基于ADS-B的空管监视系统研究

董晓红

（新疆民航空管设备有限责任公司，乌鲁木齐 830016）

ADS-B是广播式自动相关监视的英文缩写（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）。其工作原理是机载设备通过数据链系统，将飞机的四维位置信息及其他识别信息广播发送给地面站和同一区域内的其他飞机，以便管制员对飞机的状态进行实时的监控。

ADS-B技术通过将卫星的定位导航技术、通信技术、民用航空机载设备和地面设备等技术相互贯穿而实现，不仅对航空交通安全的监管起到至关重要的作用，而且对飞行员和管制员洞察安全风险的能力、航空监视范围的覆盖、航空交通安全水平的提高、设备运行效率的提高以及空域容量的提高均有着积极的影响。通过ADS-B还可以实现飞行信息的实时共享，显著增强了飞行员对周边飞行环境的感知，增强航空器的协同避撞能力。通过综合应用场面监视雷达、多点定位系统的，为终端管制人员提供机场地面交通信息以及跑道侵入信息，提高管制员的情景意识。目前，ADS-B技术已经在世界范围内积极推广，加快推广应用ADS-B技术是我国由民航大国向民航强国迈进，建设新一代航空运输系统的重要任务之一。

一、系统总体设计

如图1所示，根据系统所需可将总系统分为互不干涉，但能相互融合以此来提高空管监视业务的4个子系统，即飞行数据显示系统、ASD-B数据处理系统、监视数据显示系统以及系统运行状态监控系统。

图1　系统总体设计UML图

二、ADS-B信号接收和处理模块设计

ADS-B信号接收和处理模块主要负责报文的接收和解析，为监视数据的显示和飞行数据的显示做支持。

（一）ADS-B报文接收

ADS-B报文接收主要分为两个部分：一是地面接收站接收相关的无线电报文信号；二是接收站将接收到的报文进行转发。由ADS-B报文接收模块针对转发的报文进行接收。表1是对报文接收处理的设计描述。

（二）ADS-B报文解析

ADS-B报文解析主要是针对报文接收模块中接收到的报文信息进行解析，在进行解析的时候主要是将报文的版本信息等作为依据来提取接收到的报文中的数据。

（1）功能描述。其主要功能是根据EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR SURVEILLANCE DATA EXCHANGE Part 12 - Category 021对所接收原始的ASD-B报文按要求进行解析，再将解析后的报文处理结果缓存至缓冲区，提供给报文处理轻量级进程。

（2）性能要求。需要和ADS-B接收线程保持同步，接收到的数据经解析后不允许丢帧。

（3）算法描述。算法描述主要是把报文解析中提取到的相关数据，按照Category 021的格式规定进行解析，在成功完成解析之后将获得的解析结果写入结果缓冲区。图2是针对已有数据所进行的相关算法说明。

图2　算法说明

三、监视数据显示模块设计

（一）概述

监视数据显示（Surveillance Data Display，SDD）系统主要是针对飞行器痕迹进行显示和告警，相关的用户可以利用地理矢量对飞行器的痕迹、标牌信息等相关信息进行实时的观察。此外，还可以显示航班的相关指挥数据，并且能够很好地进行人机交互。安装了SDD系统的终端用户还可以通过SDD系统更好地了解到飞机的飞行状况等，从而利用该系统对飞机进行有效的指挥管控。

（二）结构设计

（1）系统模块划分。表2显示的是SDD系统的3个工作模块：用户命令接口模块、航迹监视视图模块和状态信息显示模块。之所以对SDD系统进行模块划分，主要是因为SDD系统内部功能相对复杂，要想保证系统的正常运行，就需要确保各部分之间充分协作。因此，将该系统进行模块划分可以更好地掌握每个模块的运行状态，从而实现较好的系统运行。

（2）架构设计。下面用UML图展示监视数据显示系统的架构设计，以及各模块的主要内部层次关系，如图3所示。

表1　ADS-B报文接收设计描述

表2　SDD主窗口示意图

图3　监视数据显示系统架构设计

四、飞行数据显示系统设计

（一）概 述

飞行数据显示（Flight Data Display，FDD）系统主要是负责管理和显示飞行计划，并且根据不同的状况对飞行计划进行及时的调整和改进等。此外，FDD系统还要负责管理电报相关方面的内容，具体的管理内容主要包括：显示已收到的报文，纠正错误的报文等。鉴于FDD系统承担的多项工作内容，FDD系统成为了空管系统中的重要组成部分。

由于FDD系统在空管系统中占据很重要的地位，因此在针对FDD系统进行设计的时候主要是围绕需求分析结果进行的。为了更详细、更全面地介绍FDD系统在空管系统中起到的作用，本文从多个方面进行分析。

（二）结构设计

（1）系统模块划分。表3是针对FDD系统的整体系统模块进行的分析，为了更加清晰地表明每一个不同模块所负责的任务，针对系统模块的分析主要从飞行计划管理、值班档案处理和电报管理这3个方面进行功能上的对比分析，在运行过程中，这3个模块相互独立。

（2）架构设计。为了更加清楚地看到各个模块之间的联系，本文通过查阅资料采取了UML图来描述系统的架构设计。如图4所示，最顶层的是飞行数据显示系统，正如上文中提到的，FDD是空管系统的一个重要组成部分，因此要想更好地进行分析就要从整体的飞行数据显示系统着手，飞行数据显示系统又包含了3个子模块：飞行计划管理模块、档案管理模块和AFTN电报管理模块。在3个子模块中又分别包含不同的内容：飞行计划管理中主要包含了显示、编辑、新建、搜索以及打印等功能；档案管理主要包含文件管理和显示等功能；AFTN电报管理主要包括了报文模板；再往下层，文件显示功能主要包含了一个第三方开源库 Poppler，其主要负责文件的打开和读写及提供PDF文件的解析等内容。

图4　飞行数据显示系统架构设计

表3　飞行数据显示系统模块设计

五、系统运行状态监控系统设计

（一）概 述

系统运行状态监控（System Management Control，SMC）主要是负责将读取到的结果进行图形化的表示。具体的监控设备主要有席位主机、打印机及路由器等。

SMC监控系统要想很好地实现监控，就需要利用SNMP协议来完成。要想针对某一设备进行监控，就需要该监控设备同意该协议，SMC系统主要是先利用目标设备的IP等对监控目标发起SNMP查询，通过查询了解该监控目标是否已经同意和支持SNMP协议。除此之外还可以根据查询结果了解到该监控目标的参数信息等，如果发现参数数据达到了告警标准，就需要及时发出告警，避免出现风险等。

（二）结构设计

（1）模块划分。表4显示的是系统运行状态监控模块设计分析，分析内容主要涉及两个方面：设备监控和管理模块、用户管理模块。

表4　系统运行状态监控系统模块设计计

（2）架构设计。图5是SMC的架构结构分析，该监视系统主要分为两个方面：状态监控和用户管理。其中，状态监控主要包括网元管理和监控，用户管理主要包括数据库操作。

六、结束语

图5　系统运行状态系统架构设计

综上所述，ADS-B系统相较于传统监视系统而言更加具有优势，是国际民航空管监视系统的未来发展方向。由于其成本较低，建设较为方便，很值得相关领域的专业人士进行研究。我国对ADS-B技术在民航领域的应用较晚，目前正逐步形成以雷达、ADS-B为核心的民航监视网络，随着低空空域的逐渐开放，ADS-B技术在空管系统的应用上有很大的机遇和发展空间。本文主要研究的是基于ADS-B设计的空管监视系统，包含了空管监视系统中的关键功能，在小规模的空管监视中依旧可以起到较大的作用。