ADS-B監(jiān)視技術(shù)介紹及其在空管自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘要】? ? 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)目前在國際民航組織的推廣和普及下大力發(fā)展，ADS-B 技術(shù)特點是利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、通信技術(shù)、機載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和接收以及地面站設(shè)備等先進技術(shù)相結(jié)合，提供了一種不同于雷達依靠探測和問詢的方式獲取目標位置信息的新型空中交通監(jiān)視手段，其監(jiān)視范圍更廣，能有效提高雷達覆蓋能力不足地區(qū)的監(jiān)視水平，隨著ADS-B技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，在目前的空管自動化領(lǐng)域，ADS-B已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】? ? 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視? ? 空中交通監(jiān)視? ? 監(jiān)視技術(shù)

一、ADS-B的技術(shù)原理

（一）ADS-B的定義

ADS-B是廣播式自動相關(guān)監(jiān)視的英文縮寫，顧名思義，其具有通過ADS-B數(shù)據(jù)鏈自動對外廣播數(shù)據(jù)的能力，并能通過其位置與呼號、二次代碼等信息相關(guān)聯(lián)，形成可靠的監(jiān)視信息。 根據(jù)航空器機載設(shè)備的傳遞方式，機載ADS-B功能可以分為ADS-B（OUT）和ADS-B（IN）兩種。ADS-B（IN）是指航空器機載設(shè)備接收其他航空器機載設(shè)備或地面站設(shè)備發(fā)送的ADS-B（OUT）信息為航空器提供空中態(tài)勢數(shù)據(jù)和服務(wù)類數(shù)據(jù)等，使機組可以更好地了解其周圍的其他航空器，空域信息。ADS-B（IN）的功能和用途在國內(nèi)外已處于逐步推廣并進行實驗階段，尚未做到整體普及。ADS-B（OUT）功能是指航空器機載設(shè)備以固定的周期通過ADS-B數(shù)據(jù)鏈以擴展電文的形式向其他航空器或地面站廣播航空器的各種信息，包括：航空器識別信息（呼號、二次代碼、地址碼等）、航空器位置報告、高度碼、速度、方向、上升下降率等。地面站通過接收機載設(shè)備下行數(shù)據(jù)發(fā)送的ADS-B（OUT）信息，經(jīng)過對擴展電文的解析處理獲得監(jiān)視數(shù)據(jù)，起到與雷達相似的作用。

（二）ADS-B數(shù)據(jù)鏈

目前ADS-B有三種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，這三種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)互不兼容，三種技術(shù)分別是Mode S 1090 ES技術(shù)（1090MHz S模式擴展電文）、UAT（978MHz雙向收發(fā)機）技術(shù)以及VDL Mode（VDL-4數(shù)字數(shù)據(jù)鏈路）技術(shù)，目前1090ES技術(shù)在民航領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，因其技術(shù)成熟并且擁有較高的傳輸帶寬，其他兩種模式均無法比擬，同時，1090ES傳輸技術(shù)只需對S模式應(yīng)答機和普通地面站稍加改動，便可作為ADS-B數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備使用，因此， 1090 ES數(shù)據(jù)鏈技術(shù)成為ICAO主推并且廣泛應(yīng)用的ADS-B數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，目前我國民航的ADS-B機載設(shè)備均采用1090ES數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。

二、ADS-B數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的架構(gòu)與作用

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

ADS-B數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分為地面站、數(shù)據(jù)站、二級數(shù)據(jù)中心、一級數(shù)據(jù)中心。

（二）ADS-B系統(tǒng)的作用

本系統(tǒng)主要作用是利用1090ES數(shù)據(jù)鏈進行ADS-B數(shù)據(jù)的地空數(shù)據(jù)傳輸，ADS-B地空數(shù)據(jù)傳輸由航空器機載應(yīng)答機和ADS-B地面站設(shè)備完成。ADS-B地面站接收航空器機載設(shè)備通過ADS-B數(shù)據(jù)鏈（目前應(yīng)用的是S模式1090 ES）發(fā)射的下行數(shù)據(jù)，處理后生成ASTERIXCAT021格式的監(jiān)視數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)站能夠根據(jù)應(yīng)用需求引接ADS-B 地面站數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)對本區(qū)域內(nèi)ADS-B 地面站的監(jiān)控。

