1、ADS-B 监视技术功能探讨及特点分析基于 1090ES 数据链 高永刚 民航安徽空管分局 摘 要： ADS-B 技术是国际民航组织建议的未来空管监视技术的主要发展方向。它是结合地面设备、航空器机载设备以及卫星导航等相关先进技术, 其采用了更为安全、及时、有效的空中交通管理监视手段, 能够将管制员与飞行员的实时运行态势分析能力充分以及相应空域的使用率充分提高, 同时能够扩大空中交通的监视范围, 提升空中交通管理能力和服务质量。关键词： ADS-B; 1090ES; 信号处理; 数据链; 1 引言目前, 我国民航部门正在积极推进空中交通监视技术的升级, 努力打造天、空、地一体化基于 ADS-B
2、技术的运行体系, 积极推动 ADS-B 的建设与运行, 计划在不远的未来, 尽早完成全面加装改装飞行器机载设备和地面基础 ADS-B 的建设, 组成完善的民用航空 ADS-B 运行监视和信息服务体系, 为空中交通管理提供全空域监视手段, 为民航企业提供全面 ADS-B 信息服务, 为实现我国民航事业提供最强有力的技术支撑, 奠定提高民航飞行的安全水平、空域容量、运行效率和服务能力的强大基础。当前, 国内航班量持续增长, 传统空管监视技术 (如 PSR、SSR) 已不能完全满足空中交通服务的监视需求, 且建设维护成本高, 以 MLAT、ADS-B 为代表的新监视技术, 在定位精度、更新率、系统结
3、构和建设维护成本方面都比传统的要好, 可大幅提高运行效率, 受到了各国的推广。根据我国民航监视技术应用政策, “十三五”期间监视技术规划要求:在东部航线、塔台及机场场面有计划部署完善 ADS-B 地面基础设施, 将 ADS-B 作为补充监视手段。2017 年安徽地区 5 个机场将建 5 套 ADS-B 地面站。2 ADS-B 简述ADS-B 的英文全称是 Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, 翻译过来就是广播式自动相关监视系统。其基本原理是航空器通过空对地、空对空数据链, 使用全方向广播的方式, 自动发送和接收相关机载设备所提取的监控信息, 包
4、含如识别信息 (A 模、24 位地址码、呼号) 、位置信息 (经纬度、高度) 、速度信息及意向信息等。ADS-B 也同时能够为范围内的航空器提供所需的空中交通信息, 及时传送地形、天气、空域限制等相关飞行信息, 使飞行机组更加及时、清晰、准确地了解到周边的空中交通情况, 建立航行的情景意识。除此之外, 也可应用于航空公司本身的运行监控和飞行管理, 为安全飞行提供更加高效的保障。如今, ADS-B 已经是我国乃至世界上日趋成熟的民航客机地面监视方式之一, 这项技术在中国的研究及应用其实很早就已经开始了。早在上世纪 90 年代末, 我国民用航空部门为了探索新的飞行管理技术发展方向, 也为了促进西部
5、地区航空运输的发展, 建设了第一条基于 ADS 技术航行系统的新的航路 (L888 航路) , 并于 2000 年投入运行。到了 2004 年北京、上海以及广州三大区域管制中心建成时, 为其配套相应的空中交通管理自动化系统都已经具备了处理 ADS-B 信息的能力。ADS-B 作为四个单词的英文首字母缩写, 主要包含了以下含义:Automatic:可以自动进行数据传送;Dependent:数据的可用性是由航空器的设备决定, 数据发送则取决于机载系统;Surveillance:可以利用提供的状态数据来完成监视的任务;Broadcast:采用全方向的广播方式发送数据, 任何飞机或地面站配备相应设施均
6、可接收该信号。全世界范围内使用的 ADS-B 数据链主要有三种, 包括:1090ES (1090MHz 与扩展S 模式二次雷达相同) 全球通用、UAT (978MHz 美国通用航空使用) 和 VDL-4 (欧洲部分地区使用) 。1090ES 是国际民航组织 ICAO 推荐使用的技术。在国内, 运输航空采用 1090ES, 通用航空采用 1090ES 或 UAT。图 1 为 ADS-B 技术工作原理简图。图 1 ADS-B 技术工作原理 下载原图如图 1, 可清楚看出, ADS-B 监视技术与传统二次雷达监视技术相比, 最大的特点就是可实现空对空的数据交互。3 ADS-B 功能划分ADS-B 技
7、术的功能根据应用的方面可分为:发送 (ADS-B OUT) 和接收 (ADS-B IN) 。发送 (ADS-B OUT) 是指飞行器机载的 ADS-B 发射机以一定的频率向其它飞行器或者地面的服务设备发送飞行识别信息、位置信息、高度信息、速度信心、方向和爬升率等相关数据。所有 ADS-B 技术应用的先决条件便是发送 (ADS-B OUT) 功能。接收 (ADS-B IN) 是指飞行器或地面的 ADS-B 设备接收其他飞行器发出的发送 (ADS-B OUT) 信息或地面服务设备发送的信息, 为机组飞行提供所需的运行支持。ADS-B IN 可以使飞行员在 CDTI 上监视到其它飞行器的飞行状态,
