ADS-B的主要技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備綜述

1、ADS-B的主要技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備綜述袁義煌 宋智勇 王玲 胡冰（湖北省無線電管理委員會辦公室，湖北 武漢430061）1.引言ADS-B是廣播式自動相關(guān)監(jiān)視的英文縮寫（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）,是無線電技術(shù)在航空監(jiān)視上的新應用,即利用空對地、空對空數(shù)據(jù)通信完成信息傳遞的一種新技術(shù)。ADS-B可為航空器傳送的空域交通、天氣、地形等飛行信息，讓機組人員清晰地了解周邊的交通情況，提高情景意識，并可用于航空公司的運行監(jiān)控和管理，為安全、高效的飛行提供保障。ADS-B還可以用于飛行區(qū)的地面交通管理，防止跑道侵入【見圖1，圖2】。與雷達系統(tǒng)相比

2、，ADS-B能夠提供更加實時、準確的航空器監(jiān)視信息，可以增加無雷達區(qū)域的空域容量且維護費用低，使用壽命長。正是因為ADS-B有以上諸多的優(yōu)點，促成國際航空界積極推進該項技術(shù)的應用。圖1航空器周邊交通情況顯示我國已制定出ADS-B推廣應用的中、長發(fā)展規(guī)劃。部分ADS數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)可行性試驗工程、支持ADS-B的地空應用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)完成，系列配套工程正有序展開。2. ADS-B的基本原理國際民航組織（ICAO）將ADS-B定義為“用于傳遞飛行參數(shù)，如：位置、航跡和速度等，通過數(shù)據(jù)鏈廣播模式，在特定的間隔時間內(nèi)發(fā)送，任何空地用戶都可以申請這一功能”。ADS-B包含了以下幾層含義：自動（Automat

3、ic）：數(shù)據(jù)傳送不需要人工操作和地面的詢問；相關(guān)（Dependent）：數(shù)據(jù)的發(fā)送全部基于機載設(shè)備；監(jiān)視（Surveillance）：提供的狀態(tài)數(shù)據(jù)適用于監(jiān)視的任務；廣播（Broadcast）：采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，所有用戶都可以接收這些數(shù)據(jù)。根據(jù)相對于航空器的信息傳遞方向，機載ADS-B應用功能可分為發(fā)送（OUT）和接收（IN）兩類（相對于航空器）【見圖3】。圖3 ADS-B工作原理示意圖2.1 ADS-B OUTADS-B OUT是指航空器的機載發(fā)射機以一定的周期發(fā)送航空器的各種信息，包括：航空器識別信息（ID）、位置、高度、速度、方向和爬升率等。OUT是機載ADS-B設(shè)備的基本功能。地面

4、系統(tǒng)通過接收機載設(shè)備發(fā)送的ADS-B OUT信息，監(jiān)視空中交通狀況，起到類似于二次雷達的作用。ADS-B發(fā)送的航空器水平位置一般源于GNSS系統(tǒng)，高度源于氣壓高度表。GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的縮寫）的定位決定著ADS-B的定位精度。2.2 ADS-B INADS-B IN是指航空器接收其他航空器發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面服務設(shè)備發(fā)送的信息，為機組提供運行支持。ADS-B IN可使機組在駕駛艙交通信息顯示設(shè)備（CDTI：Cockpit Display of Traffic Information）上“看到”其他航空器的運行狀況，從而提高機組的空中交通情景意識。ADS-B地面站也可以向航

5、空器發(fā)送信息，具體分為兩類：空中交通信息服務廣播（Traffic Information Service Broadcast，TIS-B)和飛行信息服務廣播(Flight Information Services-Broadcast，F(xiàn)IS-B)。TIS-B：ADS-B地面站接收航空器發(fā)送的ADS-B位置報文，將這些數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(Surveillance data processing system，簡稱SDPS)，同時SDPS也接收雷達和其他監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)，SDPS將這些數(shù)據(jù)融合為統(tǒng)一的目標位置信息，并發(fā)送至TIS-B服務器。TIS-B服務器將信息集成和過濾后，生成空中交通監(jiān)視

6、全景信息，再通過ADS-B地面站發(fā)送給航空器。這樣機組就可以獲得全面而清晰的空中交通信息。TIS-B的應用可以使ADS-B不同數(shù)據(jù)鏈類型的用戶獲得周邊的空域運行信息，從而做到間接互相可見。FIS-B：ADS-B地面站向航空器傳送氣象、航行情報等信息。這些信息可以是文本數(shù)據(jù)，也可以是圖像數(shù)據(jù)。文本格式的氣象信息包括日常報（METAR）、特選報（SPECI)、機場天氣預報(TAF）等。圖像格式的信息包括雷達混合圖像、臨時禁飛區(qū)域和其他航行信息。FIS-B使機組可以獲得更多的運行相關(guān)信息，及時了解航路氣象狀況和空域限制條件，為更加靈活而安全的飛行提供保障。2.3 ADS-B的技術(shù)核心數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在數(shù)據(jù)

