機載ADS-B技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

鄧曉波，王飛，楊光曜

(中國航空工業(yè)集團有限公司 雷華電子技術研究所， 無錫 214063)

0 引 言

廣播式自動相關監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,簡稱ADS-B)系統(tǒng)把源自機載衛(wèi)星導航、飛行管理等系統(tǒng)的多維信息(包括位置、速度、識別碼、意圖等)通過數(shù)據(jù)鏈自動廣播發(fā)送，為監(jiān)視者提供了一種高精度低成本的監(jiān)視方式。ADS-B系統(tǒng)可以為飛行員與監(jiān)管者提供空地一致的情景意識，優(yōu)化解決交通沖突，提高飛行安全水平；可以輔助實現(xiàn)更優(yōu)化的進近與爬升程序，提升航班運行效率。ADS-B技術被認為是下一代空中監(jiān)視以及未來自由飛行理念的基石。

ADS-B 正在迅速成為新的全球空中交通管理標準，已在全球主要區(qū)域開始實施。美國聯(lián)邦航空局已強制要求自2020年1月1日起，在美國運行的航空器需要具備ADS-B發(fā)射功能。歐洲航空安全局要求自2020年6月7日起，在歐洲地區(qū)運行的航空器需要具備ADS-B發(fā)射功能。中國民航ADS-B OUT系統(tǒng)于2019年7月1日開始全面運行，并且中國民航總局要求，要在2022年12月31日前完成滿足RCTA DO-260B標準的ADS-B設備加改裝。

隨著ADS-B技術的發(fā)展與廣泛應用，國外研制了許多應用于不同平臺、具有不同功能構形的ADS-B產(chǎn)品。本文對國外主流機載ADS-B產(chǎn)品進行分類，分析這些產(chǎn)品的技術與功能特點；針對ADS-B系統(tǒng)面臨的基于ADS-B航空器監(jiān)視應用開發(fā)、信息安全性、密集干擾環(huán)境下接收增強、鏈路擴容等問題，分析討論相關技術途徑，提出一些技術發(fā)展建議，以期為國內(nèi)產(chǎn)品研制提供有益借鑒。

1 ADS-B產(chǎn)品分類

從應用平臺來看，ADS-B產(chǎn)品包括地面站、機載、車載以及星載產(chǎn)品。其中，地面設備主要以ADS-B接收站為主；機載平臺、車載平臺都有比較成熟的ADS-B發(fā)射與接收產(chǎn)品；星載ADS-B產(chǎn)品主要是ADS-B接收機。本文重點關注機載ADS-B產(chǎn)品，其分類如圖1所示。

圖1 機載ADS-B產(chǎn)品分類

從圖1可以看出：從應用平臺來看，機載ADS-B產(chǎn)品可以粗略分為面向航線飛機的ADS-B產(chǎn)品、面向通用航空飛機的ADS-B產(chǎn)品以及面向無人機的ADS-B產(chǎn)品；從功能構型視角來看，機載ADS-B產(chǎn)品又可以分為獨立ADS-B接收機、ADS-B發(fā)射機以及ADS-B 收發(fā)機。

分別從載機類型與功能構型兩個視角對機載ADS-B產(chǎn)品進行分類，如表1所示。

表1 機載ADS-B主要產(chǎn)品

1.1 按載機平臺分類

(1) 面向航線飛機的ADS-B產(chǎn)品

目前，航線飛機的ADS-B相關產(chǎn)品大都被Rockwell Collins、Honeywell、ACSS等主流供應商壟斷。這些公司多通過對現(xiàn)有S模式應答機的升級來實現(xiàn)ADS-B發(fā)射功能；通過對交通防撞和告警系統(tǒng)(Traffic Alert and Collision Avoidance System，簡稱TCAS)進行升級實現(xiàn)ADS-B接收功能。具有ADS-B發(fā)射功能的主流產(chǎn)品有：Honeywell公司的TRA-100B應答機、Rockwell Collins公司的TPR-901應答機、ACSS公司的NXT-600/700/800系列應答機。具有ADS-B接收功能的產(chǎn)品有：Honeywell公司的AESS，ACSS公司的TCAS等，如圖2所示。

