ADS?B数据链应用风险与对策研究

杨成+林琳

摘 要： 简述了ADS?B 1090ES，UAT，VDL Mode4的数据链特性，重点介绍了三种数据链在空中交通管制应用中可能面对的风险，探讨了应对风险的策略。针对大规模应用ADS?B 1090ES数据链路拥塞可能造报文成丢失或报文延迟风险，采取限制该型设备使用总量来应对；UAT数据链存在的同频段干扰风险通过设计带有外部抑制输入和自身抑制输出信号接口避免相互干扰；针对雷达管制与ADS?B 1090ES融合互相影响的风险，提出先检测监视信息的精度和完好性后再进行数据采集，滤除采集设备自身产生的错误数据，并比对当前数据和前期数据，确认ADS?B 1090 ES数据与雷达数据不一致时给出告警。

关键词： ADS?B； 数据链； 风险； 对策

中图分类号： TN95?34； V249 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0098?04

Study on application risk and countermeasure of ADS?B data link

YANG Cheng， LIN Lin

（Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： The data link characters of 1090ES， UAT and VDL Mode 4 of automatic dependent surveillance?broadcast （ADS?B） are introduced in this paper. The application risk of the above three data links in air traffic control is presented in details. The strategies countering the application risk of the above three data links are discussed. It is pointed out that the limitation of the total application quantity of 1090 ES model equipments is the way to solve the question of message lost or message delay owe to 1090 ES data link congestion. The same frequency band interference risk existing in the application of UAT data link can be avoided by the external suppressed input and the self?suppressed output signal interfaces. As for the mutual influence of the fusion of ADS?B 1090 ES and radar control， the accuracy and integrity of the supervision information must be detected before the data acquisition， the misdate of the data acquisition instrument is filtered， the current data and preceding data are compared， and the disparity between ADS?B 1090 ES data and radar data is validated so as to provide warning signal.

Keywords： ADS?B； data link； risk； countermeasure

0 引 言

ADS?B（Automatic Dependent Surveillance?Broadcast，广播式自动相关监视[1]）通过机载电子设备完全自动广播飞机的呼号、位置、高度、速度和其他一些参数，通常每1 s就广播一次位置信息。ADS?B以先进的导航设备及其他机载设备产生的信息为数据源，以先进的地空/空空数据链为通信手段，通过对外自动广播自身的状态参数实现地面对它的实时监视；同时也接收其他飞机的广播信息，达到飞机间的相互感知，实现对周边空域交通状况全面、详细的了解，从而实现卫星系统、飞机以及地基系统空地一体化协同监视。

ADS?B具有OUT和IN两种工作方式。ADS?B OUT是机载ADS?B设备的基本功能，需要具备充分的监视数据提供能力、报文处理（编码和生成）能力、报文发送能力。只要相关机载电子设备正确安装且正常运行，ADS?B OUT系统一般无需飞行机组干预即可自动工作。ADS?B IN是指航空器接收其他航空器发送的ADS?B OUT信息或地面服务设施发送的信息，为机组提供运行支持。

与传统的雷达技术相比，ADS?B技术不仅定位速度快（数据间隔约为1 s，而传统雷达数据间隔约为4～12 s），定位准确（使用GPS定位可达亚米级精度，而传统雷达的精度为几百米级以上），而且具有价格便宜、机载和地面设备安装简单、飞机之间可以进行相互监视等优点，因而受到国际民航界的高度重视。

1 ADS?B数据链介绍

目前ADS?B系统主要有三种数据链[2?3]：1090ES（1 090 MHz Extended Squitter，1 090兆赫扩展电文广播式）自动相关监视、UAT（Universal Access Transceiver，通用访问收发机数据链、VDL Mode4（Very High Frequency Data Link Mode 4，甚高频数据链）。

