ADS—B技术在民航监视应用中的研究

王璇

摘 要：广播式自动相关监视（ADS-B，Automatic Dependent Surveillance Broadcast）由于其突出的监视性能和低廉的成本，成为国际民航组织推荐发展的新航行系统监视部分的主要系统。本文主要介绍ADS-B系统在空-地监视、空-空监视中的应用。地-空监视中，飞机广播信息作为监视数据传输至空中交通管制自动化处理系统，无雷达区ADS-B将用于提供类雷达监视服务；空-空监视中，ADS-B可使航空器获得周围空中交通信息，并可实现空中航空器间间隔的保持。ADS-B技术能够真正实现飞行信息的共享。空管活动中所截获的航迹信息，对于本区域空管是必需的，对于提高航空公司运行管理效率也是十分宝贵的资源。

关键词：广播式自动相关监视；空-空监视；空-地监视；机场场面监视

0 引言

在民航行业中空中交通管制是指对航空器在空中的活动进行管理、控制的服务。其主要目的是为了防止航空器与航空器相撞、航空器与机场路面障碍物相撞，保障空中交通顺畅，维持空中交通秩序，提高飞行效率，保证飞行的安全。空中交通管制服务从最早的依靠无线电电台的程序管制，逐渐更新到使用航管一、二次雷达，经历了数十年的改革和发展，每一次技术手段的更新，都给航管事业带来了运作模式的改进。

新技术总是不断涌现，ADS-B广播式自动相关监视（ADS-B，Automatic Dependent Surveillance-broadcast）是继二次雷达后一种由新技术整合出来的新的监视手段。ADS-B是相关的、合作式监视系统。与二次雷达一样，此系统同样要安装相对应的机载设备，除了位置信息以外，ADS-B还能提供速度、方位等信息。与雷达监视系统不同的是，ADS-B的信息可以直接从机载设备中得到。

与以往的监视手段相比，ADS-B的主要技术特点如下：①不须雷达测量飞机的位置，飞机完全依靠全球卫星定位系统GPS自主定位；②飞机的呼号、速度等数据由飞机机载设备“广播”出去（ADS-B OUT）；③地面站接收机接收到“广播”后，将数据传送到空中交通管制中心，并显示给管制员；④周围的飞机也可以通过ADS-B IN设备，收到某飞机的“广播”，并且显示在驾驶舱显示器上。ADS-B可以使机组更清晰地了解周边交通情况，提高情景意识，并可以用于航空公司的运行监控管理，为安全高效地飞行提供保障。

1 ADS-B的应用现状

基于中国民航通用航空运行需求和监视技术的发展现状，ADS-B技术是通用航空运行的一种监视手段，但中国航空不排除使用其他的监视技术。我国ADS-B技术规划从场面监视—终端区监视—航路监视—空-空监视逐步过渡，另外ADS-B地面台的建设是从西部非繁忙地区—西部繁忙地区—东部地区逐步过渡。

现在我国主要的ADS-B系统项目有成都-拉萨航线监视工程、成都-九寨应用监视系统、B215航路空管新技术应用工程以及西沙ADS-B实验系统。成都-拉萨航线监视工程设置了5套ADS-B地面站，实现成都-拉萨航线主要高度层的ADS-B单重连续覆盖，现已投入运行。成都-九寨ADS-B应用监视工程分别在成都和九寨各设了一个ADS-B地面站，它主要是为了评估ADS-B系统的技术性能，检验ADS-B技术在我国民航空管应用的可行性，为我国的ADS-B技术标准、技术政策运行、程序制定提供可靠依据。西沙ADS-B试验系统于2008年11月完成安装调试并配置一套双冗余地面站，它作为西沙雷达的补充，加强对南中国海的空域监视能力。B215航路空管新技术应用工程还在建设阶段。

