MGS—01型ADS—B系统在南中国海的应用

李自科

摘 要：由于我国南海海洋面积广阔，陆地面积少，安装雷达比较困难，加上随着“一带一路”的提出，在飞过南海的航班越来越多，目前只有一部航管二次雷达供管制员使用，管制员的指挥压力越来越大，ADS-B作为新型航空监视技术今后在南海的地位极其重要。本文主要介绍MGS-01 ADS-B系统在南海的应用必要性，该系统的组成、信号流程、信号传输及其应用，在安装过程面临的问题以及解决方法，安装完成后对评估ADS-B数据可靠性、覆盖范围来验证该系统能够在南中国海的实用性，为ADS-B监视技术在实际应用方面提供相关的经验。

关键词：ADS-B 可靠性 实用性

中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-00-04

ADS-B是广播式自动相关监视，它主要实施空对空监视，一般情况下，只需机载电子设备（GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器CDTI），不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能，装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其他数据（如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等）。与雷达系统相比，ADS-B能够提供更加实时和准确的航空器位置等监视信息，建设投资只有前者的1/10左右，并且维护费用低，使用寿命长。ADS-B可以在无法部署航管雷达的区域为航空器提供优于雷达间隔标准的虚拟雷达管制服务。

1 ADS-B在南海的应用必要性

香港民航处已向国际民航组织申请将南中国海地区的中两条航路（L642和M771）改为ADS-B监视航路，预计2013年实施ADS-B航路管制。2011年6月16日，南中国海三亚情报区内的L642和M771两条洋区航路也开始实施了ADS-B实验运行，成功实现了利用ADS-B对广阔区的二次雷达信号补盲，完善了洋区对空监控手段。然而西沙二次雷达在西边和西南边均存在较大的盲区，尤其在情报区的交界点BUNTA和DALBA不能覆盖到，而且西沙二次雷达肩负着两个飞行情报区雷达信号重任，一旦该设备故障率极高将严重影响管制飞行服务，之前新建的ERA ADS-B仍然存在几个问题：（1）在西沙东边的BUNTA点附近覆盖比较差，掉点现象比较严重；（2）北边的IKELA点附近覆盖比较差，有盲区；（3）西沙南边的DONDA点和MONBO-MIGUS航线附近覆盖一般。所以在马岭、南山、西沙新建新的ADS-B地面站显得极为重要，MGS-01型ADS-B是继ERA后另一套在南中国海区域使用的ADS-B設备，随着今后4套设备投产使用，不仅能解决盲区的覆盖问题，也将对三亚飞行情报区航路监视提供有力的保障。

2 MGS-01型ADS-B系统介绍

2.1 MGS-01型ADS-B系统组成

ADS-B地面站包括ADS-B地面站主机（含1090MHz接收单元、数据处理单元、GNSS接收单元）、天馈单元、信标机、网络交换机、串口通信设备、监控设备、供电防雷设备、监控单元、安装保障设备等，用于接收、处理1090MHz广播的ADS-B信号，并按ASTRTIX CAT021 格式输出ADS-B监视信息，并支持扩展DF17、DF18信息输出。

2.2 MGS-01型ADS-B系统信号流程

ADS-B地面站的ADS-B信号处理功能主要通过ADS-B天线、低噪放大器、1090ES接收机、信号处理模块来实现。具体信号处理流程如图1所示。

ADS-B信号处理主要处理流程包括：ADS-B天线获取空中广播的1090MHz频率的ADS-B信号，GPS天线获取广播当中的GPS信号。ADS-B信号经过低噪声放大器，用于补偿馈线损失，降低系统的噪声系数，而且对1090MHz ADS-B信号进行滤波，提高整机的抗干扰能力和灵敏度，经过低噪声放大器后信号进入接收模块，1090ES接收机将ADS-B天线收到的微弱射频回波信号进行放大、滤波、检波处理，形成对数视频信号输出。处理模块接收视频信号然后对其进行预处理，包括解交织码、错误信息过滤、误码纠正等处理，实现具有抗多径干扰和同频干扰、分辨二重交织码、误码信息修正等功能，并最终形成目标数据，送给数据单元进行处理。数据处理器接收来自信号处理器的112位数据，经过数据提取、点迹处理、航迹处理、航迹跟踪、目标生成、信息组包处理，接收处理GPS信号，实现系统定位，形成符合CAT021格式的ADS-B监视数据，通过接口模块以网络方式发送和同步方式发送。

2.3 MGS-01型ADS-B系统信号传输和应用

ADS-B的应用除了地空数据链的应用外，各地面站与管制中心之间的数据传输也极其重要。特别是在自然条件比较差的西沙群岛当中，这不仅对ADS-B地面站性能要求高，同时也是对传输设备性能的考验。目前中南地区空中交通管理局大力发展FA36网络，对于新建的ADS-B台站信号的传输提供了极为便利的条件。在西沙新建的ADS-B地面站，只需要将信号传送到老雷达站，并将信号接入到中南FA36网络，便能通过中南FA36网络将信号传送给三亚ACC、广州ACC。在本次工程当中总共安装4套ADS-B地面站，其中马岭、南山一套，西沙两套，每一个地面站都有两路信号传送，如何将多路信号融合成一路传送给自动化进行处理就显得相当重要。

