让飞机“永不失联”——卫星在全球航空飞行跟踪中的应用

● 文|北京羽寻科技有限公司 蓝天翼

让飞机“永不失联”
——卫星在全球航空飞行跟踪中的应用

● 文|北京羽寻科技有限公司 蓝天翼

一、引言

2014年3月8日，马航370失联，引发了全世界网民和航空爱好者的一番讨论，为什么在科技如此发达的今天，马航370会从“眼皮子”底下消失呢？“不是有遥感卫星吗？”、“不是有通信卫星吗？”、“不是有GPS吗？”、“不是有雷达吗？”

马航370失联后，网友贴出了FlightRadar24［1］网站发布的MH370最后位置的消息（如图1），这引发了大家对FlightRadar24的兴趣，人们不禁会问：“这样一个航空发烧友创办的网站为何能够先于官方公布失联客机位置？”、“他们是如何做到的？”

图1 FlightRadar24网站上MH370的轨迹图

大连港口局部高分二号卫星影像

该图（成像时间2015年1月27日） 为大连港口局部高分二号卫星真彩色影像（0.8m分辨率）。大连位于辽东半岛南端，其大连湾内的港口港阔水深，冬季不冻，万吨货轮畅通无阻。图像左侧可以看到厂房屋顶的“大船集团”大字，右侧有在海中和船坞的万吨货轮。

中国资源卫星应用中心 供图

2014年12月20日，百度发布了一款基于大数据的APP“百度天眼”，并率先上线苹果APP Store，在该应用中，只要输入国内在途航班的航班号，即可显示出该飞机的各项状态指标（如图 2），尽管该应用在2015年10月已经无法查询到任何实时数据，但网友们依然在网上提出了各种关于“百度天眼”的问题：“百度是如何获取这些数据的？”、“这些数据准确吗？”、“百度开发这样一款应用的目的只是为大众查询航班信息吗”？“这与‘飞常准’、‘航旅纵横’等网站有什么区别？”

图2 百度天眼ZH9675航班的实时航迹图

诸多问题的答案，全部指向一个焦点：全球航班跟踪系统（Global Flight Tracking System），即在全球范围内实时获取所有航班即时位置等飞行信息的系统。以下三个关键词可以完美阐述这一系统的独特价值：

·全球范围

·实时数据

·所有航班

现有的技术手段，包括前面提到的通信卫星、遥感卫星、雷达、GPS，都不能同时满足以上三个条件，时至今日，这种应用仍旧是一种尚未实现的设想；幸运的是，在产业界，全球航班跟踪系统的概念已不新鲜，早在2013年国际上就已开始研究；马航370失联事件则成为全球范围内推动其发展的关键里程碑；此后，从系统规划、国际规则、频率资源、产品研制与实验等各个方面迅速推进，卫星更是在其中扮演了不可或缺的角色。

本文基于近几年来对全球航空飞行跟踪系统的研究，特别是卫星在其中的地位和作用，探讨这项听起来似乎不可能的应用的发展现状及趋势，并进一步对其中一些问题带来的思考进行讨论。

二、发展全球航空飞行跟踪系统的意义

航空，特别是民航业务，尽管始终占据着最安全的运输工具的第一位，但由于民航的国际影响力和灾难发生的生还率较低，无论何时何地出现空难后的社会舆论总是大于任何一种运输工具出现灾难后的情形。马航370客机失联后的两周内，几乎世界所有媒体都对该事件进行了持续报道，一旦出现疑似客机动向的新闻，都能立刻被推上头条。

让飞机“永不失联”，是乘客的需要，是航空公司的需要，是政府管理的需要，是在全球范围内的普遍需要，是真正的“刚需”。因此，对飞机安全的需要，决定了全球航空飞行跟踪系统最重要的意义，世界上所有运营、使用航空系统的国家或机构，都无法拒绝建立全球航空飞行跟踪系统的倡议，国际电联2015年世界无线电通信大会为此临时设置议题［2］并迅速获得通过也说明了这一点。

