星載ADS-B接收系統(tǒng)及其應(yīng)用

● 文|國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院　陳利虎　陳小前　趙勇

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星載ADS-B接收系統(tǒng)及其應(yīng)用

● 文|國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院陳利虎陳小前趙勇

星載ADS-B接收系統(tǒng)有著全天時(shí)、全天候、大范圍、遠(yuǎn)距離、衛(wèi)星探測合法性等優(yōu)點(diǎn)，可從空間對(duì)全球航空目標(biāo)進(jìn)行位置跟蹤、監(jiān)視及物流調(diào)控。本文介紹了星載ADS-B系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)和應(yīng)用前景；分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了國防科技大學(xué)“天拓三號(hào)”星載ADS-B系統(tǒng)在軌應(yīng)用情況；提出了未來ADS-B微納衛(wèi)星星座組網(wǎng)方案設(shè)想。

一、概述

近年來，航空業(yè)發(fā)展迅速，飛行流量持續(xù)快速增長使得民航空域資源嚴(yán)重短缺，給航跡跟蹤、流量控制、航空安全、事故搜救等帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大流量空中交通的無縫連續(xù)監(jiān)視，需要建設(shè)復(fù)雜的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；另一方面，受自然環(huán)境限制，全世界大部分地區(qū)沒有得到航空監(jiān)控，尤其在海洋、極地、山區(qū)、沙漠和不發(fā)達(dá)地區(qū)安裝地面監(jiān)視設(shè)備在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上無法實(shí)現(xiàn)。在這一背景下，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視 （Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

ADS-B技術(shù)采用全向廣播方式自動(dòng)播發(fā)機(jī)型、航空代碼、位置、速度、高度和航線等，將衛(wèi)星導(dǎo)航、通信技術(shù)、機(jī)載設(shè)備以及地面設(shè)備等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，提供了更加安全、高效的空中交通監(jiān)視手段，能有效提高管制員和飛行員的運(yùn)行態(tài)勢感知能力，擴(kuò)大監(jiān)視覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運(yùn)行效率。ADS-B工作原理如圖1所示。

圖1　ADS-B工作原理

國際民航組織于第十一屆航行大會(huì)確定ADS-B技術(shù)為全球新航行技術(shù)的主要發(fā)展方向。歐洲要求從2015年起重量大于5700kg或者速度大于250節(jié)的飛機(jī)強(qiáng)制裝配ADS-B播發(fā)設(shè)備，對(duì)于已經(jīng)投入使用的飛機(jī)截止到2017年完成改裝。美國、加拿大等國家也采取了類似的舉措。預(yù)計(jì)到2020年，ADS-B將會(huì)在世界范圍內(nèi)實(shí)際投入運(yùn)行。

中國民航高度重視新航行技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)施，不斷加強(qiáng)ADS-B 技術(shù)研究與應(yīng)用，在技術(shù)政策與規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)制定、機(jī)載設(shè)備加改裝、地面設(shè)備研制生產(chǎn)、技術(shù)驗(yàn)證與試驗(yàn)運(yùn)行等方面開展了大量工作，為ADS-B 地空監(jiān)視（ADS-B OUT）的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)70%的民航飛機(jī)已裝備ADS-B設(shè)備，在2020年后所有高性能飛行器將強(qiáng)制安裝ADS-B設(shè)備。

當(dāng)前，基于ADS-B飛行器跟蹤技術(shù)的空中管理還主要依靠陸基雷達(dá)，但國內(nèi)外已經(jīng)嘗試將高靈敏度ADS-B接收機(jī)安裝到低軌衛(wèi)星上，通過星載ADS-B對(duì)航空飛機(jī)進(jìn)行跟蹤，廣域偵收信號(hào)，衛(wèi)星位于境內(nèi)時(shí)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)偵收的信號(hào)，位于境外時(shí)先存儲(chǔ)后轉(zhuǎn)發(fā)。在星載ADS-B飛行器跟蹤技術(shù)應(yīng)用以前，依靠陸基雷達(dá)實(shí)現(xiàn)全球空管的范圍只有10%，而星載ADS-B飛行器跟蹤技術(shù)應(yīng)用之后將會(huì)將范圍擴(kuò)大到100%。