“十二五”对ADS-B未来的发展做了详细规划。主要是加强西部无雷达覆盖地区的ADS-B地面台建设，着重解决西部地区主要航路航线“看不见”的问题。ADS-B作为区域雷达监视的补充手段。在“十二五”期间将在全国范围内建设41套ADS-B地面站，并进一步推广使用。增强对洋区的航空监视能力，扩大对洋区的航空监视覆盖范围。

2 广播式自动相关监视技术

2.1 基本概念

“广播”采用广播式发送数据，所有用户都可接收这些数据；“自动”表明无须机组人工发送飞机的位置；“相关”表明地面站依赖飞机的应答来得知飞机的准确位置；“监视”即飞机的位置得到了监视。ADS-B基于GPS来确定空中飞机的准确位置，然后将位置信息转换成数字码，该数字码结合了其他的一些信息（如速度、高度及飞机是否转弯、爬升、下降等）。ADS-B设备一般安装在飞机、机场移动车辆和地面基站上，共同享有相互的速度、位置和其他信息。飞机可获得自身周围飞机的位置数据并计算出相对本飞机的位置和移动方位。同时地面收发站也能监控安装有通用访问收发机飞机的情况，获得飞机型号、速度以及飞机的识别码和经纬度等。

2.2 ADS-B组成

ADS-B监视系统由多个地面站和机载设备构成，以多点对多点、网状的方式完成视距范围内数据的双向通信。地面站设备主要包括地面收发机、GPS天线和ADS-B的数据服务器；机载电子设备一般由天线、ADS-B收发机、GPS接收机和CDTI组成。

3 ADS-B的应用

ICAO发展的ADS-B主要用于海洋和边远陆地地区，在世界各国对新航行系统的建设过程中，规划和建立了一些ADS-B航路。例如，高低纬度的墨西哥海湾以及低纬度的美国阿拉斯加州。ADS-B作为广播式自动相关监视，飞机自动向周围的飞机、车辆和地面收发台发射自身的位置等信息，所以可以实现多种功能。其功能主要有在空中飞机与飞机之间能自动识别出对方的位置来自我保持间隔；地面管制员对终端区和航路飞行的飞机进行监控和指挥；机场场面活动的飞机和飞机及车辆之间保持间隔，起到场面监视的作用。

ADS-B的应用包括防撞，提高飞行员的环境意识，无雷达区的空中交通管制以及洋区监视，雷达区可以取代雷达，机场场面监视可避免跑道入侵。

3.1 空-空监视

一般情况下只需机载电子设备，不需任何地面设备。装备了ADS-B的飞机通过数字式数据链广播其精确位置及其他数据，包括其高度、速度及飞机是否爬升、下降、转弯等信息。和传统的航管监视雷达不同，ADS-B可以在低空和地面工作。因此能用来监控滑行道和跑道上的冲突，并且能有效地用在山区或偏远地区雷达无法覆盖或受限制的地区。ADS-B优点之一就是，它能向机组或管制员提供实时信息，可以使组和管制员“看到”同样的信息。

机载ADS-B设备：ADS-B的机载设备一般由主控制器、CDTI、数据链收发设备、差分GPS等。差分GPS接收GPS基准站的定位差分数据，计算得到飞机的精确定位数据。ADS-B机载设备把自己的位置数据和其他相关数据通过数据链设备广播发出，同时接收其他飞机广播的数据，然后进行数据处理，利用地理信息系统技术把其他飞机和本飞机的位置等信息显示到以机场数据地图为背景的CDTI上面。飞行员通过CDTI就能够清楚地知道周围交通状况，避免飞机碰撞的危险。

3.2 空-地监视

3.2.1 无雷达区

ADS-B在中低流量非雷达覆盖区域（如某些终端区或航路不适合安装雷达区）提供ATC监视（程序类控制），对于雷达监视盲区，它也是一种性价比较好的解决方案。

（1）工作中心/公司/航线跟踪

无雷达环境的航班跟踪将允许工作中心或者其他有兴趣的团体来监视航班在离开SSR覆盖区时的进度。现代的航班跟踪能力被限定在二次雷达区域。这些航班跟踪服务的好处将被用于更有效地管理他们的舰队，这也将允许航空院校和机构在低海拔训练区域跟踪他们的学员。由于这些信息已经被用于二次雷达区域，所以只有驾驶员工作在无雷达环境时才可获得利益。

