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1、ADS-B系统的工作原理和技术简介(2011-09-14 11:56:11)第一章：ADS-B系统的工作原理和技术简介概述：ADS-B的定义：ADS-B是广播式自动相关监视的英文缩写，它主要实施空对空监视，一般情况下，只需机载电子设备(GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器CDTI)，不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能，装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其它数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其它飞机的机载ADS-B结合起来，在空地都能提供精确、实时的冲突信息。ADS-B是一种全新科技，它将当今空中交通管制中
2、的三大要素通信、导航、监视重新定义。Automatic自动，“全天候运行”，无需职守。Dependent相关，它只需要于依赖精确地全球卫星导航定位数据。Surveillance监视，监视（获得）飞机位置、高度、速度、航向、识别号和其它信息。Broadcast广播，无需应答，飞机之间或与地面站互相广播各自的数据信息。ADS-B系统由多地面站和机载站构成，以网状、多点对多点方式完成数据双向通信。机载ADS-B通信设备广播式发出来自机载信息处理单元收集到的导航信息，接收其他飞机和地面的广播信息后经过处理送给机舱综合信息显示器。机舱综合信息显示器根据收集的其他飞机和地面的ADS-B信息、机载雷达信息、
3、导航信息后给飞行员提供飞机周围的态势信息和其他附加信息(如：冲突告警信息，避碰策略，气象信息)。ADS-B系统是一个集通信与监视于一体的信息系统，由信息源、信息传输通道和信息处理与显示三部分组成。ADS-B的主要信息是飞机的4维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其它可能附加信息(冲突告警信息，飞行员输入信息，航迹角，航线拐点等信息)以及飞机的识别信息和类别信息。此外，还可能包括一些别的附加信息，如航向、空速、风速、风向和飞机外界温度等。这些信息可以由以下航空电子设备得到：(1)全球卫星导航系统(GNSS);(2)惯性导航系统(INS);(3)惯性参考系统(IRS);(4)飞行管理器；(5)其
4、它机载传感器。ADS-B的信息传输通道以ADS-B报文形式，通过空-空、空-地数据链广播式传播。ADS-B的信息处理与显示主要包括位置信息和其它附加信息的提取、处理及有效算法，并且形成清晰、直观的背景地图和航迹、交通态势分布、参数窗口以及报文窗口等，最后以伪雷达画面实时地提供给用户。ADS-B技术是新航行系统中非常重要的通信和监视技术，把冲突探测、冲突避免、冲突解决、ATC监视和ATC一致性监视以及机舱综合信息显示有机的结合起来，为新航行系统增强和扩展了非常丰富的功能，同时也带来了潜在的经济效益和社会效益。ADS-B技术应用ADS-B技术用于空中交通管制，可以在无法部署航管雷达的大陆地区为航空
5、器提供优于雷达间隔标准的虚拟雷达管制服务;在雷达覆盖地区，即使不增加雷达设备也能以较低代价增强雷达系统监视能力，提高航路乃至终端区的飞行容量；多点ADS-B地面设备联网，可作为雷达监视网的旁路系统，并可提供不低于雷达间隔标准的空管服务;利用ADS-B技术还在较大的区域内实现飞行动态监视，以改进飞行流量管理；利用ADS-B的上行数据广播，还能为运行中的航空器提供各类情报服务。ADS-B技术在空管上的应用，预示着传统的空中交通监视技术即将发生重大变革。ADS-B技术用于加强空-空协同，能提高飞行中航空器之间的相互监视能力。与应答式机载避撞系统(ACAS/TCAS)相比，ADS-B的位置报告是自发广
