ADS-B系統(tǒng)工作原理

1、ADS-B系統(tǒng)的工作原理和技術簡介(2011-09-14 11:56:11)第一章：ADS-B系統(tǒng)的工作原理和技術簡介概述：ADS-B的定義：ADS-B是廣播式自動相關監(jiān)視的英文縮寫，它主要實施空對空監(jiān)視，一般情況下，只需機載電子設備(GPS接收機、數(shù)據鏈收發(fā)機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI)，不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能，裝備了ADS-B的飛機可通過數(shù)據鏈廣播其自身的精確位置和其它數(shù)據(如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等)。ADS-B接收機與空管系統(tǒng)、其它飛機的機載ADS-B結合起來，在空地都能提供精確、實時的沖突信息。ADS-B是一種全新科技，它將當今空中交通管制中

2、的三大要素通信、導航、監(jiān)視重新定義。Automatic自動，“全天候運行”，無需職守。Dependent相關，它只需要于依賴精確地全球衛(wèi)星導航定位數(shù)據。Surveillance監(jiān)視，監(jiān)視（獲得）飛機位置、高度、速度、航向、識別號和其它信息。Broadcast廣播，無需應答，飛機之間或與地面站互相廣播各自的數(shù)據信息。ADS-B系統(tǒng)由多地面站和機載站構成，以網狀、多點對多點方式完成數(shù)據雙向通信。機載ADS-B通信設備廣播式發(fā)出來自機載信息處理單元收集到的導航信息，接收其他飛機和地面的廣播信息后經過處理送給機艙綜合信息顯示器。機艙綜合信息顯示器根據收集的其他飛機和地面的ADS-B信息、機載雷達信息、

3、導航信息后給飛行員提供飛機周圍的態(tài)勢信息和其他附加信息(如：沖突告警信息，避碰策略，氣象信息)。ADS-B系統(tǒng)是一個集通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)，由信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示三部分組成。ADS-B的主要信息是飛機的4維位置信息(經度、緯度、高度和時間)和其它可能附加信息(沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點等信息)以及飛機的識別信息和類別信息。此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、空速、風速、風向和飛機外界溫度等。這些信息可以由以下航空電子設備得到：(1)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS);(2)慣性導航系統(tǒng)(INS);(3)慣性參考系統(tǒng)(IRS);(4)飛行管理器；(5)其

4、它機載傳感器。ADS-B的信息傳輸通道以ADS-B報文形式，通過空-空、空-地數(shù)據鏈廣播式傳播。ADS-B的信息處理與顯示主要包括位置信息和其它附加信息的提取、處理及有效算法，并且形成清晰、直觀的背景地圖和航跡、交通態(tài)勢分布、參數(shù)窗口以及報文窗口等，最后以偽雷達畫面實時地提供給用戶。ADS-B技術是新航行系統(tǒng)中非常重要的通信和監(jiān)視技術，把沖突探測、沖突避免、沖突解決、ATC監(jiān)視和ATC一致性監(jiān)視以及機艙綜合信息顯示有機的結合起來，為新航行系統(tǒng)增強和擴展了非常豐富的功能，同時也帶來了潛在的經濟效益和社會效益。ADS-B技術應用ADS-B技術用于空中交通管制，可以在無法部署航管雷達的大陸地區(qū)為航空

5、器提供優(yōu)于雷達間隔標準的虛擬雷達管制服務;在雷達覆蓋地區(qū)，即使不增加雷達設備也能以較低代價增強雷達系統(tǒng)監(jiān)視能力，提高航路乃至終端區(qū)的飛行容量；多點ADS-B地面設備聯(lián)網，可作為雷達監(jiān)視網的旁路系統(tǒng)，并可提供不低于雷達間隔標準的空管服務;利用ADS-B技術還在較大的區(qū)域內實現(xiàn)飛行動態(tài)監(jiān)視，以改進飛行流量管理；利用ADS-B的上行數(shù)據廣播，還能為運行中的航空器提供各類情報服務。ADS-B技術在空管上的應用，預示著傳統(tǒng)的空中交通監(jiān)視技術即將發(fā)生重大變革。ADS-B技術用于加強空-空協(xié)同，能提高飛行中航空器之間的相互監(jiān)視能力。與應答式機載避撞系統(tǒng)(ACAS/TCAS)相比，ADS-B的位置報告是自發(fā)廣

