ERA ADS-B系統(tǒng)在西沙群島的應用

劉 旭 謝來陽

（民航中南空管局，廣東 廣州 510403）

ERA ADS-B系統(tǒng)在西沙群島的應用

劉 旭 謝來陽

（民航中南空管局，廣東 廣州 510403）

文章介紹了ADS-B的原理特點，并與傳統(tǒng)的的航管雷達監(jiān)視系統(tǒng)進行了比較，闡述了在西沙群島設置ADS-B系統(tǒng)的必要性，同時介紹了引進的美國ERA公司生產的ADS-B系統(tǒng)框架，對系統(tǒng)如何進行相關的設置和對系統(tǒng)接口部分如何進行改進，最后對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行了相關分析。

ADS-B；一次雷達；二次雷達；GPS；以太網

1 引言

民航廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）是一種新興的空管監(jiān)視技術，即航空器通過廣播模式的數(shù)據(jù)鏈，自動提供由機載導航設備和定位系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)，包括航空器識別、四維定位以及其他相關的附加數(shù)據(jù)。通常每500毫秒ADS-B設備廣播一次位置信息。本文介紹了ADS-B的原理特點，并與傳統(tǒng)的的航管雷達監(jiān)視系統(tǒng)進行了比較，闡述了在西沙群島設置ADS-B系統(tǒng)的必要性，同時介紹了引進的美國ERA公司生產的ADS-B系統(tǒng)框架及相關的設置和改進。

2 ADS-B系統(tǒng)原理及特點

2.1原理

如圖1所示，ADS-B使用機載導航系統(tǒng)，得到飛機精確的位置和速度信息，通過機載的電子設備自動廣播飛機的呼號、位置、高度、飛行速度、航向、告警特殊識別和其它一些參數(shù)。地面接收機和其他航空器可以接收此數(shù)據(jù)，并用于各種用途，如在無雷達覆蓋地區(qū)提供ATC監(jiān)視，機場場面監(jiān)視以及未來空-空監(jiān)視等應用服務。

圖1　ADS-B監(jiān)視示意圖

2.2技術特征

ADS-B具備以下技術特征：

Automatic自動：數(shù)據(jù)信息自動發(fā)射，不需要人工的操作，不需要地面的詢問。

D-Dependent相關：信息全部基于機載數(shù)據(jù)。

S-Surveillance監(jiān)視：提供呼號、位置、高度、速度和其它用于監(jiān)視的數(shù)據(jù)。

B-Broadcast廣播：數(shù)據(jù)不是針對某個特殊的用戶，而是周期性的廣播給任何一個有合適裝備的用戶。

ADS-B是下一代空中交通系統(tǒng)（NextGen）的重要組成部分。在未來20年，ADS-B系統(tǒng)的實現(xiàn)將會使下一代空中交通系統(tǒng)變成現(xiàn)實。在美國，經過多年的研究和開發(fā)，并且通過在阿拉斯加通用航空領域和在愛荷華河谷航空運輸?shù)氖褂?，F(xiàn)AA決定在 2005年在全國航空系統(tǒng)投入使用 ADS-B技術。通過ADS-B，飛行員和管制員都可以看到由衛(wèi)星提供的更加精確的類似雷達目標顯示的空中交通數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以實時更新，并且不會由于距離和覆蓋范圍的因素而失效。同時該系統(tǒng)還可以給飛行員提供氣象，覆蓋圖和飛行信息服務。有了這些強有力的數(shù)據(jù)，飛行員可以駕駛飛機安全飛行到更遠的一些缺少空中交通管制幫助的地方。

2.3與航管雷達監(jiān)視手段的比較

與民航現(xiàn)使用的一、二次雷達比較而言，ADS-B是相關的、合作式監(jiān)視系統(tǒng)。一次雷達是獨立的、非合作式監(jiān)視系統(tǒng)，其可自主獲取目標的監(jiān)視信息，被監(jiān)視目標不需要安裝任何相關的設備。而二次雷達是獨立的、合作式監(jiān)視系統(tǒng)。二次雷達通過詢問和機載設備的應答計算目標的距離和方位角。S模式二次雷達則增強了飛機尋址和雙向數(shù)據(jù)鏈路功能。與一次雷達相比，二次雷達能夠提供更詳細的信息，但二次雷達無法監(jiān)視沒有安裝應答機或應答機失效的飛機。與二次雷達類似，ADS-B系統(tǒng)也需要航空器安裝相應的機載設備。除位置信息外，ADS-B還提供速度和航向等信息。與雷達系統(tǒng)不同的是ADS-B的信息直接從機載設備中得到。