6、播式的，航空器之间无须发出问询即可接收和处理渐近航空器的位置报告，因此能有效提高航空器间的协同能力，增强机载避撞系统TCAS的性能，实现航空器运行中即能保持最小安全间隔又能避免和解决冲突的空-空协同目的。ADS-B系统的这一能力，使保持飞行安全间隔的责任更多地向空中转移，这是实现“自由飞行”不可或缺的技术基础。ADS-B技术能够真正实现飞行信息共享。空中交通管理活动中所截获的航迹信息，不仅对于本区域实施空管是必需的，对于跨越飞行情报区(特别是不同空管体制的情报区)边界的飞行实施“无缝隙”管制，对于提高航空公司运行管理效率，都是十分宝贵的资源。但由于传统的雷达监视技术的远程截获能力差、原始信息格
7、式纷杂、信息处理成本高，且不易实现指定航迹的筛选，难以实现信息共享。遵循“空地一体化”和“全球可互用”的指导原则发展起来的ADS-B技术，为航迹信息共享提供了现实可行性。应用概况ADS技术的应用方面，从1998年，中国民用航空为了探索新航行系统发展之路，促进西部地区航空运输发展，在国际航空组织新航行系统发展规划指导下，抓住中国西部地区开辟欧亚新航路的战略机遇，启动了第一条基于ADS技术的新航行系统航路(L888航路)建设。L888航路装备了FANS 1/A定义的ADS-C监视工作站，并在北京建立了网管数据中心。2000年，新系统完成了评估和测试并投入运行。2004年，北京、上海、广州三大区域管
8、制中心相继建成。为三大区管中心配套的空管自动化系统都具备了ADS航迹处理能力。经验证，新系统可以处理和显示基于ACARS数据的自动相关监视航迹，也可以实施“航管员/飞行员数据链通信”(CPDLC)。这标志了中国航空的主要空管设施已经具备了ADS监视能力。随着我国航空公司机队规模扩大和机型的更新，近年来许多航空器都选装了适合新航行系统的机载电子设备，具备了地空双向数据通信能力。中国航空在发展新航行系统和改进空中交通监视技术方面开展了建设性的活动，取得了一些成果，但总体上没有突破ADS-C的技术框架。因此，对解决空管的突出问题，改善安全与效率，效果并不明显。ADS-B技术的逐步成熟，将为我们寻求新
9、的突破提供了机会。当今ADS-B技术发展已经进入实用阶段，而我国仍在ADS的概念阶段徘徊不前。当别人寻求以成本更低、效率更高、用途更广的新航行监视技术取代雷达技术时，我们还在加紧部署雷达网络。过去十年，航空空管在发展主义的旗帜下实现了规模的扩张，但是，发展质量不容乐观。一个重要的事实是极具说服力的：澳大利亚全境部署的雷达数量大致与上海飞行情报区可用的雷达资源相当。澳大利亚同行的优势，很大程度上得益于ADS-B技术的超前规划和大胆应用。相比之下，我们在ADS-B的实用技术研究、机载设备配备、地面系统建设、飞行和管制人员的操作技能培训等多方面，都还缺乏现实可行的规划安排。技术体制问题在ADS-C的
10、技术体制内，ADS的航迹报告是有条件选择发送的。ADS-B与ADS-C之间除合约和通信协议的管理控制方式不同外，目标下传的位置、姿态和航行信息的内容基本一致。机载ADS报告系统对报告信息的要素选项、重复报告周期、发送选址都是可以预设的。飞机在收到地面发送的上行申请电文后发送ADS下行电文，将用户约定的报告内容通过空/地数据链和地面传输网络送达用户端。因此，ADS信息的使用是契约制的。也就是说，空管或航空公司签派等地面用户要想获得所需的ADS报告，必须逐架飞机、逐条航路(或航段)约定报告信息，同时还必须与经营空-地、地-地数据链传输业务的运营商定制信息传输服务。用户约定的飞行航迹越多、信息要素越
11、多、重复报告周期越短，支付的信息服务费就越高，而且按照SITA格式电报计量的通信费用特别昂贵。在这样的技术体制下(附加了“第三方服务”成本)，虽然在低密度航路上，基于ADS监视技术的空中交通服务和航空公司运行管理都能够实现，但高额的运行成本却让空管和航空公司等用户望而却步，航空器已配置的先进机载设备、配套建设的空-空数据链、地-空数据链和地面用户设备也只能束之高阁。技术兼容问题首先是双向通信制式的差异。ADS-B的通信制式是广播式双向通信，而我国用来进行航迹跟踪和管制数据通信的地空数据链，采用美国ARINC公司的AEEC618/AEEC622协议方式，属应答式双向通信。此通信制式的数据刷新率受
