星基ADS-B 系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述

張學(xué)軍 譚元晧 李雪緣 簡鑫慧

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100083)

21 世紀以來,隨著全球經(jīng)濟和航空業(yè)的飛速發(fā)展,航空器規(guī)模不斷擴張,航線航班迅速增加,全球飛行日益密集,跨洋區(qū)、荒漠、偏遠地區(qū)飛行任務(wù)迅速增長,民用運輸航空成為國家交流和跨境貨運不可或缺的重要方式,軍事航空全球戰(zhàn)略飛行和遠程奔襲打擊成為國家軍事戰(zhàn)略威懾重要樣式,全球各國對航空實時監(jiān)視服務(wù)和監(jiān)管基礎(chǔ)設(shè)施的需求不斷增長。

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance broadcast, ADS-B)是國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)確定的空中交通管理航空監(jiān)視新技術(shù),航空器從全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和機載設(shè)備獲取標(biāo)識號、三維位置、速度、航向等信息,通過空-空數(shù)據(jù)鏈及空-地數(shù)據(jù)鏈周期性自動向其他航空器或地面站進行廣播式發(fā)送,并接收其他航空器的廣播信息。 美國、歐洲、澳大利亞、中國等全球各國均在大力推廣ADS-B 技術(shù)[1-2]。

陸基ADS-B 系統(tǒng)作為目前推行的航空監(jiān)視系統(tǒng),存在一定程度的應(yīng)用局限性,尚不能滿足未來航空監(jiān)視全球化、全程無縫監(jiān)視覆蓋的要求。多起航空事故都暴露了全球民航基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足,尤其是海洋及南北兩極區(qū)域監(jiān)視缺乏的問題;另外,低空空域各種非法飛行活動對民航飛行造成了巨大威脅。 傳統(tǒng)陸基ADS-B 系統(tǒng)受地面部署條件的限制,要實現(xiàn)海洋全覆蓋需要在大量浮標(biāo)上部署ADS-B 地面站,要實現(xiàn)地面全覆蓋需要在大量無人區(qū)部署ADS-B 地面站,由于建設(shè)難度目前只能覆蓋全球30% 左右的空域[3],海洋、極地等偏遠地區(qū)與地形復(fù)雜區(qū)域存在大量盲區(qū),這些盲區(qū)使得各類航空系統(tǒng)的運行效率無法發(fā)揮,空域使用效率受到制約,飛行安全也存在隱患。同時,要完全依靠陸基ADS-B 實現(xiàn)空域100% 全覆蓋,建站規(guī)模和后期運營維護成本過高。 尤其中國地域遼闊,東西部地理環(huán)境差異大,發(fā)展程度不均衡,難以實現(xiàn)全國范圍內(nèi)大面積航空監(jiān)視和空管服務(wù)。

針對陸基ADS-B 系統(tǒng)的不足,國際民航組織提出了星基監(jiān)視的概念,通過在低軌衛(wèi)星上搭載ADS-B 接收設(shè)備(即星基ADS-B 系統(tǒng)),利用衛(wèi)星星座全球覆蓋、無地形遮擋等特點,實現(xiàn)對全球航班的實時連續(xù)無縫監(jiān)視[4]。

星基ADS-B 是實現(xiàn)遠洋遠域航空器監(jiān)視的主要技術(shù)手段,相較傳統(tǒng)的陸基監(jiān)視系統(tǒng),其具有全球覆蓋的優(yōu)勢[5],可有效克服陸基星基ADS-B系統(tǒng)不足,在陸基ADS-B 地面站難以覆蓋區(qū)域引入星基ADS-B 服務(wù),提供一個可靠有效的監(jiān)視方案,以提升航空的安全性、效率和容量,并可開拓全新的軍事應(yīng)用。

1) 提升航空安全性。 星基ADS-B 系統(tǒng)可以提供接近實時的持續(xù)飛行監(jiān)視服務(wù),增強態(tài)勢感知、沖突檢測與解脫能力;同時,星基ADS-B 系統(tǒng)可以提供獨立于全球航空通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視模式,更好地管理安全風(fēng)險,有助于重建事故的相關(guān)因素與情況,提高對全球航空器搜索和救援的安全響應(yīng)能力,增強航空安全保障。

2) 提升飛行效率和容量。 星基ADS-B 系統(tǒng)可以有效管理航空器在空域內(nèi)飛行的航跡,促進和支持更準確、更高效的航跡規(guī)劃,改善航空器反方向和交叉飛行的交通狀況,有效提升飛行效率并降低航空公司運行成本;同時,星基ADS-B 系統(tǒng)支持航空監(jiān)視信息共享和運行協(xié)同,減小飛行間隔,提升空域容量。

3) 開拓軍事新應(yīng)用。 星基ADS-B 系統(tǒng)可以為軍事航空全球飛行提供一種監(jiān)視模式,可獲取全球軍事航空飛行態(tài)勢數(shù)據(jù)和活動規(guī)律,實現(xiàn)對周邊及域外大國軍事航空活動早期預(yù)警,為空防安全提供保障。

中國民用航空局制定了《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實施路線圖》,其核心內(nèi)容就是提升航空器追蹤監(jiān)控水平,實現(xiàn)全球范圍內(nèi)對航空器的持續(xù)監(jiān)視與安全管理[6],其中包括自主星基ADS-B 系統(tǒng)的建設(shè)。 因此,星基ADS-B系統(tǒng)對于未來航空業(yè)發(fā)展具有重要作用和前瞻性意義。

本文概述了星基ADS-B 概念及其運行原理,介紹了星基ADS-B 系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展歷程與相關(guān)衛(wèi)星、載荷概況,總結(jié)了包括微弱信號解調(diào)、多波束接收、解交織、防欺騙、星座設(shè)計、路由轉(zhuǎn)發(fā)算法、監(jiān)視性能評估在內(nèi)的星基ADS-B 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀;進一步介紹了北京航空航天大學(xué)(以下簡稱北航)聯(lián)合團隊在星基ADS-B 上的研究工作與試驗星情況。 結(jié)合星基技術(shù)發(fā)展與空管應(yīng)用需求展望了星基ADS-B 系統(tǒng)未來趨勢。

1 星基ADS-B 系統(tǒng)與應(yīng)用

星基ADS-B 系統(tǒng)是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、航空數(shù)據(jù)鏈及衛(wèi)星通信的新一代廣域航空器監(jiān)視系統(tǒng),其由低軌星座及衛(wèi)星ADS-B 接收機、衛(wèi)星空間組網(wǎng)子系統(tǒng)、機載ADS-B 設(shè)備和地面空管綜合應(yīng)用子系統(tǒng)等共同組成,低軌星座中每一顆衛(wèi)星都加裝了高靈敏度的1090ES ADS-B接收機,具備ADS-B In 功能,接收民用和軍用航空器的機載ADS-B Out 設(shè)備發(fā)送的報文。 其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 星基ADS-B 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of space-based ADS-B system

