MGS—01型ADS—B系統(tǒng)在南中國海的應用

李自科

摘 要：由于我國南海海洋面積廣闊，陸地面積少，安裝雷達比較困難，加上隨著“一帶一路”的提出，在飛過南海的航班越來越多，目前只有一部航管二次雷達供管制員使用，管制員的指揮壓力越來越大，ADS-B作為新型航空監(jiān)視技術今后在南海的地位極其重要。本文主要介紹MGS-01 ADS-B系統(tǒng)在南海的應用必要性，該系統(tǒng)的組成、信號流程、信號傳輸及其應用，在安裝過程面臨的問題以及解決方法，安裝完成后對評估ADS-B數(shù)據(jù)可靠性、覆蓋范圍來驗證該系統(tǒng)能夠在南中國海的實用性，為ADS-B監(jiān)視技術在實際應用方面提供相關的經(jīng)驗。

關鍵詞：ADS-B 可靠性 實用性

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-04

ADS-B是廣播式自動相關監(jiān)視，它主要實施空對空監(jiān)視，一般情況下，只需機載電子設備（GPS接收機、數(shù)據(jù)鏈收發(fā)機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI），不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能，裝備了ADS-B的飛機可通過數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其他數(shù)據(jù)（如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等）。與雷達系統(tǒng)相比，ADS-B能夠提供更加實時和準確的航空器位置等監(jiān)視信息，建設投資只有前者的1/10左右，并且維護費用低，使用壽命長。ADS-B可以在無法部署航管雷達的區(qū)域為航空器提供優(yōu)于雷達間隔標準的虛擬雷達管制服務。

1 ADS-B在南海的應用必要性

香港民航處已向國際民航組織申請將南中國海地區(qū)的中兩條航路（L642和M771）改為ADS-B監(jiān)視航路，預計2013年實施ADS-B航路管制。2011年6月16日，南中國海三亞情報區(qū)內的L642和M771兩條洋區(qū)航路也開始實施了ADS-B實驗運行，成功實現(xiàn)了利用ADS-B對廣闊區(qū)的二次雷達信號補盲，完善了洋區(qū)對空監(jiān)控手段。然而西沙二次雷達在西邊和西南邊均存在較大的盲區(qū)，尤其在情報區(qū)的交界點BUNTA和DALBA不能覆蓋到，而且西沙二次雷達肩負著兩個飛行情報區(qū)雷達信號重任，一旦該設備故障率極高將嚴重影響管制飛行服務，之前新建的ERA ADS-B仍然存在幾個問題：（1）在西沙東邊的BUNTA點附近覆蓋比較差，掉點現(xiàn)象比較嚴重；（2）北邊的IKELA點附近覆蓋比較差，有盲區(qū)；（3）西沙南邊的DONDA點和MONBO-MIGUS航線附近覆蓋一般。所以在馬嶺、南山、西沙新建新的ADS-B地面站顯得極為重要，MGS-01型ADS-B是繼ERA后另一套在南中國海區(qū)域使用的ADS-B設備，隨著今后4套設備投產(chǎn)使用，不僅能解決盲區(qū)的覆蓋問題，也將對三亞飛行情報區(qū)航路監(jiān)視提供有力的保障。

2 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)介紹

2.1 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)組成

ADS-B地面站包括ADS-B地面站主機（含1090MHz接收單元、數(shù)據(jù)處理單元、GNSS接收單元）、天饋單元、信標機、網(wǎng)絡交換機、串口通信設備、監(jiān)控設備、供電防雷設備、監(jiān)控單元、安裝保障設備等，用于接收、處理1090MHz廣播的ADS-B信號，并按ASTRTIX CAT021 格式輸出ADS-B監(jiān)視信息，并支持擴展DF17、DF18信息輸出。

