基于全球衛星導航系統的ADS—B技術

王秋萍

摘 要：目前，以美國GPS為代表的全球衛星導航系統及其應用技術已經日趨成熟，并在民用航空領域得到了充分應用。未來多衛星導航系統的出現，以及衛星導航系統新技術、新體制的出現，將促使衛星導航系統成為航空應用的重要手段。廣播式自動相關監視（ADS-B）技術是一種建立在全球衛星導航系統和數據鏈通信基礎上的航空器監視新技術。本文介紹了ADS-B技術的原理、系統組成、應用功能以及ADS-B的3種數據鏈技術。

關鍵詞：GNSS ADS-B技術 數據鏈 應用功能

中圖分類號：V447 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0058-03

2011年12月27日，由中國自主建設、能夠獨立運行、且與世界其他衛星導航系統兼容的衛星導航系統——北斗衛星導航系統開始試運行，向中國及周邊地區提供連續的導航定位和授時服務。該系統將于2020年實現全球覆蓋，最終建成全球、全天候、高精度的導航系統。而美國的GPS衛星導航系統和俄羅斯的GLONASS衛星導航系統早在20世紀90年代就已經建成并投入使用，歐盟也在打造自己的“伽利略”衛星導航系統。至此，全球四大衛星導航系統的格局已經呈現。

具有全球導航定位能力的衛星定位導航系統稱為全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）。GNSS是一個綜合星座系統，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的“伽利略”系統、中國的“北斗”衛星導航系統，以及WAAS、LAAS和EGNOS等衛星增強系統。衛星導航系統的導航衛星不間斷地發送自身星歷參數和時間信息給用戶接收機，用戶接收機接收到這些信息后，經過運算求出接收機的位置、速度、運動方向和時間信息等。衛星導航系統允許無限量的用戶使用合適的接收機，為不同類型的用戶提供授時和測速測距服務。

現代衛星導航系統的出現為民用航空導航應用帶來了新的技術手段，未來多衛星導航系統的出現，以及衛星導航系統新技術、新體制的出現，也將促使衛星導航系統成為航空應用的重要手段。廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱“ADS-B”）技術是國際民航組織正在大力推廣的一項基于全球衛星導航系統和數據鏈通信的航空器運行監視技術。

1 ADS-B技術原理

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance- Broadcast）的含義如下。

Automatic——數據自動廣播發送無需人工干預。

Dependent——信息基于機載數據，不依賴于地面。

Surveillance—— 提供位置和其他用于監視的數據。

Broadcast——采用廣播方式發送數據，任何飛機或地面站配備相應設施均可接收該信號。

ADS-B的信息直接從機載設備中得到，通過全球導航衛星系統（GNSS）和其他信息源系統獲取飛機的呼號、位置、速度、高度及其他可能的附加信息（航空器類別、沖突告警信息、航線拐點、飛行員輸入信息等），以報文的形式通過地-空/空-空數據鏈向空中和地面自動廣播，供其他航空器和地面設備接收和顯示。ADS-B技術原理圖如圖1所示。

2 ADS-B應用功能

相對于航空器的信息傳遞方向，機載ADS-B的應用功能可分為發送（ADS-B OUT）和接收（ADS-B IN）兩類。

ADS-B OUT作為機載ADS-B設備的基本功能，是指ADS-B發射機以一定的周期自動向周圍其他飛機或者地面站廣播發送飛機的位置信息和其他附加信息。地面站接收到的OUT信息可供地面空中交通管制員使用，起到類似于雷達監視且優于雷達監視的功能。

ADS-B IN是指機載ADS-B設備接收來自其他飛機ADS-B設備發送的OUT信息或ADS-B地面站設備發送的信息，ADS-B IN可以使飛行員在CDTI（座艙顯示器）上看到其他飛機的飛行狀況。

此外，ADS-B還具有廣播式交通信息服務（Traffic Information Service-Broadcast，TIS-B）和廣播式飛行信息服務（Flight Information Service-Broadcast，FIS-B）兩項擴展功能。TIS-B將從雷達或其他監視源獲取的監視信息通過上行數據鏈傳給裝有ADS-B設備的飛機，FIS-B通過上行數據鏈上傳氣象信息給加裝了ADS-B設備的飛機。

3 ADS-B系統組成

ADS-B監視系統主要由機載設備和地面站構成。

機載設備包括機載GNSS接收機、其他機載信息源、機載收發信機和座艙交通信息顯示器（CDTI）等。ADS-B機載設備接收到本機的位置、速度、高度和時間等數據后，處理成適合數據鏈傳輸的ADS-B消息格式，并將這些消息向空間自動廣播出去。同時，機載設備接收地面站和其他飛機的廣播信息，經過機載ADS-B信息處理器的處理，通過CDTI顯示出來，可供飛行員掌握空中交通狀況。

地面站包括天線、地面接收機、數據服務器、顯示單元、附屬網絡和傳輸設備等，ADS-B地面站接收來自飛機機載設備自動廣播的ADS-B消息，對消息進行處理并轉換成標準格式后傳送至信息處理系統，在地面管制部門的顯示器上顯示該飛機的位置和狀態信息，為管制員提供更精確、快速的飛機信息。此外，地面站也可對系統工作狀態起到監控功能。