ADS-B地面站：ADS-B地面站通过数据链收发设备接收视距范围内飞机的ADS-B广播报文，并且与其他地面站联网。在本系统内，系统主机只需要机场上的飞机和即将降落飞机的数据。系统主机通过网络定时从ADS-B地面站读取这些飞机的相关数据。

（2）类雷达仪表飞行航路间隔

现代在无雷达环境下，管理者必须采取某种办法来设定间隔以保持飞机间的距离，这些程序大大减少了在一定空域条件下的飞机数量。类雷达间隔将增加无雷达区域的区域容量，减少延迟，只有工作在无雷达环境下遵守仪表飞行规则的飞机才能享有这些好处。

（3）增加了IFR机场进近率

在正常情况下，没有雷达覆盖的机场将转换到一个进、一个出的程序，大大限制了进近速率。有了ADS-B，管理者将用ADS-B地面收发台来保持类雷达间隔标准。这样可以在不执行优先进近的无雷达机场增加进近速率。墨西哥的海湾、阿拉斯加和多岩石地区常作为区域安置点来增加IFR进近率，但是也有很多的通用航空机场，其进近率不低于横跨国际空域的非雷达覆盖区域。在未来由于更多的机场达到了配备标准，更多的飞机将使用这些小机场。目前不是所有的飞机都配备了ADS-B设备，装有这一设备的机场将对配备ADS-B设备的飞机以优先对待的方式提高进近速率。

（4）增加了目视飞行航班的范围

很多依靠目视飞行的首席航空飞行员，使用ATC管制航班下的服务。这些服务允许管制员使用最小安全高度警告给飞行员提供附近的交通状况。然而，当航班飞行在低海拔地区时，由于雷达覆盖范围的限制，这些服务经常是无法使用的。提高目视飞行航班覆盖范围将对低海拔下配备有ADS-B OUT的航空飞机非常有利。通过扩大这些服务到ADS-B覆盖的区域，中空域的冲突和通过地形管制飞机所产生的危害将大大减少。MSAW也将被应用在无雷达空域的飞行仪表航班计划中。

（5）ATC塔台终端进近

ADS-B也可以用在地面来减少地面冲突和跑道侵入。通过配备地面设备以及飞机配备ADS-B OUT和装载ADS-B GBT，地面的交通状况可以展示给塔台来协助地面在机场周围的设备转移的管理。

3.2.2 在雷达区的应用

在有雷达的空域中和中、高流量区域提供空管监视服务，ADS-B作为雷达的补充或替代手段，有更加准确的速度/位置信息的航迹和将来航迹趋势，有利于较大提升航迹计算精确度，提供给管制员更准确的轨迹显示，增强基于监视的网络安全，为管制员提供决策支持工具，这些优点对高密度空域尤其重要，特别是有人工飞机调配需求的高密度终端区和平行跑道情况下高密度终端区的飞机着陆。

ADS-B监视数据相对于现在的雷达数据是有一定优势的。首先它的更新速率是每秒一次，大大高于终端区雷达的4.2 Hz的更新率和航路雷达的12 Hz的更新率，更高的更新速率意味着管制员可以更快地发现问题，同时，ADS-B的位置信息比雷达提供的位置信息更精确，而且精确度没有因为地面站的距离而减小。另外，ADS-B OUT的数据比现有的从雷达获得的数据包含了更多的信息。它包括飞机的航向、空速、海拔、目标航向和海拔、地速、地面航迹、垂直速度以及配置。