6、播式的，航空器之間無須發(fā)出問詢即可接收和處理漸近航空器的位置報告，因此能有效提高航空器間的協(xié)同能力，增強機載避撞系統(tǒng)TCAS的性能，實現(xiàn)航空器運行中即能保持最小安全間隔又能避免和解決沖突的空-空協(xié)同目的。ADS-B系統(tǒng)的這一能力，使保持飛行安全間隔的責任更多地向空中轉移，這是實現(xiàn)“自由飛行”不可或缺的技術基礎。ADS-B技術能夠真正實現(xiàn)飛行信息共享?？罩薪煌ü芾砘顒又兴孬@的航跡信息，不僅對于本區(qū)域實施空管是必需的，對于跨越飛行情報區(qū)(特別是不同空管體制的情報區(qū))邊界的飛行實施“無縫隙”管制，對于提高航空公司運行管理效率，都是十分寶貴的資源。但由于傳統(tǒng)的雷達監(jiān)視技術的遠程截獲能力差、原始信息格

7、式紛雜、信息處理成本高，且不易實現(xiàn)指定航跡的篩選，難以實現(xiàn)信息共享。遵循“空地一體化”和“全球可互用”的指導原則發(fā)展起來的ADS-B技術，為航跡信息共享提供了現(xiàn)實可行性。應用概況ADS技術的應用方面，從1998年，中國民用航空為了探索新航行系統(tǒng)發(fā)展之路，促進西部地區(qū)航空運輸發(fā)展，在國際航空組織新航行系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃指導下，抓住中國西部地區(qū)開辟歐亞新航路的戰(zhàn)略機遇，啟動了第一條基于ADS技術的新航行系統(tǒng)航路(L888航路)建設。L888航路裝備了FANS 1/A定義的ADS-C監(jiān)視工作站，并在北京建立了網管數(shù)據中心。2000年，新系統(tǒng)完成了評估和測試并投入運行。2004年，北京、上海、廣州三大區(qū)域管

8、制中心相繼建成。為三大區(qū)管中心配套的空管自動化系統(tǒng)都具備了ADS航跡處理能力。經驗證，新系統(tǒng)可以處理和顯示基于ACARS數(shù)據的自動相關監(jiān)視航跡，也可以實施“航管員/飛行員數(shù)據鏈通信”(CPDLC)。這標志了中國航空的主要空管設施已經具備了ADS監(jiān)視能力。隨著我國航空公司機隊規(guī)模擴大和機型的更新，近年來許多航空器都選裝了適合新航行系統(tǒng)的機載電子設備，具備了地空雙向數(shù)據通信能力。中國航空在發(fā)展新航行系統(tǒng)和改進空中交通監(jiān)視技術方面開展了建設性的活動，取得了一些成果，但總體上沒有突破ADS-C的技術框架。因此，對解決空管的突出問題，改善安全與效率，效果并不明顯。ADS-B技術的逐步成熟，將為我們尋求新

9、的突破提供了機會。當今ADS-B技術發(fā)展已經進入實用階段，而我國仍在ADS的概念階段徘徊不前。當別人尋求以成本更低、效率更高、用途更廣的新航行監(jiān)視技術取代雷達技術時，我們還在加緊部署雷達網絡。過去十年，航空空管在發(fā)展主義的旗幟下實現(xiàn)了規(guī)模的擴張，但是，發(fā)展質量不容樂觀。一個重要的事實是極具說服力的：澳大利亞全境部署的雷達數(shù)量大致與上海飛行情報區(qū)可用的雷達資源相當。澳大利亞同行的優(yōu)勢，很大程度上得益于ADS-B技術的超前規(guī)劃和大膽應用。相比之下，我們在ADS-B的實用技術研究、機載設備配備、地面系統(tǒng)建設、飛行和管制人員的操作技能培訓等多方面，都還缺乏現(xiàn)實可行的規(guī)劃安排。技術體制問題在ADS-C的

