ERA ADS-B系统在西沙群岛的应用

刘 旭 谢来阳

（民航中南空管局，广东 广州 510403）

ERA ADS-B系统在西沙群岛的应用

刘 旭 谢来阳

（民航中南空管局，广东 广州 510403）

文章介绍了ADS-B的原理特点，并与传统的的航管雷达监视系统进行了比较，阐述了在西沙群岛设置ADS-B系统的必要性，同时介绍了引进的美国ERA公司生产的ADS-B系统框架，对系统如何进行相关的设置和对系统接口部分如何进行改进，最后对系统数据进行了相关分析。

ADS-B；一次雷达；二次雷达；GPS；以太网

1 引言

民航广播式自动相关监视（ADS-B）是一种新兴的空管监视技术，即航空器通过广播模式的数据链，自动提供由机载导航设备和定位系统生成的数据，包括航空器识别、四维定位以及其他相关的附加数据。通常每500毫秒ADS-B设备广播一次位置信息。本文介绍了ADS-B的原理特点，并与传统的的航管雷达监视系统进行了比较，阐述了在西沙群岛设置ADS-B系统的必要性，同时介绍了引进的美国ERA公司生产的ADS-B系统框架及相关的设置和改进。

2 ADS-B系统原理及特点

2.1原理

如图1所示，ADS-B使用机载导航系统，得到飞机精确的位置和速度信息，通过机载的电子设备自动广播飞机的呼号、位置、高度、飞行速度、航向、告警特殊识别和其它一些参数。地面接收机和其他航空器可以接收此数据，并用于各种用途，如在无雷达覆盖地区提供ATC监视，机场场面监视以及未来空-空监视等应用服务。

图1　ADS-B监视示意图

2.2技术特征

ADS-B具备以下技术特征：

Automatic自动：数据信息自动发射，不需要人工的操作，不需要地面的询问。

D-Dependent相关：信息全部基于机载数据。

S-Surveillance监视：提供呼号、位置、高度、速度和其它用于监视的数据。

B-Broadcast广播：数据不是针对某个特殊的用户，而是周期性的广播给任何一个有合适装备的用户。

ADS-B是下一代空中交通系统（NextGen）的重要组成部分。在未来20年，ADS-B系统的实现将会使下一代空中交通系统变成现实。在美国，经过多年的研究和开发，并且通过在阿拉斯加通用航空领域和在爱荷华河谷航空运输的使用，FAA决定在 2005年在全国航空系统投入使用 ADS-B技术。通过ADS-B，飞行员和管制员都可以看到由卫星提供的更加精确的类似雷达目标显示的空中交通数据，这些数据可以实时更新，并且不会由于距离和覆盖范围的因素而失效。同时该系统还可以给飞行员提供气象，覆盖图和飞行信息服务。有了这些强有力的数据，飞行员可以驾驶飞机安全飞行到更远的一些缺少空中交通管制帮助的地方。

2.3与航管雷达监视手段的比较

与民航现使用的一、二次雷达比较而言，ADS-B是相关的、合作式监视系统。一次雷达是独立的、非合作式监视系统，其可自主获取目标的监视信息，被监视目标不需要安装任何相关的设备。而二次雷达是独立的、合作式监视系统。二次雷达通过询问和机载设备的应答计算目标的距离和方位角。S模式二次雷达则增强了飞机寻址和双向数据链路功能。与一次雷达相比，二次雷达能够提供更详细的信息，但二次雷达无法监视没有安装应答机或应答机失效的飞机。与二次雷达类似，ADS-B系统也需要航空器安装相应的机载设备。除位置信息外，ADS-B还提供速度和航向等信息。与雷达系统不同的是ADS-B的信息直接从机载设备中得到。

对于传统的监视系统，如一次雷达和二次雷达网络，其自身的某些特点，造成了一些局限性：

（1）配置、维护和运营成本高：每台设备一两百万到壹千万美元，据FAA数据，每年可高达2万美元的维护成本。同时需要建设专门台站，并且配置专线电力电缆和相应配套的UPS和柴油发电机设备。系统安装复杂，需要专业安装机具，如站点设在边远台站，安装条件相当恶劣。

（2）性能的局限性：精确度和有效性受外部条件影响，由于系统特性，距离目标越远，特别是在雷达覆盖范围边缘，精确度不高。

（3）如果有山脉或大型建筑物遮挡，造成某些区域无法完全覆盖。

相比之下，ADS-B就具有以下优点：

（1）低成本接收器；全方位覆盖和系统冗余，价格不再昂贵；监视范围扩展到250海里范围；采用现有标准1090Mhz频率。由于系统较简单，安装相当简便，有电源和一定容量的UPS即可，可安装于边远台站，如遥控VHF台，或移动通信基站等处。

（2）高精确度：精确度不受限于距离；数据每秒更新。

（3）可提供更多的信息：航空器的识别码，可提供航向、速度，可作为预警处理的输入信号。

正是由于以上特点和ADS-B技术的发展，澳大利亚基于对中西部地区飞行流量的预期和投资成本的核算，放弃了以航管雷达覆盖澳洲大陆的意图。取而代之的是，仅投资1000万美元在中西部地区建设ADS-B监视系统，与现有航管雷达设施，组合成一个覆盖澳洲全境高空的空中交通服务监视系统。

