星基ADS-B 系統及關鍵技術發展綜述

張學軍 譚元晧 李雪緣 簡鑫慧

(北京航空航天大學 電子信息工程學院, 北京 100083)

21 世紀以來,隨著全球經濟和航空業的飛速發展,航空器規模不斷擴張,航線航班迅速增加,全球飛行日益密集,跨洋區、荒漠、偏遠地區飛行任務迅速增長,民用運輸航空成為國家交流和跨境貨運不可或缺的重要方式,軍事航空全球戰略飛行和遠程奔襲打擊成為國家軍事戰略威懾重要樣式,全球各國對航空實時監視服務和監管基礎設施的需求不斷增長。

廣播式自動相關監視(automatic dependent surveillance broadcast, ADS-B)是國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)確定的空中交通管理航空監視新技術,航空器從全球衛星定位系統和機載設備獲取標識號、三維位置、速度、航向等信息,通過空-空數據鏈及空-地數據鏈周期性自動向其他航空器或地面站進行廣播式發送,并接收其他航空器的廣播信息。 美國、歐洲、澳大利亞、中國等全球各國均在大力推廣ADS-B 技術[1-2]。

陸基ADS-B 系統作為目前推行的航空監視系統,存在一定程度的應用局限性,尚不能滿足未來航空監視全球化、全程無縫監視覆蓋的要求。多起航空事故都暴露了全球民航基礎設施建設不足,尤其是海洋及南北兩極區域監視缺乏的問題;另外,低空空域各種非法飛行活動對民航飛行造成了巨大威脅。 傳統陸基ADS-B 系統受地面部署條件的限制,要實現海洋全覆蓋需要在大量浮標上部署ADS-B 地面站,要實現地面全覆蓋需要在大量無人區部署ADS-B 地面站,由于建設難度目前只能覆蓋全球30% 左右的空域[3],海洋、極地等偏遠地區與地形復雜區域存在大量盲區,這些盲區使得各類航空系統的運行效率無法發揮,空域使用效率受到制約,飛行安全也存在隱患。同時,要完全依靠陸基ADS-B 實現空域100% 全覆蓋,建站規模和后期運營維護成本過高。 尤其中國地域遼闊,東西部地理環境差異大,發展程度不均衡,難以實現全國范圍內大面積航空監視和空管服務。

針對陸基ADS-B 系統的不足,國際民航組織提出了星基監視的概念,通過在低軌衛星上搭載ADS-B 接收設備(即星基ADS-B 系統),利用衛星星座全球覆蓋、無地形遮擋等特點,實現對全球航班的實時連續無縫監視[4]。

星基ADS-B 是實現遠洋遠域航空器監視的主要技術手段,相較傳統的陸基監視系統,其具有全球覆蓋的優勢[5],可有效克服陸基星基ADS-B系統不足,在陸基ADS-B 地面站難以覆蓋區域引入星基ADS-B 服務,提供一個可靠有效的監視方案,以提升航空的安全性、效率和容量,并可開拓全新的軍事應用。

1) 提升航空安全性。 星基ADS-B 系統可以提供接近實時的持續飛行監視服務,增強態勢感知、沖突檢測與解脫能力;同時,星基ADS-B 系統可以提供獨立于全球航空通信網絡的監視模式,更好地管理安全風險,有助于重建事故的相關因素與情況,提高對全球航空器搜索和救援的安全響應能力,增強航空安全保障。

2) 提升飛行效率和容量。 星基ADS-B 系統可以有效管理航空器在空域內飛行的航跡,促進和支持更準確、更高效的航跡規劃,改善航空器反方向和交叉飛行的交通狀況,有效提升飛行效率并降低航空公司運行成本;同時,星基ADS-B 系統支持航空監視信息共享和運行協同,減小飛行間隔,提升空域容量。

3) 開拓軍事新應用。 星基ADS-B 系統可以為軍事航空全球飛行提供一種監視模式,可獲取全球軍事航空飛行態勢數據和活動規律,實現對周邊及域外大國軍事航空活動早期預警,為空防安全提供保障。

中國民用航空局制定了《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》,其核心內容就是提升航空器追蹤監控水平,實現全球范圍內對航空器的持續監視與安全管理[6],其中包括自主星基ADS-B 系統的建設。 因此,星基ADS-B系統對于未來航空業發展具有重要作用和前瞻性意義。

本文概述了星基ADS-B 概念及其運行原理,介紹了星基ADS-B 系統國內外發展歷程與相關衛星、載荷概況,總結了包括微弱信號解調、多波束接收、解交織、防欺騙、星座設計、路由轉發算法、監視性能評估在內的星基ADS-B 關鍵技術研究現狀;進一步介紹了北京航空航天大學(以下簡稱北航)聯合團隊在星基ADS-B 上的研究工作與試驗星情況。 結合星基技術發展與空管應用需求展望了星基ADS-B 系統未來趨勢。

1 星基ADS-B 系統與應用

星基ADS-B 系統是一種基于全球衛星定位系統、航空數據鏈及衛星通信的新一代廣域航空器監視系統,其由低軌星座及衛星ADS-B 接收機、衛星空間組網子系統、機載ADS-B 設備和地面空管綜合應用子系統等共同組成,低軌星座中每一顆衛星都加裝了高靈敏度的1090ES ADS-B接收機,具備ADS-B In 功能,接收民用和軍用航空器的機載ADS-B Out 設備發送的報文。 其總體架構如圖1 所示。

