基于星載ADS-B的航空器跟蹤監(jiān)視發(fā)展概況及趨勢(shì)

王潤(rùn)東 潘衛(wèi)軍

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，廣漢 618300）

引言

在“馬航”失聯(lián)事件之后，全球?qū)πl(wèi)星監(jiān)視的重視程度提高到了新的高度，國(guó)際民航組織（ICAO）召開高層次安全會(huì)議，會(huì)議推薦采用新的飛機(jī)跟蹤規(guī)則。這是提高全球飛行跟蹤要求的重要一步，也是ICAO推出的全球航空遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（Global Aeronautical Distress and Safety System，GADSS）的基礎(chǔ)[1]。同時(shí)，會(huì)議通過了“全球航班遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GADSS）”運(yùn)行概念，提出了從例行、非正常和遇險(xiǎn)三個(gè)層面開展航空器追蹤監(jiān)控工作。中國(guó)民航為增強(qiáng)航空安全保障體系建設(shè)，發(fā)布了《中國(guó)民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實(shí)施路線圖》[2]，特別強(qiáng)調(diào)通過建設(shè)基于北斗衛(wèi)星的ADS-B等新興監(jiān)視與通信技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)航班全球無縫追蹤。

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是國(guó)際民航組織確定的未來主要監(jiān)視技術(shù)[3]，已有70%的民用航空器加裝了ADS-B設(shè)備，而ADS-B覆蓋范圍受限制[4]，由此將ADS-B與衛(wèi)星相結(jié)合來進(jìn)行全球航班的飛行監(jiān)控，而比較成熟且被多家航空公司采用的衛(wèi)星監(jiān)視技術(shù)主要包括以Inmarsat為代表的高軌通信衛(wèi)星和以Iridium為代表的地近軌通信衛(wèi)星[5]，但單純利用衛(wèi)星來進(jìn)行通信和監(jiān)視，仍存在高延時(shí)、高成本、數(shù)據(jù)格式不一致、航班數(shù)據(jù)不共享以及各航空公司標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等弊端。因此，在現(xiàn)有成熟的ADS-B技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)載設(shè)備以及地面設(shè)備的基礎(chǔ)上[6]，結(jié)合衛(wèi)星通信導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)而形成星載ADS-B，可在全時(shí)段、全球?qū)︼w機(jī)的整個(gè)飛行階段進(jìn)行連續(xù)無間斷的監(jiān)視[7]，擴(kuò)大了監(jiān)視覆蓋范圍，提供了更加安全、高效的空中交通監(jiān)視手段[8]。同時(shí)，基于高頻多模、高精度與高覆蓋率的星載ADS-B數(shù)據(jù)降低了運(yùn)行成本并提高了監(jiān)視系統(tǒng)的精度和可靠性，可以有效避免“馬航”“亞航”等航班失聯(lián)事件的發(fā)生。

1 路基ADS-B與星載ADS-B對(duì)比分析

路基ADS-B主要依賴地面站臺(tái)接收數(shù)據(jù)信息，航空器的機(jī)載系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)1秒1次地向其他飛機(jī)或者地面站廣播飛機(jī)的位置、航向、速度及識(shí)別號(hào)等信息[9]，以供管制員監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 ADS-B原理圖

星載ADS-B就是將ADS-B接收機(jī)搭載在衛(wèi)星上，發(fā)揮的作用就相當(dāng)于地面基站，只要飛機(jī)在相應(yīng)衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)，搭載ADS-B接收機(jī)的衛(wèi)星可接收飛機(jī)廣播的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并通過數(shù)據(jù)鏈路將信息傳回到地面控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)境內(nèi)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)、境外存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)[10]，具體原理如圖2所示。

圖2 星載ADS-B示意圖

路基ADS-B監(jiān)控設(shè)備受地面基站和地形限制，覆蓋范圍有限。星載ADS-B將高靈敏度ADS-B接收機(jī)安裝到低軌衛(wèi)星上，接收機(jī)的覆蓋半徑可以達(dá)到3200km[11]，明顯大于地面接收機(jī)的覆蓋半徑，尤其適合使用在海洋和荒漠等地區(qū)。相對(duì)于路基ADS-B，星載ADS-B的優(yōu)勢(shì)有：

（1）全球航班跟蹤和實(shí)時(shí)記錄能力，可作為搜尋救援工具；

（2）統(tǒng)一監(jiān)視格式，降低了運(yùn)行成本并提高了監(jiān)視系統(tǒng)的精度和可靠性；

（3）提高航路利用率、優(yōu)化航路以節(jié)省燃油和減少排放；

（4）增強(qiáng)航空器目標(biāo)態(tài)勢(shì)感知和沖突檢測(cè)能力；（5）更好支持航線規(guī)劃與航路優(yōu)化，縮小航路間距；（6）提升管制態(tài)勢(shì)感知能力，航班運(yùn)行更高效，并為未來自由飛行提供保障。