10、技術體制內，ADS的航跡報告是有條件選擇發(fā)送的。ADS-B與ADS-C之間除合約和通信協(xié)議的管理控制方式不同外，目標下傳的位置、姿態(tài)和航行信息的內容基本一致。機載ADS報告系統(tǒng)對報告信息的要素選項、重復報告周期、發(fā)送選址都是可以預設的。飛機在收到地面發(fā)送的上行申請電文后發(fā)送ADS下行電文，將用戶約定的報告內容通過空/地數(shù)據鏈和地面?zhèn)鬏斁W絡送達用戶端。因此，ADS信息的使用是契約制的。也就是說，空管或航空公司簽派等地面用戶要想獲得所需的ADS報告，必須逐架飛機、逐條航路(或航段)約定報告信息，同時還必須與經營空-地、地-地數(shù)據鏈傳輸業(yè)務的運營商定制信息傳輸服務。用戶約定的飛行航跡越多、信息要素越

11、多、重復報告周期越短，支付的信息服務費就越高，而且按照SITA格式電報計量的通信費用特別昂貴。在這樣的技術體制下(附加了“第三方服務”成本)，雖然在低密度航路上，基于ADS監(jiān)視技術的空中交通服務和航空公司運行管理都能夠實現(xiàn)，但高額的運行成本卻讓空管和航空公司等用戶望而卻步，航空器已配置的先進機載設備、配套建設的空-空數(shù)據鏈、地-空數(shù)據鏈和地面用戶設備也只能束之高閣。技術兼容問題首先是雙向通信制式的差異。ADS-B的通信制式是廣播式雙向通信，而我國用來進行航跡跟蹤和管制數(shù)據通信的地空數(shù)據鏈，采用美國ARINC公司的AEEC618/AEEC622協(xié)議方式，屬應答式雙向通信。此通信制式的數(shù)據刷新率受

12、應答協(xié)議制約，其同步性和實時性都不能滿足高密度飛行管制服務需求，無法與ADS-B技術兼容。其次是數(shù)據鏈容量的差異。ADS-B所使用的數(shù)據鏈應能滿足高密度飛行監(jiān)視的要求，因此對數(shù)據長度和通信速率都有很高的要求。國際航空組織推薦的全球可互用的ADS-B的廣播數(shù)據鏈-1090MHzS模式擴展電文數(shù)據鏈(1090ES)，最大下行數(shù)據長度達到112位，最大數(shù)據率達到1兆比特/秒。而我國現(xiàn)用的RGS地-空數(shù)據鏈，最大下行數(shù)據長度為32位，最大數(shù)據率僅2400比特/秒，顯然不能與ADS-B廣播電文兼容。再則是傳輸技術上的差距。ADS-B廣播電文是面向比特的數(shù)據串，下行數(shù)據到達地面后，必須透明地傳輸至航空管制

13、或航空運行簽派等地面用戶端。而現(xiàn)有系統(tǒng)中，通過RGS或衛(wèi)星截獲的下行數(shù)據，須轉換為面向字符的SITA報文格式，經低速的自動轉報網傳輸?shù)接脩舳?。這種信息傳輸方式的低效率以及傳輸時延不確定性，不能適應高密度飛行監(jiān)視。解決現(xiàn)有系統(tǒng)與ADS-B技術兼容問題，關鍵是選擇新的空-空、地-空數(shù)據鏈系統(tǒng)。數(shù)據鏈是ADS-B技術重要的組成部分，當前，許多國家和組織出于不同的開發(fā)意圖，開發(fā)出了多種多樣的數(shù)據鏈，從中選擇適合我國實際的數(shù)據鏈類型，是確定機載設備性能和發(fā)展地面設施的前提。各國對ADS-B數(shù)據鏈的選擇各持己見，但主流意見基本傾向于以下三種：(1)甚高頻數(shù)據鏈模式4(VDLMode4)-歐洲較流行;其核心