圖2 三大國外廠商綜合監(jiān)視產(chǎn)品示意圖

(2) 面向通用航空飛機的ADS-B產(chǎn)品

在通航領域，提供ADS-B產(chǎn)品與解決方案的廠商眾多，包括L3Harris、FreeFlight、BendixKing、uAvionix、Garmin等。由于通航飛機種類多，應用場景多樣，其產(chǎn)品功能構型也比較多，包括獨立的接收機、發(fā)射機以及一體化收發(fā)機。具有代表性的產(chǎn)品有：BendixKing公司研制的KGX-130/150接收機；Garmin公司的GTX 335/345收發(fā)機的價格僅2 295美金，市場競爭力極強；uAvionix公司研制的tailBeaconX發(fā)射機(如圖3所示)；L3Harris公司研制的NGT-2000/2500、NGT-9000系列一體化收發(fā)機。其中，uAvionix公司研制的tailBeaconX發(fā)射機非常有特點，它集成了廣域增強GPS接收機與航行燈，結構設計非常巧妙，可以方便地安裝于飛機尾垂的航行燈位置，原位替換原航行燈。

圖3 面向通航的ADS-B發(fā)射產(chǎn)品tailBeaconX

(3) 面向無人機的ADS-B產(chǎn)品

在無人機ADS-B產(chǎn)品領域，uAvionix公司推出了多款輕巧且集成度很高的ADS-B產(chǎn)品，包括ADS-B接收機PingRx、ADS-B發(fā)射機ping-200SR；ADS-B 一體化收發(fā)機Ping2020i與Ping-1090i等。其中Ping1090i(如圖4所示)僅重26 g，支持1 090與978 MHz雙頻接收，1 090 MHz發(fā)射，集成了廣域增強GPS接收機與氣壓高度表。

圖4 面向無人機的ADS-B收發(fā)機Ping1090i

1.2 按功能構型分類

從功能構型來看，ADS-B產(chǎn)品可分為以下三類：

(1) ADS-B接收

獨立的ADS-B接收機主要應用于通用航空與無人機，大多支持1 090與978 MHz雙頻段接收，比較有代表性的產(chǎn)品包括BendixKing公司的KGX-130/150、Freelight公司的FDL-978-RX、uAvionix公司的plugUSB接收機等。這些接收機十分輕巧、集成度高、價格便宜，可以通過無線網(wǎng)絡與智能手機、平板電腦交聯(lián)，信息可以在第三方軟件上直觀顯示，只要很小的代價就可以極大地增強飛行員對周邊交通態(tài)勢的感知能力。

(2) ADS-B發(fā)射

ADS-B發(fā)射機按頻段可以分為978與1 090 MHz兩種，工作于978 MHz的ADS-B發(fā)射機主要面向美國通用航空飛機；工作于1 090 MHz的ADS-B發(fā)射機其應用范圍廣。為了防止1090ES鏈路擁堵與干擾，獨立的、不與應答機集成的ADS-B發(fā)射機類型與應用場景受到了約束，因此，主流的工作于1 090 MHz的ADS-B發(fā)射機大多與應答機集成。面向航線飛機的典型產(chǎn)品有TRA-100B、TPR-901、NXT-800等；面向通航飛機的產(chǎn)品有BendixKing公司研制的KT74應答機、Freelight公司研制的FDL-1090-TX等。面向通航飛機的ADS-B發(fā)射產(chǎn)品大都集成了廣域增強GPS接收機、氣壓高度表等，安裝方便、性價比高。

(3) ADS-B一體化收發(fā)機

該構型集成ADS-B發(fā)射與接收功能，主要應用于通用航空與無人機，集成廣域增強GPS接收機與氣壓高度表，大都支持1 090與978 MHz雙頻接收；發(fā)射機一般都有多種配置，可工作于978或1 090 MHz。L3Harris公司針對通航飛機開發(fā)了NGT-9000多功能收發(fā)機，支持雙頻接收，可以獲取交通、飛行與氣象信息；發(fā)射機工作于1 090 MHz，與S模式應答機集成。uAvionix公司針對無人機開發(fā)了Ping1090i與Ping2020i系列收發(fā)機，兩者都支持1 090與978 MHz雙頻接收，其中，Ping2020i發(fā)射機工作于978 MHz，Ping1090i發(fā)射機工作于1 090 MHz頻段。