2 發(fā)展概況

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀分析

根據(jù)中國(guó)民航PBN路線圖，中國(guó)民航計(jì)劃在實(shí)施的近期和中期，率先在洋區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)以及無雷達(dá)覆蓋地區(qū)推廣ADS-B技術(shù)[12]，并計(jì)劃在遠(yuǎn)期將ADS-B技術(shù)作為主要監(jiān)視手段。中國(guó)民航已在B213航路（成都-拉薩）實(shí)施了ADS-B試運(yùn)行，并在B330航路（成都-九寨）、南中國(guó)海進(jìn)行了ADS-B實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。中國(guó)民航飛行學(xué)院也率先完成了UAT數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的ADS-B應(yīng)用測(cè)試，隨后完成學(xué)院5個(gè)機(jī)場(chǎng)ADS-B地面站建設(shè)，并對(duì)學(xué)院近200架訓(xùn)練機(jī)進(jìn)行了加改裝，明顯提高了飛行的訓(xùn)練效率。

國(guó)內(nèi)實(shí)施星載ADS-B的起步較晚，國(guó)家民航總局在2012年發(fā)布了《中國(guó)民用航空ADS-B實(shí)施規(guī)劃》[13]，并在2015年又進(jìn)行了修訂。明確提出，到“十二五”末實(shí)現(xiàn)ADS-B OUT（地空監(jiān)視）初始運(yùn)行（如圖3所示），到“十三五”末，實(shí)現(xiàn)ADS-B OUT全面運(yùn)行（如圖4所示）。

圖3 “十二五”全國(guó)ADS-B與雷達(dá)各高度層覆蓋圖

圖4 “十三五”全國(guó)ADS-B各高度層覆蓋圖

規(guī)劃在2025年前全面實(shí)現(xiàn)地面及基于衛(wèi)星的全國(guó)ADS-B系統(tǒng)建設(shè)。在國(guó)家民航總局支持下，自2015年起，國(guó)家組織國(guó)內(nèi)民航界、航空界、航天界等多家科研單位開展了基于衛(wèi)星的ADS-B系統(tǒng)研制工作，并計(jì)劃在2020—2025年建成國(guó)內(nèi)自主的ADS-B系統(tǒng)衛(wèi)星星座為國(guó)內(nèi)民航部門提供服務(wù)。2015年9月底10月初發(fā)射了“天拓三號(hào)”納米衛(wèi)星，其主星“呂梁一號(hào)”搭載了ADS-B接收機(jī)，平均每天接收全球范圍內(nèi)40多萬條ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)星載ADS-B偵收系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)運(yùn)行。2017年8月，民航局發(fā)布了《中國(guó)民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實(shí)施路線圖》[14]，提出2025年底前將建成主要包括“北斗”系統(tǒng)、自主星基ADS-B系統(tǒng)、自主衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)載設(shè)備的制造、測(cè)試與適航審定等基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空器全球追蹤系統(tǒng)，并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

ADS-B實(shí)時(shí)監(jiān)控下的航班圖如圖5所示。

圖5 ADS-B實(shí)時(shí)監(jiān)控下的航班圖

2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀分析

國(guó)外的衛(wèi)星通信技術(shù)起步較早，美國(guó)率先將研究方向瞄向星載ADS-B系統(tǒng)。美國(guó)銥衛(wèi)星公司作為全球首家建設(shè)ADS-B衛(wèi)星星座的系統(tǒng)提供商，截至2017年6月底已發(fā)射兩批共計(jì)20顆搭載ADS-B接收機(jī)的二代衛(wèi)星，并將在2018年底前全面部署和投入運(yùn)行總量達(dá)到75顆（66+9）的二代衛(wèi)星星座，在全球全面提供衛(wèi)星ADS-B數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。包括FlightAware等飛機(jī)追蹤數(shù)據(jù)提供公司，已經(jīng)基于多種數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)對(duì)航班的監(jiān)控，并為多家航司合作提供數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)包括地面ADS-B+MLAT（算法）融合數(shù)據(jù)、星載ADS-B數(shù)據(jù)、ACARS數(shù)據(jù)、FLIFO數(shù)據(jù)等。尤其在MH370事件后，全球航空遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GADSS）要求在跨洋盲區(qū)時(shí)以1min間隔發(fā)送飛機(jī)追蹤系統(tǒng)的位置報(bào)告，空管或航空公司可以將飛機(jī)位置確定在11km范圍內(nèi)。GlobalStar和ADS-B Technology[15]開發(fā)出了 ALAS（ADS-B Link Augmentation System），通過該系統(tǒng)的lobalStar L/S數(shù)據(jù)鏈，能夠?qū)⑤d有ALAS系統(tǒng)的飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)與衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，