星基ADS-B 系統(tǒng)運行原理如圖2 所示。 航空器從全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和機載設(shè)備獲取標(biāo)識號、三維位置、速度、航向等信息,通過機載ADS-B發(fā)射機以1 090 MHz 頻率周期性向外進行廣播式發(fā)送。 衛(wèi)星上的ADS-B 接收機在全球范圍內(nèi)接收航空器廣播的ADS-B 信息,解調(diào)為報文并按照衛(wèi)星星間通信協(xié)議組包,經(jīng)星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至國內(nèi)衛(wèi)星地面網(wǎng)關(guān)站上方的衛(wèi)星后,通過星地鏈路下傳落地,并統(tǒng)一傳回中國星基ADS-B 地面數(shù)據(jù)中心。 數(shù)據(jù)中心處理后,按照不同用戶的應(yīng)用需求,分發(fā)給管制部門、航空公司和通航企業(yè)等航空用戶,實現(xiàn)對全球各國加裝1090ES ADS-B Out 設(shè)備的軍用和民用航空器連續(xù)實時監(jiān)視。

圖2 星基ADS-B 系統(tǒng)運行原理Fig.2 Space-based ADS-B system operation principle

星基ADS-B 系統(tǒng)兼容原先陸基ADS-B 系統(tǒng),只是將ADS-B 接收機安裝于低軌衛(wèi)星星座上,從而滿足洋區(qū)、荒漠、偏遠地區(qū)及地球南北兩極等區(qū)域的監(jiān)視需求,有效彌補陸基ADS-B 系統(tǒng)布站的局限性,實現(xiàn)空域無縫監(jiān)視,在全時段、全球范圍對軍用和民用航空器飛行全過程進行連續(xù)無間斷位置跟蹤與目標(biāo)識別,并能大幅提升空管監(jiān)視系統(tǒng)的精確性和可靠性,可廣泛應(yīng)用于軍民航領(lǐng)域。

在民航方面,星基ADS-B 可應(yīng)用于空中交通管制、航空公司運行控制、全球航班跟蹤、通用航空監(jiān)視等。 例如,可利用星基ADS-B 獲取的包括空域信息、機場信息等在內(nèi)的海量數(shù)據(jù)進行分析,輔助預(yù)測航跡,在全球?qū)用嫔线M行戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略交通管理規(guī)劃,以減少任何特定空域的延誤和中斷,幫助航空公司節(jié)省燃料成本、高效運行;可以為全球航空器提供安全運行狀態(tài)監(jiān)測及救援信息數(shù)據(jù)支持,縮小航空安全間隔,優(yōu)化空域管理,增加空域容量,提升航空安全。

在軍航方面,星基ADS-B 可應(yīng)用于軍用航空器遠海遠域飛行任務(wù)保障、外軍情報收集分析、南海和中印邊界等敏感地區(qū)巡航監(jiān)視、戰(zhàn)事指揮等。一方面適應(yīng)現(xiàn)代化強國戰(zhàn)略需求,為軍事航空承擔(dān)的反恐維穩(wěn)、搶險救災(zāi)、空中安保、國際救援等任務(wù)提供一種監(jiān)視手段和保障,實現(xiàn)全球戰(zhàn)略巡航飛行及域外作戰(zhàn)部署;另一方面建立有效的覆蓋沿邊沿?？沼虻谋O(jiān)視和識別手段,實現(xiàn)領(lǐng)海領(lǐng)空入侵檢測,同時可獲取并掌握全球軍事航空飛行態(tài)勢數(shù)據(jù)和活動規(guī)律,如重點軍用機場起降情況、軍事部署力量調(diào)度情況、周邊及域外大國軍航行動等,實現(xiàn)全球范圍內(nèi)軍情收集,保障國家空域安全。

2 星基ADS-B 系統(tǒng)發(fā)展趨勢

“MH370”事件發(fā)生后,通過星基ADS-B 系統(tǒng)實現(xiàn)全球航空器持續(xù)監(jiān)視引起全球高度重視。 目前,世界主要航空大國均針對星基ADS-B 開展對應(yīng)研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),積極推進星基ADS-B 系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展,瞄準全球航空監(jiān)視體系構(gòu)建,依托空間互聯(lián)網(wǎng)、低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)開展有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)測試驗證,并且主要技術(shù)架構(gòu)、設(shè)備功能和應(yīng)用形態(tài)初見成型,尤其Aireon 公司基于銥星二代組網(wǎng)衛(wèi)星,構(gòu)建的星基ADS-B 系統(tǒng)已開始試點提供全球服務(wù)。 國內(nèi)主要是國防科技大學(xué)、上海微小衛(wèi)星工程中心、航天五院、航天八院及北京航空航天大學(xué)等單位,先后啟動ADS-B 星基接收機等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并開展了相應(yīng)研究。

2.1 國外發(fā)展

國外在政策上對星基ADS-B 建設(shè)大力支持,2015 年世界無線電通信大會將1 090 MHz 分配給航空移動衛(wèi)星服務(wù),用于接收按照國際民航組織標(biāo)準運行的航空器發(fā)射的ADS-B 信息[7]。 國際民航組織也在持續(xù)關(guān)注并積極推動星基ADS-B的測試與發(fā)展,根據(jù)星基ADS-B 技術(shù)的建設(shè)進展制定相關(guān)標(biāo)準[8]。

美國、加拿大、歐洲航天局(ESA)、德國、丹麥等均啟動了各自的星基航空監(jiān)視計劃,開展了在軌試驗,其中銥星二代系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足全球非繁忙空域的空管監(jiān)視應(yīng)用需求。

1) Proba-V

德國宇航中心(DLR)于2008 年開始研究低軌衛(wèi)星是否能接收到飛機廣播的1090ES ADS-B信號,為星基ADS-B 提供了概念證明[9]。 2013 年5 月歐洲航天局發(fā)射了Proba-V 衛(wèi)星,攜帶DLR研制的ADS-B 接收機,在開機運行的2 h 內(nèi)接收到了超過12 000 條ADS-B 信息[10-11],其觀測到的飛機航跡如圖3 所示。 Proba-V 首先驗證了利用低軌衛(wèi)星接收ADS-B 信號的可行性,為該領(lǐng)域的未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖3 Proba-V 觀測到的飛機航跡[10]Fig.3 Aircraft tracks observed by Proba-V[10]