二級數(shù)據(jù)中心根據(jù)需求引接數(shù)據(jù)站、關(guān)鍵地面站數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列過濾、融合處理后為空管自動化系統(tǒng)提供實時監(jiān)視數(shù)據(jù)，同時向一級數(shù)據(jù)中心上傳實時綜合監(jiān)視信息。

三、ADS-B二級數(shù)據(jù)中心的主要功能

（一）監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

在介紹ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)之前，我們必須要了解監(jiān)視數(shù)據(jù)協(xié)議概念;ASTERIX CAT021 歐控監(jiān)視數(shù)據(jù)交換標準文件—第12部分：ADS-B 報文（類別021）。常用版本有0.26版本、1.4版本、1.5版本、2.1版本和2.4版本。其中0.26版本到1.4版本差異比較大，1.4到2.4版本差異不大，系統(tǒng)通過對CAT021各個數(shù)據(jù)項進行解析獲取目標航跡的航空器標識（呼號、二次代碼、24位地址碼等）、位置信息、高度信息、速度、方向以及上升下降率等。圖3為CAT021的0.26版本數(shù)據(jù)項內(nèi)容。

1.單路監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)能處理 ASTERIX CAT021格式的ADS-B數(shù)據(jù)，包括V2.1及以上版本格式并且可以向下兼容例如V0.26、V1.4等版本格式;接收處理ASTERIX CAT023格式的ADS-B數(shù)據(jù)（地面站狀態(tài)信息）：包括ASTERIX CAT023 V1.2版本格式或以上版本的信息。每一路ADS-B信息必須攜帶其唯一的SAC/SIC碼并且有獨立的數(shù)據(jù)通道接入系統(tǒng)，系統(tǒng)會檢查DBMS中配置的對應(yīng)數(shù)據(jù)源定義與數(shù)據(jù)實際傳輸過來的SAC/SIC是否一致，將對不一致的數(shù)據(jù)進行提示和丟棄處理。系統(tǒng)會對接收到的單路數(shù)據(jù)源進行簡單的預(yù)處理并進行解析、跟蹤、記錄，形成平滑穩(wěn)定的單路監(jiān)視數(shù)據(jù)，單路數(shù)據(jù)一方面可以在態(tài)勢界面進行查看，用戶可以只查看一種單路監(jiān)視數(shù)據(jù)，也可以將多個單路數(shù)據(jù)同時顯示在態(tài)勢界面上進行查看和對比。另一方面將被應(yīng)用于多路監(jiān)視數(shù)據(jù)融合處理。

2.多路監(jiān)視數(shù)據(jù)融合處理

由于單路監(jiān)視數(shù)據(jù)的覆蓋范圍和精確度有限，而空管自動化系統(tǒng)需要更大的范圍且目標航跡準確穩(wěn)定，因此ADS-B二級數(shù)據(jù)中心需要對多路監(jiān)視數(shù)據(jù)進行融合處理，用以獲得更全面、更準確的目標信息。

系統(tǒng)將會判斷不同地面站報告的監(jiān)視數(shù)據(jù)是否屬于同一目標，如果確定為同一目標，系統(tǒng)將會對多個單路監(jiān)視數(shù)據(jù)進行融合處理，生成綜合監(jiān)視數(shù)據(jù)。綜合監(jiān)視數(shù)據(jù)和單路監(jiān)視數(shù)據(jù)可以同時在態(tài)勢界面上進行觀察，以便于設(shè)備維護人員對信號質(zhì)量進行判斷和排查。融合后的目標通過目標數(shù)據(jù)周期保持機制來避免位置的回跳和識別信息反復(fù)改變的情況。

