星載ADS-B相關研究進展及展望

倪久順，陳利虎，*，余孫全，李松亭，郭劍鳴，羅坳柏，李晉華

1. 國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073 2. 國家空域管理中心，北京 100080

1 引言

廣播式自動相關監視技術(automatic dependent surveillance-broadcast, ADS-B)是近年來航空監視領域的熱點發展方向之一[1]。當前地面ADS-B系統已經逐步成熟并廣泛應用到全球各大機場和重點航路航線，但還未能完全解決跨洋飛行監視，偏遠的荒漠、極地地區地面設備布點難、安裝成本高等問題。星載ADS-B系統正好可以解決這方面問題。

本文在星載ADS-B基本原理簡介的基礎上，探討了當前星載ADS-B系統發展現狀，分析了星載ADS-B四個主要關鍵技術：天線技術、射頻電路技術、信號處理、星座設計方法。綜述了國內外基于星載ADS-B航空監視技術的研究進展，梳理了星載ADS-B的數據應用與科學研究進展，提出了中國構建廣域星載ADS-B系統發展的建議。

2 星載ADS-B原理及相關衛星

2.1 星載ADS-B原理簡介

ADS-B技術數據鏈主要有1 090 MHz擴展電文模式(1090MHz mode S extended squitter, 1090ES)、通用訪問收發機模式(universal access transceiver, UAT)和甚高頻數據鏈路4模式(very high frequency data link mode 4, VDL-4)三種[2]。三種數據鏈區別如表1所示。1 090 ES主要工作頻率為1 090 MHz，采用脈沖位置調制(pulse position modulation, PPM)編碼，碼速率為1 Mbit/s。UAT工作在978 MHz頻率附近，采用連續相位頻移鍵控(continuous phase frequency shift keying, CPFSK)編碼，碼速率同樣為1 Mbit/s。VDL-4工作在118～137 MHz頻段，采用高斯頻移鍵控(gauss frequency shift keying, GFSK)編碼，碼速率約為19 kbit/s。國內外學者大多基于1 090 ES模式展開研究。

表1 ADS-B數據鏈Table 1 ADS-B data link

星載ADS-B通過衛星搭載高靈敏度ADS-B接收機，接收地面航空器信號，并轉發到地面站進行分析、處理，從而實現對覆蓋區域內的航空目標進行監控的目的。星載ADS-B系統的基本組成如圖1所示，包括機載ADS-B信號發射機、低軌衛星和地面站三部分構成。飛機等航空器將自身的位置、航向、速度和航班號等信息通過ADS-B發射機進行廣播，裝載有ADS-B接收機的衛星收到該信號后，將對應的報文加上時間、功率等信息后，再下傳至地面衛星接收站，進而將數據分發給相關用戶。

圖1 星載ADS-B原理圖Fig.1 Schematic diagram of space-based ADS-B

如圖2所示，通過星載ADS-B系統，用戶可掌握全球航班的實時動態信息。

圖2 星載ADS-B全球覆蓋效果圖Fig.2 Global aircraft surveillance by the space-based ADS-B

2.2 單星星載ADS-B系統

星載ADS-B系統相對于傳統的地基系統具有明顯優勢，各國紛紛進行了相關技術研究。如德國的PROBA-V[3]，丹麥的GATOSS[4]，加拿大CanX-7[5-6]，美國的二代銥星[7]、二代全球星[7]以及國內的“天拓”系列等[8-10]。星載ADS-B技術的發展從最初構想到實現，中間經過了近10年時間，其技術水平也在不斷發展進步。

2013年5月，人類世界上第一個實現ADS-B數據接收的衛星是德國PROBA-V[3]。經過一年半的在軌運行，Proba-V共偵收ADS-B報文上億條。但由于Proba-V主要用于植被探測，ADS-B接收機作為實驗用的副載荷，其實際性能并不理想。同年10月，丹麥GomX-1順利升空。其作為兩立方星模塊設計，用于星載ADS-B接收測試，并在2015年10月發射了GomX-3,一顆三立方星衛星[4]。國內首顆進行ADS-B技術驗證的衛星天拓三號(Tiantuo-3,TT-3)于2015年9月成功發射[8]。 2020年8月對ADS-B偵收性能進行算法優化的天拓五號(Tiantuo-5,TT-5)順利進入預定軌道。圖3展示了天拓五號ADS-B接收幅寬，可以看到幅寬達到了4 517 km的范圍大小，每天雙機可接收340萬條報文。圖4展示了上述部分具有代表性的ADS-B衛星，它們均為小衛星，主要用來驗證星基接收ADS-B信號的可行性。