7、通信網(wǎng)中，按一種鏈路協(xié)議的技術(shù)要求連接兩個或多個數(shù)據(jù)站的電信設(shè)施，稱為數(shù)據(jù)鏈路，簡稱數(shù)據(jù)鏈。數(shù)據(jù)鏈路(data link)除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。ADS-B的OUT和IN的功能都是基于數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)。共有三種數(shù)據(jù)鏈路可供ADS-B選擇使用：S模式的基于異頻雷達收發(fā)機的1090ES數(shù)據(jù)鏈；通用訪問收發(fā)機（UAT：Universal Access Transceiver）；模式甚高頻數(shù)據(jù)鏈（VDL-4）。2.3.1 1090ES1090ES數(shù)據(jù)鏈是ICAO推薦采用的用于ADS-B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈，“1090”指系統(tǒng)使用1090MHz作為下行傳輸頻率，“ES”（Extend

8、ed Squitter【擴展間歇振蕩器】）表示相對原有報文長度的擴展（56到112比特）以及自動廣播的特性。1090ES傳送的位置信息每0.5秒更新一次。表1是1090ES數(shù)據(jù)鏈的性能主要參數(shù)。表11090 ES數(shù)據(jù)鏈主要性能參數(shù)性能參數(shù)內(nèi)容頻率1090MHz比特率1Mb/s編碼方式PPM（脈沖位置編碼）發(fā)射機功率51-57dBm報文更新率位置2次/s速度2次/s消息長度112bits糾錯24個奇偶校驗碼同步4個脈沖的前同步碼偽隨機接入2.3.1.11090ES的機載設(shè)備如僅需要ADS-B OUT功能，則要求兩個主要電子組件：（1）S模式1090ES應答機，（2）GNSS接收機。具備ADS-B

9、 OUT和IN功能的綜合收發(fā)系統(tǒng)要求4個主要電子組件：（1）S模式1090ES應答機，（2）GNSS接收機（3）1090 ES接收機，（4）駕駛艙交通信息顯示器CDTI。2.3.1.2 1090ES應答機VT2000是Garrecht公司生產(chǎn)的具備發(fā)射ADS-B 1090信息能力的S模式應機，除了具備傳統(tǒng)S模式應答機的功能外，還能夠通過1090MHz數(shù)據(jù)鏈發(fā)射ADS-B信息?！疽妶D4】。圖4 VT2000 S模式應答機圖5 TRX-1090數(shù)據(jù)接收機2.3.1.3 1090ES接收機TRX-1090是Garrecht公司研發(fā)的一款1090MHz數(shù)據(jù)接收機，能夠接收1090MHz ADS-B信息

10、。具有兩個外接顯示器接口，用來連接外部CDTI。有GPS接口，以提供本機定位數(shù)據(jù)。如果對方飛機的應答機沒有ADS-B OUT功能，本機TRX-1090也能夠通過接收對方飛機的其他DF信息，得到對方飛機的高度信息，計算對方飛機距離本機的水平距離，并在本機CDTI顯示出來。【見圖5】。圖5具有防撞警告功能的TAS600接收機TAS600A是Avidyne公司研發(fā)的既具備ADS-B IN功能，即ADS-B信息的接收能力，工作頻率為1090MHz，又具備主動詢問功能，能夠針對臨近飛機的位置、方位、相對高度和距離等參數(shù)給出聲音警告。TAS600使用上下兩個全向天線，總線接口為ARINC 429。【見圖5

11、，圖右側(cè)為天線】。2.3.1.4機載座艙顯示器圖6機載座艙顯示器LX8000圖7機載座艙顯示器EX600LX8000的是LxNav公司研制的機載座艙顯示器，能夠顯示通過Garrecht TRX1090接收機接收到的臨近空域其他飛機發(fā)射出來的ADS-B 1090信息。LX8000包含全球地形地圖、空域和機場數(shù)據(jù)庫。LX8000內(nèi)置了FLARM防撞系統(tǒng)和飛行記錄儀。【見圖6】。EX600是Avidyne公司研制的機載座艙顯示器，能夠顯示通過ADS-B 1090接收機接收到的臨近空域其他飛機發(fā)射出來的ADS-B 1090信息?！疽妶D7】。2.3.1.5 GPS/WASS傳感器圖8 GPS/WAAS傳