（二）監(jiān)視數(shù)據(jù)輸出功能

經(jīng)過一系列的單路數(shù)據(jù)引接處理，多路數(shù)據(jù)融合處理，ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的最主要目的就是將監(jiān)視數(shù)據(jù)輸出給空管自動化系統(tǒng)、一級數(shù)據(jù)處理中心等需要ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)的單位和用戶，系統(tǒng)可以按照空域要求，同時向外輸出不同空域柱體范圍、不同數(shù)據(jù)源的監(jiān)視數(shù)據(jù)（可以是單路數(shù)據(jù)源也可以是多路融合數(shù)據(jù)）。監(jiān)視數(shù)據(jù)輸出能夠?qū)?ADS-B 數(shù)據(jù)以 ASTERIX CAT021（0.26、1.4、2.1等版本可選）格式，通過數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)發(fā)送給所轄地區(qū)的空管自動化系統(tǒng);當ADS-B數(shù)據(jù)有ASTERIX CAT021格式的不同版本來源時，系統(tǒng)提供將高版本數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)為低版本格式輸出的功能。需要特別注意的是，ADS-B系統(tǒng)可以根據(jù)空管自動化系統(tǒng)對于空域、高度、更新周期等要求，提供非常詳細、全面的數(shù)據(jù)輸出定義設(shè)置功能;我們了解到詳細的定義選項，在輸出數(shù)據(jù)設(shè)置之前，我們只需要按照自動化系統(tǒng)的需求，將ADS-B需要輸出的空域、高度等條件以輸出柱體的方式配置完成，再根據(jù)下表進行輸出條件配置，便可以得到相應(yīng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)輸出鏈路。

（三）系統(tǒng)監(jiān)控、參數(shù)配置等其他功能

1.作為一套完整的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，ADS-B擁有完善的系統(tǒng)監(jiān)控功能，監(jiān)視和控制系統(tǒng)輸入輸出接口的工作狀態(tài)。監(jiān)視和控制系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和各節(jié)點軟件和硬件的工作狀態(tài)，顯示各通道的數(shù)據(jù)質(zhì)量和各項指標的統(tǒng)計結(jié)果，監(jiān)視ADS-B地面站設(shè)備狀態(tài)。

2.系統(tǒng)配置了一套DBMS數(shù)據(jù)庫管理工具，具備數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置和軟件版本升級功能，并且可以備份之前的軟件版本用于在特定情況下進行版本或參數(shù)的回滾操作。

3.系統(tǒng)對于監(jiān)視數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和驗證能力，使用TDOA為基礎(chǔ)，雷達（雷達綜合航跡）輔助的假目標判定機制，數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和驗證功能可以將假目標、問題航空器簡單明了的呈現(xiàn)在列表和清單中，在系統(tǒng)對外輸出監(jiān)視數(shù)據(jù)時，既可以選擇避免輸出列表或清單中的目標，也可以選擇依然輸出這些目標。

4.系統(tǒng)配置了兩套數(shù)據(jù)錄制回放服務(wù)器和磁盤陣列設(shè)備。能同時記錄和重放原始ASTERIX CAT021 格式的 ADS-B數(shù)據(jù)、處理后的航跡數(shù)據(jù)（包括經(jīng)過數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)有效性校驗等處理之后的綜合數(shù)據(jù)等）、系統(tǒng)運行信息、各類告警信息、輸出給外部用戶的ADS-B數(shù)據(jù)等。作為空管自動化系統(tǒng)諸多監(jiān)視源中的一種，此功能可以用來排查空管自動化系統(tǒng)中ADS-B信號源出現(xiàn)的假信號、丟信號、下行數(shù)據(jù)異常等問題。

四、ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)在空管自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)在空管自動化系統(tǒng)中的優(yōu)勢