2 機載ADS-B系統(tǒng)技術特點

總體而言，面向航線飛機、通航飛機與無人機的ADS-B產(chǎn)品具有各自不同的技術特點。

對于航線飛機而言，其ADS-B發(fā)射功能多通過對已裝備的S模式應答機、GPS位置源進行軟硬件升級或替換來實現(xiàn)。比如Rockwell Collins針對波音與空客系列飛機，把原TPR-900應答機升級到TPR-901，把原GPS接收機GPS-4000升級到GPS-4000S，就可以滿足DO-260B要求。同時，航線飛機又把S模式應答機、TCAS系統(tǒng)、地形提示和告警系統(tǒng)(Terrain Awareness Warning System,簡稱TAWS)進一步集成，形成交通監(jiān)視系統(tǒng)，如ACSS公司TCAS系統(tǒng)、Honeywell公司SmartTraffic交通監(jiān)視系統(tǒng)。最終，交通監(jiān)視系統(tǒng)又與氣象雷達系統(tǒng)集成構成了綜合監(jiān)視系統(tǒng)，如圖5所示，它們的特點是繼承性很強，綜合性很強，技術壁壘很大。

圖5 Honeywell綜合監(jiān)視系統(tǒng)

通航飛機種類多，應用場景差異大，因此，其ADS-B產(chǎn)品構型也比較多，涵蓋獨立的接收機、發(fā)射機以及一體化接收機。通航飛機ADS-B產(chǎn)品關注系列化設計、集成化設計、結構與功能一體化設計；同時，非常重視與第三方軟硬件的交互，一般都可以方便地與平板電腦、智能手機互聯(lián)，各種交互式信息可以直接在第三方應用軟件(例如ForeFlight、Avare)上顯示。

無人機ADS-B產(chǎn)品更加關注高集成度、輕量化、低成本設計，大都支持1 090與978 MHz雙頻接收，并且?guī)в信c自動駕駛軟件交聯(lián)的接口，支持“自動感知與規(guī)避”功能，能夠自主感知周邊空中交通信息，自主規(guī)避，從而保障空域安全。

3 問題及發(fā)展趨勢

隨著ADS-B系統(tǒng)應用越來越廣泛，其面臨的支持ADS-B的監(jiān)視應用開發(fā)、安全性、密集干擾環(huán)境下增強接收、1090ES鏈路擴容等問題也越來越受到關注，本節(jié)對上述問題及潛在技術途徑進行深入分析，并提出技術發(fā)展建議。

3.1 支持ADS-B的航空器監(jiān)視應用

基于ADS-B優(yōu)質(zhì)的監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈，航空器可以接收其他航空器發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面服務設施發(fā)送的信息，為駕駛員提供運行支持。其中最典型的應用是機組通過駕駛艙交通信息顯示設備(CDTI)獲知其他航空器的運行狀況，從而提高駕駛員的空中交通情景意識。

支持ADS-B的航空器監(jiān)視應用仍在進一步發(fā)展中，現(xiàn)階段主要包括基本型狀態(tài)感知類、增強型狀態(tài)感知類和駕駛艙間隔管理類等。主要分類包括：

(1) 基本型狀態(tài)感知類：空中態(tài)勢感知(Airborne Situational Awareness,簡稱ATSA-AIRB)、目視間隔進近(Visual Separation on Approach,簡稱ATSA-VSA)、CDTI輔助目視間隔(CDTI Assisted Visual Seperation,簡稱CAVS)、航跡中程序(In-Trail Procedure,簡稱ATSA-ITP)、機場場面態(tài)勢感知(Situational Awareness on Airport Surface,簡稱ATSA-SURF)。

(2) 增強型狀態(tài)感知類：支持告警交通情景意識(Traffic Situation Awareness with Alerts，簡稱TSAA)、支持指引和告警的機場場面態(tài)勢感知(Enhanced Traffic Situational Awareness on the Airport Surface with Indications and Alerts，簡稱SURF IA)。

(3) 間隔管理類：空中間距(Airborne Spacing,簡稱ASPA-FIM)、指定間隔(Delegated Separation)、自主間隔(Self-Separation)。

支持ADS-B的航空器監(jiān)視應用劃分如圖6所示。

圖6 支持ADS-B的航空器監(jiān)視應用劃分

ADS-B作為下一代監(jiān)視的基石，部分應用獨立于地面系統(tǒng)和空管系統(tǒng)，但大部分應用還是基于或與空管有密切聯(lián)系的。未來的發(fā)展方向是監(jiān)視、導航和通信綜合的新航行系統(tǒng)，因此將來更多的應用需要結合通信、導航才能發(fā)揮最大效益。ADS-B應用需要確保不影響空域的運行安全，故都應建立在大量實驗和實際運行的基礎上。支持ADS-B的航空器監(jiān)視應用仍在發(fā)展中，隨著制度和標準的不斷完善，其應用范圍將會更加廣泛。

