ADS-B技術應用及發展趨勢研究

何昕， 李哲*， 張智豪

(中國民用航空飛行學院， 1.空中交通管理學院, 2.民航飛行技術與飛行安全科研基地， 四川， 廣漢 618307)

0 引言

ADS-B系統作為集監視和通信于一體的系統，具有傳播信息內容豐富、傳輸速度快等優點，并且能夠與傳統雷達進行數據融合，可以使監視系統更加完善；ADS-B還可以將沖突探測與CDTI進行有機結合開發新型防撞系統，是發展新一代航行系統的關鍵技術[1-2]。

隨著我國通用航空的不斷發展，國家加快推動了空域管理的改革，低空領域得到逐漸開放，通航飛行服務站(Flight Service Station，FSS)得到驗證并進行了推廣建設，通用航空飛行服務站實現了基于互聯網的飛行計劃、航空氣象、航空情報、低空監視等一站式服務[3]，可以支持通航安全有序的運行。但是，無人機的大量普及使空域變得更加復雜，無人機與客機沖突事故頻發，通航飛行安全決定了通航能否長期發展。

因此， 利用ADS-B監視和通信同時，開發針對民航、通航、無人機一體的避撞系統，這是ADS-B另一個應用方向，也將是科研人員對ADS-B應用方面的主要研究方向。

1 ADS-B技術簡介

ADS-B由機載設備、地面輔助設備構成，機載設備中根據信息傳輸的方向分為ADS-B IN和ADS-B OUT。裝有ADS-B的飛機以間隔為一秒的頻率廣播自身相關飛行、氣象等數據，在多架飛機和地面站之間形成了數據通信網。

在實際運行中，ADS-B機載設備通過全球衛星導航系統(GNSS)獲得飛機的四維信息(經度、緯度、高度、時間)，通過飛機自身各類傳感器獲得航向、風速、氣壓、溫度等信息，經過預處理之后，通過ADS-B OUT向其他飛機以及地面站廣播，其中包括飛機呼號、標識、飛行高度、速度以及航向；同時ADS-B IN接收來自附近飛機的廣播信息，接受的信息經過處理之后顯示在CDTI(Cockpit Display of Traffic Information)顯示器上顯示[4]。通過將傳統的地基雷達數據與ADS-B系統的信息融合，融合之后的信息匯總到管制中心，可以實現加強地對空的監視和空對空相互監視。ADS-B系統的工作原理如圖1所示。

圖1 ADS-B系統工作原理示意圖

ADS-B與傳統的SSR(二次監視雷達)相比可靠性強、運行成本低，并且是自動相關監視系統，不需要問詢就可以發射并接收處理信息，傳統的二次雷達需要地面安裝詢問機，航空器安裝應答機，不僅成本高而且傳輸效率低。ADS-B具有相互監視能力，管制中心失能狀況下，能夠保障飛機安全間隔，進一步提升航空安全。ADS-B系統不需要昂貴的地面輔助設備，只需要機載設備飛機就可以完成信息廣播[5]。

2 ADS-B系統應用及趨勢分析

2.1 ADS-B在運輸航空的應用

美國聯邦航空局(FAA)早在1992年在芝加哥機場驗證了裝有ADS-B機載設備的自動廣播功能和監視功能，在2014年，FAA宣布在美國各個地面站、數據中心已經完成ADS-B信息互聯，并且已經將ADS-B技術應用在整個運輸航空業[6]。

澳大利亞國土面積全球排行第四，而人口總數僅有2 499萬人(2018年)，受此因素影響在澳大利亞覆蓋雷達監視系統代價極大[7-8]。2006年，澳大利亞對其西部缺少雷達覆蓋地區的高空空域實施基于ADS-B技術監視的5 n mile間隔飛行，東部地區雷達設施覆蓋完善則由ADS-B作為輔助系統加強空域安全性。

