星基ADS-B 系统及关键技术发展综述

张学军 谭元晧 李雪缘 简鑫慧

(北京航空航天大学 电子信息工程学院, 北京 100083)

21 世纪以来,随着全球经济和航空业的飞速发展,航空器规模不断扩张,航线航班迅速增加,全球飞行日益密集,跨洋区、荒漠、偏远地区飞行任务迅速增长,民用运输航空成为国家交流和跨境货运不可或缺的重要方式,军事航空全球战略飞行和远程奔袭打击成为国家军事战略威慑重要样式,全球各国对航空实时监视服务和监管基础设施的需求不断增长。

广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance broadcast, ADS-B)是国际民航组织(International Civil Aviation Organization, ICAO)确定的空中交通管理航空监视新技术,航空器从全球卫星定位系统和机载设备获取标识号、三维位置、速度、航向等信息,通过空-空数据链及空-地数据链周期性自动向其他航空器或地面站进行广播式发送,并接收其他航空器的广播信息。 美国、欧洲、澳大利亚、中国等全球各国均在大力推广ADS-B 技术[1-2]。

陆基ADS-B 系统作为目前推行的航空监视系统,存在一定程度的应用局限性,尚不能满足未来航空监视全球化、全程无缝监视覆盖的要求。多起航空事故都暴露了全球民航基础设施建设不足,尤其是海洋及南北两极区域监视缺乏的问题;另外,低空空域各种非法飞行活动对民航飞行造成了巨大威胁。 传统陆基ADS-B 系统受地面部署条件的限制,要实现海洋全覆盖需要在大量浮标上部署ADS-B 地面站,要实现地面全覆盖需要在大量无人区部署ADS-B 地面站,由于建设难度目前只能覆盖全球30% 左右的空域[3],海洋、极地等偏远地区与地形复杂区域存在大量盲区,这些盲区使得各类航空系统的运行效率无法发挥,空域使用效率受到制约,飞行安全也存在隐患。同时,要完全依靠陆基ADS-B 实现空域100% 全覆盖,建站规模和后期运营维护成本过高。 尤其中国地域辽阔,东西部地理环境差异大,发展程度不均衡,难以实现全国范围内大面积航空监视和空管服务。

针对陆基ADS-B 系统的不足,国际民航组织提出了星基监视的概念,通过在低轨卫星上搭载ADS-B 接收设备(即星基ADS-B 系统),利用卫星星座全球覆盖、无地形遮挡等特点,实现对全球航班的实时连续无缝监视[4]。

星基ADS-B 是实现远洋远域航空器监视的主要技术手段,相较传统的陆基监视系统,其具有全球覆盖的优势[5],可有效克服陆基星基ADS-B系统不足,在陆基ADS-B 地面站难以覆盖区域引入星基ADS-B 服务,提供一个可靠有效的监视方案,以提升航空的安全性、效率和容量,并可开拓全新的军事应用。

1) 提升航空安全性。 星基ADS-B 系统可以提供接近实时的持续飞行监视服务,增强态势感知、冲突检测与解脱能力;同时,星基ADS-B 系统可以提供独立于全球航空通信网络的监视模式,更好地管理安全风险,有助于重建事故的相关因素与情况,提高对全球航空器搜索和救援的安全响应能力,增强航空安全保障。

2) 提升飞行效率和容量。 星基ADS-B 系统可以有效管理航空器在空域内飞行的航迹,促进和支持更准确、更高效的航迹规划,改善航空器反方向和交叉飞行的交通状况,有效提升飞行效率并降低航空公司运行成本;同时,星基ADS-B 系统支持航空监视信息共享和运行协同,减小飞行间隔,提升空域容量。

3) 开拓军事新应用。 星基ADS-B 系统可以为军事航空全球飞行提供一种监视模式,可获取全球军事航空飞行态势数据和活动规律,实现对周边及域外大国军事航空活动早期预警,为空防安全提供保障。

中国民用航空局制定了《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》,其核心内容就是提升航空器追踪监控水平,实现全球范围内对航空器的持续监视与安全管理[6],其中包括自主星基ADS-B 系统的建设。 因此,星基ADS-B系统对于未来航空业发展具有重要作用和前瞻性意义。

本文概述了星基ADS-B 概念及其运行原理,介绍了星基ADS-B 系统国内外发展历程与相关卫星、载荷概况,总结了包括微弱信号解调、多波束接收、解交织、防欺骗、星座设计、路由转发算法、监视性能评估在内的星基ADS-B 关键技术研究现状;进一步介绍了北京航空航天大学(以下简称北航)联合团队在星基ADS-B 上的研究工作与试验星情况。 结合星基技术发展与空管应用需求展望了星基ADS-B 系统未来趋势。