2) GOMX 系列

GomSpace 在2013 年底發(fā)射了搭載ADS-B 有效載荷的GOMX-1 立方星,根據(jù)在軌運行期間接收的數(shù)據(jù)分析,載荷具備跟蹤飛機的能力,驗證了基于立方體衛(wèi)星的ADS-B 載荷可行性[12-13]。2015 年,GomSpace 發(fā)射了GOMX-3 衛(wèi)星,更新了ADS-B 接收機,圖4 為GOMX-3 采集的全球ADS-B數(shù)據(jù),在全球除極地地區(qū)外的區(qū)域收集ADS-B 數(shù)據(jù)任務(wù)中表現(xiàn)良好[14]。 2019 年又發(fā)射了GOMX-4衛(wèi)星,使用與GOMX-3 相同的ADS-B 接收器,并測試不同距離的衛(wèi)星間通信,最高可達4 500 km[15-16]。

圖4 GOMX-3 采集的全球ADS-B 數(shù)據(jù)[14]Fig.4 Global ADS-B data collected by GOMX-3[14]

3) CanX-7

CanX-7 衛(wèi)星于2016 年9 月發(fā)射,其上搭載由加拿大皇家軍事學(xué)院(RMCC)研制的ADS-B載荷。 其主要關(guān)注地點是北大西洋,自發(fā)射以來的6 個月內(nèi)共接收到超過430 萬條ADS-B 信息,在軌采集數(shù)據(jù)分布如圖5 所示,測試結(jié)果表明搭載在低軌衛(wèi)星上的接收機能夠探測和跟蹤飛機[17-18]。

圖5 CanX-7 在軌采集數(shù)據(jù)分布[18]Fig.5 Distribution of CanX-7 in-orbit acquisition data[18]

4) ALAS 系統(tǒng)

2008 年美國GlobalStar 和ADS-B Technologies 公司開始聯(lián)合研發(fā)可用的星基ADS-B 系統(tǒng),借助GlobalStar 衛(wèi)星星座提供全球ADS-B 服務(wù),稱為ADS-B 鏈路增強系統(tǒng)(ADS-B link augmentation system, ALAS),并在美國進行了飛行測試,如圖6 所示[19]。 目前由于全球星座建設(shè)情況基本停滯,ALAS 系統(tǒng)前景很不明朗;并且由于ALAS 系統(tǒng)需要對飛機設(shè)備進行改裝,其在民用航空領(lǐng)域的推廣應(yīng)用難度也十分大[20-21]。

圖6 GlobalStar ADS-B(ALAS)飛行測試[19]Fig.6 GlobalStar ADS-B (ALAS) flight test[19]

5) Spire

Spire Global 于2016 年12 月宣布推出一項名為Spire AirSafe 的星基全球航空器追蹤服務(wù)。2018 年年中Lemur 2 衛(wèi)星搭載ADS-B 有效載荷發(fā)射,目前Spire 公司已經(jīng)發(fā)射了超過100 顆衛(wèi)星,并在其官網(wǎng)提供了ADS-B 數(shù)據(jù)服務(wù)[22-24],Spire 的ADS-B 數(shù)據(jù)如圖7 所示。

6) 銥星二代星基ADS-B 系統(tǒng)

Aireon 公司的星基ADS-B 系統(tǒng)以銥星二代網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),將ADS-B 1090ES 接收機安裝在75顆低軌衛(wèi)星上(其中66 顆主用衛(wèi)星,9 顆備用衛(wèi)星),主用衛(wèi)星分布在6 個軌道上,每個軌道11 顆衛(wèi)星,軌道高度780 km,采用多波束多通道體制,如圖8 所示[25]。 表1 為Aireon 星基ADS-B 系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)視性能指標(biāo)。

表1 Aireon 星基ADS-B 系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)視性能指標(biāo)Table 1 Surveillance performance metrics for Aireon’s space-based ADS-B system

該系統(tǒng)2015 年開始發(fā)射,2019 年1 月完成星座部署,并于同年投入全球航空監(jiān)視試運行,促進了國際民航組織洋區(qū)飛行間隔標(biāo)準的更新,縮小了洋區(qū)的飛行間隔,并且在冰島、加拿大地區(qū)及大西洋空域開展測試,表2 為銥星二代星基ADSB 系統(tǒng)測試指標(biāo)。

表2 銥星二代星基ADS-B 系統(tǒng)測試指標(biāo)Table 2 Iridium-Next space-based ADS-B system test metrics

Aireon 星基ADS-B 系統(tǒng)設(shè)計之初就是以商業(yè)運行為目的,是目前唯一系統(tǒng)架構(gòu)與指標(biāo)體系支撐管制運行、采用商業(yè)化運作、具備可持續(xù)運行能力的星基ADS-B 系統(tǒng)。 目前,銥星二代系統(tǒng)經(jīng)過多次測試驗證,能夠滿足全球非繁忙空域的空管監(jiān)視應(yīng)用需求[26-29],圖9 顯示了“銥星二代”星基ADS-B 系統(tǒng)獲取的全球空中交通數(shù)據(jù)。

圖9 “銥星二代”星基ADS-B 系統(tǒng)獲取的全球空中交通數(shù)據(jù)[29]Fig.9 Air traffic data captured globally by Iridium-Next space-based ADS-B system[29]

7) 其他

西班牙的Aistech 公司設(shè)計了一個120 顆衛(wèi)星的星座,將包括地球觀測、ADS-B 等應(yīng)用,2019年該星座的前2 顆衛(wèi)星成功被送入軌道,預(yù)計將在未來幾年內(nèi)全面運行。 澳大利亞航空服務(wù)公司與Skykraft 公司合作,開發(fā)由210 顆衛(wèi)星組成的星基通信與監(jiān)視空管系統(tǒng),計劃于2022 年6 月進行首次發(fā)射。 西班牙Indra 和ENAIRE 公司創(chuàng)建了名為Startical 的項目,計劃部署一個由200 多顆小型衛(wèi)星組成的星座以改善空中交通管理并提供全球服務(wù)。 葡萄牙Tekever 公司計劃發(fā)射一個12 顆衛(wèi)星的星座,將攜帶包括合成孔徑雷達、AIS、ADS-B 在內(nèi)的多個有效載荷,目前仍處于研究階段[30-33]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展

國內(nèi)政策方面,在《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設(shè)實施路線圖》和民航科技發(fā)展“十三五”規(guī)劃中均強調(diào)了星基ADS-B 技術(shù)是未來發(fā)展關(guān)鍵。 國內(nèi)多家單位針對天地一體化、空間互聯(lián)網(wǎng)提出計劃并發(fā)射驗證星,包括“鴻雁”星座、“虹云”工程等,均將星基ADS-B 作為了其可搭載載荷之一。

目前,國內(nèi)已有多家科研單位緊跟國際星基ADS-B 系統(tǒng)研究步伐,針對星基ADS-B 關(guān)鍵技術(shù)進行論證與研制,并發(fā)射了試驗星,具有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)與測試條件。

1) 國防科技大學(xué)