表1 ADS?B三钟数据链技术比较

[ ＼&1090ES＼&UAT＼&VDL Mode4＼&

使用频率＼&1 090 MHz＼&建议使用DME，

通用978 MHz＼&建议使用VHF频段，

需要多信道。没有

世界范围内的

标准或共识＼&码速率＼&1 Mb/s＼&1 Mb/s＼&19.2 Kb/s＼&信道访问

方式＼&随机访问＼&TDMA＼&STDMA＼&地?空通信距离＼&>200 Nm＼&>200 Nm＼&>200 Nm＼&技术标准＼&DO260B，DO181C，

ED73A，ED86＼&DO282B＼&ED08＼&

实施方法＼&升级现有的应答机软件，使用现有的天线；通用航空器需加装新的机载设备＼&加装新的机载电子设备、收发信机、新天线＼&加装新的机载

电子设备、

收发信机、新天线＼&]

1090ES数据链最早发展于20世纪90年代初，是基于二次雷达（SSR）S模式相关标准和技术的，目前S模式数据链还用于交通防撞系统TCASⅡ。UAT通用访问收发机数据链，20世纪90年代中期开发于美国，目前美国和中国的部分通用飞机上使用该数据链；VDL Mode4甚高频数据链最早起源于20世纪80年代的瑞典，由于VHF频段具有良好的传播特性，给机场的地面监视带来极大的好处，是欧洲常使用的一种地空数据链。

1090ES，UAT和VDL?4三种数据链互不兼容，其各自特点如表1所示。目前应用较多的ADS?B技术主要前两种模式：1 090 MHz的S模式扩展电文数据链和978 MHz通用访问收发机（UAT）。这两种模式的主要区别在于数据链的传输方式，UAT模式的机载收发机为专用的通用访问收发机，机载和地面收发机采用978 MHz的收发频率；1 090 MHz模式是对机载S模式应答机进行改装，利用S模式应答机的1 090 MHz电报数据链加入ADS?B数据。

应国际民航组织（ICAO）航行委员会（ANC）的要求，2003年在蒙特利尔第11次国际航行会议上，航空移动通信专家小组（AMCP）主要围绕上述三种数据链的性能进行了认真比较分析。在分析过程中，AMCP运用了许多标准对上述几种数据链进行了评估和比较。为了在不同的空中交通情况下评估系统的性能，用两种空中交通情景（高密度和低密度）来代表未来的交通环境，AMCP认为使用UAT数据链的空对空ADS?B性能，在高密度和低密度情况下，总体上UAT数据链性能优于1090ES数据链和VDLM4甚高频数据链性能。

随着ADS?B监视技术的迅猛发展与普及应用，中国民航局先后出台了编号为AC?115?TM?2010?01的咨询通告《中国民航监视技术应用政策》、《中国民用航空ADS?B实施规划》、编号为MH/T 4036?2012《1 090 MHz扩展电文广播式自动相关监视地面站（接收）设备技术要求》、编号为AC?93?TM?2011?01《广播式自动相关监视（ADS?B）管制运行规程》，以促进和加快ADS?B技术在中国的发展和应用。

但是ADS?B系统除了性能优越一面之外，还有一些值得注意的问题。在中国即将大范围推广应用ADS?B系统之前，谨慎地研究ADS?B应用风险及其对策、对ADS?B系统进行测试验证和风险评估讨论是必要的。

2 各种ADS?B数据链存在的风险

2.1 1090ES数据链存在的风险

目前国际民航组织S模式扩展发射机1090ES数据链标准定义了航空器位置、速度、场面位置、航空器标识类型、发射机状态、事件等6种扩展报文，信道带宽为2 MHz，总有效数据传输率为1 Mb/s，每架飞机的有效速率为300 b/s，报文延迟为1.2 ms，数据更新周期为1 s，空地距离为视距，空空通信为60～80海里。

早期出厂装机的S模式SSR应答机不能满足现在ADS?B对机载系统性能的要求，需要对S模式SSR应答机进行软件升级，硬件上也需要再增加一条GPS连线，把机载GPS定位数据加载到了S模式扩展报文上，生成ADS?B的航迹信息；而新出厂的装备有S模式扩展应答机的航空器，可以同时实现基本的二次雷达监视和广播式自动相关监视。

