ADS-B技术应用及发展趋势研究

何昕， 李哲*， 张智豪

(中国民用航空飞行学院， 1.空中交通管理学院, 2.民航飞行技术与飞行安全科研基地， 四川， 广汉 618307)

0 引言

ADS-B系统作为集监视和通信于一体的系统，具有传播信息内容丰富、传输速度快等优点，并且能够与传统雷达进行数据融合，可以使监视系统更加完善；ADS-B还可以将冲突探测与CDTI进行有机结合开发新型防撞系统，是发展新一代航行系统的关键技术[1-2]。

随着我国通用航空的不断发展，国家加快推动了空域管理的改革，低空领域得到逐渐开放，通航飞行服务站(Flight Service Station，FSS)得到验证并进行了推广建设，通用航空飞行服务站实现了基于互联网的飞行计划、航空气象、航空情报、低空监视等一站式服务[3]，可以支持通航安全有序的运行。但是，无人机的大量普及使空域变得更加复杂，无人机与客机冲突事故频发，通航飞行安全决定了通航能否长期发展。

因此， 利用ADS-B监视和通信同时，开发针对民航、通航、无人机一体的避撞系统，这是ADS-B另一个应用方向，也将是科研人员对ADS-B应用方面的主要研究方向。

1 ADS-B技术简介

ADS-B由机载设备、地面辅助设备构成，机载设备中根据信息传输的方向分为ADS-B IN和ADS-B OUT。装有ADS-B的飞机以间隔为一秒的频率广播自身相关飞行、气象等数据，在多架飞机和地面站之间形成了数据通信网。

在实际运行中，ADS-B机载设备通过全球卫星导航系统(GNSS)获得飞机的四维信息(经度、纬度、高度、时间)，通过飞机自身各类传感器获得航向、风速、气压、温度等信息，经过预处理之后，通过ADS-B OUT向其他飞机以及地面站广播，其中包括飞机呼号、标识、飞行高度、速度以及航向；同时ADS-B IN接收来自附近飞机的广播信息，接受的信息经过处理之后显示在CDTI(Cockpit Display of Traffic Information)显示器上显示[4]。通过将传统的地基雷达数据与ADS-B系统的信息融合，融合之后的信息汇总到管制中心，可以实现加强地对空的监视和空对空相互监视。ADS-B系统的工作原理如图1所示。

图1 ADS-B系统工作原理示意图

ADS-B与传统的SSR(二次监视雷达)相比可靠性强、运行成本低，并且是自动相关监视系统，不需要问询就可以发射并接收处理信息，传统的二次雷达需要地面安装询问机，航空器安装应答机，不仅成本高而且传输效率低。ADS-B具有相互监视能力，管制中心失能状况下，能够保障飞机安全间隔，进一步提升航空安全。ADS-B系统不需要昂贵的地面辅助设备，只需要机载设备飞机就可以完成信息广播[5]。

2 ADS-B系统应用及趋势分析

2.1 ADS-B在运输航空的应用

美国联邦航空局(FAA)早在1992年在芝加哥机场验证了装有ADS-B机载设备的自动广播功能和监视功能，在2014年，FAA宣布在美国各个地面站、数据中心已经完成ADS-B信息互联，并且已经将ADS-B技术应用在整个运输航空业[6]。

澳大利亚国土面积全球排行第四，而人口总数仅有2 499万人(2018年)，受此因素影响在澳大利亚覆盖雷达监视系统代价极大[7-8]。2006年，澳大利亚对其西部缺少雷达覆盖地区的高空空域实施基于ADS-B技术监视的5 n mile间隔飞行，东部地区雷达设施覆盖完善则由ADS-B作为辅助系统加强空域安全性。

欧洲民航业发展早且经济发达，尤其是西欧地区雷达覆盖率极高，欧洲整体覆盖范围广，并不依赖ADS-B技术构建监视系统[9]。1991年，瑞典民航局在Bromma机场进行了世界上第一次ADS-B与CDTI融合演示；1996年，欧洲航空安全局(EASA)率先将ADS-B OUT系统应用在机场场面运行单位，将场面运行状态融入空管系统，降低了机场场面运行冲突的威胁。

中国民航事业起步晚，在1998年开辟欧洲航线时首次接触ADS-B技术，直到2000年在实践测试中达到国际标准[9]。2015年，中国民航局发布了《中国民航航空系统组块升级(ASBU)发展与实施策略》，指出了ADS-B在我国的发展规划[10]：利用ADS-B系统监视和提供告警给机场场面的航空器和车辆，对场面活动引导和控制系统进行改进；在模块B2-ACAS中规划建设由ADS-B和适应性的避撞逻辑组成的新型避撞系统。在2019年的民航工作报告中，全面启动ADS-B管制运行被列入2019年民航主要任务，各家航空公司开始全面加装ADS-B系统。

2.2 ADS-B在通用航空的应用

通用航空种类繁多，包括飞行训练、旅游观光、应急抢险、公务出行，且大多数通用航空都是非定期航班，在低空空域运行并且机动性大，传统的管制方式无法提供有效的安全间隔。ADS-B系统费用低、信息传输速度快的特点，可以适用于通航，使飞机在机动飞行时共享位置信息。

美国的通航产业世界最大，在美国注册的通航飞机超过22万架。即使拥有完善的雷达系统和多年的航行管理经验，依然有大量航空事故发生。2017年，在209起通用航空事故中有347人死亡。相比之下，美国的商用航空自2013年以来只发生过1起致命事故。为了加强空域的监视能力，FAA要求所有在美国注册的飞机必须安装ADS-B OUT才能在大多数空域飞行。

