ADS—B技術(shù)在INDRA空管自動化系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：為應(yīng)對一些地區(qū)復雜的地形環(huán)境，實現(xiàn)雷達信號全覆蓋，滿足日益增長的空中交通需求，國際民航組織及其相關(guān)國家連同其他國際組織達成協(xié)定，即使用ADS-B技術(shù)作為未來全球空中交通監(jiān)視手段的主要發(fā)展方向。文章介紹了ADS_B技術(shù)的原理和INDRA空管自動化系統(tǒng)，并以西安區(qū)管中心為例，闡述ADS-B在INDRA自動化系統(tǒng)中的設(shè)計和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ADS-B技術(shù)；INDRA自動化系統(tǒng)；空中交通管制；雷達信號；飛行計劃 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP315 文章編號：1009-2374（2017）01-0041-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.020

近年來，我國民航空中交通管制監(jiān)視系統(tǒng)的保障能力大幅提升，據(jù)不完全統(tǒng)計，2015年中國民航年飛行起降架次為780萬架次，同比增長5.7%，而截至2016年8月底，西安咸陽機場航班起降架次為880萬架次，另外，至2020年底中國機場數(shù)量預(yù)計將達到260個。

運用傳統(tǒng)航空監(jiān)視手段，可以達到東部航線基本實現(xiàn)部分地區(qū)兩重或三重雷達覆蓋，但民航運輸日益增大，擁堵狀況日益明顯；西部地區(qū)雷達設(shè)施不完善，信號覆蓋不完全，受地形復雜和高海拔的影響，航線和機場搭建傳統(tǒng)雷達監(jiān)視設(shè)備困難、維護成本高。因此為適應(yīng)民航運輸需求，彌補傳統(tǒng)監(jiān)視手段的不足，尋求更加高效的監(jiān)視手段，中國民航積極開展了ADS-B的建設(shè)和實驗工作，已實施一系列ADS-B技術(shù)應(yīng)用的運行試驗與驗證工程，目前已經(jīng)完成8套1090ES數(shù)據(jù)鏈ADS-B地面站的建設(shè)工作。通過新技術(shù)應(yīng)用，縮小飛行間隔，提高空域容量，減輕管制員工作負荷，促進管制運行安全和效率的提高。

1 ADS-B原理簡介

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）的全稱是Automatic Dependent Surveillance-Broadcast。ADS-B定義了一種新型的監(jiān)視手段，它通過數(shù)據(jù)鏈以廣播形式向外發(fā)送自身的狀態(tài)信息，信息如飛機的標識、呼號、位置（經(jīng)緯度、高度）、速度、爬升、下降和轉(zhuǎn)彎等其他信息，這些信息可由同樣加裝ADS-B設(shè)備的飛機和地面站接收并顯示。本機作為產(chǎn)生信息的數(shù)據(jù)源向外廣播，它也能接收到來自其他飛機的廣播信息。ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)提高了對空域的利用，改進了對目標的監(jiān)視能力，提高了飛行安全。ADS-B是ADS技術(shù)的一種，是實現(xiàn)未來自由飛行理念的重要保證。

ADS-B具有如下特征：（1）Automatic：全天候運行，無需監(jiān)視；（2）Dependent：只依賴于全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供的精確數(shù)據(jù)；（3）Surveillance：通過監(jiān)視獲得航班號、位置、高度、速度、矢量角及其他信息；（4）Broadcast：無需應(yīng)答，ADS-B信息發(fā)送者通過廣播形式發(fā)送信息，不僅是點對點傳送，而且是將信息周期性地廣播給通信空域內(nèi)的任何一個裝有相關(guān)設(shè)備的用戶，即只要有效范圍內(nèi)安裝ADS-B機載系統(tǒng)的飛機，都可以不受限制的接收ADS-B信息。

簡單來說，ADS-B的工作原理就是由機載設(shè)備接收到機載導航和定位系統(tǒng)的報文，將飛機位置信息以1s的間隔向外廣播，自動傳送給地面站和周圍其他飛機，同時飛機自身也接收空域內(nèi)其他飛機的數(shù)據(jù)廣播。

2 ADS-B技術(shù)在INDRA自動化系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用

INDRA AirCon 2100（以下簡稱INDRA）自動化系統(tǒng)是由西班牙英德拉公司開發(fā)設(shè)計的空管自動化系統(tǒng)，可以為區(qū)域和塔臺等不同管制中心提供空中交通管制服務(wù)，支持一、二次雷達、ADS-B及ADS-C、AIDC/OLDI移交、CPDLC地空數(shù)據(jù)鏈、飛行計劃等航班信息服務(wù)和空中交通信息服務(wù)，讓管制員全面掌握空中動態(tài)，向航班發(fā)出實時指令，增強航班飛行安全。INDRA自動化系統(tǒng)具備監(jiān)視數(shù)據(jù)的接入及處理、多雷達航跡融合、綜合航跡與飛行計劃的相關(guān)處理、圖形生成及顯示、告警功能以及數(shù)據(jù)記錄和回放等功能模塊。

