1090ES ADS—B地面站設(shè)備的優(yōu)化探討

邱志豪

摘 要 本文在綜合分析現(xiàn)有1090ES ADS-B地面站設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況和設(shè)備使用經(jīng)驗，對ADS-B地面站設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化探討，完善現(xiàn)有做法，補(bǔ)充新的有益措施。

關(guān)鍵詞 ADS-B 地面站 優(yōu)化

中圖分類號：V351.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.08.019

Discussing the optimization of 1090ES ADS-B Ground Station

QIU Zhihao

（Middle South Regional Air Traffic Management Bureau of CAAC， Guangzhou，Guangdong 510403）

Abstract Based on the comprehensive analysis of the existing 1090ES ADS-B ground station equipment， according to the actual situation and the equipment using the experience of the study on Optimization of ADS-B ground station equipment， improve the existing practices and complement new measures.

Keywords ADS-B； ground station； optimization

0 引言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的空管監(jiān)視新技術(shù)。國際民航組織將其確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向，國際航空界正在積極推進(jìn)該項技術(shù)的應(yīng)用。中國民航結(jié)合現(xiàn)狀和未來發(fā)展需求，也制定了ADS-B發(fā)展規(guī)劃、應(yīng)用原則和總體策略，確定運輸航空采用1090MHz ES數(shù)據(jù)鏈，實施遵循“西部先試先行、由西向東穩(wěn)步推進(jìn)”原則。同時編寫發(fā)布了《1090兆赫擴(kuò)展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備技術(shù)要求（MHT4036-2012）》（簡稱技術(shù)要求），[1]努力推行ADS-B地面站設(shè)備入網(wǎng)許可測試工作。

為了響應(yīng)民航強(qiáng)國號召和推進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)化，近年來國內(nèi)設(shè)備廠家大力發(fā)展ADS-B地面站設(shè)備，該設(shè)備目前僅擁有接收功能，不具備發(fā)射功能。與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，ADS-B 地面站設(shè)備不僅提供更實時準(zhǔn)確的監(jiān)視信息，還具有建設(shè)成本少、數(shù)據(jù)精度高、使用壽命長等明顯優(yōu)勢。

由于現(xiàn)有ADS-B地面站設(shè)備的技術(shù)要求覆蓋較廣，對某些指標(biāo)或功能點規(guī)定不夠細(xì)致，這樣給設(shè)備廠家很大自由發(fā)揮空間。在實際研制生產(chǎn)過程中，根據(jù)以往經(jīng)驗和對技術(shù)要求理解的側(cè)重點不同，各設(shè)備廠家所用設(shè)計理念和實現(xiàn)技術(shù)方法也不一樣，故他們生產(chǎn)的ADS-B地面站設(shè)備富有特色且各有優(yōu)缺點。無論是外觀樣式還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能操作，均存在一些差異。例如接收機(jī)有墻掛式和機(jī)柜式兩種，而機(jī)柜式中板件模塊又有插拔式和固定式等。

雖然這些ADS-B地面站設(shè)備的功能和性能都符合技術(shù)要求，但是從用戶角度來看，非常需要一種工作效率高、可靠性強(qiáng)和智能化的設(shè)備，這對設(shè)備功能部分需求將超出技術(shù)要求的范圍，故需要不斷完善ADS-B地面站設(shè)備。

1 地面站設(shè)備優(yōu)化

1.1 接收機(jī)配置

目前A DS-B地面站設(shè)備是單站獨立運行，不涉及復(fù)雜子系統(tǒng)，其主要組成包括天饋線部分（ADS-B 天線和GNSS天線）、接收機(jī)、監(jiān)控顯示終端、配套交換機(jī)等。

（1）采用雙機(jī)冗余配置。技術(shù)要求有明確要求設(shè)備（天線除外）應(yīng)采用雙機(jī)冗余配置，單路輸出，具有自動切換和手動切換方式，切換應(yīng)不影響數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性。這種采用雙機(jī)冗余配置能更好保證地面站設(shè)備可靠性，適合安裝在無人值守的邊遠(yuǎn)臺站，跟國外采用單機(jī)模式不同，可見國內(nèi)對設(shè)備結(jié)構(gòu)的要求更高。

（2）采用交流和直流供電。接收機(jī)電源要求支持交流和直流，交流優(yōu)先，可以自動切換。若遇到特殊情況需要將接收機(jī)安裝在室外工作，則考慮在機(jī)柜內(nèi)置UPS電源，保證短時間斷電仍可工作。

