基于全球卫星导航系统的ADS—B技术

王秋萍

摘 要：目前，以美国GPS为代表的全球卫星导航系统及其应用技术已经日趋成熟，并在民用航空领域得到了充分应用。未来多卫星导航系统的出现，以及卫星导航系统新技术、新体制的出现，将促使卫星导航系统成为航空应用的重要手段。广播式自动相关监视（ADS-B）技术是一种建立在全球卫星导航系统和数据链通信基础上的航空器监视新技术。本文介绍了ADS-B技术的原理、系统组成、应用功能以及ADS-B的3种数据链技术。

关键词：GNSS ADS-B技术 数据链 应用功能

中图分类号：V447 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0058-03

2011年12月27日，由中国自主建设、能够独立运行、且与世界其他卫星导航系统兼容的卫星导航系统——北斗卫星导航系统开始试运行，向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。该系统将于2020年实现全球覆盖，最终建成全球、全天候、高精度的导航系统。而美国的GPS卫星导航系统和俄罗斯的GLONASS卫星导航系统早在20世纪90年代就已经建成并投入使用，欧盟也在打造自己的“伽利略”卫星导航系统。至此，全球四大卫星导航系统的格局已经呈现。

具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）。GNSS是一个综合星座系统，包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的“伽利略”系统、中国的“北斗”卫星导航系统，以及WAAS、LAAS和EGNOS等卫星增强系统。卫星导航系统的导航卫星不间断地发送自身星历参数和时间信息给用户接收机，用户接收机接收到这些信息后，经过运算求出接收机的位置、速度、运动方向和时间信息等。卫星导航系统允许无限量的用户使用合适的接收机，为不同类型的用户提供授时和测速测距服务。

现代卫星导航系统的出现为民用航空导航应用带来了新的技术手段，未来多卫星导航系统的出现，以及卫星导航系统新技术、新体制的出现，也将促使卫星导航系统成为航空应用的重要手段。广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，简称“ADS-B”）技术是国际民航组织正在大力推广的一项基于全球卫星导航系统和数据链通信的航空器运行监视技术。

1 ADS-B技术原理

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance- Broadcast）的含义如下。

Automatic——数据自动广播发送无需人工干预。

Dependent——信息基于机载数据，不依赖于地面。

Surveillance—— 提供位置和其他用于监视的数据。

Broadcast——采用广播方式发送数据，任何飞机或地面站配备相应设施均可接收该信号。

ADS-B的信息直接从机载设备中得到，通过全球导航卫星系统（GNSS）和其他信息源系统获取飞机的呼号、位置、速度、高度及其他可能的附加信息（航空器类别、冲突告警信息、航线拐点、飞行员输入信息等），以报文的形式通过地-空/空-空数据链向空中和地面自动广播，供其他航空器和地面设备接收和显示。ADS-B技术原理图如图1所示。

2 ADS-B应用功能

相对于航空器的信息传递方向，机载ADS-B的应用功能可分为发送（ADS-B OUT）和接收（ADS-B IN）两类。

ADS-B OUT作为机载ADS-B设备的基本功能，是指ADS-B发射机以一定的周期自动向周围其他飞机或者地面站广播发送飞机的位置信息和其他附加信息。地面站接收到的OUT信息可供地面空中交通管制员使用，起到类似于雷达监视且优于雷达监视的功能。

ADS-B IN是指机载ADS-B设备接收来自其他飞机ADS-B设备发送的OUT信息或ADS-B地面站设备发送的信息，ADS-B IN可以使飞行员在CDTI（座舱显示器）上看到其他飞机的飞行状况。

此外，ADS-B还具有广播式交通信息服务（Traffic Information Service-Broadcast，TIS-B）和广播式飞行信息服务（Flight Information Service-Broadcast，FIS-B）两项扩展功能。TIS-B将从雷达或其他监视源获取的监视信息通过上行数据链传给装有ADS-B设备的飞机，FIS-B通过上行数据链上传气象信息给加装了ADS-B设备的飞机。

3 ADS-B系统组成

ADS-B监视系统主要由机载设备和地面站构成。

机载设备包括机载GNSS接收机、其他机载信息源、机载收发信机和座舱交通信息显示器（CDTI）等。ADS-B机载设备接收到本机的位置、速度、高度和时间等数据后，处理成适合数据链传输的ADS-B消息格式，并将这些消息向空间自动广播出去。同時，机载设备接收地面站和其他飞机的广播信息，经过机载ADS-B信息处理器的处理，通过CDTI显示出来，可供飞行员掌握空中交通状况。

地面站包括天线、地面接收机、数据服务器、显示单元、附属网络和传输设备等，ADS-B地面站接收来自飞机机载设备自动广播的ADS-B消息，对消息进行处理并转换成标准格式后传送至信息处理系统，在地面管制部门的显示器上显示该飞机的位置和状态信息，为管制员提供更精确、快速的飞机信息。此外，地面站也可对系统工作状态起到监控功能。

