ADS-B技术在通用航空避撞系统中应用研究

2018-09-01李波刘建都王庭良保慧琴

现代导航 2018年4期

李波，刘建都，王庭良，保慧琴

（西北工业大学明德学院电子信息工程系，西安 710124）

0 引言

国务院、中央军委于 2011年做出了加快推动低空空域管理改革的重大决策，通用航空迎来迅猛发展的新局面[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。伴随着低空空域的开放，中国通用航空快速发展，飞行总量年均增长10%以上，行业规模日益扩大，应用领域不断拓展，飞行器种类日益增多。伴随着通用航空的快速发展，飞行安全问题亟需解决。进入 21世纪以来，飞机相撞事件屡屡发生，数据表明，90%以上的飞机相撞事故发生在低空，且大部分为通用航空[2]。当前，在运输航空中普遍采用TCAS避撞系统，但由于其价格昂贵、通用航空飞机体积和载重限制等原因，TCAS主要在较大型的飞机上装载，多数通用航空飞机并没有装载。长期以来，通用航空主要采用监视、管理和飞行员目视的方式进行避撞[2,8,9]，这显然不能满足飞行情况复杂的通用航空的需求，还需要采取技术措施来保障通用航空的安全。

伴随着GPS的发展，ADS-B技术得到快速发展，ADS-B技术已成为新航行系统的主要技术方向[2]，我国已确定并正在实施将ADS-B技术应用于运输航空和通用航空监视中[1]，ADS-B技术先进，传输信息丰富，基于 ADS-B技术有望研制出适应于通用航空的避撞系统。

1 ADS-B技术

自动相关监视（ADS）是ICAO在新航行系统中所推荐的一种新兴的监视技术。自动相关监视系统，指机载导航系统获得的导航信息，通过卫星数据链或甚高频空地数据链，自动实时地发送到地面接收和处理系统，然后通过伪雷达画面，供有关人员监视飞机运行状态。可应用于航路、终端区和地面监视等部门，在运输航空中成为现有的雷达监视系统以及机载避撞系统的有力补充。同时，由于它还使用了卫星链路，可应用于海洋和边远地区，改善现有监视条件下这些地区监视手段不足的情况。

广播式自动相关监视系统（ADS-B，Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）是一种基于卫星定位和利用空-地、空-空数据链通信完成交通监视和信息传递的空管监视新技术[1]。

ADS-B系统包含GPS卫星、机载设备和地面设备三部分，机载设备以GPS进行实时定位后，以1s的时间间隔广播自己的数据信息，同时，本飞机也接收其他飞机的相关数据。ADS-B传输的信息主要是飞机的呼号、标识、经度、纬度、高度、附加信息（冲突告警信息等）以及数据类别信息，根据需要可包含一些别的附加信息，如航向、空速、风速、风向和外界温度等。

国内外多家生产厂商已研发生产出各种类型的 ADS-B机载和地面设备。其中国内工业界积极开展 ADS-B技术研究和产品研发，在部分航路和机场成功进行了国产 ADS-B地面站系统的应用实验和布局。在民航局政策与标准引导下，工业界已基本具备ADS-B设备的产业化能力。

2 ADS-B技术的航空应用情况

2.1 ADS-B在运输航空中的应用

国际民航组织于第十一届航行大会确定ADS-B技术为全球新航行技术的主要发展方向。欧美等航行发达国家已制定了本国/本地区ADS-B实施规划，建立了相关的规章和标准，开展了验证与应用。中国民航也高度重视新航行技术的应用与实施，不断加强 ADS-B技术研究与应用，在技术政策与规章标准制定、机载设备加改装、地面设备研制生产、技术验证与试验运行等方面开展了大量工作[1]。

我国制定了运输航空 ADS-B实施规划，运输航空 ADS-B建设与运行按照统一规划、整体推进的原则，结合国家五年发展规划分“十二五”和“十三五”两个阶段实施。到“十三五”末，实现ADS-B OUT全面运行[1]，具体包括：

