國(guó)內(nèi)外星載ADS睟應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

孔令輝 朱俊杰 李澤健 張永昊 彭眾望

摘?要：星載ADSB在陸基ADSB的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)，既延續(xù)了陸基ADSB系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又在可靠性、經(jīng)濟(jì)性、使用壽命等方面有所改善。但從投入運(yùn)行的方面考慮，其仍存在諸多不足。本文通過(guò)總結(jié)、對(duì)比國(guó)內(nèi)外星載ADSB的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，探討星載ADSB目前發(fā)展中仍可提升的方面，來(lái)為星載ADSB的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：星載ADSB;銥星;全球星;北斗衛(wèi)星

Current?situation?and?prospect?of?Spacebased?ADSB?in?domestic?and?abroad

Kong?Linghui?Zhu?Junjie?Li?Zejian?Zhang?Yonghao?Peng?Zhongwang

Air?Traffic?Management?College，Civil?Aviation?University?of?China?Tianjin?300300

Abstract：Spacebased?ADSB?is?developed?on?the?basis?of?landbased?ADSB，which?not?only?continues?the?advantages?of?landbased?ADSB?system，but?also?improves?reliability，economy，and?service?life.However，in?terms?of?putting?it?into?operation，there?are?still?many?shortcomings.By?summarizing?and?comparing?the?application?status?and?development?trend?of?Spacebased?ADSB?in?domestic?and?abroad，as?well?discussing?the?aspects?that?can?still?be?improved?in?the?current?development?of?it，the?paper?provides?reference?for?the?further?research?of?Spacebased?ADSB.

Keywords：Spacebased?ADSB;Iridium?Satellite;Globalstar;BeiDou?Satellite

1?緒論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和民航業(yè)的飛速發(fā)展，航空器的數(shù)量逐年增加，空域的負(fù)擔(dān)愈發(fā)嚴(yán)重?？展懿块T(mén)對(duì)所管轄區(qū)域內(nèi)的航空器也缺乏有效的監(jiān)控和通信手段，這一點(diǎn)嚴(yán)重影響和制約了飛行安全與運(yùn)行效率。在此背景下，基于低軌道衛(wèi)星搭載接收機(jī)實(shí)施監(jiān)控的星載ADSB系統(tǒng)應(yīng)時(shí)而生。

21世紀(jì)以來(lái)，使用星載ADSB來(lái)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)航空器監(jiān)視的方案也引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。美國(guó)的銥星二代星載ADSB率先完成建設(shè)、試用并投入運(yùn)行，2020年Aireon和EUROCONTRO簽署共享星載ADSB數(shù)據(jù)的協(xié)議，此項(xiàng)協(xié)議的簽署將大大增強(qiáng)歐洲各個(gè)國(guó)家的流量管理能力。全球星公司和ADSB技術(shù)公司聯(lián)合推出了基于“全球星”二代衛(wèi)星的ADSB鏈路增強(qiáng)系統(tǒng)ALAS，目前已對(duì)部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)覆蓋。在中國(guó)，隨著北斗系統(tǒng)的最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星于2020年6月順利發(fā)射升空，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)至此已經(jīng)全面建設(shè)完成，為我國(guó)ADSB技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)可靠的星基基礎(chǔ)。

全球范圍內(nèi)星載ADSB迅速發(fā)展，但其也存在著一些可提升的方面亟待發(fā)掘和探討。

2?星載ADSB概述

星載ADSB利用低軌道衛(wèi)星搭載ADSB接收機(jī)的方式對(duì)航班實(shí)施監(jiān)控，通過(guò)機(jī)載GNSS或者INS輸出航空器自身的三維位置位置、飛行速度以及其他與航空器飛行相關(guān)的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)上傳給裝載有ADSB接收機(jī)的低軌道通信衛(wèi)星，再通過(guò)低軌道通信衛(wèi)星下傳此ADSB報(bào)文到地面接收站[1]。