12、感器圖9地面接收站設(shè)備圖圖8是FreeFlight公司研制的1203 GPS/WAAS傳感器，具備ARINC429接口可與導航及飛行管理系統(tǒng)整合，獲取飛機的位置、速度等信息。2.3.1.5地面接收站設(shè)備圖10國產(chǎn)化ADSB-2000A地面站接收站設(shè)備圖圖10是ADS-B(out) 1090ES處理模塊構(gòu)成的單臺ADSB-2000A地面站，支持無人具有：雙接收通道，熱備份；提供標準的以太接口，支持遠程網(wǎng)管功能；支持遠程射頻自檢功能，GPS/Compass模塊為ADS-B消息提供時標、地面站的經(jīng)緯度；可以處理并解碼ADS-B標準規(guī)定的DF18的消息。圖9是實驗網(wǎng)絡(luò)的地面接收站設(shè)備圖。2.3.3UA

13、TUAT是FAA（美國聯(lián)邦航空局）專門設(shè)計用來支持ADS-B功能的收發(fā)系統(tǒng)。具有從地面站上行廣播的功能，接入方式為時分復用。在1秒長的幀中，前188毫秒分配給地面廣播服務，后812毫秒分配給ADS-B下行使用，下行部分采用隨機接入方式,機載和地面收發(fā)機均采用978MHz的收發(fā)頻率。目前，成熟的UAT產(chǎn)品是接收和發(fā)送為一體的集成設(shè)備。UAT數(shù)據(jù)鏈主要性能參數(shù)見表2。表3UAT數(shù)據(jù)鏈主要性能參數(shù)性能參數(shù)內(nèi)容頻率978MHz比特率1Mb/s編碼方式2CPFSL帶寬635K報文結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)：1秒長的幀中，前188毫秒（22個時隙）上行，后812毫秒下行。下行的ADSB的基本報告可用128位，下行的ADS

14、的擴展報告可用256位。2.3.2.31 UAT收發(fā)信機RANGR 978MHz是美國FreeFlight公司專門針對通用航空設(shè)計并研制的一款UAT ADS-B收發(fā)信機，是符合FAA最新的適航標準的型號?！疽妶D10】。圖10RANGR 978MHzUAT收發(fā)信機圖11SkyView機載座艙顯示器SkyView是Dynon Avionics公司研制的機載座艙顯示器，能夠顯示通過ADS-B UAT收發(fā)信機接收到的臨近空域其他飛機發(fā)射出來的ADS-B UAT信息。【見圖11】。圖12第20研究所研制的多模式ADSADS-BB地面站2.3.4VDL Mode 4是瑞典民航局于1994年提出的數(shù)字數(shù)據(jù)鏈

15、路。VDL-4實際應用經(jīng)驗和實例現(xiàn)在還相對較少。2.3.5三種數(shù)據(jù)鏈的比較與擬采用的方案1090ES、UAT和VDL-4三種數(shù)據(jù)鏈互不兼容。1090ES數(shù)據(jù)鏈目前在TCAS、SSR等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，技術(shù)比較成熟，但是現(xiàn)有的S模式地面設(shè)備基本不具備上行數(shù)據(jù)傳送能力。FAA考慮到1090 ES要支持TCAS防撞系統(tǒng)、MDL多點定位系統(tǒng)、SSR二次雷達等多項業(yè)務，1090 ES鏈路比較擁擠，而美國通用航空約占全美總飛行流量的1/3，非常需要動態(tài)、實時的信息服務，F(xiàn)AA為通用航空飛行選擇了UAT鏈路。為解決1090ES與UAT互不兼容的缺點，國際上一些廠商推出了雙數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)的接收設(shè)備，這些設(shè)備一

16、般工作在UAT數(shù)據(jù)格式下，當接收到1090ES數(shù)據(jù)時，其內(nèi)部電路將1090ES數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為UAT數(shù)據(jù)格式。這種設(shè)備雖然做到了全面兼容1090ES數(shù)據(jù)鏈和UAT數(shù)據(jù)鏈，但是造價也相應增加，使這種雙頻接收機在通用航空領(lǐng)域的應用受到了一些影響。我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，通用航空器市場逐步增大。如果通用航空也使1090ES，必然加劇該頻率出現(xiàn)過度使用的危機，UAT支持TIS-B和FIS-B服務，有利于通用航空飛行安全。雖然由于1090ES與UAT互不兼容，但可以通過建設(shè)雙模地面站【見圖11】，可以使監(jiān)視系統(tǒng)具備ADS-R(ADS Rebroadcast）能力，實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)互聯(lián)。這也可能是我國ADS-B大規(guī)模實施時采用的數(shù)據(jù)鏈路方案。ADS-B相關(guān)的技術(shù)研究有：ADS-B機載設(shè)備（1090ES/UAT）;支持TIS-B和FIS-B服務的單/多模式地面站設(shè)備；異種ADS-B數(shù)據(jù)鏈信息交換技術(shù)；5組合監(jiān)視技術(shù)。利用多傳感器（ADS-B、監(jiān)視雷達等）的數(shù)據(jù)融合，彌補ADS-B技術(shù)對G