3.2 ADS-B安全性提升

由于歷史與現(xiàn)實多方面原因，ADS-B采用開放、共享和廣播式架構，其協(xié)議也是公開的，這些特點雖然極大地促進了商業(yè)應用，但也帶來了一些問題，這些問題不僅是地面單方面的問題，機載ADS-B系統(tǒng)作為空空和空地監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈最關鍵的一方，也對機載系統(tǒng)提出了極大的挑戰(zhàn)，具體問題如表2所示。

(1) 易被蓄意接收監(jiān)聽。由于ADS-B協(xié)議是公開的，信息也沒有加密，采用簡單的無線電設備就可以接收到飛機的身份、位置與速度等信息，這些信息可能會被非法用于后續(xù)惡意攻擊，帶來很大的安全隱患。

(2) 易被人為電子干擾。人為電子干擾是指在特定區(qū)域，通過輻射大功率同頻段干擾信號，導致ADS-B接收前端飽和、ADS-B報頭脈沖提取困難、ADS-B信息解碼錯誤等一系列問題，造成地面或機載ADS-B接收功能下降或喪失，嚴重影響空空、空地監(jiān)視鏈路的正常運行。

(3) 易被惡意欺騙篡改。信息欺騙篡改是指通過發(fā)射與ADS-B消息類似的虛假消息、接收篡改飛機ADS-B消息相關字段等手段，致使空管人員或者機載接收方接收到虛假或錯誤信息，造成決策錯誤，這將對航空安全帶來非常嚴重的威脅。

表2 ADS-B面臨問題分析

針對以上信息安全問題，總體而言，可以采用以下三個途徑提升ADS-B系統(tǒng)信息安全。

(1) 基于外部系統(tǒng)的ADS-B信息驗證?；谕獠肯到y(tǒng)的信息驗證是指采用一次雷達、二次雷達、多點定位等外部系統(tǒng)獲得目標信息來對ADS-B信息進行驗證，可以在很大程度上剔除虛假的ADS-B目標。

(2) ADS-B數(shù)據(jù)真實性獨立校驗。ADS-B數(shù)據(jù)獨立校驗指接收端對接收到的ADS-B信息進行完好性與真實性校驗，剔除非法的虛假信息。此方法可以不依賴外部系統(tǒng)，實現(xiàn)代價低，具有很高的工程實用價值。當前，主要技術手段包括：基于Kalman濾波的航跡突變檢測；意圖校驗，即驗證ADS-B消息中意圖字段是否與目標的濾波航跡相關匹配；ADS-B消息中導航不確定類別參數(shù)校驗；另外，還可以通過驗?；夭ㄐ盘柗取⒍嗥绽疹l移、時延等參數(shù)與發(fā)射機位置及速度的符合性來確認發(fā)射機的合法性。

(3) 身份認證技術。ADS-B身份認證包括指紋特征認證與基于密鑰的身份認證。指紋特征認證利用發(fā)射機在輻射電磁指紋、時鐘偏移等方面特征差異辨識非法發(fā)射機。

3.3 密集干擾環(huán)境下的接收增強

由于ADS-B與二次雷達、TCAS、多點定位、敵我識別等多個系統(tǒng)共用1090ES鏈路，該頻段非常擁擠，容易受到同頻干擾；同時，隨著航空器數(shù)目持續(xù)增長，各種應答信號、ADS-B信號密度會進一步增加，地面及空中ADS-B接收機將面臨著密集的異步虛假應答信號(False Replies Unsynchronized with Interrogator Transmissions, 簡稱FRUIT)以及竄擾。

FRUIT是指其他詢問機觸發(fā)的非期望應答信號，包括A/C模式FRUIT與S模式FRUIT，ADS-B接收機需要應對的FRUIT密度可達到40 000次/秒。竄擾是指一個詢問機觸發(fā)的多個目標應答信號交疊；不同目標的ADS-B信號也會時域交疊竄擾，彼此難以分離。由于獨立于應答機的ADS-B發(fā)射機被限制，數(shù)目相對很少，ADS-B信號彼此竄擾的情形也可以歸類到S模式FRUIT類別中。影響ADS-B接收性能的主要因素是密集FRUIT干擾信號。