星載ADS-B對(duì)陸基監(jiān)控不到的遠(yuǎn)海、極地以及大量的遙遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)地區(qū)的空中管制意義非常重大。利用低軌衛(wèi)星星座可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的航空目標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)目標(biāo)監(jiān)控、空中流量測量和航線優(yōu)化，有效提高航空飛行效率和安全系數(shù)。另外，如果將已偵聽的航空目標(biāo)與其它偵察手段結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)軍機(jī)的鑒別和跟蹤。星載ADS-B獲取的信息對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事偵察具有重要價(jià)值。星載ADS-B應(yīng)用效果如圖2所示。

圖2　星載ADS-B偵收應(yīng)用效果圖

二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1．國外發(fā)展現(xiàn)狀

ADS-B從1991年首次在瑞典首都的Bromma機(jī)場成功演示以來，在國際民航組織新航行系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的指導(dǎo)下，歐洲、北美和澳大利亞等地區(qū)的航空組織進(jìn)行了卓有成效的研究和實(shí)驗(yàn)，一些具有代表性的進(jìn)展有：1994年初，美國聯(lián)邦航空局在Boston Logan機(jī)場對(duì)ADS-B監(jiān)視功能的性能開展了地對(duì)地通訊的實(shí)驗(yàn)；2008年，歐空局率先開始研究1090ES模式的ADS-B信號(hào)能否被低軌道衛(wèi)星接收到，研究和仿真促使了“星載ADSB”(ADS-B Over Satellite，AOS)的誕生；2010年11月，加拿大對(duì)飛臨哈德森灣上空的航空器強(qiáng)制要求裝備ADS-B發(fā)射系統(tǒng)；2011年，GlobalStar和ADS-B Technology開發(fā)出了ALAS （ADS-B Link Augmentation System），通過該系統(tǒng)，能夠?qū)⑤d有ALAS系統(tǒng)的飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)通過GlobalStar L/S數(shù)據(jù)鏈與衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；2013年，德國航空中心研制發(fā)射了國際首顆星載ADS-B的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星Proba-V；2015年，銥星二代衛(wèi)星開始陸續(xù)發(fā)射，計(jì)劃于2017年完全替代目前網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)其將成為第一個(gè)完成星座組網(wǎng)的ADS-B系統(tǒng)；2015年11月，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）將用于飛機(jī)和人造衛(wèi)星的通信頻率確定為1087.7-1092.3MHz，ADS-B的頻譜利用資源得到有效保障。雖然從星載ADS-B概念提出到目前不到十年時(shí)間，但其已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，目前，德國、丹麥、加拿大、美國、中國等相繼開展了星載ADS-B系統(tǒng)的研制，并發(fā)射了自己的ADS-B小衛(wèi)星。

歐美由于率先完成了地基ADS-B系統(tǒng)的建設(shè)，因此也都率先將目光投向了星載ADS-B技術(shù)。歐洲由歐盟和歐洲航空安全組織發(fā)起了SESAR（Single European Sky ATM Resarch），其中星載ADS-B技術(shù)也被列為未來空中交通管理的飛行跟蹤手段之一，同時(shí)ESA也發(fā)出了項(xiàng)目邀請，推進(jìn)星載ADS-B載荷研制和ADS-B衛(wèi)星在軌演示驗(yàn)證。美國由于通航發(fā)展迅速，因此也是全球最早開始部署地基ADS-B并將目光率先瞄向天基ADS-B系統(tǒng)的國家。

2011年，GlobalStar和ADS-B Technology開發(fā)出了ALAS （ADS-B Link Augmentation System），通過該系統(tǒng)，能夠?qū)⑤d有ALAS系統(tǒng)的飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)通過GlobalStar L/S數(shù)據(jù)鏈與衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2015年7月21-28日，GlobalStar在美國進(jìn)行了約36小時(shí)的飛行試驗(yàn)來對(duì)星載ADS-B信號(hào)的接收進(jìn)行驗(yàn)證，飛行期間，GlobalStar共收到了129300條報(bào)文中的125795條，接收成功率達(dá)到97%；8月12日，GlobalStar與ADS-B Technology宣布NASA Langley選擇了ALAS系統(tǒng)作為NASA雙向通信需求的研究工作。

