基于北斗的多鏈路通用航空監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦 毅， 林 琳， 王靖濤， 李林春

(中國民用航空飛行學(xué)院 民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地， 四川 廣漢 618307)

2012年，中國通航產(chǎn)業(yè)首次被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，自此進(jìn)入爆發(fā)式發(fā)展階段。通航飛機(jī)數(shù)量也從2012年12月的1 342架增至2020年12月的2 892架[1]。隨著通航產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，通航飛機(jī)的安全問題也開始受到人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來通用航空發(fā)生的事故數(shù)量和事故征候率遠(yuǎn)高于運(yùn)輸航空。究其原因：中國通航飛機(jī)機(jī)隊(duì)組成復(fù)雜，通信監(jiān)視設(shè)備落后；通用航空器運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、工作時(shí)間靈活，很難為其提供空中交通管理服務(wù)。

通用航空器主要在低空空域運(yùn)行且飛行速度較慢，當(dāng)前主要的空管雷達(dá)很難為其提供有效監(jiān)視，存在著監(jiān)視盲區(qū)。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)系統(tǒng)作為新型航空監(jiān)視技術(shù)，憑借監(jiān)視精度高和性價(jià)比高的優(yōu)勢，在世界各國航空業(yè)得到廣泛推廣應(yīng)用。利用加裝的機(jī)載ADS-B設(shè)備，航空器可以將自身的經(jīng)度、緯度、高度和速度等方位信息以及姿態(tài)、航班號(hào)、地址碼等其他信息自動(dòng)對外廣播，以協(xié)助其他航空器和地面設(shè)備及時(shí)掌握其空中態(tài)勢，從而實(shí)現(xiàn)相互感知。運(yùn)用ADS-B技術(shù)，航空器可以更好使用空域空間，降低高度和能見度的限制，提高場面監(jiān)視能力，增強(qiáng)航空安全[2]。ADS-B雖然是一項(xiàng)先進(jìn)的空中監(jiān)視技術(shù)，仍面臨若干問題：ADS-B系統(tǒng)容易受障礙物和地形環(huán)境的影響，只能夠通過增設(shè)地面站來擴(kuò)大通信覆蓋面，但這將增加建設(shè)成本且偏遠(yuǎn)地區(qū)通常不符合地面站建設(shè)要求；當(dāng)前ADS-B系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)來源基本以GPS數(shù)據(jù)為主，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性存在很大隱患[3]。2020年7月31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡稱北斗系統(tǒng))迎來全球服務(wù)時(shí)代。將北斗作為ADS-B系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，不僅能夠擺脫導(dǎo)航數(shù)據(jù)受制于人的困境，并且雙模定位的導(dǎo)航模式精度高、可靠性更強(qiáng)。此外，短報(bào)文通信技術(shù)能夠提供衛(wèi)星通信鏈路，即使在ADS-B信號(hào)覆蓋范圍外，也能提供監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。國內(nèi)外學(xué)者圍繞北斗及ADS-B的系統(tǒng)應(yīng)用與推廣展開了廣泛的研究：針對北斗短報(bào)文通信容量受限的問題，文獻(xiàn)[4]利用單次多點(diǎn)和多卡復(fù)用技術(shù)，提高了通信頻度。地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)是下一代民航飛機(jī)主要的進(jìn)近和著陸引導(dǎo)方式，當(dāng)前GBAS系統(tǒng)主要由GPS提供位置信息。于耕等[5]將北斗作為GBAS系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于北斗的GBAS系統(tǒng)計(jì)算出的完好性數(shù)據(jù)滿足RTCA (航空無線電技術(shù)委員會(huì)) 規(guī)范中對CAT I 類進(jìn)近要求的定義，北斗衛(wèi)星可以作為中國下一代的GBAS系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)源。文獻(xiàn)[6]使用接收到的北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)仿真生成了ADS-B報(bào)文，詳細(xì)闡述了報(bào)文產(chǎn)生涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及報(bào)文的生成過程，為基于北斗導(dǎo)航源的ADS-B相關(guān)技術(shù)研究提供參考。文獻(xiàn)[7]將ADS-B技術(shù)應(yīng)用到機(jī)場場面監(jiān)視領(lǐng)域，首先使用ADS-B信息對飛機(jī)進(jìn)行定位，其次利用歷史軌跡預(yù)測飛機(jī)未來某時(shí)刻位置，通過歷史與預(yù)測位置劃分飛機(jī)活動(dòng)區(qū)域，最后在一個(gè)小區(qū)域中完成目標(biāo)飛機(jī)的識(shí)別。星基ADS-B具有監(jiān)視精度高、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，是今后ADS-B技術(shù)的主要發(fā)展方向。文獻(xiàn)[8]介紹了星基ADS-B系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理，提出了將飛機(jī)位置的更新間隔作為系統(tǒng)性能評價(jià)的技術(shù)指標(biāo)。