對于空中ADS-B接收機而言，由于空間體積等代價約束，基本上都是單通道接收體制，主要通過對傳統(tǒng)方法進行優(yōu)化升級來實現(xiàn)接收增強。主要的優(yōu)化手段有：基于匹配濾波的信噪比增強技術，通過自相關接收提高回波信噪比；同步脈沖回波強度一致性檢驗技術，通過檢驗四個同步脈沖強度是否一致來判決是否被干擾；基于多采樣點分析的數(shù)據(jù)位及其置信度提取技術；全信息誤差檢測與糾錯技術，提升多個異步干擾條件下的糾錯能力。

3.4 1090ES鏈路擴容

隨著ADS-B應用進一步發(fā)展與成熟，不僅需要傳輸位置、速度、識別與意圖等信息，還有傳輸飛行情報、實時氣象等多種信息的需求，這對1090ES鏈路容量提出了很高的要求。因此，提升1090ES鏈路容量成了廣受關注的課題。目前，提升1090ES鏈路容量的途徑主要有：

(1) 增加廣播頻次。當前ADS-B的信號發(fā)送頻率要求不超過每秒6.2次，每幀信息為112 bit，對應的傳輸速率不超過694 bit/s。雖然增加廣播頻次，傳輸速率會成倍提升，但是會帶來比較嚴重的信號重疊干擾，特別是當空中目標較多時，不同飛機ADS-B信號重疊概率也會急劇增大，導致后續(xù)報頭檢測、信息解碼等處理困難。

(2) 信號中增加相位調(diào)制。當前，1090ES鏈路采用相對簡單的脈沖位置調(diào)制與脈沖幅度調(diào)制，載波相位連續(xù)，沒有攜帶任何信息，傳輸效率不高?？梢酝ㄟ^增加相位調(diào)制的方式，如二相調(diào)制、四相調(diào)制、八相調(diào)制等，提高信息傳送速率。如果采用八相調(diào)制，每個比特位將增加3 bit信息，每一幀將增加336 bit信息，傳輸速率將最大提升2.083 kbit/s。通過相位調(diào)制可以在不增加信號重疊干擾的條件下擴充鏈路容量，但是，也帶來了一些新問題，比如相位突變導致的譜頻擴展抑制、接收端載頻同步、鏈路擴容后信息編碼與校驗、傳輸位數(shù)增加后字段定義等還有待進一步研究與驗證。

4 未來發(fā)展趨勢

美國聯(lián)邦航空局已于2020年1月強制要求相應航空器具備ADS-B發(fā)射功能；歐洲與中國航空局也陸續(xù)推行了ADS-B OUT的運行。在此背景下，ADS-B產(chǎn)品研制將迎來非常好的發(fā)展機遇。在技術發(fā)展方面，支持ADS-B的航空器監(jiān)視應用將不斷開發(fā)和完善，ADS-B信息安全將會越來越受到關注，ADS-B數(shù)據(jù)獨立校驗技術、身份認證技術可以不依賴雷達、多點定位等相對昂貴的外部系統(tǒng)，是比較有前景的解決方案。

針對密集FRUIT環(huán)境下接收增強問題，一方面可以通過精細化處理算法提升接收性能；另一方面，可進一步研究低成本、多通道接收架構，通過自適應陣列處理提升抗干擾能力。

針對1090ES鏈路擴容，在信號中增加相位編碼提高傳送速率是一種比較有前景的方法，但需要進一步解決鏈路擴容后信息編碼與校驗、傳輸位數(shù)增加后字段定義等新問題。

5 結束語

本文對國外主流ADS-B產(chǎn)品進行了梳理，對典型產(chǎn)品技術特點進行分析后發(fā)現(xiàn)：美國針對航線飛機、通航飛機以及無人機需求，已經(jīng)成體系地研制了功能多樣的ADS-B產(chǎn)品，形成了較為完備的產(chǎn)品譜系；而國內(nèi)機載ADS-B產(chǎn)品仍然很少，存在較大的差距，需要依據(jù)不同平臺的特定需求，有層次地開展相關產(chǎn)品研制。對運輸類飛機而言，ADS-B發(fā)射與接收功能大都通過原有應答機、TCAS系統(tǒng)升級獲得，這些交通監(jiān)視系統(tǒng)又與氣象雷達綜合，形成綜合監(jiān)視系統(tǒng)，技術門檻很高，國內(nèi)廠商需要頂層策劃、通力合作才能推出有競爭力的產(chǎn)品。對通用飛機和無人機而言，門檻相對較低，國內(nèi)廠商可以針對一些細分市場與特定平臺，研制高集成度、結構巧妙、安裝便捷靈活的ADS-B產(chǎn)品。