ESA 2013年發(fā)射了由德國航空航天中心（DLR）研制的PROVE-V衛(wèi)星搭載了ADS-B接收機(jī)，驗(yàn)證了星載ADS-B飛行器跟蹤技術(shù)。在首次進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)2小時(shí)內(nèi)接收到了12000余條ADS-B報(bào)文見圖3、圖4、圖5所示。它的成功驗(yàn)證了從太空進(jìn)行空管的可能性。

圖3　PROVE-V衛(wèi)星在英國空域偵收到的ADS-B信號(hào)

圖4　PROVE-V衛(wèi)星在澳大利亞空域偵收到的ADS-B信號(hào)

圖5　PROVE-V衛(wèi)星ADS-B偵收幅寬示意圖（單軌約500km）

該衛(wèi)星驗(yàn)證了從太空持續(xù)跟蹤航空器的可能性。在不到的兩年時(shí)間里，對(duì)地覆蓋范圍相對(duì)較?。s1200L×500W (km)）的ADS-B載荷已接收了來自15000多架飛機(jī)的2500萬個(gè)位置信號(hào)。該接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)通過與澳大利亞的地基ADS-B網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)比對(duì)，吻合結(jié)果非常好，驗(yàn)證了DLR研制的天基ADS-B接收機(jī)的接收性能。

2013年前后，美國Iridium公司宣布將搭載ADS-B接收機(jī)到其未來發(fā)射的Iridium-NEXT星座上（見圖6、圖7），預(yù)計(jì)2017－2020年提供全球商業(yè)化服務(wù)。該信息在馬航事件后不斷被提上航天類科技新聞?lì)^條，因?yàn)殂炐堑男亲采w特性全球有目共睹，基于星間鏈路和全球覆蓋星座，確保了即使經(jīng)過北極上空的飛機(jī)，也能夠被Iridium衛(wèi)星接收并通過星間鏈路傳到地面網(wǎng)關(guān)站，為用戶提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)的ADS-B信息。

圖6　搭載ADS-B載荷的下一代銥星星座

圖7　下一代銥星星座搭載的ADS-B載荷陣列天線

丹麥的GomSpace公司于2013年11月21日將GOMX-1發(fā)射入軌，該衛(wèi)星搭載了該公司第一代星載ADS-B接收機(jī)，該接收機(jī)在軌工作狀態(tài)良好，回傳了大量有效ADS-B數(shù)據(jù)（見圖8）。但由于該衛(wèi)星的平臺(tái)僅采用了9.6kbit/s的下行速率，有大量的接收并解調(diào)的數(shù)據(jù)沒有成功下傳。

圖8　GOMX-1衛(wèi)星（右上螺旋為ADS-B天線）

之后發(fā)射了GOMX-2，但是火箭升空后爆炸。在2015年8月19日成功發(fā)射了GOMX-3到國際空間站（見圖9），在2015年10月5日將該衛(wèi)星部署到近地軌道。GOMX-3與GOMX-1相比，有三處主要變化，一是衛(wèi)星尺寸由2U變?yōu)榱?U，二是搭載了第二代ADS-B星載接收機(jī)，三是采用了X頻段的數(shù)傳，下行速率達(dá)到2Mbit/s。

圖9　GOMX-3衛(wèi)星及其在空間站分離

加拿大皇家軍事學(xué)院（RMCC）響應(yīng)加拿大國防研究與發(fā)展部的號(hào)召，在2009年開始研究天基接收ADS-B可行性，并由學(xué)生發(fā)起了一項(xiàng)氣球試驗(yàn)，驗(yàn)證是否能夠通過氣球上的ADS-B接收機(jī)來接收飛機(jī)的ADS-B信號(hào)。試驗(yàn)進(jìn)行了3次，其中2009年6月12日和2012年3月21日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較好，氣球上接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)與地面ADS-B基站接收的數(shù)據(jù)吻合較好。隨后，該項(xiàng)目被并入了CANX-7衛(wèi)星項(xiàng)目（見圖10）。CANX-7衛(wèi)星預(yù)計(jì)2016年發(fā)射。