ADS-B前置预处理系统是将多路ADS-B信号进入空管自动化系统之前对其进行过滤、融合成符合系统要求的信号作为输出。ADS-B前置预处理系统能够对ADS-B多路信号进行录制和回放，能够实时监控其信号状态，并评估一段时间内ADS-B信号质量的各项指标。西沙1、2#站ADS-B数据通过中南FA36 A网经过三亚ACC跳转然后送到三亚航管楼，马岭、南山的ADS-B直接到达航管楼，通过前置系统将四路ADS-B数据融合成一路ADS-B数据，通过中南FA36 A网抵达广州ACC，并由广州ACC广播融合数据到每一个节点。传输路由图如图2所示。

2.4 MGS-01型ADS-B系统供电

西沙群岛地处辽阔的太平洋，自然条件比较恶劣，而且台风频繁，目前岛上所有设施的供电主要是通过油机发电。在岛上建设太阳能发电系统从长远角度来讲能减少运行成本，而且不用燃料，不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。ADS-B地面站是一种接收下行1090MHz数据链的设备，无需对外发射信号，双机功耗小于200W。目前新建的MGS-01型一号ADS-B地面站放在室外机房顶，二号地面站设备室放在室内。由于一号地面站为完全室外单元，所以一号地面站系统的供电将以太阳能电为主，在太阳能出现故障以后才会转换成旁路市电。在二号地面站以太阳能供电为主，UPS电为辅。一、二号站供电示意图如图3、图4所示。

3 MGS-01型ADS-B系统信号评估

判断ADS-B系统性能是否可靠标准就是将其信号应用于自动化系统，与相应台站的雷达信号对比和评估。分析数据的完好性、数据包传输延时、报文发送间隔、信号的覆盖范围来确定该设备性能是否适用于自动化系统。目前由于2号地面站由于光缆中断无法将信号传回来三亚航管楼无法进行分析。4个台站系统的所有实际情况最后都会通过飞行校验来得到结论。

3.1 ADS-B数据完好性

可通过ADS-B报文中的完导航不确定度类别（NUC）参数来衡量的。为了表征导航数据的精度和完好性，GPS接收机输出水平保护标准（HPL）。为了减少飞机广播参数的数量和长度，在ADS-B记载设备中，HPL被转成导航不确定度类别（NUC）。NUC是一个0～9的整数，大于等于5可以实施雷达管制。选取西沙1号地面站通过软件分析NUC≥5的报文数量占报文总量的94.90%。NUC<5的报文数量占报文总量的5.1%，全部是NUC为0的报文。因为地面站的NUC值由ADS-B信息当中TYPECODE值决定，CAT021数据包当中的NUC应严格按照DO-260B规范要求填写，所以出现一定比例NUC值为0属于正常。NUC数值统计如图5所示。

3.2 ADS-B数据包延时

在ADS-B报文UAP中数据项I021/030Time of Day定义了位置报告时间。通过计算接收时间和位置报告时间的时间差，可以得出ADS-B报文的延时。选取西沙1号地面站通过软件计算平均延时50ms，波动范围（偏离平均值30ms）。

3.3 ADS-B报文发送间隔

雷达系统的报文周期通常为4～10s。而ADS-B系统中，正常情况下同一航班收到两条报文间隔为1s，由于可能受距离、环境、干扰等影响报文发送的间隔有时会大于1s，有时会小于1s。取西沙1号地面站通过软件计算其中0.5s以内间隔发送占比45.75%，0.5～1s占比42.74%，1～1.5s占比9.62%，1.5s以上占比1.9%。

3.4 ADS-B信号覆盖

理论上，在可视范围内MGS-01 ADS-B系统覆盖范围为250nm，考虑到不同环境、地形的影响，覆盖范围可能会缩小。L642和M771航路上的飞机基本达到巡航高度，而且洋区周围没有遮挡，所以主要是分析7200m高空以上的覆盖范围。通过软件打点分析，记录飞机飞过区域所留下的轨迹直至消失。覆盖如图6所示。

每一个距离圈为100km，黄色为飞机飞行留下的轨迹，从图中分析可知ADS-B作用距离大于400km，无明显的覆盖盲区，并在BUNTA点覆盖连续，解决之前北边的IKELA点附近覆盖比较差和西沙南边的DONDA点和MONBO-MIGUS航線附近覆盖一般等问题。

4 结语

ADS-B是未来航空监视技术的发展方向，其在航空领域应用的优点相当显著，今后在其技术不断创新发展的基础上，完全有可能取代雷达成为主要的监视手段。我国民航事业起步较晚，重要设备的核心技术都在国外，大力推广国内先进技术在民航领域的应用，也有利于将我国从民航大国转变成民航强国。

参考文献

[1] 张利永，王宇.ADS-B在南中国海的试验分析和应用思考[J].中国民用航空，2011（1）：59-60.

[2] 倪豆.空管自动化ADS-B信号预处理系统[J].科技信息，2012（5）：55-57.

[3] RTCA.DO-260B：Minimum Operational Performance Standards for 1090MHz Extended Squitte ADS-B and TIS-B[S].2009.