目前，一些大型的商用客机己装备有S模式扩展应答机，并开始在北美和欧洲一些S模式雷达覆盖的主要航路上进行S模式数据链的应用。ADS?B 1090ES数据链的最大下行数据长度达到112 b，相对于目前使用的RGS地/空数据链最大下行数据长度32 b，大了3倍多，但问题是1090ES数据链需要支持TCAS，MDL，SSR等多项业务，由于容量限制容易造成数据链路拥塞，导致丢报或者报文延迟等现象。成都机场?九黄机场安装SENSIS公司生产的ADS?B 1090ES系统已经考虑到此问题，但拥塞问题是否得到最终解决还无从验证。

1090ES数据链技术上的主要问题是应用报文能力的扩展受到二次雷达扩展报文编码技术和预制寄存器技术的制约，其发展空间受限，难以支持多种业务的复用；此外，1090ES地面站采用全向天线，当空中的飞机数量非常多时，信号间相互交叠（包括S模式信号相互交叠、S模式与A/C模式信号间相互交叠）现象非常严重，断续振荡信号很容易受到其他应答信号的干扰而发生交叠，严重时可导致无法形成连续的航迹。

2.2 UAT数据链存在的风险

通用访问收发机UAT工作频率是978 MHz。起初是为开发一种新型宽带数据链，以适应ADS?B的功能性需求，但ADS?B UAT系统在美国和中国通用机低成本运行已经引起全球的广泛关注，成为ADS?B相关备选技术方案之一。在通用飞机上使用ADS?B UAT系统需要加装GPS接收机和ADS?B发射机，而ADS?B UAT地面站通过发送UAT帧的ADS?B字符段中的ADS?B消息来支持交通情报服务广播TIS?B业务。

由于ADS?B UAT数据链工作在978 MHz公共服务频段上，面临着来自军机JTIDS/MIDS Link 16数据链和DME测距机地面发射设备的干扰，同时也面临数字电视信号的干扰。这些干扰的存在会降低ADS?B UAT系统的性能，必需精心设计UAT波形以提高抗击外部环境干扰的能力[3]。所以，ADS?B UAT系统在同频段中与其他现役系统的兼容性设计显得尤为重要。此外，民用ADS?B UAT数据链还需与军用JTIDS/MIDS Link 16数据链的使用部门进行有关工作频率的电磁兼容性协调。

2.3 VDL Mode4数据链路存在的风险

在欧洲，部分飞机使用VDL Mode4数据链作为ADS?B数据链，需要加装新的VDL Mode4机载收发机设备。虽然VDL Mode4数据链工作于VHF频段，传播特性较好，但它却存在明显的共址干扰问题，所以，对VDL Mode4设备的频率规划问题必须给予慎重的研究。按照2010年11月颁布的《中国民航监视技术应用政策》，中国主要推行ADS?B 1090ES数据链，而没有使用VDL Mode4数据链，所以中国不存在该数据链使用风险。

2.4 GNSS定位精度的风险

ADS?B系统是基于全球卫星导航系统（GNSS）工作的，由GNSS提供位置、航向、高度、速度等信息，所以ADS?B应用过程中，必须监测GNSS是否完好，其监测功能模块被称为RAIM[4]，目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星，并保障导航定位的精度。2010年颁布的《中国民航监视技术应用政策》（AC?115?TM?2010?01）指出，ADS?B系统的主要缺点在于由于其依赖GNSS对目标进行定位，所以ADS?B系统本身不具备对目标位置的验证功能；如果航空器给出的位置信息有误，ADS?B地面站设备（系统）将无法辨别。在GNSS失效情况下，ADS?B系统不能正常工作。

