空管自动化ADS-B信号预处理系统

蒋晓霜

摘   要：文章主要针对空管自动化ADS-B信号预处理系统进行研究与分析，在解析ADS-B技术及其在空管自动化中应用的基础上，解析ADS-B预处理系统的构成和基础模块，就ADS-B信号预处理系统中的各个模块及功能进行详细解析，希望能够提高空管自动化水平，提高空管效率。

关键词：空管自动化;ADS-B;信号预处理

我国空运迅速普及发展，加强空管监视具有重要意义，有效的空管监视不仅能够有效防止航空器相撞等事故概率发生，而且对于航空器飞行效率的提升也具有重要意义。伴随着空运流量逐年递增，为保证航空安全和运行效率，空管自动化系统开始应用。我国初期采用雷达数据作为自动化系统监视数据源信号，但是我国地域辽阔，在西部部分沙漠、山区以及环境恶劣等偏远地区不适宜建设雷达，导致部分空域存在盲区。因此，仅靠雷达数据作为监视数据并不全面，必须引入新方法和新技术来辅助加强空管监视。国际民航组织针对当前空管现状提出了新航行系统概念，采用多雷达数据源来进行空域监视，并引入广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）数据作为辅助监视数据源。ADS-B技术可在部分雷达盲区为航空器提供优于雷达间隔标准的监视数据;在雷达覆盖区域，也能以较低代价增强空域监视能力，提高航路及终端区的飞行容量。

1    ADS-B技术及其在空管自动化中的应用概述

1.1  ADS-B技術及原理

ADS-B技术是对传统多雷达监视技术的进一步发展，不仅降低了技术成本，而且提高了监视精度，总体而言ADS-B技术的灵活性更强，经济成本更低，在未来空中交通服务的发展和应用中具有广阔前景。ADS-B系统工作体系如图1所示，作为一种空域监视技术，它充分运用了空/空、地/空数据链通信技术以及导航卫星定位技术，通过导航卫星定位技术获得飞机等航空器的位置、速度等信息，并结合机载设备中的GPS来获得实时定位。飞机位置信息能够实时（固定时间间隔）通过地/空数据链技术传输到地面空中交通管制中心（空管中心），以供自动化系统进行数据处理，确保空管中心了解地面和空中航空器运行情况。同时，地面空管中心还能够将这些信息通过地/空数据链进行传递共享，让运行中的航空器了解地面以及空中情况[1]。

1.2  ADS-B技术在空管自动化中的应用概述

ADS-B技术包括发送（OUT）和接收（IN）两个信息传递方向。

1.2.1  ADS-B  OUT功能

作为ADS-B系统的基本功能，OUT功能主要是接受飞机等航空器和飞行器的各种信息，包括位置信息、飞行状态信息（高度、速度、升降等）等，地面空管中心的自动化系统主要接受和处理由飞行器发送的各种ADS-B OUT数据，并将这些数据进行分析和整合，实时了解并监视空中航空器的运行状况和位置状况，这一原理和雷达的原理十分类似。在航空器实现ADS-B OUT功能时，并不需要太多的辅助设备。

1.2.2  ADS-B  IN功能

ADS-B IN功能实际是在ADS-B OUT功能基础上发展起来的，航空器能够接受ADS-B OUT功能发出的信息，包括空管中心给航空器发送的信息，以及其他航空器通过ADS-B OUT功能发送的信息。这些信息在驾驶舱交通信息显示（Cockpit Display of Traffic Information，CDTI）显示器上进行显示，飞行员可通过读取CDTI上的信息来了解其他航空器的运行状况，提高空中交通情景意识如冲突告警信息、气象信息等。ADS-B技术增强了空域中航空器与航空器之间的相互监视能力，由于ADS-B系统的位置信息为自发广播式，航空器与航空器之间并不需要进行互相问询，便可接收、处理相关位置信息，因此，能更高效地提高航空器间的协同水平。

2    ADS-B预处理系统构架及处理流程

2.1  ADS-B预处理系统构架

ADS-B信号预处理系统实际是ADS-B技术的前端，也是为了配合ADS-B技术而衍生出来的，在海洋、沙漠以及偏远地区当中接入ADS-B信号预处理系统具有重要意义。通过ADS-B信号预处理系统的引入，不仅能够对采集信号的质量进行监视，而且还能够进行处理和过滤，最终得到符合ADS-B系统质量要求的信号并传递到ADS-B系统当中。ADS-B信号预处理系统主要由多个模块构成，包括状态监控模块、协议转换模块、信号融合模块、GPS时钟以及质量评估模块，目前，ADS-B信号预处理系统中主要采用双网冗余设计方式进行设计。

