ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)及其應(yīng)用

史紅亮，孫 悅，張 馳

ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)及其應(yīng)用

史紅亮，孫 悅，張 馳

本文主要介紹了ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視的系統(tǒng)組成以及技術(shù)原理，并結(jié)合在航空管制中的實(shí)際應(yīng)用探討分析了ADS-B系統(tǒng)的在通信監(jiān)視方面的巨大優(yōu)勢(shì)，為更好的提高飛行安全性提供技術(shù)支持。

ADS-B；航空交通管制；通信監(jiān)視；軍事應(yīng)用

1 引言

隨著人們對(duì)民用航空服務(wù)的需求日益增長(zhǎng)，以及國(guó)內(nèi)航空運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，當(dāng)前空域資源已明顯不足，隨之而來(lái)的是機(jī)場(chǎng)區(qū)域和空中航路的擁擠，甚至堵塞。因此，解決空中交通對(duì)空域的需求與空域資源的嚴(yán)重不足之間的矛盾已迫在眉睫。

ADS-B系統(tǒng)是基于衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)通信的航空器飛行監(jiān)視系統(tǒng)。它不僅成功應(yīng)用于無(wú)雷達(dá)地區(qū)的遠(yuǎn)程航空器運(yùn)行監(jiān)視，而且與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)具有使用成本低，精度誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)，是對(duì)雷達(dá)監(jiān)視手段的有益補(bǔ)充，可廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)空中防誤撞等軍事應(yīng)用中。同時(shí)該技術(shù)對(duì)于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)也有廣泛的應(yīng)用前景，許多國(guó)家把它當(dāng)作下一代監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向。目前，世界各國(guó)普遍加快了對(duì)ADS-B技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用。業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)之為“空中慧眼”。

2 系統(tǒng)組成

ADS-B系統(tǒng)是一個(gè)集通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)，由信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示三部分組成。

（1）信息源。飛機(jī)的四維位置信息（經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間）和其它可能附加信息（沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點(diǎn)等信息）以及飛機(jī)的識(shí)別信息和類(lèi)別信息。此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、空速、風(fēng)速、風(fēng)向和飛機(jī)外界溫度等。

（2）信息傳輸通道。以ADS-B報(bào)文形式，通過(guò)空-空、空-地?cái)?shù)據(jù)鏈廣播式傳播。

（3）信息處理與顯示。主要包括位置信息和其它附加信息的提取、處理及有效算法，并且形成清晰、直觀的背景地圖和航跡、交通態(tài)勢(shì)分布、參數(shù)窗口以及報(bào)文窗口等，最后以偽雷達(dá)畫(huà)面實(shí)時(shí)地提供給用戶。

3 技術(shù)原理

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）主要是以衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信等相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)航空器的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)視。ADS-B可以分別解釋為：自動(dòng)（Automatic），人工不需要干預(yù)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程；相關(guān)（Dependent），機(jī)載設(shè)備的功能使航空器具備數(shù)據(jù)發(fā)送的能力；監(jiān)視（Surveillance），監(jiān)視功能通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)完成；廣播（Broadcast），所有終端都可以在連續(xù)廣播中收到所需數(shù)據(jù)。

其工作過(guò)程為：首先由接受監(jiān)控航空器的機(jī)載設(shè)備接收衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位后，然后機(jī)載發(fā)射設(shè)備將ADS報(bào)告中相同格式的數(shù)據(jù)信息（例如標(biāo)識(shí)碼、位置、速度、時(shí)刻等）以固定時(shí)間間隔不間斷地向外廣播，發(fā)出廣播的飛機(jī)不需要了解由哪個(gè)系統(tǒng)在接收它的廣播，該航空器也可以接收到其他航空器發(fā)射的同樣信息。地面終端可以監(jiān)視到可接收信號(hào)范圍內(nèi)的任何航空器。