國防科技大學(xué)設(shè)計與研制的“天拓三號”衛(wèi)星(TianTuo-3,TT-3)于2015 年9 月發(fā)射,搭載了ADSB 接收機進行在軌驗證,采用單通道單波束體制,靈敏度約-93 dBm。 其接收系統(tǒng)平均每天接收約40 萬條ADS-B 報文數(shù)據(jù),幅寬超過2 000 km[34],驗證了低軌衛(wèi)星接收ADS-B 信號的可行性。圖10顯示了“天拓三號”ADS-B 數(shù)據(jù)獲得的2018 年5 月全球飛機靜態(tài)分布圖。

圖10 “天拓三號”ADS-B 數(shù)據(jù)獲得的2018 年5 月全球飛機靜態(tài)分布圖[34]Fig.10 Static distribution of global aircraft obtained from TianTuo-3 ADS-B dataset in May 2018[34]

2020 年8 月發(fā)射的“天拓五號”衛(wèi)星(Tian-Tuo-5,TT-5)在其基礎(chǔ)上提升了星基ADS-B 載荷接收性能,增加了天線增益,每天雙機能接收星基ADS-B 報文超過300 萬條,幅寬達到了4 500 km的范圍[35-36]。

2) 上海微小衛(wèi)星工程中心

上海微小衛(wèi)星工程中心于2015 年9 月發(fā)射了“上科大二號”衛(wèi)星(STU-2),采用2U 立方體衛(wèi)星架構(gòu),星上搭載有星基ADS-B 載荷,靈敏度約-94 dBm[37]。 STU-2 一個月獲取的飛機數(shù)據(jù)如圖11 所示,其直接采用丹麥GomSpace 公司的立方體衛(wèi)星方案,接收機每天可以收到超過10 000 條信息,飛機與衛(wèi)星間的距離可以達到1 500 km,驗證了基于立方體衛(wèi)星的ADS-B 載荷技術(shù)方案的可行性。

圖11 STU-2 一個月獲取的飛機數(shù)據(jù)[37]Fig.11 STU-2 captured aircraft data over one month[37]

3) 北京和德宇航技術(shù)有限公司

北京和德宇航技術(shù)有限公司規(guī)劃建設(shè)“天行者”星座,主要搭載AIS、VDES、ADS-B 等多種有效載荷,將由48 顆衛(wèi)星組網(wǎng),均勻分布在6 個近地軌道面上。 目前星座處于建設(shè)中[38-39]。

3 星基ADS-B 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

相對于傳統(tǒng)的陸基ADS-B 系統(tǒng),星基ADS-B系統(tǒng)通過衛(wèi)星組網(wǎng)建立星座,具有覆蓋范圍廣的特點,但系統(tǒng)復(fù)雜度高、部署周期長,同時也存在星基端接收ADS-B 信號時信噪比低、信號交織嚴重等問題,嚴重制約了系統(tǒng)的接收性能。 針對星基ADS-B 各項關(guān)鍵技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了深入研究。

3.1 微弱信號解調(diào)技術(shù)

陸基ADS-B 系統(tǒng)的信號接收范圍不超過450 km,而星基ADS-B 系統(tǒng)由于軌道高度和覆蓋范圍的增加,信號接收距離遠大于陸基ADS-B 系統(tǒng),導(dǎo)致星基ADS-B 接收機接收到的信號功率和信噪比遠遠小于陸基ADS-B 接收設(shè)備。 歐美在軌技術(shù)驗證表明,基于低軌衛(wèi)星的星基ADS-B 系統(tǒng)接收到的ADS-B 信號功率將低至-102 dBm,而陸基ADS-B 系統(tǒng)接收機設(shè)計時未考慮處理功率在-90 dBm 以下的信號,在星基條件下性能急劇下降[40]。 因此,必須突破星基ADS-B 高靈敏度解調(diào)技術(shù),才能推動星基ADS-B 系統(tǒng)在空管領(lǐng)域應(yīng)用的進程。

Delovski 等提出了一種改進的S 模式相關(guān)機制,借助ADS-B 報文8 位幀頭和5 位DF17 標(biāo)志位序列提高信號幀頭的同步率[41]。 余孫全等在幀頭檢測時將匹配濾波器的低電平設(shè)置為負值,并采用基于置信度的糾錯方法,實驗驗證在95%的譯碼率下得到了-95 dBm 的靈敏度[42]。 Ren等根據(jù)ADS-B 信號幀格式的特點,提出了一種基于恒虛警率的多準則前導(dǎo)頭檢測算法,提高低信噪比下DF17 格式的ADS-B 信號的檢測性能[43]。Qin 和Yang 研究ADS-B S 模式消息前導(dǎo)碼檢測和數(shù)據(jù)位提取算法的設(shè)計與實現(xiàn),緩解了傳統(tǒng)算法反復(fù)驗證計算量大以及占用資源過多的問題[44]。 Zhang 和Li 設(shè)計了一種RS 譯碼器,采用改進的BM 迭代算法對傳輸過程中UAT 模式ADS-B 信號產(chǎn)生的誤碼進行糾錯,避免了有限域逆運算的出現(xiàn)[45]。 Zhang 等研究增強型ADS-B接收技術(shù),使用多個幅度樣本以及能力更強的錯誤檢測/糾正算法在高干擾環(huán)境下提高了正確解調(diào)概率[46]。 Ren 等提出了一種具有最優(yōu)閾值的N 置信度糾錯算法和具有恒定復(fù)雜度的降序糾錯算法, 改進低信噪比情況下 ADS-B 的接收性能[47]。

3.2 解交織技術(shù)

陸基ADS-B 系統(tǒng)的信號接收范圍相對有限,接收到的信號數(shù)量少,而星基ADS-B 系統(tǒng)覆蓋范圍廣,單個載荷需滿足上千架以上航空器同時監(jiān)視,大量的報文數(shù)量導(dǎo)致信號重疊交織情況十分嚴重。 同時和陸基系統(tǒng)相比,星基ADS-B 系統(tǒng)中信號到達衛(wèi)星時的信噪比更低、信號之間的功率差更小,進一步加劇了交織信號分離的難度,易造成接收機誤解碼率高、監(jiān)視丟點不連續(xù)等問題,導(dǎo)致無法獲取重要信息而影響航空器安全,降低空域監(jiān)視性能。 為了避免這種情況,將重疊信號分離出來的解交織技術(shù)十分關(guān)鍵。