2.1 信號接入模塊

SFE（Surveillance Front End，監(jiān)視數(shù)據(jù)前端處理）是INDRA自動化的前端設(shè)備，提供ADS-B、雷達等監(jiān)視數(shù)據(jù)的接收和預(yù)處理，SFE包括外部接口設(shè)備和RDCU（Radar Data Compressor Unit，監(jiān)視數(shù)據(jù)比選單元）。ADS-B數(shù)據(jù)通過外部接口設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)至RDCU，RDCU中每個數(shù)據(jù)源均配置為雙通道模式，即主備通道模式。若兩通道均正常工作，系統(tǒng)進行自動比選，時刻對比兩通道數(shù)據(jù)的監(jiān)測指標；一旦系統(tǒng)監(jiān)測到主用通道數(shù)據(jù)質(zhì)量低于備用通道，則自動切換到備用。用戶也可手動進行選擇。另外，RDCU還為ADS-B數(shù)據(jù)提供時間戳處理功能。

INDRA系統(tǒng)支持的ADS-B數(shù)據(jù)格式為ASTERIX Cat021/023，傳輸協(xié)議為HDLC、X.25及IP組播。

INDRA自動化系統(tǒng)的外部接口設(shè)備有：分路器（串口輸入x1，串口輸出x4）；復用器（串口輸入x16，網(wǎng)口輸出x2）；48口以太網(wǎng)交換機。已有的配置共允許32路監(jiān)視數(shù)據(jù)串口傳輸，72路監(jiān)視數(shù)據(jù)網(wǎng)口傳輸。

2.2 多雷達航跡融合模塊

SDP（Surveillance Data Processing，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理服務(wù)器），該模塊負責接收和處理不同的監(jiān)視數(shù)據(jù)來源，提供飛行計劃與雷達數(shù)據(jù)相關(guān)、多雷達航跡跟蹤處理、處理STCA、MSAW等安全告警及ADS數(shù)據(jù)跟蹤等功能，實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、真實的空中交通態(tài)勢處理，并將不同航跡傳輸至SDDs（Surveillance Data Display，監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示）和SNETs（Safety Net Processor，安全告警服務(wù)器）。

目標數(shù)據(jù)識別的過程是：接收目標報告→按需過濾→轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的ASTERIX格式→分配給其他子功能，例如MST。MST（Multi Sensor Tracking，多雷達航跡跟蹤器）子系統(tǒng)是SDP的核心，它能夠預(yù)處理接收到的數(shù)據(jù)（點跡或報告）以便用于后續(xù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標系以及目標過濾，其他處理例如點跡-航跡相關(guān)和雷達偏差預(yù)測，在MST接收數(shù)據(jù)之前進行處理。當跟蹤航班的水平位置時，MST首先執(zhí)行高級IMM（Interacting Multiple Model，交互式多模型）過濾將新的點跡或報告與每個系統(tǒng)航跡更新關(guān)聯(lián)，這一高級篩選能夠處理水平位置、速度矢量及“位置&矢量”等測量項。同時，對于垂直方向，MST采用標準的卡爾曼濾波與垂直機動決策算法相結(jié)合的方法，來預(yù)測每一個系統(tǒng)航跡的高度和垂直速度。多雷達航跡也叫系統(tǒng)航跡，當航空器被多種監(jiān)視源探測到時，MST根據(jù)這些數(shù)據(jù)源計算出系統(tǒng)航跡，提高精確度、連續(xù)性和覆蓋面。當一架航空器的信息由多個ADS-B地面站提供時，系統(tǒng)仍將其看作單一監(jiān)視數(shù)據(jù)來源，與其他監(jiān)視數(shù)據(jù)進行融合。因此即使不同ADS-B地面站設(shè)計廠家不同，自動化系統(tǒng)也能進行信息無差別處理。

MST的主要功能包括多雷達航跡跟蹤子模塊。多雷達航跡跟蹤子模塊是指在多重監(jiān)視源覆蓋的情況下，對系統(tǒng)航跡進行初始化、維持、更新和取消。INDRA系統(tǒng)航跡更新的頻率是固定的，設(shè)置為4s，這保證了管制員能從SDD上看到周期性的連續(xù)的航跡更新。兩個及兩個以上代表同一航班的系統(tǒng)航跡可以合并為一個單系統(tǒng)航跡，ADS-B航跡的合并條件是滿足航班號、位置及監(jiān)視源關(guān)鍵參數(shù)等條件。

在未來，SDP將向其他系統(tǒng)傳輸ASTERIX Cat022格式的TIS-B（Traffic Information Service-Broadcast，廣播式空中交通信息服務(wù)），并處理和顯示GPS可用性的警告信息，該信息可能會影響來自外部監(jiān)控系統(tǒng)中目標航跡的導航精確性。