（3）采用天線防護(hù)措施。若室外天線使用低噪聲大器，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝工藝，做好防雷接地和防水滲透，避免出現(xiàn)問題而降低天線性能。

1.2 主備切換

ADS-B地面站設(shè)備應(yīng)采用合理的自動切換機(jī)制，盡最大可能保證信號輸出連續(xù)而不中斷。

（1）設(shè)定故障分級。根據(jù)對地面站設(shè)備運行影響的嚴(yán)重程度，可以將故障劃分級別，具體如下：射頻接收故障、信號處理故障最有可能中斷信號輸出；GNSS信號丟失故障不會造成信號輸出，但隨著時間的增加會造成時鐘漂移，從而影響輸出信號質(zhì)量；交流電源故障、直流電源故障和信標(biāo)信號丟失故障不會造成信號中斷，基本不影響信號質(zhì)量，所以級別最低。

（2）根據(jù)故障分級智能切換。地面站設(shè)備能識別和判斷故障級別，自動切換至故障等級較低的那個接收機(jī)進(jìn)行工作。例如接收機(jī)A為主用時，其GNSS信號出現(xiàn)故障，設(shè)備會自動切換接收機(jī)B為主用，而接收機(jī)B隨后出現(xiàn)射頻接收故障導(dǎo)致接收信號中斷，設(shè)備應(yīng)能再次自動切換接收機(jī)A為主用。也就是說，雖然此時接收機(jī)A有GNSS信號故障，但其仍能保證設(shè)備輸出信號不中斷，可見劃定故障等級對保證信號輸出持續(xù)性有實際意義。

（3）根據(jù)信號質(zhì)量智能切換。地面站設(shè)備可以判斷當(dāng)前輸出信號質(zhì)量的好壞程度并進(jìn)行切換，其智能化要求較高。例如接收機(jī)A為主用，其某些部件沒有故障但出現(xiàn)性能下降，導(dǎo)致接收機(jī)A輸出的目標(biāo)數(shù)量比接收機(jī)B輸出的少10%，此時設(shè)備應(yīng)自動切換接收機(jī)B為主用。

1.3 傳輸協(xié)議

為適應(yīng)不同使用場景，ADS-B地面站設(shè)備應(yīng)提供網(wǎng)口和串口以保證快捷輸出。

（1）采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議。網(wǎng)口輸出建議使用UDP協(xié)議并支持廣播、組播和點播，這樣可以容易將數(shù)據(jù)發(fā)送給多個客戶端。不建議采用TCP協(xié)議，雖然其穩(wěn)定可靠，但是每次切換主用接收機(jī)后，均需要手動重新建立連接才能使得監(jiān)控顯示終端正常顯示，還有采用TCP協(xié)議很難跟其它在用設(shè)備進(jìn)行對接，不利于后期大規(guī)模數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

（2）采用串口或其他方式。地面站設(shè)備能夠支持串口，若沒有直接串口輸出，則可以考慮外購協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將網(wǎng)口RJ45轉(zhuǎn)成串口RS232。此外，還可以考慮支持光纖和微波等傳輸方式。

1.4 報文輸出

ADS-B地面站設(shè)備的報文輸出應(yīng)滿足現(xiàn)有設(shè)備使用要求。

（1）支持多個報文版本。由于建設(shè)時期不同，現(xiàn)有在用設(shè)備支持ASTERIX CAT021報文版本不一樣，例如早期設(shè)備支持較低版本V0.23和V0.26，而近期設(shè)備支持較高版本V1.5和V2.1。故要求ADS-B地面站設(shè)備支持多個報文版本，且可以選擇設(shè)置輸出。此外，設(shè)備輸出信號質(zhì)量要穩(wěn)定可靠，盡量少出現(xiàn)目標(biāo)跳變或丟點情況。

（2）報文數(shù)據(jù)項足夠豐富。地面站設(shè)備提供報文數(shù)據(jù)項種類越豐富，人們所掌握信息就越多，例如24位地址碼、航班號、位置、高度、速度、完好性、二次代碼等。故地面站設(shè)備輸出不僅要提供滿足技術(shù)要求規(guī)定的必須數(shù)據(jù)項，還要盡量提供所能獲取有用信息的其他數(shù)據(jù)項。建議這些數(shù)據(jù)項可以配置選擇輸出，具體操作根據(jù)現(xiàn)場需求而定。