2.2 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)信號流程

ADS-B地面站的ADS-B信號處理功能主要通過ADS-B天線、低噪放大器、1090ES接收機、信號處理模塊來實現(xiàn)。具體信號處理流程如圖1所示。

ADS-B信號處理主要處理流程包括：ADS-B天線獲取空中廣播的1090MHz頻率的ADS-B信號，GPS天線獲取廣播當中的GPS信號。ADS-B信號經(jīng)過低噪聲放大器，用于補償饋線損失，降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，而且對1090MHz ADS-B信號進行濾波，提高整機的抗干擾能力和靈敏度，經(jīng)過低噪聲放大器后信號進入接收模塊，1090ES接收機將ADS-B天線收到的微弱射頻回波信號進行放大、濾波、檢波處理，形成對數(shù)視頻信號輸出。處理模塊接收視頻信號然后對其進行預處理，包括解交織碼、錯誤信息過濾、誤碼糾正等處理，實現(xiàn)具有抗多徑干擾和同頻干擾、分辨二重交織碼、誤碼信息修正等功能，并最終形成目標數(shù)據(jù)，送給數(shù)據(jù)單元進行處理。數(shù)據(jù)處理器接收來自信號處理器的112位數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取、點跡處理、航跡處理、航跡跟蹤、目標生成、信息組包處理，接收處理GPS信號，實現(xiàn)系統(tǒng)定位，形成符合CAT021格式的ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)，通過接口模塊以網(wǎng)絡方式發(fā)送和同步方式發(fā)送。

2.3 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)信號傳輸和應用

ADS-B的應用除了地空數(shù)據(jù)鏈的應用外，各地面站與管制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸也極其重要。特別是在自然條件比較差的西沙群島當中，這不僅對ADS-B地面站性能要求高，同時也是對傳輸設備性能的考驗。目前中南地區(qū)空中交通管理局大力發(fā)展FA36網(wǎng)絡，對于新建的ADS-B臺站信號的傳輸提供了極為便利的條件。在西沙新建的ADS-B地面站，只需要將信號傳送到老雷達站，并將信號接入到中南FA36網(wǎng)絡，便能通過中南FA36網(wǎng)絡將信號傳送給三亞ACC、廣州ACC。在本次工程當中總共安裝4套ADS-B地面站，其中馬嶺、南山一套，西沙兩套，每一個地面站都有兩路信號傳送，如何將多路信號融合成一路傳送給自動化進行處理就顯得相當重要。

ADS-B前置預處理系統(tǒng)是將多路ADS-B信號進入空管自動化系統(tǒng)之前對其進行過濾、融合成符合系統(tǒng)要求的信號作為輸出。ADS-B前置預處理系統(tǒng)能夠對ADS-B多路信號進行錄制和回放，能夠實時監(jiān)控其信號狀態(tài)，并評估一段時間內ADS-B信號質量的各項指標。西沙1、2#站ADS-B數(shù)據(jù)通過中南FA36 A網(wǎng)經(jīng)過三亞ACC跳轉然后送到三亞航管樓，馬嶺、南山的ADS-B直接到達航管樓，通過前置系統(tǒng)將四路ADS-B數(shù)據(jù)融合成一路ADS-B數(shù)據(jù)，通過中南FA36 A網(wǎng)抵達廣州ACC，并由廣州ACC廣播融合數(shù)據(jù)到每一個節(jié)點。傳輸路由圖如圖2所示。

2.4 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)供電

西沙群島地處遼闊的太平洋，自然條件比較惡劣，而且臺風頻繁，目前島上所有設施的供電主要是通過油機發(fā)電。在島上建設太陽能發(fā)電系統(tǒng)從長遠角度來講能減少運行成本，而且不用燃料，不會產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源。ADS-B地面站是一種接收下行1090MHz數(shù)據(jù)鏈的設備，無需對外發(fā)射信號，雙機功耗小于200W。目前新建的MGS-01型一號ADS-B地面站放在室外機房頂，二號地面站設備室放在室內。由于一號地面站為完全室外單元，所以一號地面站系統(tǒng)的供電將以太陽能電為主，在太陽能出現(xiàn)故障以后才會轉換成旁路市電。在二號地面站以太陽能供電為主，UPS電為輔。一、二號站供電示意圖如圖3、圖4所示。