圖10　CanX-7衛(wèi)星進(jìn)行ADS-B飛行器跟蹤

荷蘭的ISIS公司預(yù)計(jì)將在2017年發(fā)射ADS-B 的PoC衛(wèi)星，并在2018年中期組網(wǎng)形成天基ADS-B系統(tǒng)；ESA成立了歐洲全球監(jiān)視研究組，提出將ADS-B技術(shù)帶到太空，提供全球覆蓋，10～15s更新速率的準(zhǔn)實(shí)時(shí)ADS-B數(shù)據(jù)；而前文提到的Iridium系統(tǒng)已經(jīng)開始了組網(wǎng)的第一步。

2．國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國防科技大學(xué)微納衛(wèi)星工程中心2015年9月發(fā)射了“天拓三號(hào)”（TT-3）。這是我國首次進(jìn)行星載航空目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別信號(hào)接收試驗(yàn)。TT-3星載ADS-B接收系統(tǒng)平均每天可接收全球范圍40多萬條ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)，幅寬超過2000km，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)全球范圍航空目標(biāo)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)目標(biāo)監(jiān)控、空中流量測量，接收的報(bào)文數(shù)據(jù)可為航空安全、航線優(yōu)化、航空管制和提升航空效率提供信息服務(wù)。如圖11、圖12所示。

圖11　TT-3星載ADS-B單軌幅寬示意圖（2015-09-22）

圖12　TT-3星載ADS-B 8小時(shí)偵收數(shù)據(jù)示意圖（2015-09-22）

三、ADS-B星座方案設(shè)想

單星對(duì)于目標(biāo)的重訪時(shí)間將很長（通常超過10小時(shí)），導(dǎo)致了系統(tǒng)的實(shí)用性降低。為了能夠快速反應(yīng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化情況，提高覆蓋性能，必須采用星座組網(wǎng)方案。

如需要全球?qū)崟r(shí)，則需要建設(shè)類似美國銥星的星座（66星組網(wǎng)，且擁有星間鏈路），構(gòu)建周期和經(jīng)費(fèi)均較為龐大。考慮經(jīng)濟(jì)性和效費(fèi)比，可以分別建設(shè)區(qū)域?qū)崟r(shí)覆蓋和準(zhǔn)實(shí)時(shí)全球覆蓋星座。

全世界的經(jīng)濟(jì)中心集中在南北緯37°以內(nèi)，可考慮建設(shè)中低緯度實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)覆蓋同時(shí)兼顧全球覆蓋的星座，如設(shè)計(jì)中傾角LEO（40～45°）+太陽同步軌道LEO的混合星座，使用36顆（6軌道面，每軌道面6顆）40°傾角LEO衛(wèi)星+2×2顆太陽同步軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)中低緯度準(zhǔn)實(shí)時(shí)覆蓋，同時(shí)太陽同步軌道的衛(wèi)星可保證全球覆蓋。

四、結(jié)束語

星載ADS-B具有位置高遠(yuǎn)、廣域覆蓋的優(yōu)勢，其偵收信息在軍事上可用于監(jiān)視全球航空目標(biāo)，配合重要目標(biāo)詳查；在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中可用于掌握全球航空動(dòng)態(tài)、維護(hù)航行安全、分析全球經(jīng)濟(jì)態(tài)勢等，在智能大交通、空管、物流等各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?？偟膩碚f星載ADS-B具有巨大的軍民兩用價(jià)值。

2015年國內(nèi)星載ADS-B系統(tǒng)的首次飛行驗(yàn)證圓滿完成，改進(jìn)型星載ADS-B載荷、低信噪比解調(diào)和多信號(hào)沖突信號(hào)分選算法等研究進(jìn)展順利，微納衛(wèi)星平臺(tái)的研制和驗(yàn)證日漸完善，各應(yīng)用單位在星載ADS-B數(shù)據(jù)處理和顯示、數(shù)據(jù)庫的建設(shè)方面日漸成熟。綜合以上幾個(gè)有利因素，可以看出我國建設(shè)實(shí)用化的星載ADS-B偵收系統(tǒng)已經(jīng)具有良好的基礎(chǔ)和條件。

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