正常情况下，一般采取余度技术，通过增加观测卫星数量来检测发生故障的卫星，并保障导航定位的精度。因此，在进行卫星导航信号接收的同时需要首先判断当时可见星的数目，若少于5颗可见定位卫星则要提醒用户此时RAIM无效，需要重新接收定位信号；其次，需要根据性能指标对当前可见星的几何分布进行判断，决定其是否适合进行完好性监测。根据接收到的卫星数据得出水平保护限HPL，然后与系统给定的水平警告门限HAL相比较，如果HPL小于HAL，说明此时可见星几何结构满足RAIM要求，此时的完好性监测结果是有效的；反之无效，此时称为RAIM空洞，需要重新接收卫星信号进行判断，这种情况通常称为完好性要求下的可用性判断。目前存在的主要问题是：由于存在RAIM空洞现象，而导航数据又过于依赖GPS，这样安全性和可靠性问题会比较突出。

2.5 雷达管制与ADS?B 1090ES融合应用存在的风险

目前国内在大型运输机上使用ADS?B 1090ES数据链设备，ADS?B 1090ES使用将对现行雷达管制程序产生较大影响，最为突出的问题是将雷达航迹与ADS?B航迹融合为系统航迹时，可能存在ADS?B数据和雷达数据相互影响的风险[5]。面对此问题，可采用单独显示雷达航迹或ADS?B航迹，这样就不存在ADS?B数据影响雷达数据的风险，也不需要重新验证雷达数据处理功能；特别对于非雷达覆盖区的航路，航班流量较少，在ADS?B管制与雷达管制过渡区产生少量的跳点现象对航行管制影响不大，所以可单独使用ADS?B1090ES数据链为非雷达覆盖区的航路管制服务。

但是某些区域，雷达管制与ADS?B管制同时存在，为了避免出现跳点现象，将雷达航迹与ADS?B航迹融合为系统航迹在所难免，但必须在空管自动化系统中增加ADS?B数据与雷达数据不一致的告警以及ADS?B数据与飞行计划不一致的告警功能；另外还要特别注意ADS?B监视的飞机与雷达监视的飞机之间的短期冲突告警。

3 ADS?B数据链风险对策

3.1 1090ES数据链风险的对策

目前ADS?B 1090ES数据链尚未应用于飞行终端区。国内安装1090ES系统的飞机数量接近700架，由于数量不多，1090 ES数据链路拥塞可能造成报文丢失或者报文延迟现象几乎还没出现；但未来加装ADS?B 1090ES数据链的飞机数量增加后，这个问题值得考虑。国际民航组织也已经意识到此问题，只有大型运输飞机才准许使用具有惟一标识的ADS?B 1090ES数据链设备，所以限制ADS?B 1090ES数据链设备的使用量是解决问题的根本。

3.2 UAT数据链风险的对策

ADS?B UAT 数据链的主要问题是其他信号的同频段干扰。针对此问题，ADS UAT数据链机载设备设计带有外部抑制输入和自身抑制输出信号接口，可以与同机安装的同频段电子设备相互抑制，避免相互干扰。

3.3 雷达管制与ADS?B 1090ES融合风险的对策

由于ADS?B的数据更新速率较快，每1 s钟更新1次，而二次雷达需要长达4 s的时间才能更新1次。因此，在需要精确比对两种监视数据时，必须先将ADS?B和SSR的数据进行同步处理。对于由多雷达和ADS?B组成的航路综合监测系统，各雷达输出的数据均是在以各自的空间位置为坐标原点的坐标系中生成的，为此还需要解决不同雷达数据进行坐标变换的问题。为确保ADS?B系统和SSR雷达系统的输出数据的正确性，对由于采集设备自身原因导致的错误数据要进行过滤；还需把当前的数据和前期采集的数据进行比较，ADS?B数据与雷达数据不一致或ADS?B数据与飞行计划不一致时给出告警。