另一方面，通过近几年来对于全球航空飞行跟踪系统的跟踪研究，笔者也发现，在“安全”这一基础功能背后，更加丰富的数据应用场景被开发，许多大数据公司对全球航空飞行数据的需求日益迫切，特别是基于互联网应用层面的业务模式，已引起欧美等国的高度关注，使全球航空飞行跟踪系统展现出特有的、颇具潜力的商业价值。

三、全球航空飞行跟踪需求

如前所述，全球航空飞行跟踪系统需要满足以下功能：

（1）跟踪内容

·位置跟踪。这也是需要进行航空飞行跟踪最基本的跟踪内容。

·状态跟踪。这是在位置跟踪基础上更丰富的跟踪内容，与位置不同，飞行状态是判断飞行中故障、操作等的重要依据。

（2）跟踪要求

·连续性。航空飞行跟踪具有一定的特殊性，以目前最长的跨洋航班为例，其总时间长度也不会超过15个小时，因此小时级，甚至更高频度的跟踪是有必要的，目前ICAO规定的航班飞行跟踪频度约在15分钟左右，针对特定需求也已经有公司给出了分钟级，甚至秒级的跟踪方案。

·全球性。要求被跟踪的航空器具有一定的全球普适的特征，也就意味着航空器上应有标准统一、强制安装的位置，状态传感器以及在海洋和陆地都提供跟踪的手段。

综合以上需求不难发现，常用的诸如遥感、雷达等方法仅能够解决全球航空飞行跟踪的一部分要求。例如遥感卫星可通过光学或微波探测器获取一些参数，其位置信息并不精确，又如雷达尽管能够提供位置信息，但在状态信息上无法提供更多参考。通信被认为是解决全球飞行跟踪最好的手段，而对于全球性的要求，特别是海洋上空的航班显然无法通过部署在航线附近的陆基通信设备来解决。基于此，通过卫星为全球航空飞行跟踪系统提供通信支持，是该系统实现的的唯一方法，这在全球范围内已成为普遍共识。

四、全球飞行跟踪系统发展

卫星通信被认为是在全球航空飞行跟踪中切实可行的唯一方法，而传统的卫星通信技术主要包括高轨和低轨移动通信两种方式。以Inmarsat为代表的高轨通信卫星服务和以Iridium为代表的低轨通信卫星服务目前确实被许多航空公司选为进行全球航空飞行跟踪的手段，但目前仍存在各公司标准并不一致，数据格式不统一，各地航班数据不共享，非全球航空公司皆有的局面。

自动相关监视（ADS）系统的出现，似乎提供了一种解决上述问题的可行性。

ADS系统是一项随着民航对于飞行跟踪和飞行状态监视而产生的新体制，其发展过程中出现了两种不同的体制，ADS-B与ADS-C。

两者有相似的地方，也有一定的区别。相似之处在于其都包含了自动、相关和监视的特点，即飞机系统根据自身的传感器，自动将用于监视的信息发送出去；区别在于“-B”是Broadcast，即不论对方是否接收都会自动广播，而“-C”是Contract，需要接收方给予确认或“握手”后才能继续通信。

1.当前飞行跟踪系统使用的ADS-B技术

ADS-B技术原本是一项用于地面的技术，目前ADS-B包括三种数据链技术，分别是S模式超长电文（1090ES）、通用访问收发机（UAT）和模式4甚高频数据链（VDL-4）。由于ADS-B中“-B”的特性，意味着只要任意用户具有与发射体制相同的接收机，就能够在链路条件允许的情况下，接收到飞机发射的ADS-B报文。

ADS-B的报文包括如下内容：

a）飞机标识，飞机地址包括航班号、ICAO的24bit全球唯一的地址编码；b）位置（经度/纬度）；c）位置完好性/位置精度；d）气压高度和几何高度；e）垂直升降率（垂直/爬升速率）；f）航迹角与地速；g）紧急情况指示（选择紧急代码时）；h）特殊位置识别（SPI）。

其中的位置信息，是通过飞机的GNSS接收机获取的飞机实时高精度位置信息，这意味着其位置精度与GNSS系统的位置精度是一致的。把该位置与之前所述地面雷达获取位置的精度信息进行一个比较（见图3、图4）。

