ADS—B在南中国海的应用分析
2014-10-22肖志杰
肖志杰
摘 要：随着南中国海航班量的增大和国际ADS-B航路的实施，ADS-B作为一种新兴监视技术在南中国海的应用显得尤其重要。本文主要通过对南中国海空域ADS-B数据完好性，可靠性及信号覆盖范围等重要数据分析了ADS-B在南中国海的应用情况。通过分析证明了ADS-B在南中国海的实用性，为ADS-B监视技术的实际应用方面提供相应的经验。
关键词：ADS-B 完好性 可靠性
中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0046-02
广播式自动相关监视（ADS-B）是一种基于全球卫星定位系统（GNSS）和空地、空空数据链通信的航空器运行监视技术。随着航空领域的迅猛发展，传统的雷达监视手段已无法满足日益增长的空管监视需求。ADS-B作为新兴的监视技术受到了国际民航的重视和推广。
三亚飞行情报区于2008年在西沙永兴岛安装ERA公司的ADS-B设备，为南中国海空域提供ADS-B监视服务。作为我国首先提供ADS-B监视服务的飞行情报区，推动了ADS-B监视新技术在我国的实际应用，为推广应用ADS-B监视技术提供相关宝贵经验。中南空管局通过对南中国海ADS-B信号进行评估，证明了ADS-B技术在南中国海的实用性和重要性。
1 ADS-B概述
ADS-B指的是航空器不需要人工的操作或地面站的询问，通过广播模式的数据链自动提供由机载导航设备和定位系统生成的数据，用于在无雷达覆盖地区提供ATC监视等应用服务。
航空器通过GPS进行定位，并同时将气压高度表、速度表等机载设备信息协同位置信息输入机载应答机，由机载应答机通过数据链向外周期性广播飞机的呼号、高度、速度等其他相关的附加数据。其它装载ADS-B设备的航空器也可接收到广播信息并进行显示，作为空空监视。ADS-B地面站接收到广播信息并传送到管制中心自动化显示，作为空地监视。同时地面站能将空中交通情报服务信息（TIS-B）及飞行情报服务信息（FIS-B）发送给航空器。
2 ADS-B数据完好性分析
ADS-B数据完好性是指ADS-B报文能否用于自动化系统。这就要求ADS-B数据的循环冗余校验（CRC）值是无错的、且符合Asterix Cat 21格式。另外，完好性可通过ADS-B报文中的完导航不确定度类别（NUC）参数来衡量的。
为了表征导航数据的精度和完好性，GPS接收机输出水平保护标准（HPL）。在ADS-B机载设备中，HPL被转换成导航不确定度类别（NUC）。根据ICAO规定，NUC值（范围0至9）必须不小于5才符合类雷达服务的数据完好性要求。在一定时间间隔内，从地面接收站输出的所有飞机的ADS-B报文中提取的NUC值，并统计NUC≧5报文数量占ADS-B报文总数的比例，可以得到ADS-B信号的完好性指标。
2010年8月8日的ADS-B报文总量为831596，其中没有发现有CRC错误和不符合Cat 21格式的报文。NUC≧5的报文数量占报文总量的92%，其中以NUC值为6与7的报文占了大多数，分别为26%和62%。NUC<5（即不符合类雷达管制完好性要求）的报文数量占报文总量的8%，其中绝大部分是NUC为0的报文。调查了多起NUC为0的情况，一个航班如果产生NUC为0，则其飞行过程中所有报文的NUC值均为0，可能是机载设备问题导致。
3 ADS-B数据可靠性分析
ADS-B数据的可靠性体现在三方面：ADS-B报文输出的覆盖范围内的航班数量占当前航班总量的比例；ADS-B报文更新周期的统计；ADS-B报文延时统计。
3.1 航班覆盖率统计
当航班覆盖率必须达到较高的比例时，自动化系统才能通过ADS-B信号把握当前的空域飞行动态。以三亚Telephonics自动化系统为例，航班覆盖率计算公式为：
ADS-B航班覆盖率=ADS-B飞越航班数/Telephonics飞越航班数
2010年8月8日至9日，ADS-B航班覆盖率为59.5%和62.2%，达到了自动化系统的要求。
3.2 ADS-B报文更新周期统计