8、能够及时有效地实施避让, 从而全方位地完善机组在飞行中的情景意识, 充分提高了航行中的安全性和时效性。后面的图 2 和图 3 则分别展示了发送 (ADS-B OUT) 和接收 (ADS-B IN) 的信号流程图。图 2 ADS-B OUT 信号流程图 下载原图图 3 ADS-B IN 信号流程图 下载原图需要说明的是, FIS-B (Flight Information Service Broadcast) 指的是飞行信息服务广播, 包括气象和航行情报等;TIS-B (Traffic Information Service Broadcast) 指的是交通信息服务广播, 生成空中交通监视全景信
9、息。4 ADS-B 地面站设备系统构成地面站系统按天线类型划分, 可分为全向天线系统和定向天线系统两种。下面以全向天线为例, 介绍 ADS-B 地面站子系统设备组成及功能。图 4 ADS-B 地面站设备系统图 下载原图4.1 全向天线 ADS-B 主机全向天线 ADS-B 主机是地面站的处理核心单元, 采用双机冗余架构, 主要完成信号处理、数据处理、状态监控、维护管理、信息服务等功能。全向天线 ADS-B 地面站设备的 ADS-B 主机由 GNSS 接收机模块 (两块) 、ADS-B 接收模块 (两块) 、信号数据处理模块 (两块) 、总线底板 (两块) 、电源模块 (两块) 、ADS-B 主
10、机机箱 (一套) 等组成。主机包括 GNSS 接收机、ADS-B 接收模块、信号数据处理模块和电源模块四个部分:GNSS 接收机主要负责对天馈单元接收到的 GNSS 信息进行处理, 提取其中的时间信息和导航信息, 形成 GNSS 时间信息地面站位置信息, 为后续的数据处理提供时间和位置数据。ADS-B 地面站主机配备 ADS-B 接收模块将 ADS-B 天线收到的微弱射频回波信号进行放大、滤波、检波处理, 输出对数视频信号, 主要包括前置放大器、混频、本振、对数放大、运放等组成单元。信号处理子模块能接收本机周边地面站设备的 GNSS 信息, 具备时钟源冗余备份能力, 确保各接收机或接收通道均能
11、够同步上 GNSS 时钟。主机的电源支持交流供电和直流供电, 支持交直流双路输入和单路输入, 电源模块设计实现输入、输出隔离。4.2 天馈单元天馈单元由 GNSS 天线、ADS-B 天线、ADS-B 馈线和 ADS-B 信号低噪放大器组成。GNSS 天线、ADS-B 天线、ADS-B 馈线主要完成 GPS 信号接收、1090MHz 信号接收。低噪放大器置于天线后, 作为补偿馈线损失, 降低整机的噪声系数, 对天线输入信号进行滤波, 提高整机的抗干扰能力和灵敏度。5 与其他监视技术的协同工作目前在国内, ADS-B 技术主要是和二次雷达监视技术协同工作。相对于二次雷达, ADS-B 技术有自己的
12、优势。它的数据更新率快 (二次雷达 4-10 秒, ADS-B1秒) , 信息更丰富, 目标位置精度高 (二次雷达 60 海里精度 116 米, 200 海里精度 388 米, ADS-B 精度由导航数据源误差和系统误差决定, 一般在 50 米内) , 成本不到航管二次雷达的十分之一, 建设难度小, 维护成本低等等;也有其自身的缺点, 导航数据源过于依赖 GNSS, 这样安全性和可靠性问题会比较突出, 数据的堵塞等问题尚未完全解决, 以及基本上现有的相关 S 模式地面监视设备并不包含上行广播功能, 因此目前情况下, 1090ES 的全面应用就会受到相应限制。但这并不影响两种监视方式的共同使用,
13、 二者可以很好兼容, 实现相辅相成, 共同提供信号服务。ADS-B 和二次雷达作为两种不同的空管监视手段, 它们之间是互为备份互为补充的关系, 而不是简单的替代关系。ADS-B 技术应用的大力推进也不会影响将来雷达的规划和建设。因此, 华东地区“十二五”规划的所有二次雷达, 并不会因 ADS-B 的大力推进而打折扣。6 结束语根据华东地区的建设目标, 相关单位会严格遵从民航组织 (ICAO) 相关技术规范和中国民航行业标准, 采用先进的技术、成熟的产品和优质的服务, 构建以网络为中心的多 ADS-B 地面站监视应用平台, 在统一的运行架构体系下, 实现ADS-B 监视数据的采集、处理、响应、服
14、务以及维护等功能, 满足华东地区ADS-B 监视使用要求, 在系统运行寿命周期内将为保障管制输区内的飞行安全、提高飞行效率提供有效帮助, 并能适应未来十几年内航空运量持续发展的使用需求。而合肥本场的 ADS-B 地面站设备, 也将于 2017 年底完成安装。作为监视专业的技术人员, 除了要深入了解设备外, 还要对日后可能出现的相关各类故障及处理方法及时的分析总结, 在平日的维护中能做到及时的发觉安全隐患。如果遇到问题, 无法及时判断故障点的, 应该要依据所掌握的知识, 根据系统图依次分析排查, 这样才能有效率的解决问题, 更好的保障 ADS-B 设备的安全正常运行。参考文献1中国民航局.在无雷达区使用 1090 兆赫扩展电文广播式自动相关监视的适航及运行批准指南Z.2008. 2中国民航局.广播式自动相关监视 (ADS-B) 管制运行规程Z.2011. 3中国民航局.1090 兆赫扩展电文广播式自动相关监视地面站 (接收) 设备技术要求Z.2012.