圖1 ADS-B系統(tǒng)原理示意圖

簡(jiǎn)單地講，它是一種端到端尋址式雙向數(shù)據(jù)鏈，提供ADS信息的航空器和希望接收ADS報(bào)告的地面站之間是根據(jù)約定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系而工作。不僅用于空對(duì)地的下行通信鏈路，下傳飛機(jī)位置報(bào)告，并且也能實(shí)現(xiàn)飛行員同管制員之間直接雙向數(shù)據(jù)通信（CPDLC）和上傳飛行報(bào)告信息（FIS）。

相對(duì)于航空器的信息傳遞方向，ADS-B分為兩類(lèi)：發(fā)送（OUT）和接收（IN）。其中OUT是ADS-B的基本功能，它負(fù)責(zé)將信號(hào)從飛機(jī)發(fā)送方經(jīng)過(guò)視距傳播發(fā)送給地面接收站或者其他飛機(jī)。ADS-B IN是指航空器接收其他航空器發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面服務(wù)設(shè)備發(fā)送的信息，為機(jī)組提供運(yùn)行支持和情境意識(shí)，如沖突告警信息，避碰策略，氣象信息。

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

ADS-B作為一種新型監(jiān)視技術(shù)，應(yīng)用于航空監(jiān)視與管制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)：

（1）空對(duì)空的相互監(jiān)視成為主要方式，駕駛員相當(dāng)于延伸了視程，“見(jiàn)到后避讓”的保障方式成為可能。這樣一來(lái)，提高飛行員對(duì)空中交通狀況的了解和保持安全間隔的能力，完善了空中交通防相撞系統(tǒng)的功能，加強(qiáng)了沖突告警和沖突脫離的能力，較好的分擔(dān)了空中交通管制防相撞責(zé)任。

（2）提高了航空器保持高度的效率，飛行間隔可以大大的縮小。在航路上飛行還可以實(shí)行連續(xù)的間隔保持、連續(xù)爬升和下降，以此可以增大飛行流量；在終端進(jìn)近區(qū)域，即使能見(jiàn)度較差，在不需要安裝精密跑道監(jiān)視雷達(dá)的情況下，航空器也可以進(jìn)行目視進(jìn)近、并且雙跑道平行間隔可以從750米縮減為440米；并且航空器之間的起飛、離場(chǎng)間隔也可以得到有效的監(jiān)視。

（3）豐富了空中交通的管制信號(hào)的渠道。在空對(duì)空互相監(jiān)視時(shí)，可將有用的飛行沖突信息在機(jī)載顯示器上顯示出來(lái)提供給機(jī)組，也能起到交通避撞系統(tǒng)（TCAS）的作用；當(dāng)?shù)孛嫔匣狙b備了ADS-B接收設(shè)備后，再經(jīng)過(guò)處理顯示在終端設(shè)備上，也能起到監(jiān)視雷達(dá)的作用，實(shí)現(xiàn)從地面了解空中交通的功能；當(dāng)場(chǎng)面活動(dòng)車(chē)輛上裝備了ADS-B收發(fā)機(jī)后，在終端區(qū)的飛機(jī)也能實(shí)現(xiàn)空對(duì)地面活動(dòng)監(jiān)視例如，了解跑道附近及機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)的交通，還能監(jiān)控到跑道或滑行道是否被其他飛機(jī)或車(chē)輛占用的情況。

（4）提高了分析決策支持工具的性能，完善決策咨詢(xún)的分析方式，做出最合理的空中調(diào)配預(yù)案。對(duì)駕駛員的自動(dòng)化飛行運(yùn)行和管制員的監(jiān)視/管制都極為有利，增加空中飛行安全系數(shù)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)必須具備有效避撞能力，這是保證有人，無(wú)人混合飛行安全的關(guān)鍵，將使無(wú)人機(jī)真正脫離隔離空域和預(yù)定航線的束縛。ADS-B技術(shù)可與TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System）技術(shù)結(jié)合，利用數(shù)據(jù)融合算法將兩者監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可大大提高監(jiān)視精度，進(jìn)而用于無(wú)人機(jī)混合空域防相撞。