歐洲民航業發展早且經濟發達，尤其是西歐地區雷達覆蓋率極高，歐洲整體覆蓋范圍廣，并不依賴ADS-B技術構建監視系統[9]。1991年，瑞典民航局在Bromma機場進行了世界上第一次ADS-B與CDTI融合演示；1996年，歐洲航空安全局(EASA)率先將ADS-B OUT系統應用在機場場面運行單位，將場面運行狀態融入空管系統，降低了機場場面運行沖突的威脅。

中國民航事業起步晚，在1998年開辟歐洲航線時首次接觸ADS-B技術，直到2000年在實踐測試中達到國際標準[9]。2015年，中國民航局發布了《中國民航航空系統組塊升級(ASBU)發展與實施策略》，指出了ADS-B在我國的發展規劃[10]：利用ADS-B系統監視和提供告警給機場場面的航空器和車輛，對場面活動引導和控制系統進行改進；在模塊B2-ACAS中規劃建設由ADS-B和適應性的避撞邏輯組成的新型避撞系統。在2019年的民航工作報告中，全面啟動ADS-B管制運行被列入2019年民航主要任務，各家航空公司開始全面加裝ADS-B系統。

2.2 ADS-B在通用航空的應用

通用航空種類繁多，包括飛行訓練、旅游觀光、應急搶險、公務出行，且大多數通用航空都是非定期航班，在低空空域運行并且機動性大，傳統的管制方式無法提供有效的安全間隔。ADS-B系統費用低、信息傳輸速度快的特點，可以適用于通航，使飛機在機動飛行時共享位置信息。

美國的通航產業世界最大，在美國注冊的通航飛機超過22萬架。即使擁有完善的雷達系統和多年的航行管理經驗，依然有大量航空事故發生。2017年，在209起通用航空事故中有347人死亡。相比之下，美國的商用航空自2013年以來只發生過1起致命事故。為了加強空域的監視能力，FAA要求所有在美國注冊的飛機必須安裝ADS-B OUT才能在大多數空域飛行。

中國當前通用航空法規發展不完善，且沒有系統的條例規定飛行規則。中國民用航空飛行學院是全世界規模最大的以飛行訓練為主的學校，也是通用航空范圍中ADS-B系統的主要用戶，現在ADS-B系統在飛行訓練中完成普及使用。當前除中飛院以外，其他通航用戶依然較少。但是民航局2012年對外公布的《中國民用航空ADS-B實施規劃》指出：到2017年底，實現重點區域、重點通用航空活動ADS-B監視服務應用；到2020年底，全面實現通用航空活動的ADS-B監視服務；到2025年底，根據國家低空空域管理改革方案及逐漸開放，完善和增強低空空域的ADS-B監視覆蓋。

2.3 ADS-B應用趨勢分析

ADS-B技術是最有優勢的監視手段，設備造價成本低，不需要大量的地面站；傳輸速度快，傳輸頻率達到間隔小于1 s，接近于實時傳輸；縮小飛行間隔，提高空域利用率；偏遠地區監視雷達不完善，存在監視盲區，裝配ADS-B系統的兩機可以相互監視以提高飛行安全；場面運行單位(車輛)裝載ADS-B OUT之后可以降低管制員場面盲區的沖突概率[11]。

ADS-B數據可以支撐4D航跡預測，國內對航跡預測有大量研究，但是對基于ADS-B的航跡預測研究并不多。王超等[12]從水平、高度、速度3個剖面為飛機構造處快速擬合4D航跡的預測方法；柯宏發等[13]提出使用最小二乘估計灰色參數運動目標的多變量軌跡預測算法；楊東玲[14]針對基于聚類的航跡預測算法提出了一種基于自適應的航跡聚類方法并使用新疆空域的真實ADS-B數據對該方法做了測試，最后將預測結果在U-GIS平臺三維直觀顯現。基于ADS-B信息對飛機的四維信息(一個時間窗內的三維信息)的精準預測，能夠減小運行中的事故，縮小進近間隔，是實現發展空管自動化的關鍵技術。