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速定位和雙向通信的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種兼容北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信和1090ES鏈路并行的通用航空監(jiān)視系統(tǒng)。系統(tǒng)由便攜式機(jī)載設(shè)備、北斗地面監(jiān)視指揮中心和數(shù)據(jù)融合服務(wù)器構(gòu)成,使用北斗/GPS雙模定位模塊獲取航空器ID、位置、速度、航向等關(guān)鍵信息，通過北斗衛(wèi)星短報(bào)文和1090ES信道并行的通信機(jī)制，可靠地將航空器的關(guān)鍵狀態(tài)信息發(fā)送至地面監(jiān)控、指揮中心。此外，機(jī)載設(shè)備的雙向通信能力能夠幫助通航駕駛員接收來自地面指揮中心的指令。

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 ADS-B技術(shù)

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的ADS-B技術(shù)是國際民航組織(ICAO)推薦使用的集數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)于一體的新一代航行系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)[9]。ADS-B系統(tǒng)主要由安裝了S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)、地面站、ATC塔臺(tái)和地面站之間的網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。飛機(jī)使用GNSS進(jìn)行實(shí)時(shí)定位后，機(jī)載設(shè)備以1 s的間隔時(shí)間廣播自身ICAO地址、呼號(hào)、經(jīng)度、緯度、高度等信息。周邊航空器及地面監(jiān)視系統(tǒng)接收并處理這些信息，并在機(jī)載座艙交通信息顯示器(CDTI)或地面監(jiān)視終端上顯示，完成飛行狀態(tài)一致性監(jiān)視、機(jī)場場面定位監(jiān)視、空中防撞沖突檢測與解脫、飛行間隔保障、輔助進(jìn)近、防止跑道入侵等功能，從而完成對空域和地面活動(dòng)目標(biāo)的有效監(jiān)視。ADS-B信號(hào)通常采用數(shù)據(jù)鏈方式進(jìn)行傳輸，國際上常見的3種數(shù)據(jù)鏈包括1090ES數(shù)據(jù)鏈、UAT數(shù)據(jù)鏈和VDL-4數(shù)據(jù)鏈。其中1090ES模式的數(shù)據(jù)鏈路是中國民航唯一推薦的ADS-B系統(tǒng)工作鏈路，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種ADS-B鏈路。利用ADS-B技術(shù)，航空器位置由被動(dòng)探測向主動(dòng)報(bào)告轉(zhuǎn)變，極大加強(qiáng)了飛行安全，也為自由飛行奠定基礎(chǔ)。