對于傳統(tǒng)的監(jiān)視系統(tǒng)，如一次雷達和二次雷達網絡，其自身的某些特點，造成了一些局限性：

（1）配置、維護和運營成本高：每臺設備一兩百萬到壹千萬美元，據(jù)FAA數(shù)據(jù)，每年可高達2萬美元的維護成本。同時需要建設專門臺站，并且配置專線電力電纜和相應配套的UPS和柴油發(fā)電機設備。系統(tǒng)安裝復雜，需要專業(yè)安裝機具，如站點設在邊遠臺站，安裝條件相當惡劣。

（2）性能的局限性：精確度和有效性受外部條件影響，由于系統(tǒng)特性，距離目標越遠，特別是在雷達覆蓋范圍邊緣，精確度不高。

（3）如果有山脈或大型建筑物遮擋，造成某些區(qū)域無法完全覆蓋。

相比之下，ADS-B就具有以下優(yōu)點：

（1）低成本接收器；全方位覆蓋和系統(tǒng)冗余，價格不再昂貴；監(jiān)視范圍擴展到250海里范圍；采用現(xiàn)有標準1090Mhz頻率。由于系統(tǒng)較簡單，安裝相當簡便，有電源和一定容量的UPS即可，可安裝于邊遠臺站，如遙控VHF臺，或移動通信基站等處。

（2）高精確度：精確度不受限于距離；數(shù)據(jù)每秒更新。

（3）可提供更多的信息：航空器的識別碼，可提供航向、速度，可作為預警處理的輸入信號。

正是由于以上特點和ADS-B技術的發(fā)展，澳大利亞基于對中西部地區(qū)飛行流量的預期和投資成本的核算，放棄了以航管雷達覆蓋澳洲大陸的意圖。取而代之的是，僅投資1000萬美元在中西部地區(qū)建設ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)，與現(xiàn)有航管雷達設施，組合成一個覆蓋澳洲全境高空的空中交通服務監(jiān)視系統(tǒng)。

2.4傳輸技術

目前ADS-B可選的數(shù)據(jù)鏈傳輸技術有Mode S 1090 ES、VDL MODE 4、UAT三種，對于機載設備，VDL MODE 4和UAT都需要加裝新的機載設備，而目前所有的商業(yè)運輸飛機的機載應答機均裝備了S模式應答機，若采用S模式1090 ES技術，需要做的工作僅僅是升級應答機軟件及加裝一條 GPS連線，不僅工作量小、簡單易行，而且從經濟效益角度來講也有很大優(yōu)勢。鑒于國際民航組織亞太區(qū)的建議和在全球范圍內的互操作性，我國在西部地區(qū)已安裝的ADS-B系統(tǒng)都使用了1090 ES作為ADS-B數(shù)據(jù)鏈路技術。

3 西沙群島設置ADS-B的必要性

21世紀初，民航空管單位為實現(xiàn)南中國海西沙群島周邊空域的雷達覆蓋，于西沙群島的某島嶼設立了由美國TELEPHONICS公司生產的一套小型單脈沖二次雷達，但由于種種原因，雷達建設后在 150公里以外的空域覆蓋不太理想，出現(xiàn)了目標丟失，目標分裂及航跡擺動等現(xiàn)象。而ADS-B系統(tǒng)由于具有價格較低，使用維護成本不高的特點，只要地面沒有大型阻擋物，監(jiān)視范圍可達到 250海里。同時其系統(tǒng)簡單，安裝維護簡便。ADS-B系統(tǒng)天線采用鞭狀天線，不需要象航管二次雷達那樣的大型天線塔，因此安裝起來不會受到島上有關部門對建筑障礙物相關規(guī)定的影響。在ADS-B地空通信收發(fā)信機等設備的技術指標都已確定的前提下，ADS-B地面站覆蓋范圍的計算很大程度上取決于地球表面上的阻擋物，即地形的影響。只要將天線安裝于島上臺站的高點處，周邊無其他障礙物遮擋，則可基本滿足覆蓋要求。鑒于上述原因，空管單位基于西沙雷達建設難度大，成本投入高及維護難度大等方面的考慮，于前幾年在西沙群島某島設立ADS-B系統(tǒng)，作為現(xiàn)有二次雷達監(jiān)視系統(tǒng)的補充手段。

4 ERA ADS-B系統(tǒng)原理及設置改進

4.1系統(tǒng)框架

西沙ADS-B系統(tǒng)采用美國ERA公司生產的ADS-B系統(tǒng)，系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

圖2　Era ADS-B系統(tǒng)框架圖

西沙ADS-B系統(tǒng)由兩獨立冗余的ADS-B通道組成，即各個ADS-B單元單獨連接各自的ADS-B全向接收天線，GPS天線和SITE MONITOR天線（SQB天線），這兩個通道各自獨立，同時工作，互為備分。每個通道ADS-B單元由SSR接收機、GPS及診斷單元（GPSD）、測量單元、信號處理、控制單元、供電單元組成。