圖1 星基ADS-B 系統總體架構Fig.1 Overall architecture of space-based ADS-B system

星基ADS-B 系統運行原理如圖2 所示。 航空器從全球衛星定位系統和機載設備獲取標識號、三維位置、速度、航向等信息,通過機載ADS-B發射機以1 090 MHz 頻率周期性向外進行廣播式發送。 衛星上的ADS-B 接收機在全球范圍內接收航空器廣播的ADS-B 信息,解調為報文并按照衛星星間通信協議組包,經星間鏈路轉發至國內衛星地面網關站上方的衛星后,通過星地鏈路下傳落地,并統一傳回中國星基ADS-B 地面數據中心。 數據中心處理后,按照不同用戶的應用需求,分發給管制部門、航空公司和通航企業等航空用戶,實現對全球各國加裝1090ES ADS-B Out 設備的軍用和民用航空器連續實時監視。

圖2 星基ADS-B 系統運行原理Fig.2 Space-based ADS-B system operation principle

星基ADS-B 系統兼容原先陸基ADS-B 系統,只是將ADS-B 接收機安裝于低軌衛星星座上,從而滿足洋區、荒漠、偏遠地區及地球南北兩極等區域的監視需求,有效彌補陸基ADS-B 系統布站的局限性,實現空域無縫監視,在全時段、全球范圍對軍用和民用航空器飛行全過程進行連續無間斷位置跟蹤與目標識別,并能大幅提升空管監視系統的精確性和可靠性,可廣泛應用于軍民航領域。

在民航方面,星基ADS-B 可應用于空中交通管制、航空公司運行控制、全球航班跟蹤、通用航空監視等。 例如,可利用星基ADS-B 獲取的包括空域信息、機場信息等在內的海量數據進行分析,輔助預測航跡,在全球層面上進行戰術和戰略交通管理規劃,以減少任何特定空域的延誤和中斷,幫助航空公司節省燃料成本、高效運行;可以為全球航空器提供安全運行狀態監測及救援信息數據支持,縮小航空安全間隔,優化空域管理,增加空域容量,提升航空安全。

在軍航方面,星基ADS-B 可應用于軍用航空器遠海遠域飛行任務保障、外軍情報收集分析、南海和中印邊界等敏感地區巡航監視、戰事指揮等。一方面適應現代化強國戰略需求,為軍事航空承擔的反恐維穩、搶險救災、空中安保、國際救援等任務提供一種監視手段和保障,實現全球戰略巡航飛行及域外作戰部署;另一方面建立有效的覆蓋沿邊沿海空域的監視和識別手段,實現領海領空入侵檢測,同時可獲取并掌握全球軍事航空飛行態勢數據和活動規律,如重點軍用機場起降情況、軍事部署力量調度情況、周邊及域外大國軍航行動等,實現全球范圍內軍情收集,保障國家空域安全。

2 星基ADS-B 系統發展趨勢

“MH370”事件發生后,通過星基ADS-B 系統實現全球航空器持續監視引起全球高度重視。 目前,世界主要航空大國均針對星基ADS-B 開展對應研究與關鍵技術攻關,積極推進星基ADS-B 系統建設發展,瞄準全球航空監視體系構建,依托空間互聯網、低軌衛星星座系統開展有關的關鍵技術測試驗證,并且主要技術架構、設備功能和應用形態初見成型,尤其Aireon 公司基于銥星二代組網衛星,構建的星基ADS-B 系統已開始試點提供全球服務。 國內主要是國防科技大學、上海微小衛星工程中心、航天五院、航天八院及北京航空航天大學等單位,先后啟動ADS-B 星基接收機等關鍵技術攻關并開展了相應研究。

2.1 國外發展

國外在政策上對星基ADS-B 建設大力支持,2015 年世界無線電通信大會將1 090 MHz 分配給航空移動衛星服務,用于接收按照國際民航組織標準運行的航空器發射的ADS-B 信息[7]。 國際民航組織也在持續關注并積極推動星基ADS-B的測試與發展,根據星基ADS-B 技術的建設進展制定相關標準[8]。

美國、加拿大、歐洲航天局(ESA)、德國、丹麥等均啟動了各自的星基航空監視計劃,開展了在軌試驗,其中銥星二代系統已經能夠滿足全球非繁忙空域的空管監視應用需求。

1) Proba-V

德國宇航中心(DLR)于2008 年開始研究低軌衛星是否能接收到飛機廣播的1090ES ADS-B信號,為星基ADS-B 提供了概念證明[9]。 2013 年5 月歐洲航天局發射了Proba-V 衛星,攜帶DLR研制的ADS-B 接收機,在開機運行的2 h 內接收到了超過12 000 條ADS-B 信息[10-11],其觀測到的飛機航跡如圖3 所示。 Proba-V 首先驗證了利用低軌衛星接收ADS-B 信號的可行性,為該領域的未來發展奠定了基礎。

圖3 Proba-V 觀測到的飛機航跡[10]Fig.3 Aircraft tracks observed by Proba-V[10]

2) GOMX 系列

GomSpace 在2013 年底發射了搭載ADS-B 有效載荷的GOMX-1 立方星,根據在軌運行期間接收的數據分析,載荷具備跟蹤飛機的能力,驗證了基于立方體衛星的ADS-B 載荷可行性[12-13]。2015 年,GomSpace 發射了GOMX-3 衛星,更新了ADS-B 接收機,圖4 為GOMX-3 采集的全球ADS-B數據,在全球除極地地區外的區域收集ADS-B 數據任務中表現良好[14]。 2019 年又發射了GOMX-4衛星,使用與GOMX-3 相同的ADS-B 接收器,并測試不同距離的衛星間通信,最高可達4 500 km[15-16]。