3 基于ADS-B的防撞系統應用研究

3.1 基于ADS-B的防撞系統

運輸航空有空中交通管制的監視與管理，通用航空則涵蓋了觀光旅游、醫療搶險、氣象探測等方面的飛行，該部分飛行航程長短不一且路徑也無法統一規劃，導致通航飛行監管難度大[15-16]，因此發生飛行沖突的概率大大增加。TCAS(Traffic Alert and Collision Avoidance System)Ⅱ是一種應用于運輸航空中的防撞系統，TCASⅡ可以計算出監視范圍內30架以內飛機的潛在沖突并給出規避建議[17]。TCASⅡ防撞系統體積過大，并且成本較高，而ADS-B體積小、造價低。ADS-B廣播間隔僅為1 s，因而裝有ADS-B系統的飛機之間能以接近實時地了解周圍飛機的實時動態，在沒有遮擋的情況下ADS-B的工作范圍可以達到125 n mile，提高飛行員判斷適航環境的能力，可以有效提高飛行安全性。

綜上所述，開發基于ADS-B系統的防撞系統無論在成本方面還是性能方面都比傳統的防撞系統有優勢，但是還需要在實踐中進一步驗證其可靠性。

3.2 基于ADS-B的全空域避撞系統

我國民航空域資源緊缺，且空域分布不平衡。東部地區海岸線長、人口密度大、經濟發達，是軍事力量的重點保護地區，在軍事活動時，民航運行會受到流量控制，這讓本就復雜的通航運行更加難以管理；西部地區地形復雜，屬于經濟欠發達地區，難以建設覆蓋全地區的雷達監視。ADS-B的技術優勢可以解決該問題，ADS-B在東部地區應用可以降低航空網絡繁忙地區的監管壓力，從而提高安全運行能力，在西部地區可以降低監視盲區的飛行沖突概率。

在通用航空方面，根據我國出臺的政策，并且隨著技術能力不斷提升，我國即將迎來低空領域開放。低空領域的開放實質上是低空領域的自由飛行，自由飛行是指飛行員在一個空域范圍內可以自己制定飛行路線，根據不同的需求選擇經濟、快捷的路線[18]。想要在有限的空域中安全運行，必須開發安全有效的避撞系統。

無人機技術發展速度快，隨著民用無人機技術普及，無人機用戶數量龐大且增速快。無人機與民航運輸飛機發生沖突的事件時有發生，輕則導致飛機延誤，重則導致多架飛機被迫修改航線。民航運輸飛機巡航高度高，通常是在進近階段與無人機發生沖突，而通航飛機巡航高度低，其與無人機發生沖突碰撞的概率更高。在當前的研究中，可以利用ADS-B IN獲取周邊飛行信息，對周邊交通態勢評估得到沖突預警，因此研究無人機多機編隊飛行的沖突問題是當前非常重要的課題。利用ADS-B可以構建全空域的防撞系統，有利于構建民航、通航、無人機三位一體的空中交通管理規則。

4 總結

ADS-B作為下一代航行系統的主要監視力量，各個國家都在積極開發和應用，其不僅可以應用于監視系統，還被開發應用于其他功能，如本文提到的基于ADS-B的避撞系統、利用ADS-B數據進行大數據挖掘研究4D航跡的應用，可以為各類航空器提高安全運行能力。ADS-B的信息互通還可以降低飛行間隔，增加多個飛行高度層，增加空域利用率，服務將來的航空事業發展。

ADS-B技術也存在著一定隱患。這個隱患主要產生在可能發生的信號干擾中，ADS-B的2個主要系統是網絡主干和數據鏈，為了方便全球用戶互通，其數據鏈并未加密，作為民用級的設備存在著被地面設備干擾的風險，比如通航應答機。在未來ADS-B技術改進中，繼續提升避撞系統的解脫建議方案，以便應對復雜的低空交通網絡；對ADS-B安全性和互通性做到兼容。