基于星基技术的ADS-B应用分析与探讨

民航青海空管分局 刘 魁/文

ADS-B 技术被国际民航组织（ICAO）确定为未来监视技术发展的主要方向，在“马航”失联事件之后，全球对卫星监视重视程度提高到了新的高度，ICAO会议推荐采用新的飞机跟踪规则。会议通过“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》，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。

目前已有 70% 的民用航空器加装了ADS-B 设备，但是地基 ADS-B 系统因其接收机的部署受限于地面站的地理位置，无法实现对复杂地理环境条件下的空域监视。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，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，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，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。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。星载ADS-B系统是对地基ADS-B 系统的升级和增强，更能满足当前的航空监视需求。

本文通过对ADS-B监视系统的优缺点进行监视性能对比，然后分析阐述国内外星基ADS-B监视的应用，进而探讨星基ADS-B 监视应用发展趋势，对其三种可能的应用建设方案的监视性能分析。同时进一步探讨可能使用的三种数据链技术并进行优缺点对比，最后给出星基ADS-B 监视系统在民用航空领域的潜在应用，以方便在应用中能有所参考借鉴。

地基ADS-B和星载ADS-B监视性能对比

地基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以1 次/秒的频次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，以供管制员监控飞机状态。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 ，具体原理如图 1 所示。

地基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3200公里，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。相对于地基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。

星级ADS-B国内外现状和应用趋势

（一）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，并计划在远期将ADS-B技术作为主要监视手段。国内实施星载ADS-B的起步较晚，民航局在2012年发布了《中国民用航空 ADS-B实施规划》，明确提出到“十三五”末，实现ADS-B OUT 全面运行。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。在民航局支持下，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》， 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。

（二）国外发展现状分析

国外的卫星通信技术起步较早，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，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1分钟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11公里范围内。GlobalStar和ADS-B Technology开发出了ALAS（ADS-B Link Augmentation System），通过该系统的lobalStarL/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

星载ADS-B应用发展趋势分析

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。

（一）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，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，而通过国际合作将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，可实现全球多重覆盖，提高监视跟踪精度与更新速率，提供准时数据，降低成本。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

相关建议

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.基于目前新技术应用的经验，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，鼓励相关单位实施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。