圖4 GOMX-3 采集的全球ADS-B 數據[14]Fig.4 Global ADS-B data collected by GOMX-3[14]

3) CanX-7

CanX-7 衛星于2016 年9 月發射,其上搭載由加拿大皇家軍事學院(RMCC)研制的ADS-B載荷。 其主要關注地點是北大西洋,自發射以來的6 個月內共接收到超過430 萬條ADS-B 信息,在軌采集數據分布如圖5 所示,測試結果表明搭載在低軌衛星上的接收機能夠探測和跟蹤飛機[17-18]。

圖5 CanX-7 在軌采集數據分布[18]Fig.5 Distribution of CanX-7 in-orbit acquisition data[18]

4) ALAS 系統

2008 年美國GlobalStar 和ADS-B Technologies 公司開始聯合研發可用的星基ADS-B 系統,借助GlobalStar 衛星星座提供全球ADS-B 服務,稱為ADS-B 鏈路增強系統(ADS-B link augmentation system, ALAS),并在美國進行了飛行測試,如圖6 所示[19]。 目前由于全球星座建設情況基本停滯,ALAS 系統前景很不明朗;并且由于ALAS 系統需要對飛機設備進行改裝,其在民用航空領域的推廣應用難度也十分大[20-21]。

圖6 GlobalStar ADS-B(ALAS)飛行測試[19]Fig.6 GlobalStar ADS-B (ALAS) flight test[19]

5) Spire

Spire Global 于2016 年12 月宣布推出一項名為Spire AirSafe 的星基全球航空器追蹤服務。2018 年年中Lemur 2 衛星搭載ADS-B 有效載荷發射,目前Spire 公司已經發射了超過100 顆衛星,并在其官網提供了ADS-B 數據服務[22-24],Spire 的ADS-B 數據如圖7 所示。

6) 銥星二代星基ADS-B 系統

Aireon 公司的星基ADS-B 系統以銥星二代網絡為基礎,將ADS-B 1090ES 接收機安裝在75顆低軌衛星上(其中66 顆主用衛星,9 顆備用衛星),主用衛星分布在6 個軌道上,每個軌道11 顆衛星,軌道高度780 km,采用多波束多通道體制,如圖8 所示[25]。 表1 為Aireon 星基ADS-B 系統設計監視性能指標。

表1 Aireon 星基ADS-B 系統設計監視性能指標Table 1 Surveillance performance metrics for Aireon’s space-based ADS-B system

該系統2015 年開始發射,2019 年1 月完成星座部署,并于同年投入全球航空監視試運行,促進了國際民航組織洋區飛行間隔標準的更新,縮小了洋區的飛行間隔,并且在冰島、加拿大地區及大西洋空域開展測試,表2 為銥星二代星基ADSB 系統測試指標。

表2 銥星二代星基ADS-B 系統測試指標Table 2 Iridium-Next space-based ADS-B system test metrics

Aireon 星基ADS-B 系統設計之初就是以商業運行為目的,是目前唯一系統架構與指標體系支撐管制運行、采用商業化運作、具備可持續運行能力的星基ADS-B 系統。 目前,銥星二代系統經過多次測試驗證,能夠滿足全球非繁忙空域的空管監視應用需求[26-29],圖9 顯示了“銥星二代”星基ADS-B 系統獲取的全球空中交通數據。

圖9 “銥星二代”星基ADS-B 系統獲取的全球空中交通數據[29]Fig.9 Air traffic data captured globally by Iridium-Next space-based ADS-B system[29]

7) 其他

西班牙的Aistech 公司設計了一個120 顆衛星的星座,將包括地球觀測、ADS-B 等應用,2019年該星座的前2 顆衛星成功被送入軌道,預計將在未來幾年內全面運行。 澳大利亞航空服務公司與Skykraft 公司合作,開發由210 顆衛星組成的星基通信與監視空管系統,計劃于2022 年6 月進行首次發射。 西班牙Indra 和ENAIRE 公司創建了名為Startical 的項目,計劃部署一個由200 多顆小型衛星組成的星座以改善空中交通管理并提供全球服務。 葡萄牙Tekever 公司計劃發射一個12 顆衛星的星座,將攜帶包括合成孔徑雷達、AIS、ADS-B 在內的多個有效載荷,目前仍處于研究階段[30-33]。

2.2 國內發展

國內政策方面,在《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》和民航科技發展“十三五”規劃中均強調了星基ADS-B 技術是未來發展關鍵。 國內多家單位針對天地一體化、空間互聯網提出計劃并發射驗證星,包括“鴻雁”星座、“虹云”工程等,均將星基ADS-B 作為了其可搭載載荷之一。

目前,國內已有多家科研單位緊跟國際星基ADS-B 系統研究步伐,針對星基ADS-B 關鍵技術進行論證與研制,并發射了試驗星,具有了一定的技術基礎與測試條件。

1) 國防科技大學

國防科技大學設計與研制的“天拓三號”衛星(TianTuo-3,TT-3)于2015 年9 月發射,搭載了ADSB 接收機進行在軌驗證,采用單通道單波束體制,靈敏度約-93 dBm。 其接收系統平均每天接收約40 萬條ADS-B 報文數據,幅寬超過2 000 km[34],驗證了低軌衛星接收ADS-B 信號的可行性。圖10顯示了“天拓三號”ADS-B 數據獲得的2018 年5 月全球飛機靜態分布圖。