Petrochilos 等研究出了經(jīng)典的投影算法(projection algorithm, PA)和擴展投影算法(extended projection algorithm, EPA)來在真實環(huán)境中分離多個二次監(jiān)視雷達信號[48-50],其信號結(jié)構(gòu)與ADS-B的信號結(jié)構(gòu)相同。 國際民航組織制定的標(biāo)準文件中通過采用對強信息或第1 個到達的消息進行解碼,而放棄其他消息的方式處理重疊報文[40]。 陳為楨提出了一種基于干擾抵消的ADS-B 交疊信號處理算法,對成功檢測的大功率信號的參數(shù)進行估計來重構(gòu)信號,從交疊信號中抵消掉重構(gòu)信號可以成功恢復(fù)小功率信號[51]。 吳杰等從脈沖幅度特征出發(fā),研究了一種在時域中分離2 個重疊ADS-B 信號的方法[52]。 吳仁彪等對信號的采樣點進行累加,并采用K 均值聚類方法分類處理ADS-B 交織信號[53]。 Wang 等使用未校準天線陣列提出了一種基于盲自適應(yīng)波束成形的ADS-B交織信號分離方法[54]。 Yu 等提出了2 種ADS-B重疊信號分離方法,一種采用基于功率差的自適應(yīng)閾值調(diào)整技術(shù)進行分離,另一種通過重構(gòu)和相消來分離混合信號,并分析了2 種方法的應(yīng)用場景[55]。 劉慧等研究了松弛改進的快速獨立成分分析算法(fast independent component analysis,FastICA)在解交織中的使用,在經(jīng)典算法中考慮松弛因子,避免了收斂性能取決于初始權(quán)值的缺陷[56]。 Zhang 等提出了一種分離算法,根據(jù)測量的特征值分布確定重疊信號的數(shù)量后,利用MUSIC 算法中的峰值搜索估計信號到達方向來重構(gòu)混合矩陣,并通過計算重構(gòu)混合矩陣的Moore-Penrose 逆來估計分離矩陣[57]。 Li 等分析了兩個重疊信號的時域特性,提出了一種基于時域?qū)ο腁DS-B 分離算法[58]。

3.3 多波束接收技術(shù)

由于星基ADS-B 系統(tǒng)覆蓋范圍遠大于陸基ADS-B 系統(tǒng)的監(jiān)視范圍,信號沖突概率大大增加,而星基ADS-B 系統(tǒng)多采用微小衛(wèi)星,通過軟件算法解決交織信號分離問題的計算復(fù)雜度和資源要求對小衛(wèi)星能力是一項巨大挑戰(zhàn)。 國內(nèi)外另一種解決星基ADS-B 信號沖突問題的有效方法是采用多波束接收的方式,將衛(wèi)星可視范圍分為幾個波束覆蓋區(qū),以降低單個波束覆蓋范圍內(nèi)的航空器數(shù)量,有效降低信號沖突概率,提升星基ADS-B 監(jiān)視性能。

Bettray 等研究了ADS-B 多波束天線的工程模型,提出一種星基ADS-B 信號的7 波束接收天線來提升接收性能[59]。 Budroweit 等討論了多通道ADS-B 接收機的設(shè)計與實現(xiàn),并給出了初步的測試結(jié)果[60]。 Yu 等提出了一種自適應(yīng)多波束形成方法,通過動態(tài)調(diào)整波束方向圖來有效減小ADS-B 信號沖突概率,提升ADS-B 信息的更新概率[61];其于2020 年又介紹了一種具有自校準功能的數(shù)字波束形成系統(tǒng),采用一個4 ×4 微帶陣列天線和一個16 通道接收機,可以同時產(chǎn)生19 個以上波束大小和方向可靈活控制的獨立波束,減少信號碰撞,提高星基ADS-B 系統(tǒng)的可靠性[62]。

3.4 防欺騙技術(shù)

ADS-B 消息以公開形式廣播,由于缺乏加密和身份驗證等基本安全措施使其在應(yīng)用具有被竊聽、干擾、消息注入和修改等風(fēng)險。 惡意用戶可以很容易通過設(shè)備實時進行竊聽,在1 090 MHz 頻率上發(fā)送干擾信號妨礙消息正常接收,或通過發(fā)送人工ADS-B 信號向系統(tǒng)注入虛假航空器信息,以偽裝不存在的航空器或受信任的航空器。 以上攻擊威脅可能導(dǎo)致系統(tǒng)可用性和可靠性中斷,對ADS-B 系統(tǒng)造成嚴重破壞。 因此,隨著ADS-B 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用,為了消除攻擊行為的影響,需要進行欺騙干擾檢測,以避免攻擊數(shù)據(jù)注入決策流。

Amin[63]和Kacem[64]等研究了基于密碼學(xué)思想保護ADS-B 信號的方法,但添加加密或認證機制需要修改當(dāng)前的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。 Ghose 和Lazos 提出了一種基于ADS-B 傳輸射頻特性的物理層驗證方法來驗證航空器的速度和位置,利用短相干時間和多普勒擴展現(xiàn)象檢測惡意廣播的ADS-B 信息[65]。 Kim 等添加時間戳數(shù)據(jù),根據(jù)接收到GPS 信號時間與到達接收機時間的時間差對ADS-B 信息進行安全性驗證,并分析了時間戳的范圍與精度[66]。 Naganawa 等利用扇形天線的振幅單脈沖技術(shù)測量到達角(angle of arrival,AoA),同時根據(jù)ADS-B 報文中航空器的位置計算預(yù)期AoA,通過比較2 種AoA 檢測欺騙[67]。Habler 和Shabtai 基于LSTM 編解碼算法檢測異常ADS-B 消息,通過分析合法ADS-B 消息序列對飛行路線建模,航空器可以自主評估接收到的ADS-B 消息與合法飛行路徑的偏差[68]。 Ying 等對ADS-B 數(shù)據(jù)的特征進行挖掘,建立分類模型,提出一種使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測ADS-B 攻擊行為的方法[69]。 呂宗平等利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)完好性信息對虛假ADS-B 報文進行識別,通過水平保護級(HPL)與導(dǎo)航不確定類別(NUC)的一致性比對防止惡意欺騙[70]。 Li 等基于黏性層次Dirichlet 過程的隱馬爾可夫模型建立ADS-B 數(shù)據(jù)序列隱狀態(tài)預(yù)測生成模型,通過分析隱藏狀態(tài)序列的上下文偏差信息檢測攻擊數(shù)據(jù)[71]。 吳慶基于多普勒頻偏變化與位置變化的對應(yīng)關(guān)系,提出一種深度學(xué)習(xí)的ADS-B 防欺騙方法,利用改進型AlexNet 識別虛假信號[72]。

3.5 星座與星間鏈路技術(shù)

雖然衛(wèi)星上的ADS-B 接收機覆蓋范圍比陸基系統(tǒng)大,但單顆衛(wèi)星無法完全滿足全球連續(xù)覆蓋的空管監(jiān)視要求,需要建立和部署衛(wèi)星星座來集成并提高單顆衛(wèi)星的性能。 此外,具有良好可靠星間鏈路的星座可以完成監(jiān)視數(shù)據(jù)的即時、連續(xù)傳輸與下載。 低軌衛(wèi)星星間鏈路多具有較大的動態(tài)性,可能會受到多普勒頻移的顯著影響,因此如何設(shè)計一個合適的星座構(gòu)型并優(yōu)化以及建立穩(wěn)定可靠的星間鏈路,是需要研究的重要內(nèi)容之一。