3 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)信號評估

判斷ADS-B系統(tǒng)性能是否可靠標準就是將其信號應用于自動化系統(tǒng)，與相應臺站的雷達信號對比和評估。分析數(shù)據(jù)的完好性、數(shù)據(jù)包傳輸延時、報文發(fā)送間隔、信號的覆蓋范圍來確定該設備性能是否適用于自動化系統(tǒng)。目前由于2號地面站由于光纜中斷無法將信號傳回來三亞航管樓無法進行分析。4個臺站系統(tǒng)的所有實際情況最后都會通過飛行校驗來得到結論。

3.1 ADS-B數(shù)據(jù)完好性

可通過ADS-B報文中的完導航不確定度類別（NUC）參數(shù)來衡量的。為了表征導航數(shù)據(jù)的精度和完好性，GPS接收機輸出水平保護標準（HPL）。為了減少飛機廣播參數(shù)的數(shù)量和長度，在ADS-B記載設備中，HPL被轉成導航不確定度類別（NUC）。NUC是一個0～9的整數(shù)，大于等于5可以實施雷達管制。選取西沙1號地面站通過軟件分析NUC≥5的報文數(shù)量占報文總量的94.90%。NUC<5的報文數(shù)量占報文總量的5.1%，全部是NUC為0的報文。因為地面站的NUC值由ADS-B信息當中TYPECODE值決定，CAT021數(shù)據(jù)包當中的NUC應嚴格按照DO-260B規(guī)范要求填寫，所以出現(xiàn)一定比例NUC值為0屬于正常。NUC數(shù)值統(tǒng)計如圖5所示。

3.2 ADS-B數(shù)據(jù)包延時

在ADS-B報文UAP中數(shù)據(jù)項I021/030Time of Day定義了位置報告時間。通過計算接收時間和位置報告時間的時間差，可以得出ADS-B報文的延時。選取西沙1號地面站通過軟件計算平均延時50ms，波動范圍（偏離平均值30ms）。

3.3 ADS-B報文發(fā)送間隔

雷達系統(tǒng)的報文周期通常為4～10s。而ADS-B系統(tǒng)中，正常情況下同一航班收到兩條報文間隔為1s，由于可能受距離、環(huán)境、干擾等影響報文發(fā)送的間隔有時會大于1s，有時會小于1s。取西沙1號地面站通過軟件計算其中0.5s以內間隔發(fā)送占比45.75%，0.5～1s占比42.74%，1～1.5s占比9.62%，1.5s以上占比1.9%。

3.4 ADS-B信號覆蓋

理論上，在可視范圍內MGS-01 ADS-B系統(tǒng)覆蓋范圍為250nm，考慮到不同環(huán)境、地形的影響，覆蓋范圍可能會縮小。L642和M771航路上的飛機基本達到巡航高度，而且洋區(qū)周圍沒有遮擋，所以主要是分析7200m高空以上的覆蓋范圍。通過軟件打點分析，記錄飛機飛過區(qū)域所留下的軌跡直至消失。覆蓋如圖6所示。

每一個距離圈為100km，黃色為飛機飛行留下的軌跡，從圖中分析可知ADS-B作用距離大于400km，無明顯的覆蓋盲區(qū)，并在BUNTA點覆蓋連續(xù)，解決之前北邊的IKELA點附近覆蓋比較差和西沙南邊的DONDA點和MONBO-MIGUS航線附近覆蓋一般等問題。

4 結語

ADS-B是未來航空監(jiān)視技術的發(fā)展方向，其在航空領域應用的優(yōu)點相當顯著，今后在其技術不斷創(chuàng)新發(fā)展的基礎上，完全有可能取代雷達成為主要的監(jiān)視手段。我國民航事業(yè)起步較晚，重要設備的核心技術都在國外，大力推廣國內先進技術在民航領域的應用，也有利于將我國從民航大國轉變成民航強國。

參考文獻

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