圖10 “天拓三號”ADS-B 數據獲得的2018 年5 月全球飛機靜態分布圖[34]Fig.10 Static distribution of global aircraft obtained from TianTuo-3 ADS-B dataset in May 2018[34]

2020 年8 月發射的“天拓五號”衛星(Tian-Tuo-5,TT-5)在其基礎上提升了星基ADS-B 載荷接收性能,增加了天線增益,每天雙機能接收星基ADS-B 報文超過300 萬條,幅寬達到了4 500 km的范圍[35-36]。

2) 上海微小衛星工程中心

上海微小衛星工程中心于2015 年9 月發射了“上科大二號”衛星(STU-2),采用2U 立方體衛星架構,星上搭載有星基ADS-B 載荷,靈敏度約-94 dBm[37]。 STU-2 一個月獲取的飛機數據如圖11 所示,其直接采用丹麥GomSpace 公司的立方體衛星方案,接收機每天可以收到超過10 000 條信息,飛機與衛星間的距離可以達到1 500 km,驗證了基于立方體衛星的ADS-B 載荷技術方案的可行性。

圖11 STU-2 一個月獲取的飛機數據[37]Fig.11 STU-2 captured aircraft data over one month[37]

3) 北京和德宇航技術有限公司

北京和德宇航技術有限公司規劃建設“天行者”星座,主要搭載AIS、VDES、ADS-B 等多種有效載荷,將由48 顆衛星組網,均勻分布在6 個近地軌道面上。 目前星座處于建設中[38-39]。

3 星基ADS-B 關鍵技術研究現狀

相對于傳統的陸基ADS-B 系統,星基ADS-B系統通過衛星組網建立星座,具有覆蓋范圍廣的特點,但系統復雜度高、部署周期長,同時也存在星基端接收ADS-B 信號時信噪比低、信號交織嚴重等問題,嚴重制約了系統的接收性能。 針對星基ADS-B 各項關鍵技術,國內外學者已經開展了深入研究。

3.1 微弱信號解調技術

陸基ADS-B 系統的信號接收范圍不超過450 km,而星基ADS-B 系統由于軌道高度和覆蓋范圍的增加,信號接收距離遠大于陸基ADS-B 系統,導致星基ADS-B 接收機接收到的信號功率和信噪比遠遠小于陸基ADS-B 接收設備。 歐美在軌技術驗證表明,基于低軌衛星的星基ADS-B 系統接收到的ADS-B 信號功率將低至-102 dBm,而陸基ADS-B 系統接收機設計時未考慮處理功率在-90 dBm 以下的信號,在星基條件下性能急劇下降[40]。 因此,必須突破星基ADS-B 高靈敏度解調技術,才能推動星基ADS-B 系統在空管領域應用的進程。

Delovski 等提出了一種改進的S 模式相關機制,借助ADS-B 報文8 位幀頭和5 位DF17 標志位序列提高信號幀頭的同步率[41]。 余孫全等在幀頭檢測時將匹配濾波器的低電平設置為負值,并采用基于置信度的糾錯方法,實驗驗證在95%的譯碼率下得到了-95 dBm 的靈敏度[42]。 Ren等根據ADS-B 信號幀格式的特點,提出了一種基于恒虛警率的多準則前導頭檢測算法,提高低信噪比下DF17 格式的ADS-B 信號的檢測性能[43]。Qin 和Yang 研究ADS-B S 模式消息前導碼檢測和數據位提取算法的設計與實現,緩解了傳統算法反復驗證計算量大以及占用資源過多的問題[44]。 Zhang 和Li 設計了一種RS 譯碼器,采用改進的BM 迭代算法對傳輸過程中UAT 模式ADS-B 信號產生的誤碼進行糾錯,避免了有限域逆運算的出現[45]。 Zhang 等研究增強型ADS-B接收技術,使用多個幅度樣本以及能力更強的錯誤檢測/糾正算法在高干擾環境下提高了正確解調概率[46]。 Ren 等提出了一種具有最優閾值的N 置信度糾錯算法和具有恒定復雜度的降序糾錯算法, 改進低信噪比情況下 ADS-B 的接收性能[47]。

3.2 解交織技術

陸基ADS-B 系統的信號接收范圍相對有限,接收到的信號數量少,而星基ADS-B 系統覆蓋范圍廣,單個載荷需滿足上千架以上航空器同時監視,大量的報文數量導致信號重疊交織情況十分嚴重。 同時和陸基系統相比,星基ADS-B 系統中信號到達衛星時的信噪比更低、信號之間的功率差更小,進一步加劇了交織信號分離的難度,易造成接收機誤解碼率高、監視丟點不連續等問題,導致無法獲取重要信息而影響航空器安全,降低空域監視性能。 為了避免這種情況,將重疊信號分離出來的解交織技術十分關鍵。