雷达系统的报文周期通常为4～5s。而ADS-B系统中，正常情况下同一航班连续两条报文之间的时间间隔为0.5～1s左右，这是ADS-B的报文周期。但ADS-B地面接收站可能会受到距离、干扰等影响，送出报文的周期可能会有所延长。根据2010年8月9日的统计，75%的ADS-B报文间隔在1 s之内，只有少部分报文（约6%）报文间隔大于1.5 s，因此ADS-B报文间隔相对于普通的二次雷达来说小了很多。
3.3 ADS-B报文延时统计
ADS-B报文中I021/030 Time of Day指示了位置报告时间。通过计算接收时间和位置报告时间的时间差，可以得出ADS-B报文的延时，对2010年9月8日9时34分至2010年9月9日0时34分时间段接收到的ADS-B报文进行统计，得出ADS-B报文的延时均分布在200～1600 ms之间，其中90%的报文延时在400～1400 ms之间，因此，它的报文延时并不稳定。假设航空器以900 km/h速度飞行，最大因延迟造成的误差为400 m。
4 ADS-B信号的覆盖范围分析
理论上ADS-B地面站的最远覆盖范围约为250海里，约合460 km。考虑到地形遮挡，覆盖范围可能会有所缩小。使用覆盖分析软件可以对理论上的覆盖情况进行分析，得出目前西沙接收站的高空覆盖范围，如图2所示。
由图2可得，在8000 m高度ADS-B信号能覆盖到380 km以内空域，除地形遮挡因素外，设备运行状况、地形遮挡、天气、无线电干扰、介质反射、建筑物等因素也会影响实际覆盖范围。通过航班跟踪统计得到西沙ADS-B信号能比较稳定地覆盖到300 km以内的目标，300 km以外覆盖稍差，最远覆盖范围可达450 km。
5 结语
本文对南中国海ADS-B数据完好性、可靠性及信号覆盖范围进行分析。其数据完好性及可靠性基本达到了ADS-B管制运行规程的要求，其信号覆盖范围也达到了与传统雷达监视相同的标准。验证了ADS-B在南中国海运行的实用性，为ADS-B后继的应用提供了可靠的经验数据。
参考文献
[1] 张利永，王宇.ADS-B在南中国海的实验分析和应用思考[J].中国民用航空.2011，（121）：59-60.
[2] 陈惠锋.ADS-B技术在民航空管中的应用及前景展望[J].软件导刊，2012，11（3）：40-41。
[3] 王哲明.新兴监视技术在三亚区管应用的研究[J].空中交通管理，2008，（1）：26-27.endprint
摘 要：随着南中国海航班量的增大和国际ADS-B航路的实施，ADS-B作为一种新兴监视技术在南中国海的应用显得尤其重要。本文主要通过对南中国海空域ADS-B数据完好性，可靠性及信号覆盖范围等重要数据分析了ADS-B在南中国海的应用情况。通过分析证明了ADS-B在南中国海的实用性，为ADS-B监视技术的实际应用方面提供相应的经验。
关键词：ADS-B 完好性 可靠性
中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0046-02
广播式自动相关监视（ADS-B）是一种基于全球卫星定位系统（GNSS）和空地、空空数据链通信的航空器运行监视技术。随着航空领域的迅猛发展，传统的雷达监视手段已无法满足日益增长的空管监视需求。ADS-B作为新兴的监视技术受到了国际民航的重视和推广。
三亚飞行情报区于2008年在西沙永兴岛安装ERA公司的ADS-B设备，为南中国海空域提供ADS-B监视服务。作为我国首先提供ADS-B监视服务的飞行情报区，推动了ADS-B监视新技术在我国的实际应用，为推广应用ADS-B监视技术提供相关宝贵经验。中南空管局通过对南中国海ADS-B信号进行评估，证明了ADS-B技术在南中国海的实用性和重要性。
1 ADS-B概述
ADS-B指的是航空器不需要人工的操作或地面站的询问，通过广播模式的数据链自动提供由机载导航设备和定位系统生成的数据，用于在无雷达覆盖地区提供ATC监视等应用服务。
航空器通过GPS进行定位，并同时将气压高度表、速度表等机载设备信息协同位置信息输入机载应答机，由机载应答机通过数据链向外周期性广播飞机的呼号、高度、速度等其他相关的附加数据。其它装载ADS-B设备的航空器也可接收到广播信息并进行显示，作为空空监视。ADS-B地面站接收到广播信息并传送到管制中心自动化显示，作为空地监视。同时地面站能将空中交通情报服务信息（TIS-B）及飞行情报服务信息（FIS-B）发送给航空器。