其中信號處理單元核心為一采用WINDOWS操作系統(tǒng)的微型計算機（RPU），其通過以太網把處理好的數(shù)據(jù)傳輸出去以及和監(jiān)控計算機進行通信。本地監(jiān)控電腦（LCMS）放置于臺站現(xiàn)場,用于對 ADS-B設備和 GPS狀態(tài)進行監(jiān)控和對ADS-B目標查看；遠程監(jiān)控電腦（RCMS），放置于三亞遠端監(jiān)控站,用于對 ADS-B設備和 GPS狀態(tài)進行遠程監(jiān)控和對ADS-B目標查看。

4.2系統(tǒng)設置

系統(tǒng)所有硬件安裝完畢后，需要對系統(tǒng)參數(shù)進行一些必要的設置。系統(tǒng)開機各設備正常后，通過監(jiān)控終端LCMS或RCMS登陸到信號處理單元核心計算機 RPU，系統(tǒng)配置的CMS計算機上裝有遠程登陸軟件，同時為了在CMS上能正常顯示目標和監(jiān)控數(shù)據(jù)，安裝調試時也必須對CMS進行設置：

（1）RPU設置

在\Gua-rpu01ArchDir目錄下存放有系統(tǒng)保存的 ADS-B目標ASTERIX CAT21類數(shù)據(jù)；而在\Gua-rpu01DataRec目錄下存放了原始記錄數(shù)據(jù)；在\Gua-rpu01ERARPUCFG目錄下打開mss.cfg文件，為確保安全，必須將原文件進行備份，而且先將文件下載到本地電腦進行設置，修改完后再上傳，主要修改的是文件中的reference point中的經度（Latitude）、緯度（Longtitude）和高度（Height）信息，經緯度以度為單位，高度以米為單位。將上述數(shù)據(jù)修改為安裝ADS-B的臺站GPS位置信息。

同時，如圖3所示，如果因為網絡原因需要更改RPU的計算機IP地址，則更改\Gua-rpu01ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-adsb”對應的內容,同時相應更改RPU系統(tǒng)的IP地址，系統(tǒng)的信號輸出是通過以太網以廣播的的方式輸出，要更改信號輸出 IP地址和端口號的話，則更改\Gua-rpu01 ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-out-ch01”對應的內容，“ip-out-ch01”地址為廣播的地址，一般沒有特殊要求不用更改。

圖3　RPU地址更改示意圖

（2）CMS計算機設置

CMS計算機同樣也是采用WINDOWS XP操作系統(tǒng)，其與ADS-B設備的連接也是通過以太網進行連接，而其監(jiān)控軟件是通過WEB界面對ADS-B系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)控，因此該計算機的網絡IP也必須設為與RPU同一網段。通過WEB頁面監(jiān)控系統(tǒng)時，在IE瀏覽器上直接鍵入RPU地址即可，輸入RPU地址/4003端口則為顯示GPS診斷頁面，輸入RPU地址/8003端口則為顯示GPS狀態(tài)頁面。另外為保證能正常顯示目標，在 CMS的顯示軟件參數(shù)也必須設置中心點坐標，打開C:Program FilesERAMTdisplay目錄下的display.ini文件（進行更改前必須對原文件進行備份），對[center]、[station1]或[station2]的經度、緯度進行更改，經緯度設置格式為度：分：秒。同時，為能顯示實時目標或重放目標，在顯示程序的COMMUNICATION項目里的通道，通信方式、UDP端口和廣播地址設置要正確設置，如圖 4所示，需要注意的是這里的端口設置是16進制數(shù)，而在之前所述的RPU里參數(shù)文件設置的端口設置為10進制數(shù)。當系統(tǒng)安裝和參數(shù)設置完畢后，系統(tǒng)需要重起使參數(shù)生效。

圖4　顯示程序Communication項參數(shù)設置圖

4.3系統(tǒng)改進

在系統(tǒng)安裝設置完畢后，筆者發(fā)現(xiàn)與系統(tǒng)XC-5接口連接的SITE MONITOR(以下簡稱SQB)工作不正常，沒有信號，經檢查，在SQB設備端測量輸入電壓為零，而斷開設備，在系統(tǒng)的接口XC-5處測量電壓正常，在排除了設備電纜及SQB本身設備故障的原因后，懷疑系統(tǒng)接口是否故障，但在系統(tǒng)的監(jiān)控單元上觀察，各模塊工作正常。于是，我們詳細查閱了廠家的技術資料和分析系統(tǒng)的電路圖，電路圖如圖5所示，發(fā)現(xiàn)了原廠家提供的安裝資料上注明SQB接在ADS-B主機框單元的XC-5接口，但其實內部XC-5接口接線是接至電源模塊的電池接口，是不能用于接入負載的。于是，現(xiàn)場就對系統(tǒng)內部進行改裝，將機框內部XC-5接線連接至內部直流電源模塊輸出接線端，如圖 5所示。經現(xiàn)場對系統(tǒng)內部接線進行改進后，測量電壓正常，在原設計的 XC-5接口重新接回SQB設備電源線，此時設備工作正常，改進試驗成功。