2.3 飛行計劃處理模塊

FDP（Flight Plan Processing，飛行計劃處理器）接收處理外部系統(tǒng)發(fā)送的報文并生成計劃，提供AIDC、航班識別、飛行計劃與系統(tǒng)航跡相關(guān)、飛行計劃的添加/修改/刪除/查詢等功能。

2.3.1 航班識別。這一功能提供以下服務(wù)：航班24位地址碼（Mode S & ADS-B）或二次代碼（Mode A）識別、僅基于飛行數(shù)據(jù)的模擬航跡的生成與發(fā)展等。

2.3.2 飛行計劃與系統(tǒng)航跡的相關(guān)。這一功能自動相關(guān)當前的飛行計劃與自動化系統(tǒng)航跡，航班號、航班24位地址碼、二次代碼、地理位置是滿足相關(guān)的關(guān)鍵因素。

基于二次代碼和地理位置的相關(guān)，即系統(tǒng)檢測代碼是否符合時會考慮當前和之前的二次代碼，且該目標處于相關(guān)的地理范圍（INDRA系統(tǒng)可手動配置）內(nèi)，一旦相關(guān)，飛行計劃信息會及時更新，并在管制員席位SDD上顯示一個航班標牌。另外，也可以由管制員席位手動輸入進行相關(guān)。

在相關(guān)過程中，可能會存在由兩個系統(tǒng)航跡的二次代碼相同引起的模糊問題，這時，系統(tǒng)會對根據(jù)飛行計劃計算的4D軌跡和系統(tǒng)航跡進行一致性檢測，兩者相符時才會相關(guān)成功，若這一過程失敗，相關(guān)則不會自動完成，需由管制員手動操作。

2.4 態(tài)勢顯示處理模塊

SDD（Situation Data Display，空中交通態(tài)勢顯示器）是AirCon2100 INDRA自動化系統(tǒng)面向管制員的顯示終端，它基于系統(tǒng)對主要空中交通管制任務(wù)和環(huán)境的實時分析，可提供ADS-B等大量數(shù)據(jù)的管理。“最終實現(xiàn)”確保通過適用于用戶需求的人機交互界面，管制員更易控制及與周邊環(huán)境溝通；另一方面，也保證有效的數(shù)據(jù)顯示和自動化支持，給予管制員更多的思考時間來做出交通管理的決策，減少其工作壓力，加強安全性、高效性，降低成本。

2.4.1 ADS-B數(shù)據(jù)顯示。從ADS-B位置報告中，系統(tǒng)可以得到以下數(shù)據(jù)，并顯示在SDD上相應(yīng)目標的航班標牌上：ADS能力（即目標為ADS-B或ADS-C）和連接建立指示符；CPDLC能力和連接建立指示符；NIC（Navigation Integrity Control，導航完整性控制）指示符；ADS-B緊急模式指示符；可用的ADS-B預(yù)測航路（下兩個航路點）；通信協(xié)議（ATN、ACARS等）；ADS-B事件指示符。

2.4.2 ADS-B位置報告。帶有ADS-B信息的航跡，管制員能夠選擇使其與一個ADS-B位置報告關(guān)聯(lián)。

若系統(tǒng)收到ADS-B基礎(chǔ)位置報告（無速度信息），SDD屏幕上會顯示一個空心三角形來表示目標在該位置；若收到擴展報告（有速度信息）則顯示一個實心三角形表示。每一個三角形又連接兩條線形標牌，一條線包括ADS-B報告的時間戳，另一條線顯示報告中包括的飛行高度。以上任意一種情況，航跡顏色是不會改變的。當前時間和當前ADS-B位置報告接收時間之間的間隔也可以通過設(shè)置顯示出來。SDD可顯示的位置報告數(shù)量（最多為10個）及該功能的激活/關(guān)閉可以在SDD上

設(shè)置。

3 總結(jié)與展望

INDRA自動化系統(tǒng)在各國空管領(lǐng)域均應(yīng)用廣泛，支持ADS-B信號與多雷達信號融合處理，適用于國內(nèi)西北地區(qū)的實際地理情況和發(fā)展情況，并且作為西安區(qū)管中心的核心設(shè)備，必須保證監(jiān)視及其他數(shù)據(jù)的準確性、完整性及傳輸高效性，才能為用戶提供更好的服務(wù)。

理想的空中交通服務(wù)是能實現(xiàn)飛行情報服務(wù)、空中交通管制、航空氣象服務(wù)、告警服務(wù)，這些服務(wù)都依賴于優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源。ADS-B技術(shù)能以更頻繁更準確的傳輸方式，將本機信息實時傳給地面站或其他飛機，作為整個航空監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，ADS-B需要能夠給其他系統(tǒng)提供準確數(shù)據(jù)。伴隨著不斷地創(chuàng)新進步，ADS-B技術(shù)在國內(nèi)必將得到廣泛應(yīng)用，并帶動新一代空中交通管理體系的發(fā)展。

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作者簡介：黃丹珺（1990-），女，陜西西安人，民航西北空管局助理工程師，碩士，研究方向：計算機通信。

（責任編輯：蔣建華）