圖1 ADS-B系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ADS-B數(shù)據(jù)采用簡單的脈沖位置調(diào)制(PPM)編碼，如圖2所示。所有ADS-B 報(bào)文都包含有8 μs的報(bào)文前導(dǎo)頭和112 μs的報(bào)文數(shù)據(jù)塊。ADS-B的報(bào)文前導(dǎo)頭固定為4個(gè)脈沖，4個(gè)脈沖的起始時(shí)刻點(diǎn)為0.0、1.0、3.5、4.5 μs，脈沖的持續(xù)時(shí)間為(0.5±0.05) μs。ADS-B 報(bào)文數(shù)據(jù)塊包含有 112 Bit(BIT1-BIT112)PPM 編碼的 0/1 數(shù)據(jù)位，從第8 μs開始，每Bit占用1 μs[10]。

圖2 ADS-B報(bào)文時(shí)序特征

ADS-B報(bào)文結(jié)構(gòu)如表1所示。DF=17格式用于S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射的ADS-B消息，CA字段表明應(yīng)答機(jī)位置屬性和發(fā)報(bào)能力；AA字段為應(yīng)答機(jī)24位ICAO地址；ME字段是ADS-B報(bào)文主體字段，包含時(shí)間、速度、位置等信息；PI字段為奇偶校驗(yàn)位。DF=18格式用于非S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射的ADS-B消息或TIS-B消息，當(dāng)CF=0或1時(shí)，此傳輸格式傳輸?shù)氖茿DS-B消息。由于DF=19 格式預(yù)留為軍事應(yīng)用，民用ADS-B設(shè)備無法使用此格式[11]。

表1 ADS-B報(bào)文結(jié)構(gòu)

1.2 北斗短報(bào)文通信技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDS),簡稱北斗系統(tǒng)，是中國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、歐洲伽利略系統(tǒng)構(gòu)成全球四大導(dǎo)航系統(tǒng)，各衛(wèi)星系統(tǒng)性能見表2。北斗系統(tǒng)創(chuàng)新地集成了定位與通信功能，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精準(zhǔn)授時(shí)、精準(zhǔn)位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能[12]。其中短報(bào)文通信服務(wù)在導(dǎo)航定位的同時(shí)提供衛(wèi)星同時(shí)鏈路，幫助用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。民用短報(bào)文通信特點(diǎn)如下:

表2 衛(wèi)星系統(tǒng)性能

1)報(bào)文通信容量受限。區(qū)域通信單次最大容量為14 000 bit，全球通信單次最大容量為560 bit，支持多種數(shù)據(jù)格式[13]。

2)北斗卡服務(wù)頻段受限，連續(xù)兩條北斗報(bào)文的間隔時(shí)間大約為1 min。

3)衛(wèi)星通信鏈路屬于不可靠通信，通信過程中沒有衛(wèi)星系統(tǒng)反饋的“確認(rèn)”回執(zhí)，無法確定數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功。

短報(bào)文功能通過北斗卡實(shí)現(xiàn)，在北斗衛(wèi)星信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，用戶可以不借助其他通信網(wǎng)絡(luò)完成信息的傳遞。此外，由于北斗卡號(hào)的唯一性，發(fā)報(bào)方的身份能夠被識(shí)別，報(bào)文傳輸流程如下：