图3 ADS-B与雷达轨迹图对比

图4 被测物与基站（雷达）距离与被测物位置精度关系图［3］

如图3、图4所示，ADS-B与雷达比较的两大优势：一是雷达反馈是每12秒一次，飞机位置是不连续的，而ADS-B是每秒一次，相对雷达来说位置信息连续性更好；二是雷达的精度与ADS-B相比较低，这是由于雷达测量原理本身决定的，其精度是与被测物体到雷达的距离成反比的，因此当飞机与雷达距离达到100NM后，雷达的精度仅能达到500m，而ADS-B由于广播的是GNSS接收机解算出的精确位置，其与基站的距离跟精度完全无关。

如果没有FlightRadar24和“百度天眼”，不会有这么多的人关注到ADS-B这项只在航空领域应用的技术。FlightRadar24和“百度天眼”恰好就是利用了ADS-B的特性，进行了ADS-B信号的接收。

但是，在海洋等许多特殊地区，是无法在航线附近安装接收设施的，ADS-B面临的最突出问题就是无法实现全球监视，这也正是马航370失联后无法获知其精确位置的原因之一（见图5）。

图5 地基ADS-B系统覆盖区域的局限性［4］

2.卫星在ADS-C中的应用

根据ADS-C的服务提供方Inmarsat的官方报告来看，大多数宽体客机或跨洋航班的班机上都安装了ADS-C装置。ADS-C有两种主要报告形式，一是常规位置报告，这是一种周期性的报告，每隔一定时间长度ADS-C装置会自动发射给Inmarsat接收；另一种是自动触发的偏差报告，这是遇到特定事件后的突发报告，该报告不仅能够将偏差信息发送出去，还能够更改常规位置周期报告的周期。在2014年之前，常规周期性位置报告的周期在30-40分钟的间隔，2014年后改到了15分钟以内的间隔，随着跟踪系统需求的不断提升，未来有可能ICAO还会将间隔进一步降低到5-10分钟。［5］

马航370没有ADS-C吗？

回顾该事件与ADS-C相关的细节，首先赤道附近的区域毫无疑问是Inmarsat的覆盖区，目前只要不是±75°以上的高纬度区域，Inmarsat卫星是能够完全覆盖的；再看马航370的机型，是Boeing 777，该机型是宽体客机，从事的是跨洋航班，为符合ICAO的标准，一定是有ADS-C装置的；最后看Inmarsat在最终的飞机搜救中“立功”的表现，Inmarsat声称收到了两次马航370“Ping”信号，根据两次“Ping”信号的多普勒信息，其确定了两条马航370的可能轨迹，最终引导着原先在越南海域搜救的各国队伍走向了印度洋。

从整个的过程来看，确实没有任何关于ADS-C中周期性位置报告被接收的信息，如果从“Ping”信号这样的“信息”中，Inmarsat都能够分析出一定的轨迹信息，那么如果有了准确的位置信息，搜救难度应会大大降低才对。那这又是怎么回事呢？说好的位置信息去哪了？

2014年5月12日，就在马航370失联两个月后，Inmarsat官网公布了一则新闻《Inmarsat将提供免费全球航班跟踪服务》；同一天，在网上出现了一位名为Jason Mick的评论员文章《MH370灾难之后 Inmarsat 为全部商业飞机提供免费卫星跟踪》［6］，称“英国公司决定放弃追踪飞机带来的少许收入，因为这些收入在飞机失事带来的令人头疼和痛心的问题面前不值一提”，文章最后一句甚至给出了因为免费卫星跟踪服务的推出，Inmarsat的损失“超过一亿美元”。如此看来，卫星的飞机跟踪服务在MH370之前是收费的。但该跟踪服务是否是ADS-C呢？

Inmarsat在2014年的一份提及“ATM演进”的报告中提到了ADS-C技术［5］，并将该技术定位为“ATM演进的重要因素”，其中有两个细节，一是在其中说明了“基础跟踪服务免费”，二是标明了“航线收费极低（约10美元/航班）”。从这两个细节看，Inmarsat在2014年5月12日宣布免费的服务，其实就是ADS-C的基础服务，即15分钟级别的位置跟踪报告。而马航370之所以并没有位置跟踪报告，仅有“Ping”信号，极有可能是马航的飞机有ADS-C装置但没有购买服务，导致只有“Ping”却没有“Contract”。