圖3 天拓五號ADS-B接收幅寬Fig.3 Detection width of Tiantuo-5 ADS-B

圖4 部分具有代表性的ADS-B衛星Fig.4 Some representative ADS-B satellite

表2對上述星載ADS-B系統，從接收能力和單星覆蓋區域大小進行比較，重點是比較ADS-B接收性能?？梢钥闯?，ADS-B衛星全部處于近地軌道，其接收能力從每天2千條到340萬條不等，反映了接收系統之間的性能的巨大差異。

表2 星載ADS-B接收機性能對比Table 2 Performance comparison of space-based ADS-B receiver

2.3 星座星載ADS-B系統

(1)二代銥星ADS-B系統

基于二代銥星的ADS-B系統是世界上第一個成功商業應用的星載ADS-B系統。2011年，銥星通訊公司和一些航空導航服務提供商聯合成立了Aireon公司，并進行相關技術研究。2017年，二代銥星開始發射，2019年1月11日，二代銥星全部完成在軌部署，其中66顆衛星搭載了ADS-B接收系統。這些衛星分為6個軌道面，運行在780 km的近地軌道上。

測試表明，二代銥星ADS-B系統能夠實現全球航空目標的監視，在95%的置信概率下，對任意目標能夠達到15 s的準實時監控[11]?？梢钥闯鲆悦绹炐枪緸槭椎亩炐窍到y走在了世界的前列，2019年4月美國Aireon公司正式提供空中交通監控服務[12]，將監控范圍從之前的30%提高到100%。但二代銥星采用的是極地軌道，考慮到全球的飛機穿越極地相對較少，可以引入大傾角軌道衛星星座與極地軌道結合的概念，減少衛星數目。

(2)國內星座計劃

天行者星座[13-14]由48顆衛星組成，均勻分布在6個近地軌道面上，衛星主要搭載ADS-B等有效載荷。截至2020年12月發射升空和德一號、和德二號A/B星和德四號、和德五號共5顆衛星在軌運行。

虹云衛星通信系統[7]由156顆衛星組成，2018年該系統首星武漢號順利升空。主要搭載了通信主載荷，光譜測溫儀和ADS-B載荷。

鴻雁衛星通信系統[7]由300 顆衛星組成。2018年該系統首星重慶號在甘肅省酒泉衛星發射中心發射升空。重慶號同樣載有ADS-B接收系統。

目前國內低軌衛星星座的研究和發展都在競相準備和籌劃中，但目前仍處于單星或多顆衛星試驗驗證階段。離最后成功的應用到空中交通管理中還需要一定的時間和技術積累。一方面，各家公司或者單位都有自己的業務需求；另一方面，可以廣泛開展交流合作，爭取國內實際可以應用的系統早日落地。

3 星載ADS-B接收關鍵技術進展

星載ADS-B接收機在接收飛機報文信號時存在多重信號混疊問題和噪聲信號干擾嚴重的問題，這對系統接收性能是極大的考驗[17]。為此，需要在天線前端、射頻電路、信號處理方面進行優化設計。

3.1 天線技術

ADS-B信號通過天線進入星載ADS-B系統，天線設計的好壞直接影響著接收機性能。

在星載ADS-B的前期實驗驗證中，主要考慮天線的尺寸要盡可能小，接收增益要盡可能大。為了解決這個問題，GOMX-1[18]、天拓三號以及STU-2[19]衛星采用了彈簧展開式螺旋天線。程云[20]等人采用螺旋天線對星載船舶自動識別信號(automatic identification system, AIS)進行波束掃描，但AIS實時性要求沒有ADS-B高，采用這個方法所導致的信號無法應用到ADS-B系統中去。

驗證了在軌接收ADS-B信號的可行性之后，發現星載ADS-B雖然覆蓋范圍廣，但與地基ADS-B相比，它面臨著信號沖突問題更加嚴重。為了解決這個問題，目前普遍采用多波束天線來接收ADS-B信號，達到不減少天線覆蓋范圍的前提下減輕信號沖突的影響。Aireon公司在二代銥星上設計由4個獨立的天線陣面組成的多波束天線陣列，如圖5(a)所示，其中3個陣面包含3x5個天線單元，1個陣面具有3x3個天線單元，總共產生7個天線波束[21]。在國內，文獻[22]提出了一種19單元六邊形陣列自適應多波束形成方法。該方法與傳統的固定多波束天線相比，大幅提升了飛機的檢測概率。在此基礎上，文獻[23]提出了一種數字多波束星載ADS-B系統，采用的是包絡尺寸為550 mm×550 mm×200 mm的數字19波束一體化接收系統。該系統由三層組成。如圖5(b)所示，頂層為4×4微帶天線陣，第二層為射頻電路板，通過SMA端口與天線單元直接插入。結構緊湊，消除了電纜連接造成的損耗。第三層為信號處理層。2020年11月6日成功發射的北航空事衛星一號，同樣采用了4×4微帶天線陣，采用模擬相控陣天線技術。為了減輕系統質量，上海航天電子技術研究所設計了一種電熱絲熔斷釋放的七波束可展開螺旋天線[24]。如圖5(c)所示，該設計使天線的質量下降到8 kg。就目前星載ADS-B天線技術的發展來看，受限于平臺的尺寸和功耗，小衛星普遍采用單天線，而中型和大型衛星則普遍采用相控陣多波束的方式。目前在軌的二代銥星以及空事一號屬于模擬相控陣，波束的個數、大小、方向均固定。數字相控陣盡管被證明具有優越性，但還沒有得到在軌驗證。