（1）全国高空航路航线实现ADS-B监视，实施ADS-B运行或雷达/ADS-B运行。

（2）终端（进近）管制区域实现ADS-B监视，实施ADS-B运行或雷达/ADS-B运行。

（3）全部运输机场塔台实现ADS-B监视，实施 ADS-B运行或多源监视运行。

（4）为机场、航空公司、航空保障企业、运行监管部门、社会公众提供ADS-B信息服务。

2.2 ADS-B在无人机中应用

近些年，无人机无论在民用还是军用中都得到快速发展，无人机的数量和种类快速发展，无人机的监视、管理和避撞问题都亟需解决。

在文献11、文献12中研究将ADS-B应用于无人机的监视系统中；在文献13、文献14、文献15中研究将 ADS-B应用于无人机的避撞系统中。Robert C. Strain为小无人机专门研制了一套重量轻、成本低、能耗低、便携式的 ADS-B系统，Florent Martel等基于ADS-B成功研制了一套小于5kg的4D避撞系统。可以预测，在未来无人机的监视、管理和避撞系统中将大量采用ADS-B技术。

2.3 ADS-B在我国通用航空监视中应用

通用航空具有机型组成复杂，作业区域和作业时间灵活多变，作业种类繁多，对通信导航监视等服务的需求差异较大等特点。中国民用航空局明确推进通用航空ADS-B监视的建设与应用[1]，依据国家低空空域分类改革工作总体部署，在管制空域、监视空域全面实现 ADS-B监视，在报告空域根据航空活动需求建设必需的 ADS-B地面设施。通用航空ADS-B建设与运行按照统一规划、分类指导、与运输航空协调推进的原则，结合国家五年发展规划分“十二五”和“十三五”两个阶段实施。到“十三五”全面实现通用航空活动的 ADS-B监视服务。通用航空采用国际民航组织标准的1090ES数据链[1]。

3 ADS-B技术在我国通用航空避撞系统中的应用分析

3.1 构建通用航空避撞系统的必要性分析

为保障飞行安全，运输航空中除了加强航空交通管制（ATC）外，还加强避撞装备的研制，当前运输航空中普遍采用 TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System，交通预警与避撞系统，欧洲称为 ACAS，Airborne Collision Avoidance System机载避撞系统）。TCAS是对空中交通管制工作的有益补充，更是飞行员和整个飞机的最后一道安全屏障。实践证明，采用TCAS系统之后，飞机的碰撞率大大降低了。

相比运输航空通，用航空在避撞问题上存在更大的挑战：

（1）通用航空多数不是按特定的航线在特定的时间飞行，而是划定区域内和时间段的自由飞行，其方向和线路是自由的，其飞行时间也是自由的，在某个时间内某个区域有可能飞机密度很大，这增大发生碰撞风险。

（2）通用航空监视管理和服务难度大，通用航空为在划定区域内低空自由飞行，飞机易受到障碍物的遮挡，很难在很低的空域进行全空域的监视，监控中心也很难给低空空域内所有飞机进行很好的空中态势和管理服务。这样飞行区域内飞机分布态势情况很难准确把握（尤其是在超低空区域，障碍物较多时），容易出现其他飞机突然从障碍物后面出现的情况，这样也加大发生碰撞的风险。

（3）通用航空飞行员多数并非专职飞行员，飞行素质存在较大差异，而且飞行员一般还要担负其他的作业任务，如摄像、播种、喷撒农药等，这也易分散飞行注意力。

（4）低空空域飞行器种类复杂多样。通用航空飞行器本身种类多样，有固定翼飞机、旋翼飞机等，低空空域还有无人机、滑翔机等，体积、重量、速度差异很大。

当前，通用航空的飞行安全主要靠一系列的政策、法规和监督管理，靠飞行员目视来进行近距离避撞。从近些年通用航空的高碰撞事故率来看，通用航空当前的避撞措施是不够的，迫切需要如TCAS一样的避撞系统来辅助飞行员进行避撞。