（3）報文輸出頻次合理。地面站設(shè)備接收來自機(jī)載設(shè)備對外廣播的1090ES報文種類有：速度報、位置報和狀態(tài)報等，這些報文的發(fā)送時刻和重復(fù)發(fā)送間隔都各不一樣。建議ADS-B地面站僅收到位置報才會將內(nèi)存中信息有效期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)組裝成一條CAT021報文進(jìn)行輸出，而收到速度報或狀態(tài)報不需要輸出，只是更新內(nèi)存中對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容及狀態(tài)。

（4）報文時間須同步。這對地面站設(shè)備有兩層要求，分別是接收機(jī)時間同步和數(shù)據(jù)項時間同步。前者要求接收機(jī)切換時不能出現(xiàn)時間偏差，后者要求數(shù)據(jù)項的時間信息均高度一致，包括高精度時間。

1.5 報告模式

ADS-B地面站設(shè)備數(shù)據(jù)輸出應(yīng)采用合理的報告模式。現(xiàn)有數(shù)據(jù)輸出主要含有數(shù)據(jù)驅(qū)動報告模式和周期報告模式，前者是一旦地面站設(shè)備接收到位置報時就立即輸出，后者是地面站設(shè)備按照設(shè)置時間間隔輸出。

（1）支持多種報告模式。數(shù)據(jù)驅(qū)動報告模式對單個地面站設(shè)備獨立運行時比較有用，而周期報告模式對多個地面站設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)時有幫助，可以在維持合適報告更新率的情況下，節(jié)省傳輸資源，減少通信負(fù)載和占用帶寬。建議地面站設(shè)備支持多種報告模式，可以根據(jù)場景來選擇使用。

（2）周期報告模式須合理。有些設(shè)備生產(chǎn)廠家在早期沒有理解周期報告模式，僅是簡單地使所有目標(biāo)的報告在同一時刻輸出，下一發(fā)送時刻皆為當(dāng)前發(fā)送時刻加上發(fā)送周期時長。這樣做法是錯誤的，由于各目標(biāo)報告的發(fā)送時刻相同，瞬間輸出數(shù)據(jù)量增加，易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)堵塞，與周期報告模式的本意正好相反。建議合理的做法如下：對每一個目標(biāo)而言，產(chǎn)生首個報告的時刻作為時間起點，下一個報告的產(chǎn)生條件是須有信息更新而且信息更新時刻超過上一個報告時刻和周期時長。這種方式的優(yōu)點是發(fā)送報告除了不可避免的處理延時，基本沒有延時，傳輸帶寬平穩(wěn)；而缺點是前后兩個報告發(fā)送時刻不是嚴(yán)格等于發(fā)送周期。總的來說，采用周期報告模式是為了節(jié)省傳輸資源，使用周期輸出應(yīng)減少因輸出機(jī)制造成的報告延時，這樣更有利于后續(xù)的處理。

1.6 監(jiān)控顯示功能

ADS-B地面站設(shè)備應(yīng)強(qiáng)化監(jiān)控顯示功能。地面站設(shè)備作為一種傳感器，主要是為其他系統(tǒng)提供CAT021數(shù)據(jù)，故對現(xiàn)有監(jiān)控顯示功能要求不高，有待繼續(xù)改進(jìn)。

（1）強(qiáng)化監(jiān)控顯示功能?？梢該碛信袛嘈盘栙|(zhì)量分析和統(tǒng)計功能，加強(qiáng)對信標(biāo)信號位置偏移和功率降低提示的處理，完善對系統(tǒng)日志的分類和記錄信息，增加一些通用告警功能（特殊代碼和SPI標(biāo)識等），規(guī)范化目標(biāo)標(biāo)識和標(biāo)牌內(nèi)容，區(qū)分高質(zhì)量和低質(zhì)量目標(biāo)等。

2 總結(jié)

隨著ADS-B技術(shù)應(yīng)用不斷深入，對地面站設(shè)備功能的要求越高。本文僅根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備實際情況和設(shè)備使用經(jīng)驗，提出一些有用的優(yōu)化方法，還沒有涉及更高難度的課題，例如定向天線聯(lián)合使用、目標(biāo)融合處理、假目標(biāo)識別等，這也是以后研究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 1090兆赫擴(kuò)展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備技術(shù)要求（MHT4036-2012）.中國民用航空局空中交通管理局技術(shù)中心，2012：1-8.