基于星载ADS-B的航空器跟踪监视发展概况及趋势

王润东 潘卫军

（中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，广汉 618300）

引言

在“马航”失联事件之后，全球对卫星监视的重视程度提高到了新的高度，国际民航组织（ICAO）召开高层次安全会议，会议推荐采用新的飞机跟踪规则。这是提高全球飞行跟踪要求的重要一步，也是ICAO推出的全球航空遇险与安全系统（Global Aeronautical Distress and Safety System，GADSS）的基础[1]。同时，会议通过了“全球航班遇险与安全系统（GADSS）”运行概念，提出了从例行、非正常和遇险三个层面开展航空器追踪监控工作。中国民航为增强航空安全保障体系建设，发布了《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》[2]，特别强调通过建设基于北斗卫星的ADS-B等新兴监视与通信技术，来实现航班全球无缝追踪。

广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是国际民航组织确定的未来主要监视技术[3]，已有70%的民用航空器加装了ADS-B设备，而ADS-B覆盖范围受限制[4]，由此将ADS-B与卫星相结合来进行全球航班的飞行监控，而比较成熟且被多家航空公司采用的卫星监视技术主要包括以Inmarsat为代表的高轨通信卫星和以Iridium为代表的地近轨通信卫星[5]，但单纯利用卫星来进行通信和监视，仍存在高延时、高成本、数据格式不一致、航班数据不共享以及各航空公司标准不统一等弊端。因此，在现有成熟的ADS-B技术、通信技术、机载设备以及地面设备的基础上[6]，结合卫星通信导航的优势而形成星载ADS-B，可在全时段、全球对飞机的整个飞行阶段进行连续无间断的监视[7]，扩大了监视覆盖范围，提供了更加安全、高效的空中交通监视手段[8]。同时，基于高频多模、高精度与高覆盖率的星载ADS-B数据降低了运行成本并提高了监视系统的精度和可靠性，可以有效避免“马航”“亚航”等航班失联事件的发生。

1 路基ADS-B与星载ADS-B对比分析

路基ADS-B主要依赖地面站台接收数据信息，航空器的机载系统会自动1秒1次地向其他飞机或者地面站广播飞机的位置、航向、速度及识别号等信息[9]，以供管制员监控飞机状态，如图1所示。

图1 ADS-B原理图

星载ADS-B就是将ADS-B接收机搭载在卫星上，发挥的作用就相当于地面基站，只要飞机在相应卫星的覆盖区内，搭载ADS-B接收机的卫星可接收飞机广播的实时状态信息，并通过数据链路将信息传回到地面控制系统，实现境内实时转发、境外存储转发[10]，具体原理如图2所示。

图2 星载ADS-B示意图

路基ADS-B监控设备受地面基站和地形限制，覆盖范围有限。星载ADS-B将高灵敏度ADS-B接收机安装到低轨卫星上，接收机的覆盖半径可以达到3200km[11]，明显大于地面接收机的覆盖半径，尤其适合使用在海洋和荒漠等地区。相对于路基ADS-B，星载ADS-B的优势有：

（1）全球航班跟踪和实时记录能力，可作为搜寻救援工具；

（2）统一监视格式，降低了运行成本并提高了监视系统的精度和可靠性；

（3）提高航路利用率、优化航路以节省燃油和减少排放；

（4）增强航空器目标态势感知和冲突检测能力；（5）更好支持航线规划与航路优化，缩小航路间距；（6）提升管制态势感知能力，航班运行更高效，并为未来自由飞行提供保障。

2 发展概况

2.1 国内发展现状分析

根据中国民航PBN路线图，中国民航计划在实施的近期和中期，率先在洋区和偏远地区以及无雷达覆盖地区推广ADS-B技术[12]，并计划在远期将ADS-B技术作为主要监视手段。中国民航已在B213航路（成都-拉萨）实施了ADS-B试运行，并在B330航路（成都-九寨）、南中国海进行了ADS-B实验验证工作。中国民航飞行学院也率先完成了UAT数据链技术的ADS-B应用测试，随后完成学院5个机场ADS-B地面站建设，并对学院近200架训练机进行了加改装，明显提高了飞行的训练效率。

国内实施星载ADS-B的起步较晚，国家民航总局在2012年发布了《中国民用航空ADS-B实施规划》[13]，并在2015年又进行了修订。明确提出，到“十二五”末实现ADS-B OUT（地空监视）初始运行（如图3所示），到“十三五”末，实现ADS-B OUT全面运行（如图4所示）。

图3 “十二五”全国ADS-B与雷达各高度层覆盖图

图4 “十三五”全国ADS-B各高度层覆盖图

规划在2025年前全面实现地面及基于卫星的全国ADS-B系统建设。在国家民航总局支持下，自2015年起，国家组织国内民航界、航空界、航天界等多家科研单位开展了基于卫星的ADS-B系统研制工作，并计划在2020—2025年建成国内自主的ADS-B系统卫星星座为国内民航部门提供服务。2015年9月底10月初发射了“天拓三号”纳米卫星，其主星“吕梁一号”搭载了ADS-B接收机，平均每天接收全球范围内40多万条ADS-B报文数据，国内星载ADS-B侦收系统首次实现了业务运行。2017年8月，民航局发布了《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》[14]，提出2025年底前将建成主要包括“北斗”系统、自主星基ADS-B系统、自主卫星通信系统以及自主知识产权机载设备的制造、测试与适航审定等基于自主知识产权的航空器全球追踪系统，并形成相关标准。