1)發(fā)報(bào)方將通信內(nèi)容按照傳輸協(xié)議編輯并加密，再通過衛(wèi)星傳輸至地面中心站。

2)地面中心站根據(jù)接收到的通信申請信號(hào)，解密后再加密，通過衛(wèi)星將信號(hào)廣播給指定用戶。

3)接收到來自衛(wèi)星廣播的出站信號(hào)后，接收方對其進(jìn)行解調(diào)和解密，以獲得消息內(nèi)容并完成通信。

ADS-B系統(tǒng)信號(hào)更新頻率非?？?，每秒大約更新兩條報(bào)文信息。利用衛(wèi)星鏈路作為通信信道時(shí)，無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾约坝行?，因此傳輸前需對監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。為了保證重構(gòu)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)相同，選擇無損的LZW壓縮算法[14]。數(shù)據(jù)傳輸過程中參考TCP協(xié)定的數(shù)據(jù)包傳輸方式：發(fā)送方將數(shù)據(jù)包分為不超過短報(bào)文中最大通信寬度的幾個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)子包，并添加數(shù)據(jù)包頭標(biāo)識(shí)；接收端接收到數(shù)據(jù)后，通過北斗短報(bào)文的數(shù)據(jù)格式解析報(bào)文內(nèi)容，并根據(jù)包頭中標(biāo)識(shí)的子包號(hào)組裝成長報(bào)文。組包完成后,向發(fā)送終端發(fā)送信息內(nèi)容為0的響應(yīng)包,以說明接收到的數(shù)據(jù)包沒有丟失；一旦組包失敗,將在解析過程中標(biāo)識(shí)信息并定位為丟失子包序號(hào),并向發(fā)送端發(fā)送重傳的包序號(hào)。同樣,若在預(yù)期時(shí)限內(nèi)不能發(fā)送所有子包,則重復(fù)補(bǔ)包操作最多3次；如果仍然不成功，將放棄重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，并執(zhí)行其他數(shù)據(jù)傳輸過程[15]。

2 基于北斗的監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)中國民用航空局所發(fā)布的《中國民用航空發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃》，ADS-B系統(tǒng)在未來將會(huì)替代傳統(tǒng)空管雷達(dá)成為民航主要監(jiān)視手段。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)完成全球組網(wǎng)，滿足衛(wèi)星導(dǎo)航的各項(xiàng)指標(biāo)。ADS-B系統(tǒng)與北斗導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用與推廣將是未來研究的重點(diǎn)?；诒倍返耐ㄓ煤娇毡O(jiān)視系統(tǒng)由便攜式機(jī)載設(shè)備、地面監(jiān)視指揮中心和數(shù)據(jù)融合服務(wù)器組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

該系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)是北斗衛(wèi)星短報(bào)文和1090ES數(shù)據(jù)鏈并行通信。如何在不大幅增加設(shè)備體積、功耗和成本的基礎(chǔ)上，集成兩種數(shù)據(jù)通信鏈路，解決雙通道通信模式下的電磁兼容問題，實(shí)現(xiàn)雙模式兼容運(yùn)行或者可配置的單模式運(yùn)行。對于1090ES 數(shù)據(jù)鏈，可以直接按照RTCA DO-260B 技術(shù)規(guī)范進(jìn)行報(bào)文編碼和傳輸；而對于北斗短報(bào)文衛(wèi)星鏈路，可以根據(jù)北斗衛(wèi)星的報(bào)文格式和通信容量，將標(biāo)準(zhǔn)ADS-B 信息通過分解、融合、拼接的方式，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)ADS-B 報(bào)文在兩種不同信道上的傳輸[16]。為實(shí)現(xiàn)該功能，設(shè)計(jì)了一種多模式定位和多鏈路通信的機(jī)載監(jiān)控終端。通用航空器加裝機(jī)載設(shè)備后，可將接收到的位置信息(經(jīng)度、維度)、速度、航向、ICAO四字碼等參數(shù)編碼ADS-B報(bào)文格式對外傳輸。同時(shí)，多鏈路并行通信機(jī)制將航空器位置信息發(fā)送至各ADS-B地面站和“北斗”地面站。各個(gè)地面站通過通信網(wǎng)絡(luò)建立通信，并將解析好的報(bào)文信息發(fā)送至數(shù)據(jù)融合服務(wù)器。數(shù)據(jù)融服務(wù)器將兩種報(bào)文信息進(jìn)行融合處理后，分發(fā)給不同用戶，最終實(shí)現(xiàn)航空數(shù)據(jù)顯示。

2.2 便攜式機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)ICAO和CAAC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)規(guī)范，參考RTCA和ARINC相關(guān)國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為通航飛機(jī)設(shè)計(jì)了一套集成北斗/GPS雙模定位的便攜式機(jī)載監(jiān)視設(shè)備。該設(shè)備由衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、ADS-B接口模塊、ADS-B信息編碼模塊、1090ES射頻模塊、北斗通信模塊和電源模塊6部分組成。組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

