星载ADS-B相关研究进展及展望

2022-02-22倪久顺陈利虎余孙全李松亭郭剑鸣罗坳柏李晋华

中国空间科学技术 2022年1期

倪久顺，陈利虎，*，余孙全，李松亭，郭剑鸣，罗坳柏，李晋华

1. 国防科技大学空天科学学院，长沙 410073 2. 国家空域管理中心，北京 100080

1 引言

广播式自动相关监视技术(automatic dependent surveillance-broadcast, ADS-B)是近年来航空监视领域的热点发展方向之一[1]。当前地面ADS-B系统已经逐步成熟并广泛应用到全球各大机场和重点航路航线，但还未能完全解决跨洋飞行监视，偏远的荒漠、极地地区地面设备布点难、安装成本高等问题。星载ADS-B系统正好可以解决这方面问题。

本文在星载ADS-B基本原理简介的基础上，探讨了当前星载ADS-B系统发展现状，分析了星载ADS-B四个主要关键技术：天线技术、射频电路技术、信号处理、星座设计方法。综述了国内外基于星载ADS-B航空监视技术的研究进展，梳理了星载ADS-B的数据应用与科学研究进展，提出了中国构建广域星载ADS-B系统发展的建议。

2 星载ADS-B原理及相关卫星

2.1 星载ADS-B原理简介

ADS-B技术数据链主要有1 090 MHz扩展电文模式(1090MHz mode S extended squitter, 1090ES)、通用访问收发机模式(universal access transceiver, UAT)和甚高频数据链路4模式(very high frequency data link mode 4, VDL-4)三种[2]。三种数据链区别如表1所示。1 090 ES主要工作频率为1 090 MHz，采用脉冲位置调制(pulse position modulation, PPM)编码，码速率为1 Mbit/s。UAT工作在978 MHz频率附近，采用连续相位频移键控(continuous phase frequency shift keying, CPFSK)编码，码速率同样为1 Mbit/s。VDL-4工作在118～137 MHz频段，采用高斯频移键控(gauss frequency shift keying, GFSK)编码，码速率约为19 kbit/s。国内外学者大多基于1 090 ES模式展开研究。

表1 ADS-B数据链Table 1 ADS-B data link

星载ADS-B通过卫星搭载高灵敏度ADS-B接收机，接收地面航空器信号，并转发到地面站进行分析、处理，从而实现对覆盖区域内的航空目标进行监控的目的。星载ADS-B系统的基本组成如图1所示，包括机载ADS-B信号发射机、低轨卫星和地面站三部分构成。飞机等航空器将自身的位置、航向、速度和航班号等信息通过ADS-B发射机进行广播，装载有ADS-B接收机的卫星收到该信号后，将对应的报文加上时间、功率等信息后，再下传至地面卫星接收站，进而将数据分发给相关用户。

图1 星载ADS-B原理图Fig.1 Schematic diagram of space-based ADS-B

如图2所示，通过星载ADS-B系统，用户可掌握全球航班的实时动态信息。

图2 星载ADS-B全球覆盖效果图Fig.2 Global aircraft surveillance by the space-based ADS-B

2.2 单星星载ADS-B系统

星载ADS-B系统相对于传统的地基系统具有明显优势，各国纷纷进行了相关技术研究。如德国的PROBA-V[3]，丹麦的GATOSS[4]，加拿大CanX-7[5-6]，美国的二代铱星[7]、二代全球星[7]以及国内的“天拓”系列等[8-10]。星载ADS-B技术的发展从最初构想到实现，中间经过了近10年时间，其技术水平也在不断发展进步。

2013年5月，人类世界上第一个实现ADS-B数据接收的卫星是德国PROBA-V[3]。经过一年半的在轨运行，Proba-V共侦收ADS-B报文上亿条。但由于Proba-V主要用于植被探测，ADS-B接收机作为实验用的副载荷，其实际性能并不理想。同年10月，丹麦GomX-1顺利升空。其作为两立方星模块设计，用于星载ADS-B接收测试，并在2015年10月发射了GomX-3,一颗三立方星卫星[4]。国内首颗进行ADS-B技术验证的卫星天拓三号(Tiantuo-3,TT-3)于2015年9月成功发射[8]。 2020年8月对ADS-B侦收性能进行算法优化的天拓五号(Tiantuo-5,TT-5)顺利进入预定轨道。图3展示了天拓五号ADS-B接收幅宽，可以看到幅宽达到了4 517 km的范围大小，每天双机可接收340万条报文。图4展示了上述部分具有代表性的ADS-B卫星，它们均为小卫星，主要用来验证星基接收ADS-B信号的可行性。