14、技術為SOTDMA協(xié)議，不足是現(xiàn)在VHF頻段資源緊張。(2)萬能電臺數(shù)據鏈(UAT)-美國較流行，多用于通用航空飛機；采用二進制連續(xù)相移鍵控CP-FSK，不足是和DME地面設備的互相干擾嚴重。 (3)1090MHzS模式擴展電文數(shù)據鏈(1090ES)-國際民航組織推薦;采用選擇性詢問、雙向數(shù)據通信，不足是已出現(xiàn)頻譜過度使用的危機。國際航空組織一直在努力倡導使各成員國能夠執(zhí)行一個統(tǒng)一的數(shù)據鏈標準，從而提高數(shù)據鏈設備在全球范圍的通用性。如果空中的每架飛機都執(zhí)行同一個數(shù)據鏈標準，通過 ADS-B系統(tǒng)，每個飛行員都能看到其周圍一定范圍內所有航空器的位置和動態(tài)。這將顯著提高飛行員對其周圍飛行態(tài)

15、勢的感知度，從而可以在保證飛行安全的前提下，進一步縮小飛機間的安全間隔，優(yōu)化飛行路線，提高空域資源的利用率。歐洲是"廣播式自動相關監(jiān)視"（ADS-B）技術的策源地。世界上第一次機載"飛行情報艙顯器"（CDTI）與ADS-B技術的聯(lián)合演示，就是1991年2月瑞典民航局在首都Bromma機場進行的。但是在歐洲，ADS-B技術的應用似乎更艱難些。相比美國和澳大利亞，歐洲各國要統(tǒng)一推廣某種技術標準，難度大得多了。好在本世紀初，歐洲一體化進程大大推進了新航行技術在歐洲的應用。2004年5月，歐洲空管（EUROCONTROL）發(fā)布了歐洲實施新航行技術的政策，制定了一

16、個"歐洲民航委員會通過新通信和監(jiān)視技術應用推進空管一體化。CASCADE計劃與ADS-B技術CASCADE-簡稱"歐洲一體化空管計劃"有兩大技術內核：ADS-B和ink2000+。Link2000+是基于甚高頻數(shù)據鏈模式2（VDL2）技術的地空數(shù)據鏈，主要用來為飛行員和管制員提供非話音的數(shù)據鏈通信（CPDLC）服務。在ADS-B技術將在應用方面，CASCADE描述了如下多方面應用和服務內容：（1）無雷達區(qū)域的應用（ADS-B  NRA）：用于增強無雷達區(qū)（遠離陸地的海上平臺、海島等區(qū)域）的航行監(jiān)視能力，并提供容量、安全和效率類似雷達監(jiān)視的引導服

17、務。部分面臨淘汰的老舊雷達，出于成本效益的考慮也建議采用ADS-B NRA 方式實施更新改造。（2）雷達區(qū)域應用（ADS-B RAD）：在雷達監(jiān)視（包括有ADS-B 補充監(jiān)視）區(qū)域，用于改進A、B、C、D、E類空域的航路、終端區(qū)以及各個飛行階段的空中交通管理能力。并逐步由ADS-B地面設備更替航管二次雷達，優(yōu)化和降低地面監(jiān)視系統(tǒng)的投入成本。（3）機場場面監(jiān)視應用（ADS-B APT）在管制機場，ADS-B的應用可為場面監(jiān)視系統(tǒng)提供飛機和車輛等目標物的活動信息。ADS-B可自成系統(tǒng)，與在用場監(jiān)雷達（或ASDE-3系統(tǒng)）組合成互補的聯(lián)合場監(jiān)系統(tǒng)。也可以集成在"先進的場面活動目標引導和控制