衛(wèi)星導(dǎo)航模塊利用定位芯片獲得飛行器經(jīng)緯度、速度、航向等有關(guān)參數(shù)，并經(jīng)由RS232串口傳輸至接口模塊的微控制單元(MCU)進(jìn)行處理；接口控制模塊處理收發(fā)天線的申請電文，從而確定要返回的數(shù)據(jù)類型，并且即時(shí)獲取航空器定位信息和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)；ADS-B機(jī)載報(bào)文模塊負(fù)責(zé)報(bào)文組包和ADS-B信號(hào)的生成；北斗通信模塊中的RDSS基帶芯片接收ADS-B信號(hào)，傳輸至射頻芯片進(jìn)行處理，最后由北斗天線發(fā)送至地面指揮平臺(tái)；1090ES射頻模塊將ADS-B信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、預(yù)放、功放處理后，通過1090ES天線進(jìn)行發(fā)射。

2.3 北斗地面監(jiān)視指揮中心

地面站指揮中心系統(tǒng)由北斗指揮型用戶接收機(jī)、數(shù)據(jù)通信單元、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)視指揮平臺(tái)組成，如圖5所示。北斗指揮型接收機(jī)通過對北斗衛(wèi)星波束信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤處理，實(shí)現(xiàn)對下屬用戶的指揮調(diào)度和多級(jí)分組組網(wǎng)功能，能夠獲取下屬用戶機(jī)的通信信息并向用戶發(fā)布信息。然后通過數(shù)據(jù)接口模塊將獲取的通航飛機(jī)運(yùn)行信息(包括飛機(jī)狀態(tài)信息和位置信息)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。經(jīng)服務(wù)器處理后，顯示終端顯示并保存航空器的位置信息。利用北斗短報(bào)文的雙向通信功能，地面監(jiān)視指揮平臺(tái)可以為安裝了機(jī)載設(shè)備的通航飛行員提供通信服務(wù)。

圖5 北斗地面指揮中心結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試選擇塞斯納172、西門諾爾等經(jīng)典通用飛機(jī)機(jī)型。數(shù)據(jù)融合服務(wù)器不僅可以接收來自1090ES鏈路的監(jiān)視信息廣播報(bào)文，還可以接收通過北斗衛(wèi)星鏈路傳來的通用航空器位置信息，進(jìn)而完成狀態(tài)監(jiān)控、航跡規(guī)劃、電子地圖等功能，如圖6所示。數(shù)據(jù)融合服務(wù)器為C/S結(jié)構(gòu)，當(dāng)配置好客戶端應(yīng)用后，在異地的通用航空用戶即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問平臺(tái)并獲取相關(guān)信息。圖7為手機(jī)訪問ADS-B和北斗指揮中心數(shù)據(jù)融合服務(wù)器的屏幕截圖，航空器的位置能夠在GIS上清晰展示，同時(shí)得到航空器狀態(tài)的文本信息。

圖6 顯示界面

圖7 顯示界面(手機(jī)端)

4 結(jié)語

面對不斷蓬勃發(fā)展的通用航空產(chǎn)業(yè)，通用航空器對監(jiān)管的需要也不斷提高，雷達(dá)監(jiān)視手段無法滿足監(jiān)視需求。ADS-B技術(shù)雖然能夠滿足監(jiān)視性能，但監(jiān)視范圍受到地面站制約并且導(dǎo)航信號(hào)源存在安全隱患。本文設(shè)計(jì)了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的通用航空監(jiān)視系統(tǒng)，利用ADS-B技術(shù)與北斗導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，構(gòu)建出了覆蓋全國的通用航空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)隨著北斗導(dǎo)航通信技術(shù)在民航領(lǐng)域不斷推廣創(chuàng)新，系統(tǒng)具有良好應(yīng)用推廣前景。