3.卫星在ADS-B中的应用

解决ADS-B海上接收受限问题的答案是：采用星载（或称天基）ADS-B，即通过卫星接收原先仅用于地面的ADS-B技术。

（1）星载ADS-B系统组成

典型的星载ADS-B系统组成见图6。

图6 卫星ADS-B示意图

由图6可以清晰地看出来卫星在星载ADS-B中承担的作用，就是将原先飞机-基站的链路，通过卫星和地面站进行连接，这样，在带有ADS-B的飞机飞到没有ADS-B基站覆盖的区域内时，只要飞机处在相应卫星的覆盖区内，卫星可接收来自飞机广播的实时状态信息，并通过回传链路将信息传回地面控制系统内，确保飞机“永不失联”。

（2）“大佬”的星载ADS-B

欧美由于率先完成了地基ADS-B系统的建设，因此也都率先将目光投向了星载ADS-B技术。

欧洲由欧盟和欧洲航空安全组织发起了单一欧洲天空空中交通管理研究项目（SESAR），其中星载ADS-B技术也被列为未来空中交通管理的飞行跟踪手段之一，同时ESA也发出了项目邀请，推进星载ADS-B载荷研制和ADS-B卫星在轨演示验证。

美国由于通航发展迅速，因此也是全球最早开始部署地基ADS-B并将目光率先瞄向天基ADS-B系统的国家。

2011年，GlobalStar和ADS-B Technology开发出了ALAS［7］［8］（ADS-B Link Augmentation System），通过该系统，能够将载有ALAS系统的飞机的ADS-B数据通过GlobalStar L/S数据链与卫星进行数据交换。2015年7月21-28日，GlobalStar在美国进行了约36小时的飞行试验来对星载ADS-B信号的接收进行验证，飞行期间，GlobalStar共收到了129300条报文中的125795条，接收成功率达到97%；8月12日，GlobalStar与ADS-B Technology宣布，NASA Langley选择了ALAS系统作为NASA双向通信需求的研究工作。

2013年前后，美国的Iridium公司宣布将搭载ADS-B接收机到其未来发射的Iridium-NEXT星座上，预计2017-2020年提供全球商业化服务［9］。该信息在马航事件后不断被提上航天类科技新闻头条，因为铱星的星座覆盖特性全球有目共睹，基于星间链路和全球覆盖星座，确保了即使经过北极上空的飞机，也能够被Iridium卫星接收并通过星间链路传到地面网关站，为用户提供准实时的ADS-B信息，因此Iridium-NEXT的这项应用被舆论寄予厚望，被称作能让全球航班“永不失联”的“杀手锏”。

（3）典型星载ADS-B系统

任何一个天基接收系统都不可能仅由一家或几家大型公司独占，未来的天基接收系统最大的商业价值在于数据，而非星座本身，因此有明晰的商业数据用户和完整的大数据产业链条的后来者，与技术体制与产品研制的先发者在产业和资源等方面各具优势。星载ADS-B的发展中也呈现出这种局面。

1） GomSpace［10］

GomSpace于2013年11月21日将GOMX-1发射入轨，该卫星搭载了该公司第一代星载ADS-B接收机，该接收机在轨工作状态良好，回传了大量有效ADS-B数据。但由于该卫星的平台仅采用了9.6kbit/s的下行速率，有大量的接收并解调的数据没有成功下传。

GOMX-1后，GomSpace公布了其下一步规划，并在2015年8月19日成功发射了GOMX-3到国际空间站，在2015年10月5日将该卫星部署到近地轨道。GOMX-3与GOMX-1相比，有三处主要变化，一是卫星尺寸由2U变为了3U，二是搭载了第二代ADS-B星载接收机，三是采用了X频段的数传，下行速率达到2Mbit/s。