空管自動化系統(tǒng)具有處理不同監(jiān)視源的監(jiān)視數(shù)據(jù)功能，包括一、二次雷達數(shù)據(jù)、S模式二次雷達數(shù)據(jù)、多點定位監(jiān)視數(shù)據(jù)、ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)通過融合處理，得到準確、全面的綜合監(jiān)視數(shù)據(jù)，生成穩(wěn)定的系統(tǒng)航跡。融合處理功能需要處理不同監(jiān)視源的更新周期以及檢查監(jiān)視數(shù)據(jù)的完整性和下行參數(shù)（DAPS）等問題?？展茏詣踊到y(tǒng)在雷達覆蓋能力不足或無雷達覆蓋區(qū)域可以依靠ADS-B數(shù)據(jù)作為監(jiān)視源，用來保障當前航空器間隔標準或減少航空器的間隔標準，優(yōu)化航路設(shè)置。也可以在有雷達覆蓋的區(qū)域同時引入ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)作為監(jiān)視源之一參與融合，可以減少雷達覆蓋邊界區(qū)域航空器的最小間隔標準，在保證監(jiān)視水平不降低的同時減少所需要的雷達數(shù)量。

相對于雷達部署和建設(shè)費用，ADS-B系統(tǒng)的一級數(shù)據(jù)中心、二級數(shù)據(jù)中心建設(shè)、地面站的建設(shè)和改造等護費用更低，因此自動化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)不但可以增加空域容量還可以減少傳統(tǒng)雷達的建設(shè)投入，真正做到降低投入，提高效能。

（二）ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)在空管自動化系統(tǒng)中的運行現(xiàn)狀

為了增加華北地區(qū)空域容量和空中交通水平，華北地區(qū)ADS-B二級數(shù)據(jù)中心根據(jù)空管自動化系統(tǒng)的需求將監(jiān)視數(shù)據(jù)配置成相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出鏈路，通過DOP數(shù)據(jù)輸出服務(wù)器經(jīng)由輸出防火墻輸出，在自動化系統(tǒng)這端部署了ADS-B引接交換機進行連接。

目前ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)已于2021年底在北京THALES空管自動化系統(tǒng)中正式上線并參與融合，覆蓋500-20000米高度范圍。作為空管自動化系統(tǒng)眾多監(jiān)視源之一，我們可以通過THALES系統(tǒng)的SGW服務(wù)器對ADS-B信號進行上線、下線操作。也可以通過THALES系統(tǒng)SDD界面進行雷達監(jiān)視源切換（可以選擇查看ADS-B數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)融合后的系統(tǒng)航跡，也可以選擇查看只有雷達數(shù)據(jù)沒有ADS-B數(shù)據(jù)參與融合的系統(tǒng)航跡），我們可以通過不同的雷達標識符判斷ADS-B信號質(zhì)量和融合狀態(tài)，如下表。

當我們在自動化系統(tǒng)中遇到假信號、丟信號、下行數(shù)據(jù)異常等問題時，如果初步判斷為ADS-B信號導(dǎo)致，可以建議管制員通過切換信號源，使用無ADS-B信號參與融合的綜合航跡觀察態(tài)勢，然后維護人員根據(jù)信號異常情況來判斷是否需要將ADS-B信號在自動化系統(tǒng)中做下線操作，在進行異常信號和下行數(shù)據(jù)問題排查時，普通雷達監(jiān)視源在自動化系統(tǒng)中的原始數(shù)據(jù)項可以利用test.ptg工具進行解析和查看，而ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)則可以通過ADS-B二級數(shù)據(jù)中心進行輸出數(shù)據(jù)回放以及對原始數(shù)據(jù)進行提取和解析。

面對日益繁忙的空域，以及空管部門一直以來對航空器間隔的嚴格要求，未來我們可以根據(jù)不同空域、不同高度的監(jiān)視需求，繼續(xù)增加ADS-B相應(yīng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈路，進一步提高空管自動化系統(tǒng)的空中交通水平、空域容量與運行效率。

作者單位：王晨旭? ? 中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局

參? 考? 文? 獻

[1]郭金亮.空管自動化系統(tǒng)等保測評實踐與安全防護技術(shù)研究[J].信息安全與通信保密，2021（11）：126-135.

[2]曾培彬.適用于進近管制的集成式相似航班告警系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2021，32（04）：48-52.

[3]鄭楷文. S模式雷達和ADS-B數(shù)據(jù)在空管自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2020（11）：162-163.

[4]鄒國政. ADS-B數(shù)據(jù)在空管自動化系統(tǒng)中的處理方法分析[J].機電工程技術(shù)，2021，50（06）：188-190.