對(duì)于管制中心來(lái)說(shuō)，ADS-B地面站建設(shè)成本是傳統(tǒng)二次雷達(dá)的九分之一，精度可以提高至10米量級(jí)，監(jiān)視數(shù)據(jù)更新速度更快（通常1秒1次）。在無(wú)雷達(dá)區(qū)ADS-B作為唯一的機(jī)載監(jiān)視數(shù)據(jù)源用于地面對(duì)空中交通的監(jiān)視，以減小航空器的間隔標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化航路設(shè)置，提高空域容量，在面對(duì)諸如芝加哥管制中心失火，該區(qū)域雷達(dá)監(jiān)視失效的情況時(shí)，可以相對(duì)靈活的將該區(qū)域飛機(jī)轉(zhuǎn)交其他管制中心。而在雷達(dá)覆蓋的區(qū)域，地面監(jiān)視同時(shí)使用雷達(dá)和ADS-B OUT作為監(jiān)視信息源?？梢钥s小雷達(dá)覆蓋邊緣區(qū)域內(nèi)航空器的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)，并且減少所需要的雷達(dá)數(shù)量。同時(shí)使用ADS-B OUT或者綜合使用ADS-B和其他監(jiān)視數(shù)據(jù)源（比如場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)、多點(diǎn)定位），為機(jī)場(chǎng)的地面交通監(jiān)控和防止跑道侵入等提供監(jiān)視信息，提高塔臺(tái)人員的情景意識(shí)。

對(duì)于航空公司來(lái)說(shuō)，ADS-B的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在安全、效益和容量三個(gè)方面。首先，ADS-B可以保持或改善航空工業(yè)現(xiàn)有的安全標(biāo)準(zhǔn)；其次效益方面，ADS-B極大地提高了ATC系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)的精度，這會(huì)幫助ATC了解飛機(jī)間的實(shí)際間隔，使管制員避免效率低下的引導(dǎo)指令來(lái)保持間距。在尾隨程序中，幫助飛機(jī)機(jī)動(dòng)到最佳運(yùn)行高度，允許飛行員向ATC請(qǐng)求并接收改變到更高，燃油效率更佳的巡航高度?；蛟S你會(huì)考慮到系統(tǒng)改裝的成本，實(shí)際上飛機(jī)廠家以及設(shè)備制造商早已取證和制定標(biāo)準(zhǔn)，新交付的飛機(jī)大多數(shù)可以滿足運(yùn)行要求，對(duì)于老舊飛機(jī)僅需要部分線路預(yù)留改裝以及機(jī)載設(shè)備的升級(jí)即可。最后容量方面，因?yàn)锳DS-B的高精度和報(bào)告頻率的增加可以大幅消減飛機(jī)的間隔要求，提高空中交通管制系統(tǒng)的容量。

6 結(jié)束語(yǔ)

ADS-B技術(shù)是新航行系統(tǒng)中非常重要的通信和監(jiān)視技術(shù)，把沖突探測(cè)、沖突避免、沖突解決、ATC監(jiān)視和ATC一致性監(jiān)視以及機(jī)艙綜合信息顯示有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，為新航行系統(tǒng)增強(qiáng)和擴(kuò)展了非常豐富的功能，同時(shí)也帶來(lái)了潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

工業(yè)和信息化部發(fā)布5G系統(tǒng)在3000-5000MHz頻段內(nèi)的頻率使用規(guī)劃

近日，我國(guó)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“5G系統(tǒng)”）頻率使用規(guī)劃取得重大進(jìn)展。為適應(yīng)和促進(jìn)5G系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展，根據(jù)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》，結(jié)合我國(guó)頻率使用的實(shí)際情況，工業(yè)和信息化部發(fā)布了5G系統(tǒng)在3000-5000MHz頻段（中頻段）內(nèi)的頻率使用規(guī)劃，我國(guó)成為國(guó)際上率先發(fā)布5G系統(tǒng)在中頻段內(nèi)頻率使用規(guī)劃的國(guó)家。