傳統(tǒng)陸基ADSB系統(tǒng)對(duì)地面設(shè)備的依賴性較強(qiáng)，地面設(shè)備布置一般只沿著飛行的航路航線、機(jī)場(chǎng)的終端區(qū)等陸地區(qū)域，對(duì)于沙漠、海洋、高山等地形復(fù)雜的區(qū)域，由于鋪設(shè)地面設(shè)備的難度較大，很難做到全面覆蓋[2]。由于星載ADSB系統(tǒng)主要利用低軌道通信衛(wèi)星上載有的ADSB接收機(jī)而不依賴于地面設(shè)備，所以可覆蓋到陸基ADSB系統(tǒng)未能覆蓋到的區(qū)域，從而形成一個(gè)能夠全面覆蓋全球各個(gè)區(qū)域的ADSB網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到對(duì)全球飛機(jī)的飛行追蹤和實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的[3]。與此同時(shí)，星載ADSB在可靠性、經(jīng)濟(jì)型、使用壽命方面相較于陸基ADSB均有一定程度的提升，其必將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。

除此之外，由于星載ADSB本身的精度高，采用高頻多模，覆蓋率高，因此運(yùn)行成本有所降低，系統(tǒng)的精度和可靠性有所提升，可以有效避免類(lèi)似民航史上航班失聯(lián)事件的發(fā)生[4]。

3?星載ADSB系統(tǒng)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)外的一些國(guó)家如歐洲、美國(guó)都一直進(jìn)行著關(guān)于星基ADSB方面的工作，且歐洲、美國(guó)ADSB技術(shù)較為成熟。這里主要介紹“銥星二代”系統(tǒng)和“全球星二代”系統(tǒng)。

3.1?銥星二代ADSB系統(tǒng)

銥星系統(tǒng)是美國(guó)于1987年提出的通信星座系統(tǒng)，銥星公司在1998年5月完成發(fā)射了66顆低軌道衛(wèi)星，均采用L頻段。IridiumNext系統(tǒng)是第二代銥星系統(tǒng)，2017年1月14日，第一批10顆銥星二代衛(wèi)星成功發(fā)射，并且已完成了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證功能。

通過(guò)銥星二代ADSB系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)24h提供飛機(jī)位置定位和實(shí)時(shí)追蹤的服務(wù)。飛機(jī)的位置高度等信息通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)降孛嬲荆S后通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)傳送至處理中心，處理中心的Aireon告警服務(wù)可以做到全天候提供服務(wù)，提供飛機(jī)所在空域的位置信息和航跡等。

2019年2月7日，Aireon的星載ADSB監(jiān)視系統(tǒng)完全控制了最后六個(gè)銥星ADSB載荷。這實(shí)際上標(biāo)志著傳統(tǒng)的陸基ADSB無(wú)線電接收機(jī)已被重新設(shè)計(jì)為性能和覆蓋范圍極大改善的空間級(jí)接收機(jī)。

2019年10月21日，Aireon和Atech?Negocios?em?Tecnologias?S/A宣布，星基廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADSB）數(shù)據(jù)已成功集成到Atech的空中交通管制（ATC）自動(dòng)化SAGITARIO平臺(tái)中，由巴西航空航天控制局（DECEA）使用。SAGITARIO將星基ADSB數(shù)據(jù)與其他監(jiān)視源融合在一起，例如地面ADSB、雷達(dá)和Multilateration（MLAT）。這可以為DECEA等Atech客戶提供完整的空中交通管制服務(wù)——從始發(fā)地到目的地機(jī)場(chǎng)的門(mén)到門(mén)的服務(wù)。

2020年2月28日，Aireon和EUROCONTROL（歐洲空中交通管制）宣布，簽署了一項(xiàng)為期10年的協(xié)議，以提供星基自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播（ADSB）數(shù)據(jù)。這將增強(qiáng)EUROCONTROL?41個(gè)歐洲成員國(guó)和兩個(gè)綜合協(xié)議（CA）國(guó)家之間的流量管理能力，從而有助于改善可預(yù)測(cè)性、容量、環(huán)境影響，從而支持整個(gè)歐洲地區(qū)的可持續(xù)增長(zhǎng)。

3.2?全球星二代ADSB系統(tǒng)