12、应答协议制约，其同步性和实时性都不能满足高密度飞行管制服务需求，无法与ADS-B技术兼容。其次是数据链容量的差异。ADS-B所使用的数据链应能满足高密度飞行监视的要求，因此对数据长度和通信速率都有很高的要求。国际航空组织推荐的全球可互用的ADS-B的广播数据链-1090MHzS模式扩展电文数据链(1090ES)，最大下行数据长度达到112位，最大数据率达到1兆比特/秒。而我国现用的RGS地-空数据链，最大下行数据长度为32位，最大数据率仅2400比特/秒，显然不能与ADS-B广播电文兼容。再则是传输技术上的差距。ADS-B广播电文是面向比特的数据串，下行数据到达地面后，必须透明地传输至航空管制
13、或航空运行签派等地面用户端。而现有系统中，通过RGS或卫星截获的下行数据，须转换为面向字符的SITA报文格式，经低速的自动转报网传输到用户端。这种信息传输方式的低效率以及传输时延不确定性，不能适应高密度飞行监视。解决现有系统与ADS-B技术兼容问题，关键是选择新的空-空、地-空数据链系统。数据链是ADS-B技术重要的组成部分，当前，许多国家和组织出于不同的开发意图，开发出了多种多样的数据链，从中选择适合我国实际的数据链类型，是确定机载设备性能和发展地面设施的前提。各国对ADS-B数据链的选择各持己见，但主流意见基本倾向于以下三种：(1)甚高频数据链模式4(VDLMode4)-欧洲较流行;其核心
14、技术为SOTDMA协议，不足是现在VHF频段资源紧张。(2)万能电台数据链(UAT)-美国较流行，多用于通用航空飞机；采用二进制连续相移键控CP-FSK，不足是和DME地面设备的互相干扰严重。(3)1090MHzS模式扩展电文数据链(1090ES)-国际民航组织推荐;采用选择性询问、双向数据通信，不足是已出现频谱过度使用的危机。国际航空组织一直在努力倡导使各成员国能够执行一个统一的数据链标准，从而提高数据链设备在全球范围的通用性。如果空中的每架飞机都执行同一个数据链标准，通过 ADS-B系统，每个飞行员都能看到其周围一定范围内所有航空器的位置和动态。这将显著提高飞行员对其周围飞行态势的感知度，
15、从而可以在保证飞行安全的前提下，进一步缩小飞机间的安全间隔，优化飞行路线，提高空域资源的利用率。欧洲是广播式自动相关监视（ADS-B）技术的策源地。世界上第一次机载飞行情报舱显器（CDTI）与ADS-B技术的联合演示，就是1991年2月瑞典民航局在首都Bromma机场进行的。但是在欧洲，ADS-B技术的应用似乎更艰难些。相比美国和澳大利亚，欧洲各国要统一推广某种技术标准，难度大得多了。好在本世纪初，欧洲一体化进程大大推进了新航行技术在欧洲的应用。2004年5月，欧洲空管（EUROCONTROL）发布了欧洲实施新航行技术的政策，制定了一个欧洲民航委员会通过新通信和监视技术应用推进空管一体化。CA
16、SCADE计划与ADS-B技术CASCADE-简称欧洲一体化空管计划有两大技术内核：ADS-B和ink2000+。Link2000+是基于甚高频数据链模式2（VDL2）技术的地空数据链，主要用来为飞行员和管制员提供非话音的数据链通信（CPDLC）服务。在ADS-B技术将在应用方面，CASCADE描述了如下多方面应用和服务内容：（1）无雷达区域的应用（ADS-BNRA）：用于增强无雷达区（远离陆地的海上平台、海岛等区域）的航行监视能力，并提供容量、安全和效率类似雷达监视的引导服务。部分面临淘汰的老旧雷达，出于成本效益的考虑也建议采用ADS-B NRA 方式实施更新改造。（2）雷达区域应用（ADS-B RAD）：在雷达监视（包括有ADS-B 补充监视）区域，用于改进A、B、C、D、E类空域的航路、终端区以及各个飞行阶段的空中交通管理能力。并逐步由ADS-B地面设备更替