3.4 GNSS定位精度风险的对策

使用 GNSS对越来越多的民航飞机进行ADS?B监视已成为民航运输系统发展的必然趋势。影响GNSS定位精度的主要风险是某些区域可视卫星数量不够，特别是卫星出现故障或被人为关闭情况下，定位精度风险尤甚。解决这个问题的根本办法是发射更多自己国家控制的导航卫星。目前国家正在相继发射“北斗”系列导航卫星，相信不久的将来，我国“北斗”卫星的数量就能满足中国区域内ADS?B系统对可视卫星数量的要求。另外最近新发布了具有“北斗”导航系统功能的多频多系统兼容芯片，意味着“北斗”导航系统兼容卫星导航接收机产品已经突破关键技术。伴随国家的大力支持，相关多模式卫星导航接收机产品装备民航飞机也指日可待，可以解决目前面临的GNSS定位精度风险。

在对航路监视系统进行数据采集前，应首先检测和判断监视信息的精度和完好性。当评估出的监视数据的精度和完好性具有可用性时，才能对监视数据进行采集，否则给出相关的告警信息。评估主要包括以下几方向：首先对ADS?B位置报文数据的精度进行评估，以RTK提供的位置数据为标准位置数据比较同一段时间间隔内ADS?B和雷达位置数据与标准位置数据的方差大小，得出监视精度结论；其次对ADS?B监视数据的完好性进行评估，计算一段时间间隔内从ADS?B报文数据中提取完好性质量参数NUC≥5的报文数占总ADS?B报文数的比例，即完好率，得到ADS?B监视数据的完好性结论。在监视数据精度和完好性具有可用性时，对监视数据进行采集，以确认雷达数据和ADS?B数据融合的有效性。

4 结 语

本文简述了广播式自动相关监视ADS?B 1090ES、UAT，VLD4数据链特性，讨论了三种数据链所面临的风险，并提出了应对风险的策略。针对大规模应用ADS?B 1090ES数据链路拥塞可能造报文成丢或报文延迟风险采取限制该型设备总使用量来应对风险；ADS?B UAT 数据链存在的同频段干扰风险通过设计带有外部抑制输入和自身抑制输出信号接口避免相互干扰；针对雷达管制与ADS?B 1090ES融合互相影响的风险，提出对航路监视系统进行数据采集前，首先检测和判断监视信息的精度和完好性后再进行数据采集，滤除采集设备自身原因导致的错误数据，并比对当前数据和前期采集的数据，确认ADS?B数据与雷达数据不一致或ADS?B数据与飞行计划不一致时给出告警。

参考文献

[1] SCARDINA John. Overview of the FAA ADS?B link decision [EB/OL]. [2007?07?24]. http：// www.freepatentsonline.

[2] 何桂萍，徐亚军.ADS?B数据链的比较及特性研究[J].中国民航飞行学院学报，2010，21（4）：3?6.

[3] 时宏伟.ADS?B数据链应用技术的综合评述（一）[J].空中交通管理，2007（6）：13?16.

[4] 阮敏.ADS?B系统的应用及风险研究[J].空中交通管理，2009（1）：33?35.

[5] 张学军，张其善.ATM中的ADS?SSR数据融合的研究[J].北京航空航天大学学报，2001，27（1）：24?27.

[6] 吝继锋，周德云，鲁华.数据链系统的航迹关联方法[J].现代电子技术，2011，34（9）：6?9.

在对航路监视系统进行数据采集前，应首先检测和判断监视信息的精度和完好性。当评估出的监视数据的精度和完好性具有可用性时，才能对监视数据进行采集，否则给出相关的告警信息。评估主要包括以下几方向：首先对ADS?B位置报文数据的精度进行评估，以RTK提供的位置数据为标准位置数据比较同一段时间间隔内ADS?B和雷达位置数据与标准位置数据的方差大小，得出监视精度结论；其次对ADS?B监视数据的完好性进行评估，计算一段时间间隔内从ADS?B报文数据中提取完好性质量参数NUC≥5的报文数占总ADS?B报文数的比例，即完好率，得到ADS?B监视数据的完好性结论。在监视数据精度和完好性具有可用性时，对监视数据进行采集，以确认雷达数据和ADS?B数据融合的有效性。