ADS-B实时监控下的航班图如图5所示。

图5 ADS-B实时监控下的航班图

2.2 国外发展现状分析

国外的卫星通信技术起步较早，美国率先将研究方向瞄向星载ADS-B系统。美国铱卫星公司作为全球首家建设ADS-B卫星星座的系统提供商，截至2017年6月底已发射两批共计20颗搭载ADS-B接收机的二代卫星，并将在2018年底前全面部署和投入运行总量达到75颗（66+9）的二代卫星星座，在全球全面提供卫星ADS-B数据业务。包括FlightAware等飞机追踪数据提供公司，已经基于多种数据源实现对航班的监控，并为多家航司合作提供数据支持，数据包括地面ADS-B+MLAT（算法）融合数据、星载ADS-B数据、ACARS数据、FLIFO数据等。尤其在MH370事件后，全球航空遇险与安全系统（GADSS）要求在跨洋盲区时以1min间隔发送飞机追踪系统的位置报告，空管或航空公司可以将飞机位置确定在11km范围内。GlobalStar和ADS-B Technology[15]开发出了 ALAS（ADS-B Link Augmentation System），通过该系统的lobalStar L/S数据链，能够将载有ALAS系统的飞机的ADS-B数据与卫星进行数据交换，

并对接收的星载ADS-B信号进行飞行试验验证。

欧洲单一天空空中交通管理研究项目（SESAR）也对星载ADS-B展开了一定的研究，包括星载ADS-B载荷研制和ADS-B卫星在轨演示验证等。

已发射的典型的星载ADS-B系统如表1所示。

表1 已发射的典型的星载ADS-B系统

3 发展趋势分析

星载ADS-B监视系统为满足未来航班量的急速增加、移动节点快速多变以及覆盖范围不断扩大等带来的监视需求，需要对自身系统和技术进行持续的更新和优化，包括进行跨学科的技术融合，为航空公司未来业务使用先期开展预先研究提供参考，加强现有的基于二次雷达的空管系统与基于卫星ADS-B技术的空管系统的有效融合，为国内未来自有ADS-B卫星星座部署应用开展前期先导性工作。

3.1 星座组网设计

ADS-B卫星星座系统建设是一项非常复杂的系统工程，星座多轨道面全面部署完成时间长、耗资巨大，一般需要5～7年的时间，因此不能出任何差错。由于基于卫星的民航空管数据时效性要求远远超过其他交通运输行业，若干颗ADS-B卫星发射在轨完全无法为民航空管业务提供帮助。通过国际合作将ADS-B技术带到太空，搭载ADS-B接收机的专用微纳卫星与多任务小卫星，通过同一格式的卫星数据量进行连接组网，实现全球多重覆盖，提高监视跟踪精度与更新速率，提供准时数据，降低成本。

3.2 先进的荷载技术

通过ADS-B天线关键技术研究及ADS-B与AIS荷载一体化设计与开发，来实现低延时、高质量的数据通信。集成监视和ATC通信功能到一个单元里，实现远距离指挥监视：SDR技术、多波束天线。

3.3 全球飞行跟踪系统大数据应用

包括FlightRadar等应用，已经利用监视数据实现了移动终端对飞机的实时监控。而数据应用远不止于此，将监视系统存储的数据进行数据分析和数据挖掘可以实现对现有航空公司运行控制以及空管系统的优化，具体包括以下几点：空中流量分析与优化、提高空域利用率、航线航路优化、成本优化。

3.4 计算机技术与星载ADS-B结合

基于星载ADS-B系统开发相关业务软件系统、优化系统降低延时。利用现有国际卫星ADS-B数据资源，进行计算机仿真验证工作，并与国际同步先期开展相关技术演示，可预先优化星载ADS-B的实施方案，避免不必要的损失。

4 结论

目前，国内ADS-B技术已经很成熟，现有的高性能航空器也都搭载了ADS-B接收机，但国内民用航空器的跟踪监视处理偏远地区还是主要依靠雷达，但大多出于技术验证的目的，由于用户过少，难以实现商业运行，针对该情况提出以下建议。

（1）基于中国民航飞行学院的飞行经验，进行前期的数据验证和可行性分析，为推广提供前提条件。

（2）积极制定相关规章与标准，鼓励民航单位实施ADS-B监视，并提供政策引导。

（3）加强民航与院校、科研院所及卫星通信公司的合作，研发出具有自主知识产权的星载ADS-B系统。

（4）加强国际合作，宣传星载ADS-B优势，吸引更多的航空公司加入这项业务。

[1]Steil B.International Convention on Maritime Search and Rescue[Z].1979.

[2]张丰蘩.中国民航航空器追踪监控体系建设分三阶段走[EB/OL].(2017-08-14)[2018-01-01].http://news.carnoc.com/list/415/415185.html.

[3]刘韬.由马航客机失联反思卫星在航空器飞行监控中的应用[J].卫星应用，2014，（5）：31-35，38.

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[5]郭丞.机载卫星通信系统——铱星系统和海事卫星系统之比较[J].中国高新技术企业，2012，（23）：14-15.

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[12]中国民用航空局.中国民航基于性能的导航实施路线图[Z].2009.

[13]中国民用航空局.中国民用航空ADS-B实施规划[Z].2012.

[14]中国民用航空局.中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图[Z].2017.

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