Petrochilos 等研究出了經典的投影算法(projection algorithm, PA)和擴展投影算法(extended projection algorithm, EPA)來在真實環境中分離多個二次監視雷達信號[48-50],其信號結構與ADS-B的信號結構相同。 國際民航組織制定的標準文件中通過采用對強信息或第1 個到達的消息進行解碼,而放棄其他消息的方式處理重疊報文[40]。 陳為楨提出了一種基于干擾抵消的ADS-B 交疊信號處理算法,對成功檢測的大功率信號的參數進行估計來重構信號,從交疊信號中抵消掉重構信號可以成功恢復小功率信號[51]。 吳杰等從脈沖幅度特征出發,研究了一種在時域中分離2 個重疊ADS-B 信號的方法[52]。 吳仁彪等對信號的采樣點進行累加,并采用K 均值聚類方法分類處理ADS-B 交織信號[53]。 Wang 等使用未校準天線陣列提出了一種基于盲自適應波束成形的ADS-B交織信號分離方法[54]。 Yu 等提出了2 種ADS-B重疊信號分離方法,一種采用基于功率差的自適應閾值調整技術進行分離,另一種通過重構和相消來分離混合信號,并分析了2 種方法的應用場景[55]。 劉慧等研究了松弛改進的快速獨立成分分析算法(fast independent component analysis,FastICA)在解交織中的使用,在經典算法中考慮松弛因子,避免了收斂性能取決于初始權值的缺陷[56]。 Zhang 等提出了一種分離算法,根據測量的特征值分布確定重疊信號的數量后,利用MUSIC 算法中的峰值搜索估計信號到達方向來重構混合矩陣,并通過計算重構混合矩陣的Moore-Penrose 逆來估計分離矩陣[57]。 Li 等分析了兩個重疊信號的時域特性,提出了一種基于時域對消的ADS-B 分離算法[58]。

3.3 多波束接收技術

由于星基ADS-B 系統覆蓋范圍遠大于陸基ADS-B 系統的監視范圍,信號沖突概率大大增加,而星基ADS-B 系統多采用微小衛星,通過軟件算法解決交織信號分離問題的計算復雜度和資源要求對小衛星能力是一項巨大挑戰。 國內外另一種解決星基ADS-B 信號沖突問題的有效方法是采用多波束接收的方式,將衛星可視范圍分為幾個波束覆蓋區,以降低單個波束覆蓋范圍內的航空器數量,有效降低信號沖突概率,提升星基ADS-B 監視性能。

Bettray 等研究了ADS-B 多波束天線的工程模型,提出一種星基ADS-B 信號的7 波束接收天線來提升接收性能[59]。 Budroweit 等討論了多通道ADS-B 接收機的設計與實現,并給出了初步的測試結果[60]。 Yu 等提出了一種自適應多波束形成方法,通過動態調整波束方向圖來有效減小ADS-B 信號沖突概率,提升ADS-B 信息的更新概率[61];其于2020 年又介紹了一種具有自校準功能的數字波束形成系統,采用一個4 ×4 微帶陣列天線和一個16 通道接收機,可以同時產生19 個以上波束大小和方向可靈活控制的獨立波束,減少信號碰撞,提高星基ADS-B 系統的可靠性[62]。

3.4 防欺騙技術

ADS-B 消息以公開形式廣播,由于缺乏加密和身份驗證等基本安全措施使其在應用具有被竊聽、干擾、消息注入和修改等風險。 惡意用戶可以很容易通過設備實時進行竊聽,在1 090 MHz 頻率上發送干擾信號妨礙消息正常接收,或通過發送人工ADS-B 信號向系統注入虛假航空器信息,以偽裝不存在的航空器或受信任的航空器。 以上攻擊威脅可能導致系統可用性和可靠性中斷,對ADS-B 系統造成嚴重破壞。 因此,隨著ADS-B 系統廣泛應用,為了消除攻擊行為的影響,需要進行欺騙干擾檢測,以避免攻擊數據注入決策流。

Amin[63]和Kacem[64]等研究了基于密碼學思想保護ADS-B 信號的方法,但添加加密或認證機制需要修改當前的協議體系結構。 Ghose 和Lazos 提出了一種基于ADS-B 傳輸射頻特性的物理層驗證方法來驗證航空器的速度和位置,利用短相干時間和多普勒擴展現象檢測惡意廣播的ADS-B 信息[65]。 Kim 等添加時間戳數據,根據接收到GPS 信號時間與到達接收機時間的時間差對ADS-B 信息進行安全性驗證,并分析了時間戳的范圍與精度[66]。 Naganawa 等利用扇形天線的振幅單脈沖技術測量到達角(angle of arrival,AoA),同時根據ADS-B 報文中航空器的位置計算預期AoA,通過比較2 種AoA 檢測欺騙[67]。Habler 和Shabtai 基于LSTM 編解碼算法檢測異常ADS-B 消息,通過分析合法ADS-B 消息序列對飛行路線建模,航空器可以自主評估接收到的ADS-B 消息與合法飛行路徑的偏差[68]。 Ying 等對ADS-B 數據的特征進行挖掘,建立分類模型,提出一種使用深度神經網絡監測ADS-B 攻擊行為的方法[69]。 呂宗平等利用全球導航衛星系統(GNSS)完好性信息對虛假ADS-B 報文進行識別,通過水平保護級(HPL)與導航不確定類別(NUC)的一致性比對防止惡意欺騙[70]。 Li 等基于黏性層次Dirichlet 過程的隱馬爾可夫模型建立ADS-B 數據序列隱狀態預測生成模型,通過分析隱藏狀態序列的上下文偏差信息檢測攻擊數據[71]。 吳慶基于多普勒頻偏變化與位置變化的對應關系,提出一種深度學習的ADS-B 防欺騙方法,利用改進型AlexNet 識別虛假信號[72]。

3.5 星座與星間鏈路技術

雖然衛星上的ADS-B 接收機覆蓋范圍比陸基系統大,但單顆衛星無法完全滿足全球連續覆蓋的空管監視要求,需要建立和部署衛星星座來集成并提高單顆衛星的性能。 此外,具有良好可靠星間鏈路的星座可以完成監視數據的即時、連續傳輸與下載。 低軌衛星星間鏈路多具有較大的動態性,可能會受到多普勒頻移的顯著影響,因此如何設計一個合適的星座構型并優化以及建立穩定可靠的星間鏈路,是需要研究的重要內容之一。