ADS-B技术超越了传统的陆基监视服务的概念，不仅可以实现地对空的监视，也可以实现空中飞机的相互监视。

4 ADS-B数据链技术

数据链通信技术是ADS-B的关键技术，它是ADS-B信息传播的载体，在很大程度上影响着相关机载和地面设备的所需通信性能。目前ADS-B广播式自动相关监视的数据链技术主要有1090MHz S模式扩展电文数据链（1090ES）、通用访问收发机数据链（UAT）和模式4甚高频数据链（VDL Mode4）3种类型，这3种数据链互不兼容。

4.1 1090MHz S模式扩展电文数据链（1090ES）

1090ES数据链是最早开发的一种数据链。它是一种基于S模式扩展应答机的数据通信技术，使用频率是1090MHz，传输速率为1Mbps。在原来56位的S模式格式的基础上，ADS-B系统应用中扩展到了112位，包括24位比特码、高度、呼号等。1090ES数据链目前在TCAS和S模式雷达等领域被广泛应用，技术已趋于成熟。使用1090ES数据链对机载设备的改装要求不高，使用现有的天线，仅需升级现有的应答机软件，再加装一条GPS连线。

1090ES数据链技术也存在一些缺陷：由于它支持TCAS、SSR等多项业务，易因为容量限制而造成数据链拥堵。同時，1090ES地面站采用全向天线，当空中的飞机数量较多时，信号交叠易产生干扰。此外，1090ES数据链的上行广播能力明显低于UAT数据链。

4.2 通用访问收发机数据链（UAT）

UAT数据链是美国为支持通用航空应用ADS-B系统功能专门设计的一种地空双向数据链，工作频率为978MHz，采用二进制连续相位移频键控调制方式，传输速率为1.04Mbps。UAT每帧时间长度为1s，分为两段，前188ms供地面站广播TIS-B和FIS-B消息，后812ms供飞机用户向外广播ADS-B消息。UAT数据链的实施需要在通用航空飞机上加装GPS接收机、ADS-B发射机和天线。

UAT数据链工作频率为978MHz，在美国属于公共宽带信道，在中国属于DME测距机的频率962～1213MHz范围内，容易被干扰。

4.3 模式4甚高频数据链（VDL Mode4）

VDL Mode4数据链是目前国际民航组织和欧洲电信标准协会推荐的规范化VHF数据链技术，采用自组织式时分多路（STDMA）和超长帧技术。STDMA将VHF通信信道分为若干帧，再将帧分为众多的时隙，每个用户（飞机或地面站）将其信息放入不同的时隙中传输，各用户利用GNSS进行定位和时间同步。VDL Mode4使用频率为118～137MHz范围，采用25kHz标准信道宽度和高斯滤波频移键控（GFSK）调制方式，数据传输速率为19.2kbps。VDL Mode4数据链的实施需要加装新的VDL M4机载收发机设备。

VDL M4数据链的缺点是它存在明显的共址干扰问题。

1090ES数据链是国际民航组织推荐的、全球可互用的ADS-B地空数据链，美国、欧洲、澳大利亚等国家和地区结合自身情况选择了相应的数据链——美国选择1090 ES数据链主要用于国际运输飞行和国内18000英尺（含）以上的高空飞行，选择UAT数据链用于低空飞行的通用航空器；澳大利亚仅仅选择了1090ES数据链；欧洲也主要使用1090ES数据链，并考虑使用VDL-4数据链；中国民航目前选择的是1090ES数据链。

5 结语

与传统空管雷达监视技术相比，ADS-B技术能够提供比民用航空一/二次监视雷达获得更多的目标信息，可实现空-地监视、空-空监视和地-地监视，具有数据精度高、信息内容丰富、数据更新率快等明显优势，而且地面站建设简便灵活，建设维护成本低，无论是对于无法部署雷达的区域还是对于高密度飞行区域的空中交通服务都有着广泛的应用前景。

目前，ADS-B已经在美国、澳大利亚、欧洲和亚洲等发达国家和地区得到广泛应用，中国民航也一直积极跟踪和研究ADS-B技术的发展，实施了一系列ADS-B技术应用的运行试验与验证工程，先后制定了《中国ADS-B技术政策》《广播式自动相关监视（ADS-B）在飞行运行中的应用》《在无雷达区使用1090MHz扩展电文广播式自动相关监视的适航和运行标准指南》《中国民航监视技术应用政策》等监视技术标准、政策和发展策略，有计划地部署ADS-B地面基础设施，逐步推进ADS-B技术在中国民航的应用。

参考文献

[1] 王昌顺.中国民用航空航行技术的革命[M].北京：中国民航出版社2011.

[2] 刘晓静.ADS-B技术在空管中的应用[J].空中交通管理，2011（6）：22-25.

[3] 李自俊.ADS-B广播式自动相关原理及未来的发展和应用[J].中国民航飞行学院学报，2008（9）：11-14.