圖5 幾種星載ADS-B多波束系統Fig.5 Multi-beam space-based ADS-B receiving systems

3.2 射頻電路技術

目前常見的射頻電路實現方法主要有零中頻架構、低中頻架構和超外差架構三種。由于ADS-B信號傳輸的碼速率只有1 Mbit/s，在低碼速率下，零中頻架構在低頻處存在閃爍噪聲的干擾，只有在碼速率超過4 Mbit/s后，閃爍噪聲影響才可忽略不計。而在低中頻架構中，IQ支路的增益及相位失配很難使鏡像抑制性能超過30 dB。ADS-B信號從機載發射器發出，到星載ADS-B接收機，中間鏈路信號衰減明顯，這就需要更高靈敏度的接收機。從ADS-B接收的架構來看，目前采用較多的是超外差架構，如圖6所示，典型的超外差架構外置有通帶選擇濾波器和鏡像抑制濾波器，集成有A/D采集電路、抗混疊濾波器、本振及混頻電路等。當干擾與載波頻率接近時，傳統的超外差架構存在鏡像抑制濾波與抗混疊濾波之間的矛盾。針對這個問題，提出了二級超外差架構，可以有效避免一級結構帶來的濾波器矛盾問題。

圖6 ADS-B接收機(超外差架構)Fig.6 ADS-B receiver (superheterodyne architecture)

傳統ADS-B接收機的靈敏度一般最高到-85 dBm，可由軟件無線電(software-defined radio, SDR)方法實現[25]。E.G.Piracci等提出了一種基于軟件無線電架構的ADS-B接收系統，系統靈活性很高，可以很方便地驗證一些新算法[26]。Pu B D等基于AD9361和Xilinx平臺設計了ADS-B接收系統，并通過MATLAB軟件集成了解碼顯示功能[27]。

由于星地傳輸距離增大，星載ADS-B接收機對靈敏度的要求更高。星載ADS-B接收機需要滿足以下特點：1)信噪比足夠高；2)增益能夠根據周圍環境的變化進行調整，并且線性范圍足夠大；3)能夠和天線實現最佳匹配；4)抗帶外干擾以及抗鏡像頻率干擾能力強?；谝陨峡紤]，當前普遍采用超外差式結構設計，靈敏度可以達到-95 dBm以上，可在軌接收ADS-B信號[28]。

3.3 信號處理技術

制約ADS-B信號解調效果的技術主要包括：幀頭檢測，比特譯碼和糾錯算法。其中能否準確定位幀頭直接決定了信號檢測效果。ADS-B信號的幀頭檢測方法主要分為脈沖沿法和匹配濾波法兩種，相比較而言，匹配濾波法效果更好，但硬件資源消耗相對較大。比特判決方面，主要采用基于置信度的判決方法。完整性校驗方面，ADS-B消息采用24 bit的循環冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)，可對5 bit以內的錯誤進行校正，但資源消耗大。因此，當發現解調錯誤時，當前普遍采用丟棄該條報文的做法，或基于置信度的部分校正方法。

星載ADS-B信號處理技術的另一個關鍵方面是信號盲分離技術。由于星載ADS-B系統覆蓋范圍大，導致大量信號可能同時涌入，造成信號沖突的問題。為此，需要對交織的信號進行分離。由于星載ADS-B信號結構和調制方法與二次監視雷達S模式信號相同。所以目前許多二次監視雷達S模式信號的分離方法也被用在ADS-B信號的分離上。Petrochilos多年來一直致力于二次監視雷達S模式信號分離的算法研究，主要方法集中在陣列信號的處理上。他在2005年提出的投影算法(projection algorithm, PA)和2008年提出的擴展投影算法(extended projection algorithm, EPA)計算量低且易于硬件實現[32-33]，目前國內許多研究者提出的星載ADS-B信號分離算法很多是在這兩種算法的基礎上改進過來的。Wang等人采用陣列天線，基于自適應波束成形方法進行了ADS-B信號分離研究，在信噪比為15 dB的條件下取得了較好的效果[34]?？紤]到ADS-B信號的載頻為1 090 MHz，陣列天線的陣元間距一般取半個波長距離，即30 cm。受制于衛星平臺尺寸限制，星載ADS-B天線個數較少，因此采用陣列天線的分選算法在星載ADS-B系統中的分離效果并不理想。文獻[35]將單通道全向天線接收到的信號重新排列成陣列形式， 能夠分離一部分混合信號，但該方法對信號的信噪比和采樣率要求很高，而衛星接收ADS-B信號卻存在著信噪比低、采樣率低的問題。文獻[36]研究了高靈敏度解調算法，利用基于匹配濾波的ADS-B信號幀頭檢測算法對信號準確定時和提取功率信息，板載驗證表明，最終接收機的靈敏度可達-95 dBm。