18、系統(tǒng)"（A-SMGCS Level 1）或場面探測設備（ASDE-X)概念的場監(jiān)系統(tǒng)中。（4）地面交通狀況知曉（ATSA SURF）幫助機組掌握滑行、跑道運行中的相關信息。例如在駛入滑行道口、進入活動的跑道前、起飛前等，機組可利用CDTI，觀察周圍活動物體的動態(tài)，避免沖突。（5）空中交通狀況知曉（ATSA AIRB ）在飛行過程中，使機組能通過CDTI掌握鄰近航空器的位置，提高避撞主動性，增強TCAS性能。（6）進近目視增強（ATSA  VSA ）在目視進近、間隔較小情況下，使機組通過CDTI 掌握其它進近航空器的位置和速度，以保持最佳安全間隔。（7）機載數(shù)據采集

19、（ADS-B ADD）采集航空器系統(tǒng)運行中生成的額外數(shù)據信息，利用ADS自發(fā)廣播發(fā)給地面。主要為航空營運人或維修人員提供監(jiān)控信息。二.實施進程使早期較成熟的技術較早投入應用和服務，CASCADE計劃在實施上劃分了兩個流程：第一流程，2004年啟動，2008年實施。第一流程主要致力于ADS-B技術的早期應用。重點增強無雷達（ADS-B NRA）或雷達監(jiān)視手段不完備（ADS-B RDA）地區(qū)的地空監(jiān)視服務，改善機場場面監(jiān)視服務（ADS-B APT）。在更新空管設施的同時獲得ADS-B技術的低成本效益。在第一流程中，機載ADS-B設備只發(fā)不收，因此又稱"ADS-B OUT&quo

20、t;技術。第二流程，2006年啟動，2010年實施。第二流程將改進ADS-B的應用軟件，重點開發(fā)"機上狀況知曉"（ATSA SURDF、ATSA AIRB、ATSA VSA）功能，更多地開發(fā)和利用機載運行數(shù)據（ADS-B ADD）。在此流程中，機載ADS-B系統(tǒng)不但要發(fā)送自身的航跡信息和運行數(shù)據，還必須有能力接收和處理鄰近飛機發(fā)出的航跡信息，因此又稱為"ADS-B IN"技術。目前，CASCADE項目分別設立了運行專業(yè)組、認證專業(yè)組、計劃編制專業(yè)組三個專門機構，協(xié)調全歐統(tǒng)一的技術標準、技術認證和實施計劃，有力地推進著ADS-B技術在歐洲的應用。在ADS-

21、B "OUT"技術發(fā)展方面，歐洲已擬定了ADS-B技術系統(tǒng)的底層結構，并且開始生產符合底層結構標準的設備。這些設備不但在澳大利亞投入使用，而且也在歐洲各地安裝。到2006年4月，歐洲已經安裝了24個ADS-B地面站，以支持無雷達和雷達管制區(qū)域的ADS-B應用仿真測試。部分歐洲國家的航空公司機隊已經選裝了符合國際民航組織附件十第77項修正案的機載ADS-B設備，并且通過了適航認證。為了迎接未來ADS-B技術全球發(fā)展的挑戰(zhàn)，歐洲的飛機制造商已經開始開發(fā)具有飛機自主監(jiān)視能力的ADS-B "IN"機載設備（收/發(fā)電臺和顯示器）。三. 歐洲ADS-B發(fā)展思路分析1