2 ADS-B数据完好性分析
ADS-B数据完好性是指ADS-B报文能否用于自动化系统。这就要求ADS-B数据的循环冗余校验（CRC）值是无错的、且符合Asterix Cat 21格式。另外，完好性可通过ADS-B报文中的完导航不确定度类别（NUC）参数来衡量的。
为了表征导航数据的精度和完好性，GPS接收机输出水平保护标准（HPL）。在ADS-B机载设备中，HPL被转换成导航不确定度类别（NUC）。根据ICAO规定，NUC值（范围0至9）必须不小于5才符合类雷达服务的数据完好性要求。在一定时间间隔内，从地面接收站输出的所有飞机的ADS-B报文中提取的NUC值，并统计NUC≧5报文数量占ADS-B报文总数的比例，可以得到ADS-B信号的完好性指标。
2010年8月8日的ADS-B报文总量为831596，其中没有发现有CRC错误和不符合Cat 21格式的报文。NUC≧5的报文数量占报文总量的92%，其中以NUC值为6与7的报文占了大多数，分别为26%和62%。NUC<5（即不符合类雷达管制完好性要求）的报文数量占报文总量的8%，其中绝大部分是NUC为0的报文。调查了多起NUC为0的情况，一个航班如果产生NUC为0，则其飞行过程中所有报文的NUC值均为0，可能是机载设备问题导致。
3 ADS-B数据可靠性分析
ADS-B数据的可靠性体现在三方面：ADS-B报文输出的覆盖范围内的航班数量占当前航班总量的比例；ADS-B报文更新周期的统计；ADS-B报文延时统计。
3.1 航班覆盖率统计
当航班覆盖率必须达到较高的比例时，自动化系统才能通过ADS-B信号把握当前的空域飞行动态。以三亚Telephonics自动化系统为例，航班覆盖率计算公式为：
ADS-B航班覆盖率=ADS-B飞越航班数/Telephonics飞越航班数
2010年8月8日至9日，ADS-B航班覆盖率为59.5%和62.2%，达到了自动化系统的要求。
3.2 ADS-B报文更新周期统计
雷达系统的报文周期通常为4～5s。而ADS-B系统中，正常情况下同一航班连续两条报文之间的时间间隔为0.5～1s左右，这是ADS-B的报文周期。但ADS-B地面接收站可能会受到距离、干扰等影响，送出报文的周期可能会有所延长。根据2010年8月9日的统计，75%的ADS-B报文间隔在1 s之内，只有少部分报文（约6%）报文间隔大于1.5 s，因此ADS-B报文间隔相对于普通的二次雷达来说小了很多。
3.3 ADS-B报文延时统计
ADS-B报文中I021/030 Time of Day指示了位置报告时间。通过计算接收时间和位置报告时间的时间差，可以得出ADS-B报文的延时，对2010年9月8日9时34分至2010年9月9日0时34分时间段接收到的ADS-B报文进行统计，得出ADS-B报文的延时均分布在200～1600 ms之间，其中90%的报文延时在400～1400 ms之间，因此，它的报文延时并不稳定。假设航空器以900 km/h速度飞行，最大因延迟造成的误差为400 m。
4 ADS-B信号的覆盖范围分析
理论上ADS-B地面站的最远覆盖范围约为250海里，约合460 km。考虑到地形遮挡，覆盖范围可能会有所缩小。使用覆盖分析软件可以对理论上的覆盖情况进行分析，得出目前西沙接收站的高空覆盖范围，如图2所示。
由图2可得，在8000 m高度ADS-B信号能覆盖到380 km以内空域，除地形遮挡因素外，设备运行状况、地形遮挡、天气、无线电干扰、介质反射、建筑物等因素也会影响实际覆盖范围。通过航班跟踪统计得到西沙ADS-B信号能比较稳定地覆盖到300 km以内的目标，300 km以外覆盖稍差，最远覆盖范围可达450 km。
5 结语
本文对南中国海ADS-B数据完好性、可靠性及信号覆盖范围进行分析。其数据完好性及可靠性基本达到了ADS-B管制运行规程的要求，其信号覆盖范围也达到了与传统雷达监视相同的标准。验证了ADS-B在南中国海运行的实用性，为ADS-B后继的应用提供了可靠的经验数据。
参考文献
[1] 张利永，王宇.ADS-B在南中国海的实验分析和应用思考[J].中国民用航空.2011，（121）：59-60.