ADS-B技術超越了傳統的陸基監視服務的概念，不僅可以實現地對空的監視，也可以實現空中飛機的相互監視。

4 ADS-B數據鏈技術

數據鏈通信技術是ADS-B的關鍵技術，它是ADS-B信息傳播的載體，在很大程度上影響著相關機載和地面設備的所需通信性能。目前ADS-B廣播式自動相關監視的數據鏈技術主要有1090MHz S模式擴展電文數據鏈（1090ES）、通用訪問收發機數據鏈（UAT）和模式4甚高頻數據鏈（VDL Mode4）3種類型，這3種數據鏈互不兼容。

4.1 1090MHz S模式擴展電文數據鏈（1090ES）

1090ES數據鏈是最早開發的一種數據鏈。它是一種基于S模式擴展應答機的數據通信技術，使用頻率是1090MHz，傳輸速率為1Mbps。在原來56位的S模式格式的基礎上，ADS-B系統應用中擴展到了112位，包括24位比特碼、高度、呼號等。1090ES數據鏈目前在TCAS和S模式雷達等領域被廣泛應用，技術已趨于成熟。使用1090ES數據鏈對機載設備的改裝要求不高，使用現有的天線，僅需升級現有的應答機軟件，再加裝一條GPS連線。

1090ES數據鏈技術也存在一些缺陷：由于它支持TCAS、SSR等多項業務，易因為容量限制而造成數據鏈擁堵。同時，1090ES地面站采用全向天線，當空中的飛機數量較多時，信號交疊易產生干擾。此外，1090ES數據鏈的上行廣播能力明顯低于UAT數據鏈。

4.2 通用訪問收發機數據鏈（UAT）

UAT數據鏈是美國為支持通用航空應用ADS-B系統功能專門設計的一種地空雙向數據鏈，工作頻率為978MHz，采用二進制連續相位移頻鍵控調制方式，傳輸速率為1.04Mbps。UAT每幀時間長度為1s，分為兩段，前188ms供地面站廣播TIS-B和FIS-B消息，后812ms供飛機用戶向外廣播ADS-B消息。UAT數據鏈的實施需要在通用航空飛機上加裝GPS接收機、ADS-B發射機和天線。

UAT數據鏈工作頻率為978MHz，在美國屬于公共寬帶信道，在中國屬于DME測距機的頻率962～1213MHz范圍內，容易被干擾。

4.3 模式4甚高頻數據鏈（VDL Mode4）

VDL Mode4數據鏈是目前國際民航組織和歐洲電信標準協會推薦的規范化VHF數據鏈技術，采用自組織式時分多路（STDMA）和超長幀技術。STDMA將VHF通信信道分為若干幀，再將幀分為眾多的時隙，每個用戶（飛機或地面站）將其信息放入不同的時隙中傳輸，各用戶利用GNSS進行定位和時間同步。VDL Mode4使用頻率為118～137MHz范圍，采用25kHz標準信道寬度和高斯濾波頻移鍵控（GFSK）調制方式，數據傳輸速率為19.2kbps。VDL Mode4數據鏈的實施需要加裝新的VDL M4機載收發機設備。

VDL M4數據鏈的缺點是它存在明顯的共址干擾問題。

1090ES數據鏈是國際民航組織推薦的、全球可互用的ADS-B地空數據鏈，美國、歐洲、澳大利亞等國家和地區結合自身情況選擇了相應的數據鏈——美國選擇1090 ES數據鏈主要用于國際運輸飛行和國內18000英尺（含）以上的高空飛行，選擇UAT數據鏈用于低空飛行的通用航空器；澳大利亞僅僅選擇了1090ES數據鏈；歐洲也主要使用1090ES數據鏈，并考慮使用VDL-4數據鏈；中國民航目前選擇的是1090ES數據鏈。

5 結語

與傳統空管雷達監視技術相比，ADS-B技術能夠提供比民用航空一/二次監視雷達獲得更多的目標信息，可實現空-地監視、空-空監視和地-地監視，具有數據精度高、信息內容豐富、數據更新率快等明顯優勢，而且地面站建設簡便靈活，建設維護成本低，無論是對于無法部署雷達的區域還是對于高密度飛行區域的空中交通服務都有著廣泛的應用前景。

目前，ADS-B已經在美國、澳大利亞、歐洲和亞洲等發達國家和地區得到廣泛應用，中國民航也一直積極跟蹤和研究ADS-B技術的發展，實施了一系列ADS-B技術應用的運行試驗與驗證工程，先后制定了《中國ADS-B技術政策》《廣播式自動相關監視（ADS-B）在飛行運行中的應用》《在無雷達區使用1090MHz擴展電文廣播式自動相關監視的適航和運行標準指南》《中國民航監視技術應用政策》等監視技術標準、政策和發展策略，有計劃地部署ADS-B地面基礎設施，逐步推進ADS-B技術在中國民航的應用。

參考文獻

[1] 王昌順.中國民用航空航行技術的革命[M].北京：中國民航出版社2011.

[2] 劉曉靜.ADS-B技術在空管中的應用[J].空中交通管理，2011（6）：22-25.

[3] 李自俊.ADS-B廣播式自動相關原理及未來的發展和應用[J].中國民航飛行學院學報，2008（9）：11-14.