Nguyen 等對鏈路可能性和衛星星座跟蹤能力的性能進行分析,定義了包括衛星數量、軌道高度、最大間隔時間等在內的星座參數,提出一種低成本的星基ADS-B 系統[73]。 Nag 等基于模擬空中交通數據描述了一種適用于區域覆蓋任務的立方體衛星星座設計方法,以提高監視區的安全性和態勢感知能力[74]。 Chen 等分析星基系統的設計約束,設計了由81 顆微納衛星組成的Walker衛星星座系統,通過數值仿真驗證了衛星系統設計的合理性[75]。 Leyva-Mayorga 等提出了一個在低軌星座中動態建立星間鏈路的框架和相應的算法,以確保所有衛星在任何時候都至少具備一個完整的星間鏈路連接[76]。 Guo 等提出了一個衛星星座性能評估模型,綜合考慮覆蓋范圍、星間鏈路、網絡傳輸等方面給出了一個55 顆衛星的星座設計方案[77]。 考慮到低軌衛星星座規模,部署策略對發射次數和待發射衛星有重大影響,de Weck等論證了分階段部署在低軌通信衛星星座中的價值,并針對全球星應用進行了研究[78]。 Lee 等結合銥星和全球星的經驗,提出一種使用遺傳算法優化的分階段部署策略,使星座大小適應市場需求[79]。

3.6 路由轉發技術

雖然陸基ADS-B 系統已經較為成熟,但衛星網絡傳輸與地面網絡傳輸存在較大的差別。 中國目前沒有能力在世界各地部署星基ADS-B 地面站,因此所有ADS-B 數據將通過衛星網絡匯聚到中國地面站上空的衛星,距離匯聚節點較近的星間鏈路更有可能出現擁塞,在這種情況下大多數路由算法和流量平衡方法會導致大量不必要的消耗。 同時由于航路航線的設置,ADS-B 數據在全球的分布很不均衡,在繁忙空域的數據量可能是非繁忙空域的數十倍,這種不均衡分布在進行匯聚時會導致路徑流量的不均衡,加劇了某些鏈路的負擔,容易超過鏈路的最大傳輸能力而造成丟包現象或進一步導致衛星網絡的擁塞。 因此,針對星基ADS-B 系統的網絡路由轉發技術進行研究是必要且關鍵的。

目前,衛星網絡路由技術根據實現方式可以大致分為虛擬拓撲法、虛擬節點法和動態拓撲法3 類,流量均衡技術可以按照全局方案與局部方案分為2 類。 Mohorcˇicˇ等將流量同時分布在最短路徑和次短路徑上,提出了ALR 多徑流量均衡路由算法[80]。 Bai 等提出了CEMR 多徑流量均衡算法,將流量分布到K條路徑上解決擁塞問題[81]。 Hussein 等針對全球交通流量分布采用流量預測來進行流量均衡[82]。 Taleb 等提出了ELB局部流量均衡算法,在一跳范圍內進行均衡[83]。Dong 等提出針對不同業務需求,組合使用基于人工智能的QoS 算法、多層衛星網絡架構、多路徑路由算法以提升路由性能[84]。 葉紅軍等針對星基航空監視系統設計了星地一體化綜合監視網絡,并進行了理論分析與網絡拓撲驗證[85]。 鄭曉冬等考慮低軌星間鏈路網絡中航空安全信息傳輸的路由規劃需求進行了算法設計,分別提出了多站就近落地、高可靠備份傳輸以及分區負載均衡3 種算法,并基于星間鏈路網絡仿真平臺進行了試驗驗證[86]。

3.7 監視性能評估技術

星基ADS-B 是空天地一體化的大系統,其監視數據量大、動態變化快,監視數據質量如位置誤差、報文更新周期、數據傳輸延遲等受GNSS 導航系統、星間鏈路傳輸等多種因素影響。 為驗證星基ADS-B 系統的可用性及其監視性能能否達到空中交通管理系統的最低接入標準,通過試驗衛星接收的數據,研究適用于星基ADS-B 系統的監視性能評價指標,開展在軌運行數據分析與性能評估并確立相應評估方法,及時發現和告警達不到空中交通管制所需監視性能等級的情況將具有十分重要的意義。

Delovski 等依據陸基ADS-B 監視要求給出了包括目標獲取概率、目標檢測概率、目標識別概率和消息識別概率在內的4 個星基ADS-B 監視性能參數計算方法,并對Proba-V 衛星ADS-B 載荷在北大西洋、太平洋越洋航線上的監視性能進行了評估[11]。 Sch?fer 等開發和部署了面向中歐地區的ADS-B 系統OpenSky,并分析了其獲取的數據[87]。 van der Pryt 等建立了一個確定到達衛星的功率水平的模型,為CanX-7 性能提供評估[88]。Garcia 等提出了系統和接收機模型,評估是否能夠實現提供服務所需的更新間隔[89];并于2017年進行了銥星二代衛星的在軌試驗情況分析,采用了陸基參考發射機,用于銥星系統性能模型的深入校準[26];其在2018 年銥星二代系統較為完整之后,又針對不同的ADS-B 發射機單獨進行實驗,定義了可用性指標,并分析了銥星二代系統的關鍵指標[27]。 鐘建華等開發了一個ADS-B 數據質量分析軟件,通過解析報文計算數據的完好率、漏點率和跳點率[90]。 于克非和趙嶷飛利用“天拓三號”衛星數據對更新時間間隔、數據完好性和數據準確性3 項指標進行統計分析[91-92]。 王運帷提出一套ADS-B 數據質量評估體系,從接收能力、刷新時間間隔、精確性、連續性4 個角度進行評估分析[93]。