[2] 陈惠锋.ADS-B技术在民航空管中的应用及前景展望[J].软件导刊，2012，11（3）：40-41。
[3] 王哲明.新兴监视技术在三亚区管应用的研究[J].空中交通管理，2008，（1）：26-27.endprint
摘 要：随着南中国海航班量的增大和国际ADS-B航路的实施，ADS-B作为一种新兴监视技术在南中国海的应用显得尤其重要。本文主要通过对南中国海空域ADS-B数据完好性，可靠性及信号覆盖范围等重要数据分析了ADS-B在南中国海的应用情况。通过分析证明了ADS-B在南中国海的实用性，为ADS-B监视技术的实际应用方面提供相应的经验。
关键词：ADS-B 完好性 可靠性
中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0046-02
广播式自动相关监视（ADS-B）是一种基于全球卫星定位系统（GNSS）和空地、空空数据链通信的航空器运行监视技术。随着航空领域的迅猛发展，传统的雷达监视手段已无法满足日益增长的空管监视需求。ADS-B作为新兴的监视技术受到了国际民航的重视和推广。
三亚飞行情报区于2008年在西沙永兴岛安装ERA公司的ADS-B设备，为南中国海空域提供ADS-B监视服务。作为我国首先提供ADS-B监视服务的飞行情报区，推动了ADS-B监视新技术在我国的实际应用，为推广应用ADS-B监视技术提供相关宝贵经验。中南空管局通过对南中国海ADS-B信号进行评估，证明了ADS-B技术在南中国海的实用性和重要性。
1 ADS-B概述
ADS-B指的是航空器不需要人工的操作或地面站的询问，通过广播模式的数据链自动提供由机载导航设备和定位系统生成的数据，用于在无雷达覆盖地区提供ATC监视等应用服务。
航空器通过GPS进行定位，并同时将气压高度表、速度表等机载设备信息协同位置信息输入机载应答机，由机载应答机通过数据链向外周期性广播飞机的呼号、高度、速度等其他相关的附加数据。其它装载ADS-B设备的航空器也可接收到广播信息并进行显示，作为空空监视。ADS-B地面站接收到广播信息并传送到管制中心自动化显示，作为空地监视。同时地面站能将空中交通情报服务信息（TIS-B）及飞行情报服务信息（FIS-B）发送给航空器。
2 ADS-B数据完好性分析
ADS-B数据完好性是指ADS-B报文能否用于自动化系统。这就要求ADS-B数据的循环冗余校验（CRC）值是无错的、且符合Asterix Cat 21格式。另外，完好性可通过ADS-B报文中的完导航不确定度类别（NUC）参数来衡量的。
为了表征导航数据的精度和完好性，GPS接收机输出水平保护标准（HPL）。在ADS-B机载设备中，HPL被转换成导航不确定度类别（NUC）。根据ICAO规定，NUC值（范围0至9）必须不小于5才符合类雷达服务的数据完好性要求。在一定时间间隔内，从地面接收站输出的所有飞机的ADS-B报文中提取的NUC值，并统计NUC≧5报文数量占ADS-B报文总数的比例，可以得到ADS-B信号的完好性指标。
2010年8月8日的ADS-B报文总量为831596，其中没有发现有CRC错误和不符合Cat 21格式的报文。NUC≧5的报文数量占报文总量的92%，其中以NUC值为6与7的报文占了大多数，分别为26%和62%。NUC<5（即不符合类雷达管制完好性要求）的报文数量占报文总量的8%，其中绝大部分是NUC为0的报文。调查了多起NUC为0的情况，一个航班如果产生NUC为0，则其飞行过程中所有报文的NUC值均为0，可能是机载设备问题导致。