3.2 TCAS在通用航空避撞系统应用分析

TCAS系统大大降低了运输航空的碰撞概率。但运输航空中的TCAS系统在通用航空中很少装备，当前，TCAS主要装备在较大型飞机上，例如美国和澳洲规定在 30人座以上涡轮发动机客机或最大起飞重量超过 15000公斤的飞机；欧洲规定在 19人座以上涡轮发动机客机或最大起飞重量超过5700公斤的飞机；香港规定在9人座以上涡轮发动机客机或最大起飞重量超过 5700公斤的飞机上装备TCAS系统。这样，当前通用航空飞机大多数并不安装TCAS系统。

TCAS价格昂贵，对于低成本的通用航飞机来说会大大增加成本；TCAS系统会占用通用航空有限的使用空间，并增加通用航空的载荷负担。另外，TCAS系统都是外国的产品，如采用TCAS系统也不利于我国通用航空的自主独立发展。

3.3 构建基于ADS-B通用航空避撞系统可行性分析

ADS-B近实时（以1s时间间隔进行广播）的发送飞机的位置、速度、航向等信息，同时，通过接收，可以获得其他飞机的位置、速度、航向等信息，ADS-B信息比TCAS中的数据信息更加丰富，因此，基于 ADS-B数据信息，完全可以构建类似于TCAS的避撞系统。而且，ADS-B有效工作范围更大，TCAS有效工作范围为40海里，而ADS-B有效工作范围在没有遮挡的情况下可达 125海里，这有利于在更加广阔的范围内通用航空飞机提前探测与入侵飞机的冲突情况并提前避让，也可避开密集飞行区域。

3.4 基于ADS-B通用航空避撞系统的优势分析

伴随着全球卫星定位系统的发展，ADS-B技术快速发展，研制用于通用航空的基于 ADS-B的避撞系统是可行的，并且较TCAS具有非常好的优势，具体分析如下：

（1）可与通用航空的ADS-B监视系统共用设备，共享信息。根据我国相关出台的政策文件，未来我国的通用航空飞行器必然要安装 ADS-B相关监视设备，而基于 ADS-B的避撞系统可以共用ADS-B相关监视硬件设备，不需要或极少需要增加额外的硬件设备，而主要是进行相关软件的研制，这样不会增加额外空间和载荷负担，而且还会大大降低成本。基于 ADS-B的避撞系统与监视系统共享信息，相互促进。

（2）便于与运输航空互通信息，有利于与运输航空的避撞。国际民航组织于第十一届航行大会确定 ADS-B技术为全球新航行技术的主要发展方向。未来在运输航空飞机中将大量装备 ADS-B设备，这样在通用航空飞机与运输航空飞机靠近时，可以实现 ADS-B信息的互通，有利于降低通用航空飞机与运输航空飞机碰撞的风险。

（3）可以与无人机信息互通，有利于与无人机进行避撞。最近一些年，无人机飞速发展，无人机的监视和避撞也是很复杂很重要的问题，ADS-B也有望用于无人机的监视和避撞系统[11,12,13,14,15]，这样通用航空飞机的基于 ADS-B避撞系统也有利于与无人机信息互通，降低碰撞风险，甚至通用航空和无人机的避撞系统还有可能一体化建设，进一步增强避撞性能。