4 北航聯合團隊星基ADS-B 研究情況

北航四川九洲空管科技有限責任公司(簡稱九洲空管公司)、中國民航大學、西華大學等單位經過多年合作,形成“產學研用”聯合科研團隊。張軍院士帶領科研團隊,在國家重大科研項目支持下,依托國家空管監視與通信系統工程技術研究中心等多個國家級和省部級科研平臺,共同開展星基ADS-B 研究與技術攻關,并發射了試驗驗證星。

4.1 星基ADS-B 關鍵技術研究

北航張學軍等設計了以相干解調為基礎的星基ADS-B 聯合解調算法,重點解決了信號幀頭的同步和信號的頻偏問題,在之前的研究基礎上有效提高了解調靈敏度[94]。 九洲空管公司馮濤和梁俊提出了一種幀頭檢測方法,并使用遺傳算法對檢測到的微弱信號進行高精度頻率和相位估計,實現直接相干解調[95];通過反演修正的方法在低信噪比下實現了ADS-B 信號譯碼,提升星基ADS-B 接收信號解調性能[96]。 張學軍等利用最大似然比法則建立數學模型提取低置信度矩陣,對低置信度位在錯誤圖表中對應的錯誤圖樣進行異或糾錯,解決了在任意位置的5 個及以下的錯誤糾錯,提高了譯碼率[97];并充分考慮星上硬件資源,結合FPGA 技術完成星基ADS-B 接收機信號處理模塊的實現,減少了FPGA資源消耗與處理延時[98]。

北航劉凱等研究了基于泊松過程的星基ADS-B 信號高階碰撞模型,并據此提出一種迭代投影算法用于星基ADS-B 信號分離,在仿真中比較了算法與MDA 和EPA 的性能差異[99]。 北航張濤等通過對混疊信號進行白化處理判斷重疊信號數量,依此在每個時間段內進行矩陣變化,利用波束賦形矩陣得到分離信號,降低了多信號碰撞情況下分離算法的復雜度[100]。

針對防欺騙問題,九洲空管的李家蓬等分別針對單通道和四通道ADS-B 地面站進行防欺騙方法研究,對單通道采用時序模式特征驗證、幾何相符、意圖相符等多種驗證手段組合驗證;對四通道則結合四通道脈沖幅度測向法和信號幅度-距離測量法實現目標定位,判斷虛假目標,并將相應研究成果應用于星基四通道接收機的研究中[101-102]。 安強等則利用信號TDOA 解算目標空間位置,同ADS-B 報告位置比對判斷目標的真實性與有效性[103]。

針對星座設計,北航張學軍等結合當前空管發展與監視需求,提出了滿足全球覆蓋的60 星、96 星的2 種星座構型方案,同時考慮衛星重量與尺寸包絡,探討了一箭多星的星座部署方案;并采用“瓦式”架構射頻前端設計,將輻射陣元通過功分網絡合成后與后端射頻模塊按照分層結構層層堆砌在基板上,對星間鏈路技術展開研究。

北航張濤等建立路徑中間節點到目的節點之間的M條待選轉發路徑,在目的節點周圍建立多徑,共同負擔全球ADS-B 業務流量業務,緩解目的節點周圍的擁塞和延時,提高網絡傳輸的可靠性[104]。 針對ADS-B 業務在低軌衛星網絡中產生匯聚的特點,提出一種可以緩解網絡擁塞的動態路由協議,引入了鏈路代價機制和鏈路狀態反饋機制,結合最短路徑算法,緩解空間信息網絡的鏈路擁塞,降低丟包率[105-106]。 張學軍等提出了一種基于目標節點泛洪的全局-局部路由算法DFGL,在全局范圍內使用多目的節點的泛洪算法,在匯聚節點的N跳范圍內進行多徑路由優化,隨后通過動態代價估計和概率路徑選擇對算法進一步改進,并利用空間網絡仿真(SNS)系統上進行仿真驗證,提高了路由算法在實際場景中的可用性[107]。

中國民航大學劉海濤等理論推導了在僅有ADS-B 信號干擾情況下星基接收機的監視容量[108],之后又基于共信道干擾模型理論分析ADS-B 消息被星基接收機正確接收的概率以及位置報告更新間隔,并結合航空器的空-時分布特性分析了星基系統的監視容量,對單通道接收機能否滿足當前監視需要作評估[109]。 北航張學軍等提出通過水平位置更新率PUR、氣壓高度更新率PUH、航空器身份更新率PUI 計算監視系統所需監視性能可用性[110];此外提出一種監視性能評估指標形成方法,利用航空器的航行信息建立參考航跡,依據預設有效數據標準,通過比對參考航跡中數據項與航行信息數據項篩選并統計監視性能指標[111]。 同時,張學軍等搭建了國內首套空事衛星系統半實物仿真演示驗證平臺,該平臺可將實物載荷與真實衛星映射為虛擬衛星網絡中的衛星節點,通過真實數據和模擬數據共同模擬星座運行狀態,評估系統監視性能。