2.2  ADS-B信号在空管自动化系统中的处理显示流程

空管自动化系统作为空中交通管制通信和监视的重要手段之一，主要功能是让管制员准确了解到空中交通的实时动态信息，包括航空器位置、速度等。要获得可靠的实时动态信息就必须要接入高精度监视数据信息源，而ADS-B技术可提供更新速度更快、精度更高的监视数据，为空中交通管制员提供更全面的一手资料。

3    ADS-B预处理系统各模块的功能

3.1  协议转换模块的功能

ADS-B信号预处理系统中的协议转换模块的主要功能是实现信号的转换，将ADS-B原始信号转换为系统识别的TCP/IP组播信号，将获得的信号传送到A网，B网当中。ADS-B原始信号主要包括HDLC和TCP/IP两种类型格式，而协议转换模块主要是对原始信号进行处理和统一。目前常用的方法是通过接入路由器来实现该功能，采用价格相对低廉的ARM开发板部署转发程序就能够实现。

3.2  GPS时钟模块

该模块的主要功能是实现GPS原始信号的接收，GPS时钟模块也是其他模块的基础，主要提供时钟同步服务，可通过NTP服务实现这一功能。一般在普通的ARM开发板或者是普通的服务器上就可以部署安装这一模塊。

3.3  信号融合模块的功能

在空管自动化ADS-B技术当中不可避免的会涉及多路ADS-B信号，因此，信号融合模块尤为重要，通过该模块可实现信号的分配、融合与过滤，最终将多路ADS-B信号融合为1路信号并输出。目前可以在多台服务器上进行信号融合模块的部署，最终在系统当中形成多路ADS-B信号输出。信号融合模块的引入在保证了ADS-B技术中能够实现一路或多路信号输入源的处理的同时，还可通过手工来选择输入源或者根据配置文件来选择输入源，并实时监测输入信号的通信质量，以及监测信号中的CRC、错/断帧、格式错误、Cat21数据必需项缺失等错误，并及时发出告警。

在信号融合模块当中，还能够实现质量较差信号的处理，可在系统当中增加信号处理的内容，主要包括对质量较差信号进行手动屏蔽或者自动屏蔽两种方式。在信号融合模块当中必须要对必需数据项（错/断帧、CRC错误、格式错误）进行配置，系统中对于不同的数据源，配置上也存在一定差别。

3.4  评估子系统的功能

评估子系统主要是评估显示模块构成，通过这一模块能够对数据信息的各项指标进行判定与分析，并最终给出综合评估结果，评估结果可在显示器中显示并进行比对。评估的各项指标包括系统覆盖范围评估、可靠性评估、高度信息评估以及航班号正常率评估、位置精度和速度信息评估等。在进行这些信息的比对分析过程中，必须要设置准确的参照基准，在参照基准的基础上进行比对分析。一般在评估子系统中可采用多雷达融合航迹作为参照基准进行对比分析，这种评估方法和实际情况还是具有一定区别的，还需进一步优化。

3.5  系统软件模块

为保证系统功能的最终实现，还需要保证系统的稳定运行，因此，需要选择目前相对成熟、主流的系统作为平台，并且为其匹配相应的开发工具来进行系统开发。对于ADS-B信号预处理系统中的协议转换、GPS时钟、信号融合模块建议采用Linux系统作为开发平台，而对于其他模块可以采用Windows系统作为开发平台[2]。

4    结语

ADS-B信号预处理系统作为ADS-B系统的基础，主要应用于信号的预处理，能够为ADS-B系统提供信号基础，将信号预处理系统和整个系统进行融合，最终能够满足空管自动化系统的实际需求。同时，通过ADS-B信号预处理系统还能够对信号进行监测和评估，以此来降低ADS-B系统的自动化管理压力，提高空管水平，降低空管自动化中可能存在的潜在风险问题。

[参考文献]

[1]马安恒.自动化系统中ADS-B报文与数据引接分析[J].电子世界，2018（21）：91，93.

[2]牛一波.浅析一种ADS-B数据分析系统的设计与实现[J].民营科技，2018（11）：56.