4 结 语

本文简述了广播式自动相关监视ADS?B 1090ES、UAT，VLD4数据链特性，讨论了三种数据链所面临的风险，并提出了应对风险的策略。针对大规模应用ADS?B 1090ES数据链路拥塞可能造报文成丢或报文延迟风险采取限制该型设备总使用量来应对风险；ADS?B UAT 数据链存在的同频段干扰风险通过设计带有外部抑制输入和自身抑制输出信号接口避免相互干扰；针对雷达管制与ADS?B 1090ES融合互相影响的风险，提出对航路监视系统进行数据采集前，首先检测和判断监视信息的精度和完好性后再进行数据采集，滤除采集设备自身原因导致的错误数据，并比对当前数据和前期采集的数据，确认ADS?B数据与雷达数据不一致或ADS?B数据与飞行计划不一致时给出告警。

参考文献

[1] SCARDINA John. Overview of the FAA ADS?B link decision [EB/OL]. [2007?07?24]. http：// www.freepatentsonline.

[2] 何桂萍，徐亚军.ADS?B数据链的比较及特性研究[J].中国民航飞行学院学报，2010，21（4）：3?6.

[3] 时宏伟.ADS?B数据链应用技术的综合评述（一）[J].空中交通管理，2007（6）：13?16.

[4] 阮敏.ADS?B系统的应用及风险研究[J].空中交通管理，2009（1）：33?35.

[5] 张学军，张其善.ATM中的ADS?SSR数据融合的研究[J].北京航空航天大学学报，2001，27（1）：24?27.

[6] 吝继锋，周德云，鲁华.数据链系统的航迹关联方法[J].现代电子技术，2011，34（9）：6?9.

在对航路监视系统进行数据采集前，应首先检测和判断监视信息的精度和完好性。当评估出的监视数据的精度和完好性具有可用性时，才能对监视数据进行采集，否则给出相关的告警信息。评估主要包括以下几方向：首先对ADS?B位置报文数据的精度进行评估，以RTK提供的位置数据为标准位置数据比较同一段时间间隔内ADS?B和雷达位置数据与标准位置数据的方差大小，得出监视精度结论；其次对ADS?B监视数据的完好性进行评估，计算一段时间间隔内从ADS?B报文数据中提取完好性质量参数NUC≥5的报文数占总ADS?B报文数的比例，即完好率，得到ADS?B监视数据的完好性结论。在监视数据精度和完好性具有可用性时，对监视数据进行采集，以确认雷达数据和ADS?B数据融合的有效性。

4 结 语

本文简述了广播式自动相关监视ADS?B 1090ES、UAT，VLD4数据链特性，讨论了三种数据链所面临的风险，并提出了应对风险的策略。针对大规模应用ADS?B 1090ES数据链路拥塞可能造报文成丢或报文延迟风险采取限制该型设备总使用量来应对风险；ADS?B UAT 数据链存在的同频段干扰风险通过设计带有外部抑制输入和自身抑制输出信号接口避免相互干扰；针对雷达管制与ADS?B 1090ES融合互相影响的风险，提出对航路监视系统进行数据采集前，首先检测和判断监视信息的精度和完好性后再进行数据采集，滤除采集设备自身原因导致的错误数据，并比对当前数据和前期采集的数据，确认ADS?B数据与雷达数据不一致或ADS?B数据与飞行计划不一致时给出告警。

参考文献

[1] SCARDINA John. Overview of the FAA ADS?B link decision [EB/OL]. [2007?07?24]. http：// www.freepatentsonline.

[2] 何桂萍，徐亚军.ADS?B数据链的比较及特性研究[J].中国民航飞行学院学报，2010，21（4）：3?6.

[3] 时宏伟.ADS?B数据链应用技术的综合评述（一）[J].空中交通管理，2007（6）：13?16.

[4] 阮敏.ADS?B系统的应用及风险研究[J].空中交通管理，2009（1）：33?35.

[5] 张学军，张其善.ATM中的ADS?SSR数据融合的研究[J].北京航空航天大学学报，2001，27（1）：24?27.

[6] 吝继锋，周德云，鲁华.数据链系统的航迹关联方法[J].现代电子技术，2011，34（9）：6?9.