全球星二代ADSB系統(tǒng)是一種基于全球星二代衛(wèi)星的ADSB鏈路增強(qiáng)系統(tǒng)——ALAS（ADSB?Link?Augmentation?System），由全球星公司和ADSB技術(shù)公司合作研究的。該系統(tǒng)使用成本低且兼容性好，能夠良好兼容現(xiàn)有的已經(jīng)裝備ADSB設(shè)備的航空器，不會(huì)對(duì)ADSB數(shù)據(jù)鏈傳輸產(chǎn)生干擾等情況。通過(guò)使用全球星二代系統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面站服務(wù)站，全球星二代ADSB系統(tǒng)能夠持續(xù)、高效、準(zhǔn)確地為ATCS提供通信服務(wù)和星基ADSB監(jiān)視服務(wù)。

截至目前為止，共有24顆全球星二代衛(wèi)星成功發(fā)射，并且基于現(xiàn)有的ALAS系統(tǒng)，全球星公司也實(shí)地進(jìn)行了大量的飛行試驗(yàn)等有關(guān)可靠性的評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明ALAS系統(tǒng)可以通過(guò)星基鏈路提供航空器相關(guān)的實(shí)時(shí)監(jiān)視服務(wù)。

全球星二代ADSB系統(tǒng)的監(jiān)視范圍很廣、監(jiān)視性能很強(qiáng)。例如，以其實(shí)驗(yàn)評(píng)估結(jié)果為例，在1600km的半徑內(nèi)，僅需一個(gè)全球星二代衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控這一范圍內(nèi)至多3000架航空器。ALAS系統(tǒng)可兼容兩種數(shù)據(jù)鏈模式的航空設(shè)備源，一種是978MHz的UAT?ADSB模式，另一種是1090MHZ的1090ES?ADSB模式。ALAS系統(tǒng)支持雙向氣象情報(bào)和陸空通信數(shù)據(jù)以及飛行數(shù)據(jù)記錄器FDR信息的實(shí)時(shí)返回，支持飛行情報(bào)服務(wù)/航站情報(bào)服務(wù)信息的傳遞等功能。

4?星載ADSB系統(tǒng)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)計(jì)劃在2025年前全面實(shí)現(xiàn)地面及基于衛(wèi)星的全國(guó)ADSB系統(tǒng)建設(shè)。為了實(shí)現(xiàn)在2020—2025年建成國(guó)內(nèi)獨(dú)立自主的ADSB系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，更好地為國(guó)內(nèi)各相關(guān)民航部門(mén)提供星載ADSB系統(tǒng)服務(wù)，從2015年開(kāi)始，基于衛(wèi)星的ADSB系統(tǒng)研制工作已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多家民航科研機(jī)構(gòu)以及民航科研院校進(jìn)行推進(jìn)開(kāi)展。國(guó)內(nèi)星載ADSB偵收系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)運(yùn)行的標(biāo)志是，我國(guó)在2015年9月底發(fā)射了其主星“呂梁一號(hào)”搭載了ADSB接收機(jī)的“天拓三號(hào)”納米衛(wèi)星，其能力為在全球范圍內(nèi)平均每天接收40多萬(wàn)條ADSB報(bào)文數(shù)據(jù)。根據(jù)在2017年8月，中國(guó)民用航空局發(fā)布的《中國(guó)民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實(shí)施路線圖》，我國(guó)提出在2025年底前建成以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的航空器全球追蹤系統(tǒng)，其主要包括自主衛(wèi)星通信系統(tǒng)、自主星基ADSB系統(tǒng)、“北斗”系統(tǒng)以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)載設(shè)備的制造、測(cè)試與適航審定等，并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)早在2017年12月26日就對(duì)大型公共運(yùn)輸航空器加改裝ADSB機(jī)載設(shè)備提出了明確的規(guī)定。根據(jù)中國(guó)民用航空局下發(fā)的明傳電報(bào)《關(guān)于ADSB機(jī)載設(shè)備加改裝相關(guān)工作要求的通知》，文件中要求，安裝滿足RTCA?DO260B標(biāo)準(zhǔn)并已經(jīng)通過(guò)相關(guān)適航批準(zhǔn)的S模式的應(yīng)答機(jī);安裝通過(guò)星載增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)GNSS信號(hào)功能，或安裝具備SAAWARE并得到相關(guān)適航批準(zhǔn)的衛(wèi)星接收設(shè)備或定位信號(hào)，并于2022年12月31日前完成加改裝。預(yù)計(jì)未來(lái)兩年，我國(guó)國(guó)內(nèi)民用航空器將陸續(xù)迎來(lái)ADSB改裝的高潮。