規(guī)劃明確了3300-3400MHz（原則上限室內(nèi)使用）、3400-3600MHz和4800-5000MHz頻段作為5G系統(tǒng)的工作頻段；規(guī)定5G系統(tǒng)使用上述工作頻段，不得對(duì)同頻段或鄰頻段內(nèi)依法開(kāi)展的射電天文業(yè)務(wù)及其他無(wú)線電業(yè)務(wù)產(chǎn)生有害干擾；同時(shí)規(guī)定，自發(fā)布之日起，不再受理和審批新申請(qǐng)3400-4200MHz和4800-5000MHz頻段內(nèi)的地面固定業(yè)務(wù)頻率、3400-3700MHz頻段內(nèi)的空間無(wú)線電臺(tái)業(yè)務(wù)頻率和3400-3600MHz頻段內(nèi)的空間無(wú)線電臺(tái)測(cè)控頻率的使用許可。國(guó)家無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)將負(fù)責(zé)受理和審批上述工作頻段內(nèi)5G系統(tǒng)的頻率使用許可，相關(guān)許可方案、設(shè)備射頻技術(shù)指標(biāo)和臺(tái)站管理規(guī)定另行制定和發(fā)布。

5G系統(tǒng)是我國(guó)實(shí)施“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”“制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，更是發(fā)展新一代信息通信技術(shù)的高地。頻率資源是研發(fā)、部署5G系統(tǒng)最關(guān)鍵的基礎(chǔ)資源，根據(jù)技術(shù)和應(yīng)用特點(diǎn)及電波傳播特性，5G系統(tǒng)需要高（24GHz以上毫米波頻段）、中（3000-6000MHz頻段）、低（3000MHz以下頻段）不同頻段的工作頻率，以滿足覆蓋、容量、連接數(shù)密度等多項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)的要求。本次發(fā)布的中頻段5G系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃綜合考慮了國(guó)際國(guó)內(nèi)各方面因素，統(tǒng)籌兼顧國(guó)防、衛(wèi)星通信、科學(xué)研究等部門(mén)和行業(yè)的用頻需求，依法保護(hù)現(xiàn)有用戶用頻權(quán)益，能夠兼顧系統(tǒng)覆蓋和大容量的基本需求，是我國(guó)5G系統(tǒng)先期部署的主要頻段。

為保證規(guī)劃制定的科學(xué)性、合理性，工業(yè)和信息化部結(jié)合《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》修訂和國(guó)際電聯(lián)2019年世界無(wú)線電通信大會(huì)相關(guān)議題的準(zhǔn)備工作，全面梳理了相關(guān)頻段國(guó)內(nèi)外的規(guī)劃和使用現(xiàn)狀，跟蹤研究全球主要國(guó)家或組織的5G系統(tǒng)頻譜策略。根據(jù)頻譜需求預(yù)測(cè)、電磁兼容和共存技術(shù)分析結(jié)論，經(jīng)各方協(xié)調(diào)、科學(xué)分析論證、專(zhuān)家咨詢(xún)、向社會(huì)公開(kāi)征求意見(jiàn)等程序，最終形成了正式的頻率使用規(guī)劃方案，并向社會(huì)主動(dòng)公開(kāi)發(fā)布。

此次工業(yè)和信息化部率先發(fā)布5G系統(tǒng)在中頻段的頻率使用規(guī)劃，將對(duì)我國(guó)5G系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)、試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)等制定以及產(chǎn)業(yè)鏈成熟起到重要先導(dǎo)作用。后續(xù)，工業(yè)和信息化部將繼續(xù)為5G系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展規(guī)劃調(diào)整出包含高頻段（毫米波）、低頻段在內(nèi)的更多的頻率資源。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.005

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1672-7274（2017）11-0019-03