Nguyen 等對鏈路可能性和衛(wèi)星星座跟蹤能力的性能進行分析,定義了包括衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度、最大間隔時間等在內(nèi)的星座參數(shù),提出一種低成本的星基ADS-B 系統(tǒng)[73]。 Nag 等基于模擬空中交通數(shù)據(jù)描述了一種適用于區(qū)域覆蓋任務(wù)的立方體衛(wèi)星星座設(shè)計方法,以提高監(jiān)視區(qū)的安全性和態(tài)勢感知能力[74]。 Chen 等分析星基系統(tǒng)的設(shè)計約束,設(shè)計了由81 顆微納衛(wèi)星組成的Walker衛(wèi)星星座系統(tǒng),通過數(shù)值仿真驗證了衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的合理性[75]。 Leyva-Mayorga 等提出了一個在低軌星座中動態(tài)建立星間鏈路的框架和相應(yīng)的算法,以確保所有衛(wèi)星在任何時候都至少具備一個完整的星間鏈路連接[76]。 Guo 等提出了一個衛(wèi)星星座性能評估模型,綜合考慮覆蓋范圍、星間鏈路、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫娼o出了一個55 顆衛(wèi)星的星座設(shè)計方案[77]。 考慮到低軌衛(wèi)星星座規(guī)模,部署策略對發(fā)射次數(shù)和待發(fā)射衛(wèi)星有重大影響,de Weck等論證了分階段部署在低軌通信衛(wèi)星星座中的價值,并針對全球星應(yīng)用進行了研究[78]。 Lee 等結(jié)合銥星和全球星的經(jīng)驗,提出一種使用遺傳算法優(yōu)化的分階段部署策略,使星座大小適應(yīng)市場需求[79]。

3.6 路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

雖然陸基ADS-B 系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟,但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸與地面網(wǎng)絡(luò)傳輸存在較大的差別。 中國目前沒有能力在世界各地部署星基ADS-B 地面站,因此所有ADS-B 數(shù)據(jù)將通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)匯聚到中國地面站上空的衛(wèi)星,距離匯聚節(jié)點較近的星間鏈路更有可能出現(xiàn)擁塞,在這種情況下大多數(shù)路由算法和流量平衡方法會導(dǎo)致大量不必要的消耗。 同時由于航路航線的設(shè)置,ADS-B 數(shù)據(jù)在全球的分布很不均衡,在繁忙空域的數(shù)據(jù)量可能是非繁忙空域的數(shù)十倍,這種不均衡分布在進行匯聚時會導(dǎo)致路徑流量的不均衡,加劇了某些鏈路的負擔(dān),容易超過鏈路的最大傳輸能力而造成丟包現(xiàn)象或進一步導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的擁塞。 因此,針對星基ADS-B 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進行研究是必要且關(guān)鍵的。

目前,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)根據(jù)實現(xiàn)方式可以大致分為虛擬拓撲法、虛擬節(jié)點法和動態(tài)拓撲法3 類,流量均衡技術(shù)可以按照全局方案與局部方案分為2 類。 Mohorcˇicˇ等將流量同時分布在最短路徑和次短路徑上,提出了ALR 多徑流量均衡路由算法[80]。 Bai 等提出了CEMR 多徑流量均衡算法,將流量分布到K條路徑上解決擁塞問題[81]。 Hussein 等針對全球交通流量分布采用流量預(yù)測來進行流量均衡[82]。 Taleb 等提出了ELB局部流量均衡算法,在一跳范圍內(nèi)進行均衡[83]。Dong 等提出針對不同業(yè)務(wù)需求,組合使用基于人工智能的QoS 算法、多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、多路徑路由算法以提升路由性能[84]。 葉紅軍等針對星基航空監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計了星地一體化綜合監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),并進行了理論分析與網(wǎng)絡(luò)拓撲驗證[85]。 鄭曉冬等考慮低軌星間鏈路網(wǎng)絡(luò)中航空安全信息傳輸?shù)穆酚梢?guī)劃需求進行了算法設(shè)計,分別提出了多站就近落地、高可靠備份傳輸以及分區(qū)負載均衡3 種算法,并基于星間鏈路網(wǎng)絡(luò)仿真平臺進行了試驗驗證[86]。

3.7 監(jiān)視性能評估技術(shù)

星基ADS-B 是空天地一體化的大系統(tǒng),其監(jiān)視數(shù)據(jù)量大、動態(tài)變化快,監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量如位置誤差、報文更新周期、數(shù)據(jù)傳輸延遲等受GNSS 導(dǎo)航系統(tǒng)、星間鏈路傳輸?shù)榷喾N因素影響。 為驗證星基ADS-B 系統(tǒng)的可用性及其監(jiān)視性能能否達到空中交通管理系統(tǒng)的最低接入標(biāo)準,通過試驗衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù),研究適用于星基ADS-B 系統(tǒng)的監(jiān)視性能評價指標(biāo),開展在軌運行數(shù)據(jù)分析與性能評估并確立相應(yīng)評估方法,及時發(fā)現(xiàn)和告警達不到空中交通管制所需監(jiān)視性能等級的情況將具有十分重要的意義。

Delovski 等依據(jù)陸基ADS-B 監(jiān)視要求給出了包括目標(biāo)獲取概率、目標(biāo)檢測概率、目標(biāo)識別概率和消息識別概率在內(nèi)的4 個星基ADS-B 監(jiān)視性能參數(shù)計算方法,并對Proba-V 衛(wèi)星ADS-B 載荷在北大西洋、太平洋越洋航線上的監(jiān)視性能進行了評估[11]。 Sch?fer 等開發(fā)和部署了面向中歐地區(qū)的ADS-B 系統(tǒng)OpenSky,并分析了其獲取的數(shù)據(jù)[87]。 van der Pryt 等建立了一個確定到達衛(wèi)星的功率水平的模型,為CanX-7 性能提供評估[88]。Garcia 等提出了系統(tǒng)和接收機模型,評估是否能夠?qū)崿F(xiàn)提供服務(wù)所需的更新間隔[89];并于2017年進行了銥星二代衛(wèi)星的在軌試驗情況分析,采用了陸基參考發(fā)射機,用于銥星系統(tǒng)性能模型的深入校準[26];其在2018 年銥星二代系統(tǒng)較為完整之后,又針對不同的ADS-B 發(fā)射機單獨進行實驗,定義了可用性指標(biāo),并分析了銥星二代系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)[27]。 鐘建華等開發(fā)了一個ADS-B 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件,通過解析報文計算數(shù)據(jù)的完好率、漏點率和跳點率[90]。 于克非和趙嶷飛利用“天拓三號”衛(wèi)星數(shù)據(jù)對更新時間間隔、數(shù)據(jù)完好性和數(shù)據(jù)準確性3 項指標(biāo)進行統(tǒng)計分析[91-92]。 王運帷提出一套ADS-B 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估體系,從接收能力、刷新時間間隔、精確性、連續(xù)性4 個角度進行評估分析[93]。