（4）相比 TCAS，ADS-B传输信息丰富，更有利于避撞；工作范围更广，可以提前进行避撞。TCAS主要是能得到周围飞机的位置信息，而ADS-B除了可以获取周围飞机的位置外，还可以得到周围飞机的航向、航速、空速、风速等信息，如此丰富的信息，更加有利于进行避撞实施。TCAS能监视前方水平范围40海里，垂直范围2700英尺（1英尺=0.3047999m），侧向和后向作用距离会更小。而无遮挡情况下，ADS-B监视范围可达125海里，在工程计算时，一般取值为100海里，并且是全向的，如果再转发周围飞机信息，则工作范围更广，这样基于 ADS-B的避撞系统可以提前调整航路，避开拥挤区域和可能会发生碰撞的区域，提前规避碰撞风险。

（5）有利于与地面上固定的高大建筑物和障碍物进行避撞。根据 ADS-B的原理，可以在一些特殊区域内的特殊建筑物和障碍物上（如一些楼房和山顶等）安装 ADS-B设备，有利于通用航空飞机与这些建筑物和障碍物的避撞。

（6）我国全球卫星导航系统很快就会全面应用，而且具有很高的精度，这样，我国还可以开发基于北斗的完全自主知识产权的ADS-B设备。

4 基于ADS-B技术的通用航空避撞系统总体构建

4.1 与监视系统一体化构建

ADS-B是国际民航组织确定的未来合作目标的主要航空监视技术[1]。我国也已确定在通用航空监视中采用ADS-B技术，制定了相应的建设计划，并已开始进行相关建设。基于 ADS-B的通用航空避撞系统应在 ADS-B监视系统的基础上进行协调建设，两者要相互兼容。

硬件：在硬件方面共用监视系统中的 ADS-B设备、主机设备、放音器设备、显示设备、电源设备等，不需要另外添加硬件，如果避撞系统要具有人工手动设置“开启/关闭避撞系统”和“开启/关闭避撞语音提示”等功能，这些功能可以通过设置硬件按键来实现，也可以在软件中通过软件菜单来实现。

软件：通用航空避撞系统软件嵌入监视系统软件，可以作为监视系统中的一些功能模块。

数据：避撞系统中的 ADS-B数据与监视系统共享。同时，避撞系统计算出的本飞机与周围飞机的冲突信息可由监视系统使用，可传给地面监控中心。

4.2 通用航空避撞系统规划

根据 ATC规定，飞机方圆 5海里（5×1.852=9.26km）、上下1200英尺（≈366m）为避撞区域，禁止其他航空器闯入，否则就有碰撞的可能，需要进行避撞处理[2]。TCAS在这一区域进行 TA（Traffic Advisory）和RA（Resolution Advisory）两级避撞。

ADS-B传输信息丰富，工作范围广，一般认为ADS-B的有效工作范围为 100海里（≈185km）[2,18,19,20]，借助ADS-B，可以在ATC规定的避撞区域外构建保护区域，进行提前避撞，以增强避撞性能，如在文献16中的5min范围内保护区域避撞，文献2、文献17、文献20中的40～100海里范围内提前避撞，文献18中5～40海里的保护区域避撞等。

基于以上分析，提出构建基于 ADS-B技术的通用航空避撞系统，在ATC规定的避撞区域外构建保护区域（PA，Protection Airspace Zone）进行提前避撞；将ATC规定的避撞区域内再仿照TCAS分为TA区域和RA区域分别进行一般避撞和紧急避撞，即基于 ADS-B技术的通用航空避撞系统总共包括三级避撞。

保护区域（PA）提前避撞：ATC避撞区域外、ADS-B工作范围内设定保护区域，该区域大小可根据实际需要设定，在该区域内进行提前避撞，由于这一区域较大，入侵飞机与本飞机发生碰撞的可能性小，所以，无需要对所有入侵飞机都进行避撞处理，而应先对入侵飞机与本飞机进行航路冲突检测，如存在冲突即进行避撞处理，如无冲突则不处理[2,17,18,19,20]。

TA区域一般避撞：这一区域外围范围设定为ATC规定的避撞区域范围，进入该区域的入侵飞机与本飞机有较大碰撞可能，对所有入侵飞机都应进行一般避撞处理。