shí)有幫助，可以在維持合適報(bào)告更新率的情況下，節(jié)省傳輸資源，減少通信負(fù)載和占用帶寬。建議地面站設(shè)備支持多種報(bào)告模式，可以根據(jù)場(chǎng)景來選擇使用。

（2）周期報(bào)告模式須合理。有些設(shè)備生產(chǎn)廠家在早期沒有理解周期報(bào)告模式，僅是簡單地使所有目標(biāo)的報(bào)告在同一時(shí)刻輸出，下一發(fā)送時(shí)刻皆為當(dāng)前發(fā)送時(shí)刻加上發(fā)送周期時(shí)長。這樣做法是錯(cuò)誤的，由于各目標(biāo)報(bào)告的發(fā)送時(shí)刻相同，瞬間輸出數(shù)據(jù)量增加，易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)堵塞，與周期報(bào)告模式的本意正好相反。建議合理的做法如下：對(duì)每一個(gè)目標(biāo)而言，產(chǎn)生首個(gè)報(bào)告的時(shí)刻作為時(shí)間起點(diǎn)，下一個(gè)報(bào)告的產(chǎn)生條件是須有信息更新而且信息更新時(shí)刻超過上一個(gè)報(bào)告時(shí)刻和周期時(shí)長。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送報(bào)告除了不可避免的處理延時(shí)，基本沒有延時(shí)，傳輸帶寬平穩(wěn)；而缺點(diǎn)是前后兩個(gè)報(bào)告發(fā)送時(shí)刻不是嚴(yán)格等于發(fā)送周期。總的來說，采用周期報(bào)告模式是為了節(jié)省傳輸資源，使用周期輸出應(yīng)減少因輸出機(jī)制造成的報(bào)告延時(shí)，這樣更有利于后續(xù)的處理。

1.6 監(jiān)控顯示功能

ADS-B地面站設(shè)備應(yīng)強(qiáng)化監(jiān)控顯示功能。地面站設(shè)備作為一種傳感器，主要是為其他系統(tǒng)提供CAT021數(shù)據(jù)，故對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控顯示功能要求不高，有待繼續(xù)改進(jìn)。

（1）強(qiáng)化監(jiān)控顯示功能。可以擁有判斷信號(hào)質(zhì)量分析和統(tǒng)計(jì)功能，加強(qiáng)對(duì)信標(biāo)信號(hào)位置偏移和功率降低提示的處理，完善對(duì)系統(tǒng)日志的分類和記錄信息，增加一些通用告警功能（特殊代碼和SPI標(biāo)識(shí)等），規(guī)范化目標(biāo)標(biāo)識(shí)和標(biāo)牌內(nèi)容，區(qū)分高質(zhì)量和低質(zhì)量目標(biāo)等。

2 總結(jié)

隨著ADS-B技術(shù)應(yīng)用不斷深入，對(duì)地面站設(shè)備功能的要求越高。本文僅根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備實(shí)際情況和設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)，提出一些有用的優(yōu)化方法，還沒有涉及更高難度的課題，例如定向天線聯(lián)合使用、目標(biāo)融合處理、假目標(biāo)識(shí)別等，這也是以后研究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 1090兆赫擴(kuò)展電文廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備技術(shù)要求（MHT4036-2012）.中國民用航空局空中交通管理局技術(shù)中心，2012：1-8.