圖5　XC-5接口電路圖

5 數(shù)據(jù)分析

據(jù)ERA廠家資料內容，當前2002年后生產的民用客機基本都安裝了ADS-B設備，而在越洋航班中，70%的航班都具備了ADS-B設備。在西沙ADS-B系統(tǒng)建成后，筆者在島上比較了西沙雷達和ADS-B顯示的航路飛行目標數(shù)，統(tǒng)計方法是在某個時間點上，在雷達系統(tǒng)和ADS-B系統(tǒng)的有效覆蓋范圍內，觀察比較雷達顯示和ADS-B系統(tǒng)顯示的航空器目標數(shù)，計算ADS-B系統(tǒng)顯示的目標占雷達顯示目標的百分比，統(tǒng)計結果如表1所示，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上可以看到在ADS-B上顯示的目標數(shù)基本都達到雷達顯示目標數(shù)的 60%以上，平均為63.62%。

表1　西沙ADS-B與雷達顯示目標數(shù)統(tǒng)計表

同時，筆者也對雷達與ADS-B系統(tǒng)顯示的同一目標進行了跟蹤，在有效覆蓋范圍內對接收回來的目標數(shù)據(jù)進行比較，相同類型的參數(shù)數(shù)據(jù)基本一致，而在某些原雷達覆蓋性能不良區(qū)域，雷達顯示目標丟失，而ADS-B系統(tǒng)仍然可以持續(xù)跟蹤目標。

通過航班跟蹤統(tǒng)計得到西沙ADS-B信號能比較穩(wěn)定地覆蓋到330 km以內的目標，350 km以外覆蓋稍差，最遠覆蓋范圍可達420 km。

通過以上的數(shù)據(jù)比較分析，表明西沙設立ADS-B系統(tǒng)能基本滿足民航管制的要求，今后可以把兩種監(jiān)視系統(tǒng)在同一顯示器上顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互補, 如飛機的ADS-B設備或應答機故障，地面的顯示器也能監(jiān)控，這樣極大地提高了監(jiān)控系統(tǒng)的能力，也進一步整合了二次雷達和ADS-B 監(jiān)控系統(tǒng)的資源同時也對原二次雷達系統(tǒng)做了強有力的補充。

6 結束語

西沙 ERA ADS-B系統(tǒng)安裝至今整體運行平穩(wěn)、安全可靠，彌補了三亞管制區(qū)在南海區(qū)域的監(jiān)視盲區(qū)，為管制服務提供了極為有力的技術支撐和保障，同時也為ADS-B監(jiān)視技術的應用和推廣積累了極為珍貴的技術資料和寶貴的經驗。ADS-B新技術的在三亞管制區(qū)的成功應用，將對航空器提供更小的間隔，擴大海南地區(qū)空域容量，提高安全運行水平發(fā)揮積極作用。

近幾年，隨著科技和經濟的發(fā)展，相關標準也日益完善，民用航空器的ADS-B設備已成為必備設備。相信隨著ADS-B技術的發(fā)展，將會有越來越多的航班裝備ADS-B設備，作為現(xiàn)有二次雷達監(jiān)視系統(tǒng)的補充手段的西沙ADS-B系統(tǒng)將會扮演更加重要的角色。

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ERA ADS-B system application in Xisha islands

This paper introduced the theory & characteristic of ADS-B system and compared with normal radar system. And also the necessity of ADS-B system in Xisha islands is discussed. After that we give the details about the system frame diagram, configuration and adjustment of ERA ADS-B system installed in Xisha islands. In the end we discussed about the target quality of ERA ADS-B system by analysing the data from the comparison with the radar targets.

ADS-B; PSR; SSR; GPS; ethernet

V37

A

1008-1151(2015)09-0007-04

2015-08-13

劉旭（1972－），男，民航中南空管局工程師，從事民航空管通信、導航及監(jiān)視系統(tǒng)安裝、維修及研究工作；謝來陽（1975－），男，民航中南空管局高級工程師，從事民航空管通信、導航及監(jiān)視系統(tǒng)安裝、維修及研究工作。