并對(duì)接收的星載ADS-B信號(hào)進(jìn)行飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

歐洲單一天空空中交通管理研究項(xiàng)目（SESAR）也對(duì)星載ADS-B展開了一定的研究，包括星載ADS-B載荷研制和ADS-B衛(wèi)星在軌演示驗(yàn)證等。

已發(fā)射的典型的星載ADS-B系統(tǒng)如表1所示。

表1 已發(fā)射的典型的星載ADS-B系統(tǒng)

3 發(fā)展趨勢(shì)分析

星載ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)為滿足未來航班量的急速增加、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)快速多變以及覆蓋范圍不斷擴(kuò)大等帶來的監(jiān)視需求，需要對(duì)自身系統(tǒng)和技術(shù)進(jìn)行持續(xù)的更新和優(yōu)化，包括進(jìn)行跨學(xué)科的技術(shù)融合，為航空公司未來業(yè)務(wù)使用先期開展預(yù)先研究提供參考，加強(qiáng)現(xiàn)有的基于二次雷達(dá)的空管系統(tǒng)與基于衛(wèi)星ADS-B技術(shù)的空管系統(tǒng)的有效融合，為國(guó)內(nèi)未來自有ADS-B衛(wèi)星星座部署應(yīng)用開展前期先導(dǎo)性工作。

3.1 星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ADS-B衛(wèi)星星座系統(tǒng)建設(shè)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，星座多軌道面全面部署完成時(shí)間長(zhǎng)、耗資巨大，一般需要5～7年的時(shí)間，因此不能出任何差錯(cuò)。由于基于衛(wèi)星的民航空管數(shù)據(jù)時(shí)效性要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他交通運(yùn)輸行業(yè)，若干顆ADS-B衛(wèi)星發(fā)射在軌完全無法為民航空管業(yè)務(wù)提供幫助。通過國(guó)際合作將ADS-B技術(shù)帶到太空，搭載ADS-B接收機(jī)的專用微納衛(wèi)星與多任務(wù)小衛(wèi)星，通過同一格式的衛(wèi)星數(shù)據(jù)量進(jìn)行連接組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球多重覆蓋，提高監(jiān)視跟蹤精度與更新速率，提供準(zhǔn)時(shí)數(shù)據(jù)，降低成本。

3.2 先進(jìn)的荷載技術(shù)

通過ADS-B天線關(guān)鍵技術(shù)研究及ADS-B與AIS荷載一體化設(shè)計(jì)與開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)低延時(shí)、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信。集成監(jiān)視和ATC通信功能到一個(gè)單元里，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離指揮監(jiān)視：SDR技術(shù)、多波束天線。

3.3 全球飛行跟蹤系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用

包括FlightRadar等應(yīng)用，已經(jīng)利用監(jiān)視數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。而數(shù)據(jù)應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此，將監(jiān)視系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有航空公司運(yùn)行控制以及空管系統(tǒng)的優(yōu)化，具體包括以下幾點(diǎn)：空中流量分析與優(yōu)化、提高空域利用率、航線航路優(yōu)化、成本優(yōu)化。

3.4 計(jì)算機(jī)技術(shù)與星載ADS-B結(jié)合

基于星載ADS-B系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)、優(yōu)化系統(tǒng)降低延時(shí)。利用現(xiàn)有國(guó)際衛(wèi)星ADS-B數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證工作，并與國(guó)際同步先期開展相關(guān)技術(shù)演示，可預(yù)先優(yōu)化星載ADS-B的實(shí)施方案，避免不必要的損失。

4 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)ADS-B技術(shù)已經(jīng)很成熟，現(xiàn)有的高性能航空器也都搭載了ADS-B接收機(jī)，但國(guó)內(nèi)民用航空器的跟蹤監(jiān)視處理偏遠(yuǎn)地區(qū)還是主要依靠雷達(dá)，但大多出于技術(shù)驗(yàn)證的目的，由于用戶過少，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行，針對(duì)該情況提出以下建議。

（1）基于中國(guó)民航飛行學(xué)院的飛行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和可行性分析，為推廣提供前提條件。

（2）積極制定相關(guān)規(guī)章與標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)民航單位實(shí)施ADS-B監(jiān)視，并提供政策引導(dǎo)。

（3）加強(qiáng)民航與院校、科研院所及衛(wèi)星通信公司的合作，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星載ADS-B系統(tǒng)。

（4）加強(qiáng)國(guó)際合作，宣傳星載ADS-B優(yōu)勢(shì)，吸引更多的航空公司加入這項(xiàng)業(yè)務(wù)。

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