總體而言，當前關于ADS-B信號的解調方法的研究較多，也相對成熟，解調誤碼率已經逼近理論極限。但當前的星載ADS-B信號盲分離算法仍處于理論仿真階段，因其算法復雜度一般較高，而未能得到實際應用。

3.4 星載ADS-B星座設計

在衛星上搭載ADS-B專用載荷來接收ADS-B信號的成本更低、效費比更高。一方面，衛星的研制和發射成本十分高昂，發射專用星座來接收ADS-B信號的成本過大；另一方面，衛星上的部組件，如星務計算機、推進及姿態控制系統、數傳系統等是可以被多個任務載荷所共享的。目前國外國內也都是采用衛星上搭載ADS-B專用載荷的方式來接收ADS-B信號。

進行衛星星座設計是實現廣域航空監控系統的重要一步。盡管已有許多星座設計方面的論文，但針對星載ADS-B應用的衛星星座設計還較少。星座構型設計以分析和優化方法為基礎，多從星座覆蓋性能上對星座參數進行設計，Nag等人[38]依據仿真得到的航空流量數據，提出了一種立方星(CubeSat)星座設計方法，不過該設計僅適用于區域覆蓋任務。Liang等人[39]也考慮了星座覆蓋特性，但未考慮星間鏈路和星間組網性能等。Guo等人[40]從星基ADS-B的任務需求和性能指標出發，建立星座覆蓋、星間鏈路、網絡傳輸等性能評估模型，在此基礎上分析ADS-B星座的性能，將星座設計方案通過仿真與Iridium進行對比，驗證設計方案的性能，得到了一個55顆星即可覆蓋全球的方案。總體而言，當只考慮航空監視任務時，ADS-B星座具有巨大的優化空間。如何去尋找一個合適的星座結構，是我們未來需要研究的內容之一。

4 星載ADS-B應用及展望

星載ADS-B關鍵技術問題雖然沒有徹底解決，但目前星載ADS-B應用具有廣闊前景。

1)星載ADS-B多波束接收技術。面對越來越多的ADS-B目標，需要更多、更窄的波束進行接收，以提高系統的檢測性能。在工程實現上，還需考慮衛星平臺的尺寸、功耗限制，這是一個多目標優化問題。

2)星載ADS-B信號分離方法的研究。星載ADS-B上存在著大量的信號沖突現象，大大降低了系統的監視能力，如前所述，星載ADS-B混疊信號的分離對于提高星載接收性能具有重大意義。目前對于星載ADS-B信號分離方法的研究基本還停留在軟件仿真階段，星載ADS-B信號分離方法的硬件實時實現是接下來需要研究的問題。

3)星載ADS-B數據應用。如表3所示，星載ADS-B數據可以應用在多個場景方面。在軍事應用方面，ADS-B數據可以用于空中軍事目標的監控與偵察；在民航運輸方面，ADS-B數據可以高效應用在空中交通管制、應急搜救、飛機監控空運物流監控等。

表3 星載ADS-B應用Table 3 Space-based ADS-B applications

4)基于星載ADS-B的多傳感器信息融合方法。把星載ADS-B數據結合上遙感圖像、地基雷達數據，研究相應的融合算法，實現多平臺數據融合，監測異常目標，實現無間隔覆蓋。

5)基于星載ADS-B的科學應用。例如：Cushley等人利用全球存在的飛機ADS-B信號，測量衛星接收信號的法拉第旋轉，利用法拉第旋轉和電離層濃度之間的關系得到全球電離層電子(Total electron content, TEC)濃度[41]。

5 結論

本文對近十年來星載ADS-B相關研究進行了全面的闡述、梳理與總結。從星載ADS-B衛星及星座發展情況入手，對天線技術、射頻電路技術、信號處理、星座設計方法四個方面關鍵技術進行了研究討論，對當前星載ADS-B應用進行了總結。

隨著航天科技的發展，星載ADS-B在航空監視的比重越來越大。全球覆蓋的星基ADS-B系統是下一步的發展趨勢，具有重要研究價值與廣闊應用前景。