2.4传输技术

目前ADS-B可选的数据链传输技术有Mode S 1090 ES、VDL MODE 4、UAT三种，对于机载设备，VDL MODE 4和UAT都需要加装新的机载设备，而目前所有的商业运输飞机的机载应答机均装备了S模式应答机，若采用S模式1090 ES技术，需要做的工作仅仅是升级应答机软件及加装一条 GPS连线，不仅工作量小、简单易行，而且从经济效益角度来讲也有很大优势。鉴于国际民航组织亚太区的建议和在全球范围内的互操作性，我国在西部地区已安装的ADS-B系统都使用了1090 ES作为ADS-B数据链路技术。

3 西沙群岛设置ADS-B的必要性

21世纪初，民航空管单位为实现南中国海西沙群岛周边空域的雷达覆盖，于西沙群岛的某岛屿设立了由美国TELEPHONICS公司生产的一套小型单脉冲二次雷达，但由于种种原因，雷达建设后在 150公里以外的空域覆盖不太理想，出现了目标丢失，目标分裂及航迹摆动等现象。而ADS-B系统由于具有价格较低，使用维护成本不高的特点，只要地面没有大型阻挡物，监视范围可达到 250海里。同时其系统简单，安装维护简便。ADS-B系统天线采用鞭状天线，不需要象航管二次雷达那样的大型天线塔，因此安装起来不会受到岛上有关部门对建筑障碍物相关规定的影响。在ADS-B地空通信收发信机等设备的技术指标都已确定的前提下，ADS-B地面站覆盖范围的计算很大程度上取决于地球表面上的阻挡物，即地形的影响。只要将天线安装于岛上台站的高点处，周边无其他障碍物遮挡，则可基本满足覆盖要求。鉴于上述原因，空管单位基于西沙雷达建设难度大，成本投入高及维护难度大等方面的考虑，于前几年在西沙群岛某岛设立ADS-B系统，作为现有二次雷达监视系统的补充手段。

4 ERA ADS-B系统原理及设置改进

4.1系统框架

西沙ADS-B系统采用美国ERA公司生产的ADS-B系统，系统框架图如图2所示。

图2　Era ADS-B系统框架图

西沙ADS-B系统由两独立冗余的ADS-B通道组成，即各个ADS-B单元单独连接各自的ADS-B全向接收天线，GPS天线和SITE MONITOR天线（SQB天线），这两个通道各自独立，同时工作，互为备分。每个通道ADS-B单元由SSR接收机、GPS及诊断单元（GPSD）、测量单元、信号处理、控制单元、供电单元组成。

其中信号处理单元核心为一采用WINDOWS操作系统的微型计算机（RPU），其通过以太网把处理好的数据传输出去以及和监控计算机进行通信。本地监控电脑（LCMS）放置于台站现场,用于对 ADS-B设备和 GPS状态进行监控和对ADS-B目标查看；远程监控电脑（RCMS），放置于三亚远端监控站,用于对 ADS-B设备和 GPS状态进行远程监控和对ADS-B目标查看。

4.2系统设置

系统所有硬件安装完毕后，需要对系统参数进行一些必要的设置。系统开机各设备正常后，通过监控终端LCMS或RCMS登陆到信号处理单元核心计算机 RPU，系统配置的CMS计算机上装有远程登陆软件，同时为了在CMS上能正常显示目标和监控数据，安装调试时也必须对CMS进行设置：

（1）RPU设置

在\Gua-rpu01ArchDir目录下存放有系统保存的 ADS-B目标ASTERIX CAT21类数据；而在\Gua-rpu01DataRec目录下存放了原始记录数据；在\Gua-rpu01ERARPUCFG目录下打开mss.cfg文件，为确保安全，必须将原文件进行备份，而且先将文件下载到本地电脑进行设置，修改完后再上传，主要修改的是文件中的reference point中的经度（Latitude）、纬度（Longtitude）和高度（Height）信息，经纬度以度为单位，高度以米为单位。将上述数据修改为安装ADS-B的台站GPS位置信息。

同时，如图3所示，如果因为网络原因需要更改RPU的计算机IP地址，则更改\Gua-rpu01ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-adsb”对应的内容,同时相应更改RPU系统的IP地址，系统的信号输出是通过以太网以广播的的方式输出，要更改信号输出 IP地址和端口号的话，则更改\Gua-rpu01 ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-out-ch01”对应的内容，“ip-out-ch01”地址为广播的地址，一般没有特殊要求不用更改。