图3 天拓五号ADS-B接收幅宽Fig.3 Detection width of Tiantuo-5 ADS-B

图4 部分具有代表性的ADS-B卫星Fig.4 Some representative ADS-B satellite

表2对上述星载ADS-B系统，从接收能力和单星覆盖区域大小进行比较，重点是比较ADS-B接收性能。可以看出，ADS-B卫星全部处于近地轨道，其接收能力从每天2千条到340万条不等，反映了接收系统之间的性能的巨大差异。

表2 星载ADS-B接收机性能对比Table 2 Performance comparison of space-based ADS-B receiver

2.3 星座星载ADS-B系统

(1)二代铱星ADS-B系统

基于二代铱星的ADS-B系统是世界上第一个成功商业应用的星载ADS-B系统。2011年，铱星通讯公司和一些航空导航服务提供商联合成立了Aireon公司，并进行相关技术研究。2017年，二代铱星开始发射，2019年1月11日，二代铱星全部完成在轨部署，其中66颗卫星搭载了ADS-B接收系统。这些卫星分为6个轨道面，运行在780 km的近地轨道上。

测试表明，二代铱星ADS-B系统能够实现全球航空目标的监视，在95%的置信概率下，对任意目标能够达到15 s的准实时监控[11]。可以看出以美国铱星公司为首的二代铱星系统走在了世界的前列，2019年4月美国Aireon公司正式提供空中交通监控服务[12]，将监控范围从之前的30%提高到100%。但二代铱星采用的是极地轨道，考虑到全球的飞机穿越极地相对较少，可以引入大倾角轨道卫星星座与极地轨道结合的概念，减少卫星数目。

(2)国内星座计划

天行者星座[13-14]由48颗卫星组成，均匀分布在6个近地轨道面上，卫星主要搭载ADS-B等有效载荷。截至2020年12月发射升空和德一号、和德二号A/B星和德四号、和德五号共5颗卫星在轨运行。

虹云卫星通信系统[7]由156颗卫星组成，2018年该系统首星武汉号顺利升空。主要搭载了通信主载荷，光谱测温仪和ADS-B载荷。

鸿雁卫星通信系统[7]由300 颗卫星组成。2018年该系统首星重庆号在甘肃省酒泉卫星发射中心发射升空。重庆号同样载有ADS-B接收系统。

目前国内低轨卫星星座的研究和发展都在竞相准备和筹划中，但目前仍处于单星或多颗卫星试验验证阶段。离最后成功的应用到空中交通管理中还需要一定的时间和技术积累。一方面，各家公司或者单位都有自己的业务需求；另一方面，可以广泛开展交流合作，争取国内实际可以应用的系统早日落地。

3 星载ADS-B接收关键技术进展

星载ADS-B接收机在接收飞机报文信号时存在多重信号混叠问题和噪声信号干扰严重的问题，这对系统接收性能是极大的考验[17]。为此，需要在天线前端、射频电路、信号处理方面进行优化设计。

3.1 天线技术

ADS-B信号通过天线进入星载ADS-B系统，天线设计的好坏直接影响着接收机性能。

在星载ADS-B的前期实验验证中，主要考虑天线的尺寸要尽可能小，接收增益要尽可能大。为了解决这个问题，GOMX-1[18]、天拓三号以及STU-2[19]卫星采用了弹簧展开式螺旋天线。程云[20]等人采用螺旋天线对星载船舶自动识别信号(automatic identification system, AIS)进行波束扫描，但AIS实时性要求没有ADS-B高，采用这个方法所导致的信号无法应用到ADS-B系统中去。