中国当前通用航空法规发展不完善，且没有系统的条例规定飞行规则。中国民用航空飞行学院是全世界规模最大的以飞行训练为主的学校，也是通用航空范围中ADS-B系统的主要用户，现在ADS-B系统在飞行训练中完成普及使用。当前除中飞院以外，其他通航用户依然较少。但是民航局2012年对外公布的《中国民用航空ADS-B实施规划》指出：到2017年底，实现重点区域、重点通用航空活动ADS-B监视服务应用；到2020年底，全面实现通用航空活动的ADS-B监视服务；到2025年底，根据国家低空空域管理改革方案及逐渐开放，完善和增强低空空域的ADS-B监视覆盖。

2.3 ADS-B应用趋势分析

ADS-B技术是最有优势的监视手段，设备造价成本低，不需要大量的地面站；传输速度快，传输频率达到间隔小于1 s，接近于实时传输；缩小飞行间隔，提高空域利用率；偏远地区监视雷达不完善，存在监视盲区，装配ADS-B系统的两机可以相互监视以提高飞行安全；场面运行单位(车辆)装载ADS-B OUT之后可以降低管制员场面盲区的冲突概率[11]。

ADS-B数据可以支撑4D航迹预测，国内对航迹预测有大量研究，但是对基于ADS-B的航迹预测研究并不多。王超等[12]从水平、高度、速度3个剖面为飞机构造处快速拟合4D航迹的预测方法；柯宏发等[13]提出使用最小二乘估计灰色参数运动目标的多变量轨迹预测算法；杨东玲[14]针对基于聚类的航迹预测算法提出了一种基于自适应的航迹聚类方法并使用新疆空域的真实ADS-B数据对该方法做了测试，最后将预测结果在U-GIS平台三维直观显现。基于ADS-B信息对飞机的四维信息(一个时间窗内的三维信息)的精准预测，能够减小运行中的事故，缩小进近间隔，是实现发展空管自动化的关键技术。

3 基于ADS-B的防撞系统应用研究

3.1 基于ADS-B的防撞系统

运输航空有空中交通管制的监视与管理，通用航空则涵盖了观光旅游、医疗抢险、气象探测等方面的飞行，该部分飞行航程长短不一且路径也无法统一规划，导致通航飞行监管难度大[15-16]，因此发生飞行冲突的概率大大增加。TCAS(Traffic Alert and Collision Avoidance System)Ⅱ是一种应用于运输航空中的防撞系统，TCASⅡ可以计算出监视范围内30架以内飞机的潜在冲突并给出规避建议[17]。TCASⅡ防撞系统体积过大，并且成本较高，而ADS-B体积小、造价低。ADS-B广播间隔仅为1 s，因而装有ADS-B系统的飞机之间能以接近实时地了解周围飞机的实时动态，在没有遮挡的情况下ADS-B的工作范围可以达到125 n mile，提高飞行员判断适航环境的能力，可以有效提高飞行安全性。

综上所述，开发基于ADS-B系统的防撞系统无论在成本方面还是性能方面都比传统的防撞系统有优势，但是还需要在实践中进一步验证其可靠性。

3.2 基于ADS-B的全空域避撞系统

我国民航空域资源紧缺，且空域分布不平衡。东部地区海岸线长、人口密度大、经济发达，是军事力量的重点保护地区，在军事活动时，民航运行会受到流量控制，这让本就复杂的通航运行更加难以管理；西部地区地形复杂，属于经济欠发达地区，难以建设覆盖全地区的雷达监视。ADS-B的技术优势可以解决该问题，ADS-B在东部地区应用可以降低航空网络繁忙地区的监管压力，从而提高安全运行能力，在西部地区可以降低监视盲区的飞行冲突概率。

在通用航空方面，根据我国出台的政策，并且随着技术能力不断提升，我国即将迎来低空领域开放。低空领域的开放实质上是低空领域的自由飞行，自由飞行是指飞行员在一个空域范围内可以自己制定飞行路线，根据不同的需求选择经济、快捷的路线[18]。想要在有限的空域中安全运行，必须开发安全有效的避撞系统。

无人机技术发展速度快，随着民用无人机技术普及，无人机用户数量庞大且增速快。无人机与民航运输飞机发生冲突的事件时有发生，轻则导致飞机延误，重则导致多架飞机被迫修改航线。民航运输飞机巡航高度高，通常是在进近阶段与无人机发生冲突，而通航飞机巡航高度低，其与无人机发生冲突碰撞的概率更高。在当前的研究中，可以利用ADS-B IN获取周边飞行信息，对周边交通态势评估得到冲突预警，因此研究无人机多机编队飞行的冲突问题是当前非常重要的课题。利用ADS-B可以构建全空域的防撞系统，有利于构建民航、通航、无人机三位一体的空中交通管理规则。

4 总结

ADS-B作为下一代航行系统的主要监视力量，各个国家都在积极开发和应用，其不仅可以应用于监视系统，还被开发应用于其他功能，如本文提到的基于ADS-B的避撞系统、利用ADS-B数据进行大数据挖掘研究4D航迹的应用，可以为各类航空器提高安全运行能力。ADS-B的信息互通还可以降低飞行间隔，增加多个飞行高度层，增加空域利用率，服务将来的航空事业发展。

ADS-B技术也存在着一定隐患。这个隐患主要产生在可能发生的信号干扰中，ADS-B的2个主要系统是网络主干和数据链，为了方便全球用户互通，其数据链并未加密，作为民用级的设备存在着被地面设备干扰的风险，比如通航应答机。在未来ADS-B技术改进中，继续提升避撞系统的解脱建议方案，以便应对复杂的低空交通网络；对ADS-B安全性和互通性做到兼容。