GomSpace的ADS-B星载接收机在网站上公开售卖［11］，并标出了其星载接收机的性能指标，最大功耗1W，最大每秒接收ADS-B包数量800包，灵敏度高于-103dBm。从指标来看，该接收机的性能还是非常不错的。

2） RMCC

RMCC（Royal Military College of Canada，加拿大皇家陆军学院）响应加拿大国防研究与发展部的号召，在2009年开始研究天基接收ADS-B可行性，并由学生发起了一项气球试验，验证是否能够通过气球上的ADS-B接收机来接收飞机的ADS-B信号［12］。

试验进行了三次，其中2009年6月12日和2012年3月21日的试验结果比较好，气球上接收机接收的数据与NAV Canada地面ADS-B基站接收的数据吻合较好。随后，该项目被并入了CANX-7卫星项目［13］。

加拿大的CANX项目是一系列用于天基演示验证的项目，其CANX-6项目就是天基AIS的演示验证，因此CANX-7项目选中天基ADS-B，可以看做是加拿大对于天基ADS-B项目未来前景的期待。在CANX-7项目中的星载ADS-B接收机由COM DEV和RMCC共同完成，巧合的是，COM DEV恰好是CANX-6中星载AIS接收机的研制方。CANX-7卫星预计2015-2016年发射。

3） PROBA-V［14］

PROBA-V是QinetiQ公司为ESA研制的一颗植被观测卫星，该卫星于2013年5月7日发射升空，搭载了DLR研制的星载ADS-B接收机。

该接收机接收的数据通过与澳大利亚的地基ADS-B网络数据比对，吻合结果非常好，验证了DLR研制的天基ADS-B接收机的接收性能。

（4）星载ADS-B发展趋势

在多个卫星公司竞相发射ADS-B卫星的同时，包括ESA在内的多个机构也纷纷公布了未来的天基ADS-B星座规划，这些规划中，星载ADS-B或作为主载荷，或作为搭载载荷，均体现了在全球航空飞行跟踪业务领域里，这些公司和机构的决心。

荷兰的ISIS公司预计将在2017年发射ADS-B的PoC卫星，并在2018年中期组网形成天基ADS-B系统［15］；ESA成立了欧洲全球监视研究组，提出将ADS-B技术带到太空，提供全球覆盖，10～15s更新速率的准实时ADS-B数据；而前面提到的Iridium更是在今年就将发射其搭载了ADS-B接收机的星座卫星，开始组网的第一步。

如果说全球航行安全是所有公司和机构发展全球航空飞行跟踪的出发点，那么在获取了全球航空飞行跟踪数据后的大数据业务，极有可能会成为“航天商业化”中一项不可或缺的产物。

4.全球飞行跟踪系统大数据应用

就在Iridium-NEXT的72颗搭载ADS-B载荷的卫星即将开始第一轮发射之时，不少目光已经投向了为这72个载荷买单的数据公司，即加拿大的Aireon［16］。Aireon将全球ADS-B监视定义为“Game Changer”，从其公开的许多商业文件和利益相关方分析，这绝不是一家仅仅将飞行安全作为主要业务的数据运营商，其目光投向的领域，正是如火如荼的“大数据”。

2014年9月22日，Aireon宣布用于搜救的全球ADS-B数据将会免费提供给用户，同时，Aireon也表示，尽管全球ADS-B数据不能够避免类似MH370的悲剧发生，但是这样的数据能够很大程度上提高搜救的效率和成果。从这则新闻不难看出，其实Aireon为用户提供的数据，特别是地面基站无法接收到的数据，并不是免费的。

Aireon将潜在用户划为四个领域，分别是空中导航服务供应商、航空公司、通用航空和国土安全部门。同时，Aireon也将ADS-B的用户划分了不同数据和服务级别的多个目标市场，可谓是深思熟虑。更让人想不到的是，Aireon还发布了ADS-B的商业价值分析，其中包括节省燃油、节省飞行时间和减少等候时间三项，Aireon给出了详细的计算结果。

Aireon认为，通过优化航班爬升过程、提升航路利用率、根据风和气候变化优化航路三项服务能够在2017-2030年为北大西洋和太平洋的美国航空公司节省30亿美元（整个Iridium-NEXT的投资也不过18亿美元）。