22、統(tǒng)一在"一個天空"的旗幟下在疆土分制的歐洲，要推進統(tǒng)一標準ATM，難度是可想而知的。即使這樣，歐洲人也沒有各行其是、無序開發(fā)。在"一個天空"旗幟下，歐洲空管空前地統(tǒng)一。在發(fā)展規(guī)劃方面，歐洲民航組織設立了"歐洲一個天空空管研究"（SESAR）項目，研究和制定了歐洲民航34各成員國共同協(xié)調執(zhí)行的一體化歐洲空管系統(tǒng)。在計劃執(zhí)行方面，由CASCADE項目的三個權威專業(yè)組統(tǒng)一制定全歐的實施技術標準，統(tǒng)一進行全歐的底層結構系統(tǒng)認證，統(tǒng)一指導全歐ADS-B過渡計劃的協(xié)調實施。并且在奧地利、德國、法國、西班牙、地中海地區(qū)、愛爾蘭、葡萄牙、瑞典和英國分

23、別設立了9個"監(jiān)視技術第一軟件包的合作確認"（CRISTAL）機構，保證ADS-B（附帶交通情報廣播功能TIS-B）在歐洲大陸的實驗和確認工作整體推進。真正做到了標準統(tǒng)一、開發(fā)有序，管理高效，穩(wěn)步推進。2應用目標現(xiàn)實而明確歐洲空管是一個代表股東利益的代理管理組織，它的體制決定了其投資目標的現(xiàn)實性。在ADS-B技術開發(fā)和應用方面，歐洲空管首先考慮的不是越洋遠程航路的監(jiān)視，而是緊密結合歐洲大陸的空管需求，以改進陸地區(qū)域、高密度飛行的空中交通監(jiān)視為基本目標。海島和近海，不便安裝或空中交通不值得配置雷達的無雷達區(qū)域，用ADS-B作為主要監(jiān)視手段；雷達覆蓋不完善的區(qū)域，ADS-B作為

24、補充監(jiān)視手段；雷達覆蓋區(qū)域，ADS-B作為技術升級手段；在機場運行區(qū)域，ADS-B作為場面輔助監(jiān)視手段。這是歐洲空的ADS-B近期應用目標。下一步，歐洲空管主要開發(fā)ADS-B"IN"的應用。解決的問題主要是：增強高密度飛行空域，飛機間的相互監(jiān)視；增強飛行（滑行）過程對地面情況的監(jiān)視能力；增強地面對機艙和飛機運行狀況的監(jiān)視能力。從歐洲空管的發(fā)展目標可以清楚地發(fā)現(xiàn)，雷達監(jiān)視技術將逐步被ADS-B技術取代，不僅是因為雷達設施投資大、管理成本高，而且由于雷達技術已無法勝任下一代空管系統(tǒng)的監(jiān)視需求。3自主的技術應用路線歐洲的ADS-B應用路線，既不同于美國，也明顯區(qū)別于澳大利亞。歐洲

25、不具備美國高度集中的"國家空域系統(tǒng)"（NAS）優(yōu)勢，1998年以來，統(tǒng)一后的歐洲空管才開始修補"一個天空"下的管制縫隙。ADS-B技術 對歐洲空管來說，可謂天賜良機。當美國在"通用訪問電臺"（UAT）上開發(fā)ADS-B技術，謀求改進通用航空機隊的自主監(jiān)視和情報截獲能力時，歐洲空管卻把ADS-B技術應用的重點聚焦在增強高密度飛行區(qū)域空中交通管理系統(tǒng)的整體監(jiān)視能力方面。在這一點上，歐洲空管與澳大利亞民航服務局不謀而合。但是相比澳人，歐洲人對ADS-B技術的應用更細膩，更系統(tǒng)，更有遠見。澳洲人技術應用路線是"拿來主義"，無論地面還是機載設備，技術上對外依賴性較強，而且比較多地關注于眼前的受益。歐洲人則更注重ADS-B技術的全面運用。從他們對底層結構的設計、技術體制和產品標準的制定和認證、未來"自由飛行"環(huán)境的技術準備（空對空、空對地監(jiān)視技術）等方面的考慮，都明顯高澳人一籌。4數(shù)據鏈選擇ADS-B技術應用的一個重要前提是地空間數(shù)據傳輸載體的選擇。由于歐洲空管的CASC