4 北航聯(lián)合團隊星基ADS-B 研究情況

北航四川九洲空管科技有限責(zé)任公司(簡稱九洲空管公司)、中國民航大學(xué)、西華大學(xué)等單位經(jīng)過多年合作,形成“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合科研團隊。張軍院士帶領(lǐng)科研團隊,在國家重大科研項目支持下,依托國家空管監(jiān)視與通信系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心等多個國家級和省部級科研平臺,共同開展星基ADS-B 研究與技術(shù)攻關(guān),并發(fā)射了試驗驗證星。

4.1 星基ADS-B 關(guān)鍵技術(shù)研究

北航張學(xué)軍等設(shè)計了以相干解調(diào)為基礎(chǔ)的星基ADS-B 聯(lián)合解調(diào)算法,重點解決了信號幀頭的同步和信號的頻偏問題,在之前的研究基礎(chǔ)上有效提高了解調(diào)靈敏度[94]。 九洲空管公司馮濤和梁俊提出了一種幀頭檢測方法,并使用遺傳算法對檢測到的微弱信號進行高精度頻率和相位估計,實現(xiàn)直接相干解調(diào)[95];通過反演修正的方法在低信噪比下實現(xiàn)了ADS-B 信號譯碼,提升星基ADS-B 接收信號解調(diào)性能[96]。 張學(xué)軍等利用最大似然比法則建立數(shù)學(xué)模型提取低置信度矩陣,對低置信度位在錯誤圖表中對應(yīng)的錯誤圖樣進行異或糾錯,解決了在任意位置的5 個及以下的錯誤糾錯,提高了譯碼率[97];并充分考慮星上硬件資源,結(jié)合FPGA 技術(shù)完成星基ADS-B 接收機信號處理模塊的實現(xiàn),減少了FPGA資源消耗與處理延時[98]。

北航劉凱等研究了基于泊松過程的星基ADS-B 信號高階碰撞模型,并據(jù)此提出一種迭代投影算法用于星基ADS-B 信號分離,在仿真中比較了算法與MDA 和EPA 的性能差異[99]。 北航張濤等通過對混疊信號進行白化處理判斷重疊信號數(shù)量,依此在每個時間段內(nèi)進行矩陣變化,利用波束賦形矩陣得到分離信號,降低了多信號碰撞情況下分離算法的復(fù)雜度[100]。

針對防欺騙問題,九洲空管的李家蓬等分別針對單通道和四通道ADS-B 地面站進行防欺騙方法研究,對單通道采用時序模式特征驗證、幾何相符、意圖相符等多種驗證手段組合驗證;對四通道則結(jié)合四通道脈沖幅度測向法和信號幅度-距離測量法實現(xiàn)目標(biāo)定位,判斷虛假目標(biāo),并將相應(yīng)研究成果應(yīng)用于星基四通道接收機的研究中[101-102]。 安強等則利用信號TDOA 解算目標(biāo)空間位置,同ADS-B 報告位置比對判斷目標(biāo)的真實性與有效性[103]。

針對星座設(shè)計,北航張學(xué)軍等結(jié)合當(dāng)前空管發(fā)展與監(jiān)視需求,提出了滿足全球覆蓋的60 星、96 星的2 種星座構(gòu)型方案,同時考慮衛(wèi)星重量與尺寸包絡(luò),探討了一箭多星的星座部署方案;并采用“瓦式”架構(gòu)射頻前端設(shè)計,將輻射陣元通過功分網(wǎng)絡(luò)合成后與后端射頻模塊按照分層結(jié)構(gòu)層層堆砌在基板上,對星間鏈路技術(shù)展開研究。

北航張濤等建立路徑中間節(jié)點到目的節(jié)點之間的M條待選轉(zhuǎn)發(fā)路徑,在目的節(jié)點周圍建立多徑,共同負擔(dān)全球ADS-B 業(yè)務(wù)流量業(yè)務(wù),緩解目的節(jié)點周圍的擁塞和延時,提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃訹104]。 針對ADS-B 業(yè)務(wù)在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生匯聚的特點,提出一種可以緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的動態(tài)路由協(xié)議,引入了鏈路代價機制和鏈路狀態(tài)反饋機制,結(jié)合最短路徑算法,緩解空間信息網(wǎng)絡(luò)的鏈路擁塞,降低丟包率[105-106]。 張學(xué)軍等提出了一種基于目標(biāo)節(jié)點泛洪的全局-局部路由算法DFGL,在全局范圍內(nèi)使用多目的節(jié)點的泛洪算法,在匯聚節(jié)點的N跳范圍內(nèi)進行多徑路由優(yōu)化,隨后通過動態(tài)代價估計和概率路徑選擇對算法進一步改進,并利用空間網(wǎng)絡(luò)仿真(SNS)系統(tǒng)上進行仿真驗證,提高了路由算法在實際場景中的可用性[107]。

中國民航大學(xué)劉海濤等理論推導(dǎo)了在僅有ADS-B 信號干擾情況下星基接收機的監(jiān)視容量[108],之后又基于共信道干擾模型理論分析ADS-B 消息被星基接收機正確接收的概率以及位置報告更新間隔,并結(jié)合航空器的空-時分布特性分析了星基系統(tǒng)的監(jiān)視容量,對單通道接收機能否滿足當(dāng)前監(jiān)視需要作評估[109]。 北航張學(xué)軍等提出通過水平位置更新率PUR、氣壓高度更新率PUH、航空器身份更新率PUI 計算監(jiān)視系統(tǒng)所需監(jiān)視性能可用性[110];此外提出一種監(jiān)視性能評估指標(biāo)形成方法,利用航空器的航行信息建立參考航跡,依據(jù)預(yù)設(shè)有效數(shù)據(jù)標(biāo)準,通過比對參考航跡中數(shù)據(jù)項與航行信息數(shù)據(jù)項篩選并統(tǒng)計監(jiān)視性能指標(biāo)[111]。 同時,張學(xué)軍等搭建了國內(nèi)首套空事衛(wèi)星系統(tǒng)半實物仿真演示驗證平臺,該平臺可將實物載荷與真實衛(wèi)星映射為虛擬衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星節(jié)點,通過真實數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)共同模擬星座運行狀態(tài),評估系統(tǒng)監(jiān)視性能。

4.2 北航星基ADS-B 驗證星

北航于2019 年發(fā)射了星基ADS-B 平臺技術(shù)驗證星,驗證了所需衛(wèi)星平臺的功能及性能指標(biāo),并在2020 年發(fā)射了北航星基ADS-B 技術(shù)驗證星,如圖12 所示,其上搭載張學(xué)軍等針對星基ADS-B 信號傳輸衰減大、空域內(nèi)信號易產(chǎn)生沖突等重點問題研制的星基ADS-B 航空監(jiān)視載荷開展在軌技術(shù)驗證。 該載荷是中國首個面向全球空管需求,針對全球航班廣域監(jiān)視應(yīng)用研制的載荷,突破了星基ADS-B 高靈敏度解調(diào)算法、數(shù)字多波束接收等關(guān)鍵技術(shù)。