验证了在轨接收ADS-B信号的可行性之后，发现星载ADS-B虽然覆盖范围广，但与地基ADS-B相比，它面临着信号冲突问题更加严重。为了解决这个问题，目前普遍采用多波束天线来接收ADS-B信号，达到不减少天线覆盖范围的前提下减轻信号冲突的影响。Aireon公司在二代铱星上设计由4个独立的天线阵面组成的多波束天线阵列，如图5(a)所示，其中3个阵面包含3x5个天线单元，1个阵面具有3x3个天线单元，总共产生7个天线波束[21]。在国内，文献[22]提出了一种19单元六边形阵列自适应多波束形成方法。该方法与传统的固定多波束天线相比，大幅提升了飞机的检测概率。在此基础上，文献[23]提出了一种数字多波束星载ADS-B系统，采用的是包络尺寸为550 mm×550 mm×200 mm的数字19波束一体化接收系统。该系统由三层组成。如图5(b)所示，顶层为4×4微带天线阵，第二层为射频电路板，通过SMA端口与天线单元直接插入。结构紧凑，消除了电缆连接造成的损耗。第三层为信号处理层。2020年11月6日成功发射的北航空事卫星一号，同样采用了4×4微带天线阵，采用模拟相控阵天线技术。为了减轻系统质量，上海航天电子技术研究所设计了一种电热丝熔断释放的七波束可展开螺旋天线[24]。如图5(c)所示，该设计使天线的质量下降到8 kg。就目前星载ADS-B天线技术的发展来看，受限于平台的尺寸和功耗，小卫星普遍采用单天线，而中型和大型卫星则普遍采用相控阵多波束的方式。目前在轨的二代铱星以及空事一号属于模拟相控阵，波束的个数、大小、方向均固定。数字相控阵尽管被证明具有优越性，但还没有得到在轨验证。

图5 几种星载ADS-B多波束系统Fig.5 Multi-beam space-based ADS-B receiving systems

3.2 射频电路技术

目前常见的射频电路实现方法主要有零中频架构、低中频架构和超外差架构三种。由于ADS-B信号传输的码速率只有1 Mbit/s，在低码速率下，零中频架构在低频处存在闪烁噪声的干扰，只有在码速率超过4 Mbit/s后，闪烁噪声影响才可忽略不计。而在低中频架构中，IQ支路的增益及相位失配很难使镜像抑制性能超过30 dB。ADS-B信号从机载发射器发出，到星载ADS-B接收机，中间链路信号衰减明显，这就需要更高灵敏度的接收机。从ADS-B接收的架构来看，目前采用较多的是超外差架构，如图6所示，典型的超外差架构外置有通带选择滤波器和镜像抑制滤波器，集成有A/D采集电路、抗混叠滤波器、本振及混频电路等。当干扰与载波频率接近时，传统的超外差架构存在镜像抑制滤波与抗混叠滤波之间的矛盾。针对这个问题，提出了二级超外差架构，可以有效避免一级结构带来的滤波器矛盾问题。

图6 ADS-B接收机(超外差架构)Fig.6 ADS-B receiver (superheterodyne architecture)

传统ADS-B接收机的灵敏度一般最高到-85 dBm，可由软件无线电(software-defined radio, SDR)方法实现[25]。E.G.Piracci等提出了一种基于软件无线电架构的ADS-B接收系统，系统灵活性很高，可以很方便地验证一些新算法[26]。Pu B D等基于AD9361和Xilinx平台设计了ADS-B接收系统，并通过MATLAB软件集成了解码显示功能[27]。

由于星地传输距离增大，星载ADS-B接收机对灵敏度的要求更高。星载ADS-B接收机需要满足以下特点：1)信噪比足够高；2)增益能够根据周围环境的变化进行调整，并且线性范围足够大；3)能够和天线实现最佳匹配；4)抗带外干扰以及抗镜像频率干扰能力强。基于以上考虑，当前普遍采用超外差式结构设计，灵敏度可以达到-95 dBm以上，可在轨接收ADS-B信号[28]。

3.3 信号处理技术

制约ADS-B信号解调效果的技术主要包括：帧头检测，比特译码和纠错算法。其中能否准确定位帧头直接决定了信号检测效果。ADS-B信号的帧头检测方法主要分为脉冲沿法和匹配滤波法两种，相比较而言，匹配滤波法效果更好，但硬件资源消耗相对较大。比特判决方面，主要采用基于置信度的判决方法。完整性校验方面，ADS-B消息采用24 bit的循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)，可对5 bit以内的错误进行校正，但资源消耗大。因此，当发现解调错误时，当前普遍采用丢弃该条报文的做法，或基于置信度的部分校正方法。