图3　RPU地址更改示意图

（2）CMS计算机设置

CMS计算机同样也是采用WINDOWS XP操作系统，其与ADS-B设备的连接也是通过以太网进行连接，而其监控软件是通过WEB界面对ADS-B系统参数进行监控，因此该计算机的网络IP也必须设为与RPU同一网段。通过WEB页面监控系统时，在IE浏览器上直接键入RPU地址即可，输入RPU地址/4003端口则为显示GPS诊断页面，输入RPU地址/8003端口则为显示GPS状态页面。另外为保证能正常显示目标，在 CMS的显示软件参数也必须设置中心点坐标，打开C:Program FilesERAMTdisplay目录下的display.ini文件（进行更改前必须对原文件进行备份），对[center]、[station1]或[station2]的经度、纬度进行更改，经纬度设置格式为度：分：秒。同时，为能显示实时目标或重放目标，在显示程序的COMMUNICATION项目里的通道，通信方式、UDP端口和广播地址设置要正确设置，如图 4所示，需要注意的是这里的端口设置是16进制数，而在之前所述的RPU里参数文件设置的端口设置为10进制数。当系统安装和参数设置完毕后，系统需要重起使参数生效。

图4　显示程序Communication项参数设置图

4.3系统改进

在系统安装设置完毕后，笔者发现与系统XC-5接口连接的SITE MONITOR(以下简称SQB)工作不正常，没有信号，经检查，在SQB设备端测量输入电压为零，而断开设备，在系统的接口XC-5处测量电压正常，在排除了设备电缆及SQB本身设备故障的原因后，怀疑系统接口是否故障，但在系统的监控单元上观察，各模块工作正常。于是，我们详细查阅了厂家的技术资料和分析系统的电路图，电路图如图5所示，发现了原厂家提供的安装资料上注明SQB接在ADS-B主机框单元的XC-5接口，但其实内部XC-5接口接线是接至电源模块的电池接口，是不能用于接入负载的。于是，现场就对系统内部进行改装，将机框内部XC-5接线连接至内部直流电源模块输出接线端，如图 5所示。经现场对系统内部接线进行改进后，测量电压正常，在原设计的 XC-5接口重新接回SQB设备电源线，此时设备工作正常，改进试验成功。

图5　XC-5接口电路图

5 数据分析

据ERA厂家资料内容，当前2002年后生产的民用客机基本都安装了ADS-B设备，而在越洋航班中，70%的航班都具备了ADS-B设备。在西沙ADS-B系统建成后，笔者在岛上比较了西沙雷达和ADS-B显示的航路飞行目标数，统计方法是在某个时间点上，在雷达系统和ADS-B系统的有效覆盖范围内，观察比较雷达显示和ADS-B系统显示的航空器目标数，计算ADS-B系统显示的目标占雷达显示目标的百分比，统计结果如表1所示，从统计数据上可以看到在ADS-B上显示的目标数基本都达到雷达显示目标数的 60%以上，平均为63.62%。

表1　西沙ADS-B与雷达显示目标数统计表

同时，笔者也对雷达与ADS-B系统显示的同一目标进行了跟踪，在有效覆盖范围内对接收回来的目标数据进行比较，相同类型的参数数据基本一致，而在某些原雷达覆盖性能不良区域，雷达显示目标丢失，而ADS-B系统仍然可以持续跟踪目标。

通过航班跟踪统计得到西沙ADS-B信号能比较稳定地覆盖到330 km以内的目标，350 km以外覆盖稍差，最远覆盖范围可达420 km。

通过以上的数据比较分析，表明西沙设立ADS-B系统能基本满足民航管制的要求，今后可以把两种监视系统在同一显示器上显示，实现数据的互补, 如飞机的ADS-B设备或应答机故障，地面的显示器也能监控，这样极大地提高了监控系统的能力，也进一步整合了二次雷达和ADS-B 监控系统的资源同时也对原二次雷达系统做了强有力的补充。

6 结束语

西沙 ERA ADS-B系统安装至今整体运行平稳、安全可靠，弥补了三亚管制区在南海区域的监视盲区，为管制服务提供了极为有力的技术支撑和保障，同时也为ADS-B监视技术的应用和推广积累了极为珍贵的技术资料和宝贵的经验。ADS-B新技术的在三亚管制区的成功应用，将对航空器提供更小的间隔，扩大海南地区空域容量，提高安全运行水平发挥积极作用。

近几年，随着科技和经济的发展，相关标准也日益完善，民用航空器的ADS-B设备已成为必备设备。相信随着ADS-B技术的发展，将会有越来越多的航班装备ADS-B设备，作为现有二次雷达监视系统的补充手段的西沙ADS-B系统将会扮演更加重要的角色。

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ERA ADS-B system application in Xisha islands

This paper introduced the theory & characteristic of ADS-B system and compared with normal radar system. And also the necessity of ADS-B system in Xisha islands is discussed. After that we give the details about the system frame diagram, configuration and adjustment of ERA ADS-B system installed in Xisha islands. In the end we discussed about the target quality of ERA ADS-B system by analysing the data from the comparison with the radar targets.

ADS-B; PSR; SSR; GPS; ethernet

V37

A

1008-1151(2015)09-0007-04

2015-08-13

刘旭（1972－），男，民航中南空管局工程师，从事民航空管通信、导航及监视系统安装、维修及研究工作；谢来阳（1975－），男，民航中南空管局高级工程师，从事民航空管通信、导航及监视系统安装、维修及研究工作。