2019年3月“民用航空器北斗追蹤監(jiān)視項(xiàng)目”正式實(shí)施，該示范項(xiàng)目的立項(xiàng)實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)民用航空器北斗追蹤監(jiān)視項(xiàng)目進(jìn)入了正式的實(shí)施階段。該項(xiàng)目由中國(guó)國(guó)際航空公司、中國(guó)民航大學(xué)聯(lián)合承擔(dān)實(shí)施，項(xiàng)目的整體內(nèi)容和整體目標(biāo)為在2019年完成2架飛機(jī)加改裝，在2020年完成18架飛機(jī)加改裝，在2023年實(shí)現(xiàn)全部機(jī)隊(duì)共約3000架飛機(jī)加改裝。

通過(guò)利用北斗的全球和區(qū)域短報(bào)文、定位功能，我國(guó)民用航空運(yùn)輸業(yè)能更好地實(shí)現(xiàn)基于北斗的ADSB數(shù)據(jù)傳輸。解決當(dāng)前民航自主產(chǎn)權(quán)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題是能夠取得相關(guān)適航認(rèn)證，如果北斗衛(wèi)星在民航適航等方面取得突破，就可以替代GPS，為民航提供自主優(yōu)質(zhì)的定位數(shù)據(jù)服務(wù)。中國(guó)已于2020年6月23日成功發(fā)射北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，標(biāo)志著我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署完成了全面建設(shè)。由此，可以對(duì)未來(lái)我國(guó)民用航空器追蹤監(jiān)視和北斗衛(wèi)星相結(jié)合的體系作出預(yù)見(jiàn)性和建設(shè)性的期想和構(gòu)思。

我國(guó)將通過(guò)結(jié)合ACARS、二次雷達(dá)等監(jiān)控方式，來(lái)構(gòu)建“空—天—地”一體化的民航追蹤監(jiān)視體系，不斷提高民航監(jiān)控體系的服務(wù)質(zhì)量和水平，同時(shí)由區(qū)域服務(wù)向全球服務(wù)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)的空中交通服務(wù)和空域追蹤監(jiān)視。北斗在我國(guó)民航的應(yīng)用進(jìn)入實(shí)施階段的標(biāo)志是，中國(guó)民用航空局發(fā)布的基于北斗二號(hào)系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備CTSOA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及組織開(kāi)展的飛機(jī)加改裝工作。[5]

5?星載ADSB國(guó)內(nèi)外發(fā)展對(duì)比

星載ADSB的概念的正式提出是在2008年，由于星載ADSB技術(shù)的優(yōu)越性及應(yīng)用可行性，世界各國(guó)的政府、相關(guān)商業(yè)公司以及科研機(jī)構(gòu)均爭(zhēng)先恐后開(kāi)展相關(guān)研究。研究范圍主要涉及星載ADSB系統(tǒng)性能的評(píng)估、星載ADSB系統(tǒng)可行性技術(shù)驗(yàn)證以及星載ADSB系統(tǒng)方案。

美國(guó)的“銥星”系統(tǒng)方案是建設(shè)方案方面最為成熟的，通過(guò)發(fā)射大量低軌道衛(wèi)星，并對(duì)這些低軌道衛(wèi)星在組網(wǎng)方式方面開(kāi)展研究，從而使得衛(wèi)星覆蓋的范圍擴(kuò)展到全球，成為全球范圍內(nèi)全覆蓋的監(jiān)視系統(tǒng)。

德國(guó)對(duì)于星載ADSB系統(tǒng)的可行性技術(shù)驗(yàn)證方面走在技術(shù)前列。最早提出了目前被廣泛采用的將ADSB的接收機(jī)裝載于低軌道衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)監(jiān)視的方法，即利用低軌道通信衛(wèi)星代替陸基的ADSB地面站，接收ADSB的信號(hào)，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄⑵鋫鹘o地面站。

我國(guó)在星載ADSB方面的研究相比于其他西方發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，但是從未停歇。工信部和科技部等相關(guān)部委已通過(guò)科研課題項(xiàng)目等方式對(duì)星載ADSB系統(tǒng)開(kāi)展深入的研究。并且各高校和科研機(jī)構(gòu)已在此領(lǐng)域取得諸多進(jìn)展。隨著我國(guó)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建設(shè)完成，星載ADSB系統(tǒng)的相關(guān)研究必將邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