（1）改善了ATC下的交通状况

由ADS-B提供的其他信息可以应用于空中交通管制的自动化处理系统，来改善空中交通管理系统的预测能力。这些信息也可以用于更好地分析交通容量事件，ADS-B可以增强容量自动化。然而，由于没有可行的标准，大大限制了ADS-B提供目标信息的能力。运用ADS-B能够减少拥塞、缩短路程并且提供更有效的高度信息，大大改善了交通状况。

（2）增大航路容量

由于拥有更好的自动化系统和更精确的ADS-B信息，管制员将更有效地为飞行器在航路飞行中导航。澳大利亚的ADS-B测试所得的信息显示它可以减少管制员的压力，进而在不用改变最低所需间隔的情况下改进所需间隔、增加容量。增大航路容量可以通过减少间隔标准、自我间隔或者间隔控制来达到。

（3）改善工作区/公司/航线追踪

ADS-B数据可以帮助航空公司改善他们的航线追踪程序。来自ADS-B的数据有更高的更新率，含有除了当前二次雷达提供的数据以外的飞机航向、空速等附加信息。并且，不像当前的航班跟踪，如果他们拥有来自ATC指定的代码，机群追踪对于所有的飞机都将适用，而且是独立的，这将允许航空院校更好地追踪飞行训练机。

（4）进近区的监视

目前，对于低于4300英尺的平行跑道而言，在IFR条件下，进近时需要精度跑道监视雷达。PRM雷达在非覆盖区和ADS-B一样，更新率为1 Hz，装备有ADS-B GBT和ADS-B OUT的飞机，不需要PRM雷达，或者没有PRM雷达时也可以平行进近。在机场配备ADS-B的条件下，PRM雷达可以提高进近率，也鼓励在繁忙的机场建造更多的密集跑道。此应用程序建立在机场部署的基础上，因此它只受益于PRM雷达老化和新建了紧密空间平行跑道的机场。

（5）减小间隔标准

通过改进的监测数据，目前间隔标准可以减少。现有的分类标准是建立在第一代雷达技术和唤醒涡流损耗基础上的。有了ADS-B，位置不确定性降低消除了不确定性的间距对雷达的需求。另外，更快的更新速度偏差和遵守，可以更快地由控制器确定，进一步减少了由于飞机跟踪不确定性对间距的需要。如果控制器可以处理更多的ADS-B飞机或扇区可以进一步细分，减小间隔标准可能增加扇区的能力。

（6）提供更精确的搜寻和救援响应

最新的ADS-B位置报告比由事故定位发射机提供的位置更精确，包括最新的406MHz发射机（不包括装备有GPS的）。这意味着飞机做出的ADS-B地面覆盖站紧急或预防性着陆将获得更快的搜索和救援的反应。

4 结论

ADS-B技术在空中交通管制中的应用即使在雷达覆盖地区也可以不增加雷达设备以较低成本增加雷达系统的监视能力，提高航路乃至终端区飞行容量；也可以在无法安装航管一、二次雷达的大陆区域使用为航空器提供优于雷达间隔标准的类似雷达管制服务。ADS-B技术在空中交通管理上的应用，预示着传统的空中交通监视技术即将发生重大的变革。

加速ADS-B技术的开发和应用，是实现空中交通管理技术跨越式发展的突破口。当前，正处于成长期的我国民航运输业，机型在更新、机队规模在扩大，空管设施将面临进一步的改善，其为空中交通管理的超常规发展提供了良好的机遇。但ADS-B技术的推广应用，涉及更新机载设备、改造空管设施设备、研发和生产新技术产品等方面，必须同时协调推进。

参考文献

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[2]刘依萍.ADS-B：无雷达航空区ATC监视解决方案[J].空中交通管理，2003，（6）：56-57.

[3]李自俊.ADS-B广播式自动相关监视原理及未来的发展和应用[J].中国民航飞行学院学报，2008，（9）：19.

（作者单位：民航新疆空中交通管理局）