星载ADS-B信号处理技术的另一个关键方面是信号盲分离技术。由于星载ADS-B系统覆盖范围大，导致大量信号可能同时涌入，造成信号冲突的问题。为此，需要对交织的信号进行分离。由于星载ADS-B信号结构和调制方法与二次监视雷达S模式信号相同。所以目前许多二次监视雷达S模式信号的分离方法也被用在ADS-B信号的分离上。Petrochilos多年来一直致力于二次监视雷达S模式信号分离的算法研究，主要方法集中在阵列信号的处理上。他在2005年提出的投影算法(projection algorithm, PA)和2008年提出的扩展投影算法(extended projection algorithm, EPA)计算量低且易于硬件实现[32-33]，目前国内许多研究者提出的星载ADS-B信号分离算法很多是在这两种算法的基础上改进过来的。Wang等人采用阵列天线，基于自适应波束成形方法进行了ADS-B信号分离研究，在信噪比为15 dB的条件下取得了较好的效果[34]。考虑到ADS-B信号的载频为1 090 MHz，阵列天线的阵元间距一般取半个波长距离，即30 cm。受制于卫星平台尺寸限制，星载ADS-B天线个数较少，因此采用阵列天线的分选算法在星载ADS-B系统中的分离效果并不理想。文献[35]将单通道全向天线接收到的信号重新排列成阵列形式，能够分离一部分混合信号，但该方法对信号的信噪比和采样率要求很高，而卫星接收ADS-B信号却存在着信噪比低、采样率低的问题。文献[36]研究了高灵敏度解调算法，利用基于匹配滤波的ADS-B信号帧头检测算法对信号准确定时和提取功率信息，板载验证表明，最终接收机的灵敏度可达-95 dBm。

总体而言，当前关于ADS-B信号的解调方法的研究较多，也相对成熟，解调误码率已经逼近理论极限。但当前的星载ADS-B信号盲分离算法仍处于理论仿真阶段，因其算法复杂度一般较高，而未能得到实际应用。

3.4 星载ADS-B星座设计

在卫星上搭载ADS-B专用载荷来接收ADS-B信号的成本更低、效费比更高。一方面，卫星的研制和发射成本十分高昂，发射专用星座来接收ADS-B信号的成本过大；另一方面，卫星上的部组件，如星务计算机、推进及姿态控制系统、数传系统等是可以被多个任务载荷所共享的。目前国外国内也都是采用卫星上搭载ADS-B专用载荷的方式来接收ADS-B信号。

进行卫星星座设计是实现广域航空监控系统的重要一步。尽管已有许多星座设计方面的论文，但针对星载ADS-B应用的卫星星座设计还较少。星座构型设计以分析和优化方法为基础，多从星座覆盖性能上对星座参数进行设计，Nag等人[38]依据仿真得到的航空流量数据，提出了一种立方星(CubeSat)星座设计方法，不过该设计仅适用于区域覆盖任务。Liang等人[39]也考虑了星座覆盖特性，但未考虑星间链路和星间组网性能等。Guo等人[40]从星基ADS-B的任务需求和性能指标出发，建立星座覆盖、星间链路、网络传输等性能评估模型，在此基础上分析ADS-B星座的性能，将星座设计方案通过仿真与Iridium进行对比，验证设计方案的性能，得到了一个55颗星即可覆盖全球的方案。总体而言，当只考虑航空监视任务时，ADS-B星座具有巨大的优化空间。如何去寻找一个合适的星座结构，是我们未来需要研究的内容之一。

4 星载ADS-B应用及展望

星载ADS-B关键技术问题虽然没有彻底解决，但目前星载ADS-B应用具有广阔前景。

1)星载ADS-B多波束接收技术。面对越来越多的ADS-B目标，需要更多、更窄的波束进行接收，以提高系统的检测性能。在工程实现上，还需考虑卫星平台的尺寸、功耗限制，这是一个多目标优化问题。

2)星载ADS-B信号分离方法的研究。星载ADS-B上存在着大量的信号冲突现象，大大降低了系统的监视能力，如前所述，星载ADS-B混叠信号的分离对于提高星载接收性能具有重大意义。目前对于星载ADS-B信号分离方法的研究基本还停留在软件仿真阶段，星载ADS-B信号分离方法的硬件实时实现是接下来需要研究的问题。

3)星载ADS-B数据应用。如表3所示，星载ADS-B数据可以应用在多个场景方面。在军事应用方面，ADS-B数据可以用于空中军事目标的监控与侦察；在民航运输方面，ADS-B数据可以高效应用在空中交通管制、应急搜救、飞机监控空运物流监控等。