3 ADS-B数据可靠性分析
ADS-B数据的可靠性体现在三方面：ADS-B报文输出的覆盖范围内的航班数量占当前航班总量的比例；ADS-B报文更新周期的统计；ADS-B报文延时统计。
3.1 航班覆盖率统计
当航班覆盖率必须达到较高的比例时，自动化系统才能通过ADS-B信号把握当前的空域飞行动态。以三亚Telephonics自动化系统为例，航班覆盖率计算公式为：
ADS-B航班覆盖率=ADS-B飞越航班数/Telephonics飞越航班数
2010年8月8日至9日，ADS-B航班覆盖率为59.5%和62.2%，达到了自动化系统的要求。
3.2 ADS-B报文更新周期统计
雷达系统的报文周期通常为4～5s。而ADS-B系统中，正常情况下同一航班连续两条报文之间的时间间隔为0.5～1s左右，这是ADS-B的报文周期。但ADS-B地面接收站可能会受到距离、干扰等影响，送出报文的周期可能会有所延长。根据2010年8月9日的统计，75%的ADS-B报文间隔在1 s之内，只有少部分报文（约6%）报文间隔大于1.5 s，因此ADS-B报文间隔相对于普通的二次雷达来说小了很多。
3.3 ADS-B报文延时统计
ADS-B报文中I021/030 Time of Day指示了位置报告时间。通过计算接收时间和位置报告时间的时间差，可以得出ADS-B报文的延时，对2010年9月8日9时34分至2010年9月9日0时34分时间段接收到的ADS-B报文进行统计，得出ADS-B报文的延时均分布在200～1600 ms之间，其中90%的报文延时在400～1400 ms之间，因此，它的报文延时并不稳定。假设航空器以900 km/h速度飞行，最大因延迟造成的误差为400 m。
4 ADS-B信号的覆盖范围分析
理论上ADS-B地面站的最远覆盖范围约为250海里，约合460 km。考虑到地形遮挡，覆盖范围可能会有所缩小。使用覆盖分析软件可以对理论上的覆盖情况进行分析，得出目前西沙接收站的高空覆盖范围，如图2所示。
由图2可得，在8000 m高度ADS-B信号能覆盖到380 km以内空域，除地形遮挡因素外，设备运行状况、地形遮挡、天气、无线电干扰、介质反射、建筑物等因素也会影响实际覆盖范围。通过航班跟踪统计得到西沙ADS-B信号能比较稳定地覆盖到300 km以内的目标，300 km以外覆盖稍差，最远覆盖范围可达450 km。
5 结语
本文对南中国海ADS-B数据完好性、可靠性及信号覆盖范围进行分析。其数据完好性及可靠性基本达到了ADS-B管制运行规程的要求，其信号覆盖范围也达到了与传统雷达监视相同的标准。验证了ADS-B在南中国海运行的实用性，为ADS-B后继的应用提供了可靠的经验数据。
参考文献
[1] 张利永，王宇.ADS-B在南中国海的实验分析和应用思考[J].中国民用航空.2011，（121）：59-60.
[2] 陈惠锋.ADS-B技术在民航空管中的应用及前景展望[J].软件导刊，2012，11（3）：40-41。
[3] 王哲明.新兴监视技术在三亚区管应用的研究[J].空中交通管理，2008，（1）：26-27.endprint