从其描述的前景来看，ADS-B的全球大数据价值，前景非常可观。其中不可忽视的一个关键角色，就是卫星与航空业务结合，这种结合型应用使一家从事空中导航服务的运营商，拥有了获取全球（特别是海洋区域）飞行跟踪数据的能力，使上述各种商业模式得以实现。

五、思考与建议

经过多年的发展，全球航空飞行发展迅猛，以民航业为代表的传统航空业，也迎来了通用航空、无人机等新兴航空业的挑战。美国最初发展ADS-B系统的初衷，正是为了解决阿拉斯加地区通用航空经常碰撞的问题。

现今，天基ADS-B系统已经不存在技术障碍，但如何规划星座，数据如何分发、资源如何管理、后台如何利用这些海量数据提供更高质量的服务等问题并没有解决。

我国在2015年9月底和10月初发射的多颗微纳卫星上，都搭载了ADS-B接收机用于全球航班跟踪，充分说明了我国卫星设备研制的能力和与国际接轨的眼界；但同时应该看到，这些卫星搭载项目，普遍出于技术验证的目的，都没有明晰的商业计划和明确用户；其他一些天基ADS-B星座系统的规划也仅仅着眼于卫星制造的规划，而在其对用户应用层面的研究却十分欠缺。

因此，在追求制造更好、更先进、更与国际接轨的卫星产品的同时，我们更应该把重点回归到卫星应用，如何为用户制造更“好用”的卫星，如何帮用户开发、使用海量数据，发现、发掘、创造新的应用模式，这将是每一位投身于卫星全球航空飞行跟踪应用的从业者需要切实考虑和研究的。

（本文亦感谢李辉研究员、杜璇女士提供的帮助）

编后语

2015年11月12日，在ITU WRC-15会议上，正式为全球航班跟踪划定了新频点，而该频点，正是本文后半部分提到的ADS-B 1090ES采用的1090MHz频段。这意味着，从无线电规则层面，已经为该链路提供了“合法”的地位和使用的保障。基于此，规则基础已经奠定，技术标准已经确立，产品设备的研制也已突破，万事俱备，只待应用。从此，卫星在航空中的应用再写新篇。

［1］http://www.flightradar24.com/ ， FlightRadar24 Website.

［2］https://www.itu.int/net/pressoffice/press_ releases/2014/59.aspx， lTU Newsroom.

［3］A. Smith， R. Cassell， T. Breen R. Hulstrom，C.Evers， Methods to Provide System-Wide ADS-B Back-Up， Validation and Security， 25th Digital Avionics Systems Conference， 2006 lEEE/AlAA，2006.

［4］Don Thoma，Aireon， Space Based ADS-B - Global ADS-B Coverage， lCAO SEA/BOB ADS-B WG/10，2014.11.

［5］C. Dumas， Flight Tracking The lnmarsat View -and Proposal， 2014.

［6］http://www.dailytech.com/After+MH370+Disaster+l nmarsat+Offers+Free+Satellite+Tracking+of+All+C ommercial+Aircraft/article34891.htm Jason Mick，DailyTech Website.

［7］http://www.ads-b.com/space-based.htm ADS-B Technology Website.

［8］http://www.ads-b.com/news.htm ADS-B Technology News.

［9］http://www.iridium.com lridium Website.

［10］http://www.gomspace.com GomSpace Website.

［11］http://www.gomspace.com/index.php？p=productsadsb GomSpace ADS-B Receiver.

［12］Raymond Francis， Ronald Vincent， etc， The Flying Laboratory for the Observation of ADS-B Signals， lnternational Journal of Navigation and Observation， 2011.

［13］http://utias-sfl.net/？page_id=210 Nanosatellite: CanX-7.

［14］Davy Vrancken & Stijn llsen， PROBA-V: The example of on-board and on-ground autonomy，Small Satellite Conference， 2014.

［15］http://www.isispace.nl/cms/index.php/projects/ s-ads-b lSlS Satellite ADS-B.

［16］http://www.aireon.com Aireon Website.