6?我國(guó)星載ADSB目前可提升的方面

6.1?我國(guó)ADSB技術(shù)對(duì)北斗衛(wèi)星依賴較少

星載ADSB系統(tǒng)只有基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航空器的位置進(jìn)行采集，因此全球衛(wèi)星國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性決定了航空器位置采集的準(zhǔn)確性。但由于ADSB自身無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信息準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，因此一旦全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的精度出現(xiàn)問(wèn)題，地面站將接收到錯(cuò)誤的位置信息，提供給空中交通管制員的信息也因此發(fā)生錯(cuò)誤，這將會(huì)引起一連串后續(xù)問(wèn)題的發(fā)生。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面部署完成，全球大多數(shù)區(qū)域內(nèi)定位精度都可以得到保證，我國(guó)星載ADSB技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也有了堅(jiān)實(shí)可靠的星基基礎(chǔ)。并且目前能夠同時(shí)利用GPS系統(tǒng)與北斗全球衛(wèi)星系統(tǒng)的雙模導(dǎo)航信息接收產(chǎn)品的數(shù)量也在逐漸增多。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，北斗系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也將逐步擴(kuò)大。

如果北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能與ADSB技術(shù)相結(jié)合，那么我國(guó)空管技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。同時(shí)，推動(dòng)關(guān)于星載ADSB組網(wǎng)技術(shù)的研究必將加快我國(guó)ADSB系統(tǒng)走向星載的進(jìn)程。

6.2?星載ADSB接收機(jī)的高靈敏度問(wèn)題

飛機(jī)的ADSB報(bào)文數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)發(fā)送至星載ADSB接收器再下傳到地面的過(guò)程中，雖然接收信號(hào)的覆蓋面積范圍擴(kuò)大，但考慮到遠(yuǎn)距離傳輸以及環(huán)境等因素的影響，對(duì)星載ADSB接收機(jī)的靈敏度和穩(wěn)定性要求要更高，因此深入開(kāi)展星載ADSB數(shù)據(jù)處理方面的研究具有重要意義。

6.3?ADSB?OUT和ADSB?IN的應(yīng)用

ADSB?OUT可使空中飛機(jī)間自主保持間隔，從而進(jìn)一步縮短管制的間隔，提高航路容量和運(yùn)行效率，更好地利用有限的空域資源。空中飛機(jī)間可以利用ADSB?IN傳輸氣象、航路等信息，提升飛機(jī)間數(shù)據(jù)共享的能力，從而提高飛行安全性。在應(yīng)用方面，ADSB?OUT和ADSB?IN在提高運(yùn)行效率和提升飛行安全性方面具有重要作用，我們需要對(duì)其開(kāi)展部分預(yù)見(jiàn)性研究，只有不斷進(jìn)行技術(shù)突破并加快其應(yīng)用進(jìn)程，才能發(fā)揮出它們巨大的應(yīng)用潛力。

7?結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)航空業(yè)正處在跨越式發(fā)展的重要階段，通過(guò)技術(shù)更新來(lái)提升管制部門(mén)的指揮效率、減小空域負(fù)擔(dān)已成為我國(guó)空管部門(mén)的主要選擇。關(guān)于星載ADSB數(shù)據(jù)處理及北斗依賴性方面的研究將會(huì)加快星載ADSB的應(yīng)用進(jìn)程。在未來(lái)飛行平臺(tái)不斷增加、空域日益擁擠的情況下，此類(lèi)研究對(duì)于優(yōu)化空域使用顯然具有重大意義。

星載ADSB技術(shù)在我國(guó)具有廣大的發(fā)展空間，利用星載ADSB技術(shù)對(duì)航空器實(shí)施準(zhǔn)確監(jiān)控將會(huì)成為未來(lái)全球空中交通監(jiān)視的主要方式。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202010059088）。項(xiàng)目名稱：“星載ADSB數(shù)據(jù)處理及組網(wǎng)技術(shù)研究”（市級(jí)）

作者簡(jiǎn)介：孔令輝（2001—?），男，漢族，河南鹿邑人，本科生。