4.2 北航星基ADS-B 驗證星

北航于2019 年發射了星基ADS-B 平臺技術驗證星,驗證了所需衛星平臺的功能及性能指標,并在2020 年發射了北航星基ADS-B 技術驗證星,如圖12 所示,其上搭載張學軍等針對星基ADS-B 信號傳輸衰減大、空域內信號易產生沖突等重點問題研制的星基ADS-B 航空監視載荷開展在軌技術驗證。 該載荷是中國首個面向全球空管需求,針對全球航班廣域監視應用研制的載荷,突破了星基ADS-B 高靈敏度解調算法、數字多波束接收等關鍵技術。

圖12 北航星基ADS-B 技術驗證星Fig.12 Beihang space-based ADS-B technology verification satellite

自成功發射以來,衛星工作正常,獲得了全球空域的大量飛行數據,經過數據分析可知,繁忙空域內,平均每小時接收ADS-B 消息數超過100 萬條;最遠探測距離超過2 500 km;半徑800 km 的設計覆蓋范圍內,95% 位置消息更新間隔低于8 s,報文更新率初步滿足空管運行需求,性能指標達到國內領先、國際先進水平[112]。 北航星基ADS-B 系統技術驗證星獲取的全球航空器分布如圖13 所示。

圖13 北航星基ADS-B 系統技術驗證星獲取的全球航空器分布Fig.13 Global aircraft distribution obtained by Beihang space-based ADS-B technology verification satellite

根據北航星基ADS-B 技術驗證星在軌試驗期間接收的數據分析,充分考慮運輸航空起飛/降落、離場/進近、巡航各個階段運行場景與通用航空監視跟蹤運行場景,其具備在全球范圍內對運輸航空器各飛行階段進行監視跟蹤的能力,具備對在全球范圍內對通用航空飛行器監視跟蹤的能力。

國外對星基ADS-B 系統的研究起步較早,2013 年發射的Proba-V 衛星就首先驗證了衛星接收ADS-B 信號的可行性,而GOMX-1 衛星則驗證了基于立方星的ADS-B 載荷的可行性,隨后Aireon 公司建設的銥星二代系統采用相控陣天線、多波束接收的星基ADS-B 載荷,具備了提供空管監視服務的能力,也是目前國際上唯一建成并投入商業試運行的星基ADS-B 系統。

國內2015 年后有一些不成系統的低軌ADSB 監視試驗衛星,國防科技大學、上海微小衛星工程中心相繼發射了試驗星“天拓三號”和“上科大二號”,均實現了星基ADS-B 信號的接收,這些試驗星參考國外前期研究,基于單顆衛星對ADS-B信號接收的可行性做了驗證,無法滿足全球空管監視應用需求。 2020 年國防科技大學沿用“天拓三號”技術體制,發射了改進的“天拓五號”,在星基ADS-B 接收性能上有所提升,但仍舊無法滿足空管運行需求。

根據國內已發射的低軌ADS-B 衛星測試情況,北航星基ADS-B 技術驗證星面向空管監視實際運行設計與研制,在高靈敏度接收算法、數字多波束合成等關鍵技術上有所突破,初步滿足了空管運行需求。 其作為單星的技術驗證星,與目前已經成功組網、唯一商業化運作的銥星二代系統還存在一定差距,在性能指標與星間鏈路等方面還有改進與提升的空間。

但北航星基ADS-B 技術驗證星在軌驗證的成功仍標志著中國在星基航空監視方面達到國際先進水平,未來將有能力給航空用戶提供基礎的全球航空監視和跟蹤服務,極大推動中國空事衛星系統全面組網建設的進程,對中國軍民航和通航的發展具有極為重要的意義。

5 結束語

星基ADS-B 系統利用低軌衛星空間覆蓋優勢,搭載ADS-B 接收機,實現對全球高中低空各類空域的全覆蓋,可為所有安裝了ADS-B 設備的航空器提供空中交通管制監視服務,確保其不受陸基系統地形限制的影響,解決陸基空管系統在洋區、荒漠、偏遠地區的盲區問題,提升全球空管綜合監控能力,實現全球范圍內無縫空域監視和空中交通管理。 北航、九洲空管公司、中國民航大學等單位的聯合團隊針對星基ADS-B 進行了廣泛而深入的研究,成功發射的北航星基ADS-B 技術驗證星為中國空管系統全球化建設奠定了基礎。

為了推動中國星基ADS-B 系統的全面建設,未來還需要進一步發展并突破關鍵技術,提升其解調靈敏度,改進其相控陣天線和多通道處理設計等,以提高有效覆蓋范圍,適應不同軌道高度和不同航空用戶的需求;此外,要想為全球范圍內的航空用戶提供監視服務必須完成衛星全球組網,其中包括星座與衛星平臺設計、低時延星上路由等多項關鍵技術,可以結合航空網絡流量預測,主動分散衛星網絡流量以防止擁塞;另外,還需結合現有標準進一步完善監視性能評估體系,支撐星基ADS-B 系統運行。

同時隨著中國軍事現代化進程不斷推進,軍民航空域使用需求多元化、多樣化趨勢明顯加快,空域使用結構需求更加復雜,空域使用矛盾將繼續加劇。 星基ADS-B 系統的發展時刻都有軍方身影,其不僅是服務全球空中交通的一種高效基礎設施,更是軍航作戰全球飛行的一種支撐體系。未來需要綜合考慮軍民航空管在國家戰略和全球化發展中的作用,建立統一的兼容技術架構,將航天航空技術要求和軍民航用戶需求整合在一起,以發展需求為牽引、拓展軍民航應用,實現與航空企業、地區經濟協同發展,實現資源共用、信息共享為重點的軍民航協同發展。