圖12 北航星基ADS-B 技術(shù)驗證星Fig.12 Beihang space-based ADS-B technology verification satellite

自成功發(fā)射以來,衛(wèi)星工作正常,獲得了全球空域的大量飛行數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可知,繁忙空域內(nèi),平均每小時接收ADS-B 消息數(shù)超過100 萬條;最遠探測距離超過2 500 km;半徑800 km 的設(shè)計覆蓋范圍內(nèi),95% 位置消息更新間隔低于8 s,報文更新率初步滿足空管運行需求,性能指標(biāo)達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平[112]。 北航星基ADS-B 系統(tǒng)技術(shù)驗證星獲取的全球航空器分布如圖13 所示。

圖13 北航星基ADS-B 系統(tǒng)技術(shù)驗證星獲取的全球航空器分布Fig.13 Global aircraft distribution obtained by Beihang space-based ADS-B technology verification satellite

根據(jù)北航星基ADS-B 技術(shù)驗證星在軌試驗期間接收的數(shù)據(jù)分析,充分考慮運輸航空起飛/降落、離場/進近、巡航各個階段運行場景與通用航空監(jiān)視跟蹤運行場景,其具備在全球范圍內(nèi)對運輸航空器各飛行階段進行監(jiān)視跟蹤的能力,具備對在全球范圍內(nèi)對通用航空飛行器監(jiān)視跟蹤的能力。

國外對星基ADS-B 系統(tǒng)的研究起步較早,2013 年發(fā)射的Proba-V 衛(wèi)星就首先驗證了衛(wèi)星接收ADS-B 信號的可行性,而GOMX-1 衛(wèi)星則驗證了基于立方星的ADS-B 載荷的可行性,隨后Aireon 公司建設(shè)的銥星二代系統(tǒng)采用相控陣天線、多波束接收的星基ADS-B 載荷,具備了提供空管監(jiān)視服務(wù)的能力,也是目前國際上唯一建成并投入商業(yè)試運行的星基ADS-B 系統(tǒng)。

國內(nèi)2015 年后有一些不成系統(tǒng)的低軌ADSB 監(jiān)視試驗衛(wèi)星,國防科技大學(xué)、上海微小衛(wèi)星工程中心相繼發(fā)射了試驗星“天拓三號”和“上科大二號”,均實現(xiàn)了星基ADS-B 信號的接收,這些試驗星參考國外前期研究,基于單顆衛(wèi)星對ADS-B信號接收的可行性做了驗證,無法滿足全球空管監(jiān)視應(yīng)用需求。 2020 年國防科技大學(xué)沿用“天拓三號”技術(shù)體制,發(fā)射了改進的“天拓五號”,在星基ADS-B 接收性能上有所提升,但仍舊無法滿足空管運行需求。

根據(jù)國內(nèi)已發(fā)射的低軌ADS-B 衛(wèi)星測試情況,北航星基ADS-B 技術(shù)驗證星面向空管監(jiān)視實際運行設(shè)計與研制,在高靈敏度接收算法、數(shù)字多波束合成等關(guān)鍵技術(shù)上有所突破,初步滿足了空管運行需求。 其作為單星的技術(shù)驗證星,與目前已經(jīng)成功組網(wǎng)、唯一商業(yè)化運作的銥星二代系統(tǒng)還存在一定差距,在性能指標(biāo)與星間鏈路等方面還有改進與提升的空間。

但北航星基ADS-B 技術(shù)驗證星在軌驗證的成功仍標(biāo)志著中國在星基航空監(jiān)視方面達到國際先進水平,未來將有能力給航空用戶提供基礎(chǔ)的全球航空監(jiān)視和跟蹤服務(wù),極大推動中國空事衛(wèi)星系統(tǒng)全面組網(wǎng)建設(shè)的進程,對中國軍民航和通航的發(fā)展具有極為重要的意義。

5 結(jié)束語

星基ADS-B 系統(tǒng)利用低軌衛(wèi)星空間覆蓋優(yōu)勢,搭載ADS-B 接收機,實現(xiàn)對全球高中低空各類空域的全覆蓋,可為所有安裝了ADS-B 設(shè)備的航空器提供空中交通管制監(jiān)視服務(wù),確保其不受陸基系統(tǒng)地形限制的影響,解決陸基空管系統(tǒng)在洋區(qū)、荒漠、偏遠地區(qū)的盲區(qū)問題,提升全球空管綜合監(jiān)控能力,實現(xiàn)全球范圍內(nèi)無縫空域監(jiān)視和空中交通管理。 北航、九洲空管公司、中國民航大學(xué)等單位的聯(lián)合團隊針對星基ADS-B 進行了廣泛而深入的研究,成功發(fā)射的北航星基ADS-B 技術(shù)驗證星為中國空管系統(tǒng)全球化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

為了推動中國星基ADS-B 系統(tǒng)的全面建設(shè),未來還需要進一步發(fā)展并突破關(guān)鍵技術(shù),提升其解調(diào)靈敏度,改進其相控陣天線和多通道處理設(shè)計等,以提高有效覆蓋范圍,適應(yīng)不同軌道高度和不同航空用戶的需求;此外,要想為全球范圍內(nèi)的航空用戶提供監(jiān)視服務(wù)必須完成衛(wèi)星全球組網(wǎng),其中包括星座與衛(wèi)星平臺設(shè)計、低時延星上路由等多項關(guān)鍵技術(shù),可以結(jié)合航空網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測,主動分散衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)流量以防止擁塞;另外,還需結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準進一步完善監(jiān)視性能評估體系,支撐星基ADS-B 系統(tǒng)運行。

同時隨著中國軍事現(xiàn)代化進程不斷推進,軍民航空域使用需求多元化、多樣化趨勢明顯加快,空域使用結(jié)構(gòu)需求更加復(fù)雜,空域使用矛盾將繼續(xù)加劇。 星基ADS-B 系統(tǒng)的發(fā)展時刻都有軍方身影,其不僅是服務(wù)全球空中交通的一種高效基礎(chǔ)設(shè)施,更是軍航作戰(zhàn)全球飛行的一種支撐體系。未來需要綜合考慮軍民航空管在國家戰(zhàn)略和全球化發(fā)展中的作用,建立統(tǒng)一的兼容技術(shù)架構(gòu),將航天航空技術(shù)要求和軍民航用戶需求整合在一起,以發(fā)展需求為牽引、拓展軍民航應(yīng)用,實現(xiàn)與航空企業(yè)、地區(qū)經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展,實現(xiàn)資源共用、信息共享為重點的軍民航協(xié)同發(fā)展。