1 星基ADS-B 系统与应用

星基ADS-B 系统是一种基于全球卫星定位系统、航空数据链及卫星通信的新一代广域航空器监视系统,其由低轨星座及卫星ADS-B 接收机、卫星空间组网子系统、机载ADS-B 设备和地面空管综合应用子系统等共同组成,低轨星座中每一颗卫星都加装了高灵敏度的1090ES ADS-B接收机,具备ADS-B In 功能,接收民用和军用航空器的机载ADS-B Out 设备发送的报文。 其总体架构如图1 所示。

图1 星基ADS-B 系统总体架构Fig.1 Overall architecture of space-based ADS-B system

星基ADS-B 系统运行原理如图2 所示。 航空器从全球卫星定位系统和机载设备获取标识号、三维位置、速度、航向等信息,通过机载ADS-B发射机以1 090 MHz 频率周期性向外进行广播式发送。 卫星上的ADS-B 接收机在全球范围内接收航空器广播的ADS-B 信息,解调为报文并按照卫星星间通信协议组包,经星间链路转发至国内卫星地面网关站上方的卫星后,通过星地链路下传落地,并统一传回中国星基ADS-B 地面数据中心。 数据中心处理后,按照不同用户的应用需求,分发给管制部门、航空公司和通航企业等航空用户,实现对全球各国加装1090ES ADS-B Out 设备的军用和民用航空器连续实时监视。

图2 星基ADS-B 系统运行原理Fig.2 Space-based ADS-B system operation principle

星基ADS-B 系统兼容原先陆基ADS-B 系统,只是将ADS-B 接收机安装于低轨卫星星座上,从而满足洋区、荒漠、偏远地区及地球南北两极等区域的监视需求,有效弥补陆基ADS-B 系统布站的局限性,实现空域无缝监视,在全时段、全球范围对军用和民用航空器飞行全过程进行连续无间断位置跟踪与目标识别,并能大幅提升空管监视系统的精确性和可靠性,可广泛应用于军民航领域。

在民航方面,星基ADS-B 可应用于空中交通管制、航空公司运行控制、全球航班跟踪、通用航空监视等。 例如,可利用星基ADS-B 获取的包括空域信息、机场信息等在内的海量数据进行分析,辅助预测航迹,在全球层面上进行战术和战略交通管理规划,以减少任何特定空域的延误和中断,帮助航空公司节省燃料成本、高效运行;可以为全球航空器提供安全运行状态监测及救援信息数据支持,缩小航空安全间隔,优化空域管理,增加空域容量,提升航空安全。

在军航方面,星基ADS-B 可应用于军用航空器远海远域飞行任务保障、外军情报收集分析、南海和中印边界等敏感地区巡航监视、战事指挥等。一方面适应现代化强国战略需求,为军事航空承担的反恐维稳、抢险救灾、空中安保、国际救援等任务提供一种监视手段和保障,实现全球战略巡航飞行及域外作战部署;另一方面建立有效的覆盖沿边沿海空域的监视和识别手段,实现领海领空入侵检测,同时可获取并掌握全球军事航空飞行态势数据和活动规律,如重点军用机场起降情况、军事部署力量调度情况、周边及域外大国军航行动等,实现全球范围内军情收集,保障国家空域安全。

2 星基ADS-B 系统发展趋势

“MH370”事件发生后,通过星基ADS-B 系统实现全球航空器持续监视引起全球高度重视。 目前,世界主要航空大国均针对星基ADS-B 开展对应研究与关键技术攻关,积极推进星基ADS-B 系统建设发展,瞄准全球航空监视体系构建,依托空间互联网、低轨卫星星座系统开展有关的关键技术测试验证,并且主要技术架构、设备功能和应用形态初见成型,尤其Aireon 公司基于铱星二代组网卫星,构建的星基ADS-B 系统已开始试点提供全球服务。 国内主要是国防科技大学、上海微小卫星工程中心、航天五院、航天八院及北京航空航天大学等单位,先后启动ADS-B 星基接收机等关键技术攻关并开展了相应研究。

2.1 国外发展

国外在政策上对星基ADS-B 建设大力支持,2015 年世界无线电通信大会将1 090 MHz 分配给航空移动卫星服务,用于接收按照国际民航组织标准运行的航空器发射的ADS-B 信息[7]。 国际民航组织也在持续关注并积极推动星基ADS-B的测试与发展,根据星基ADS-B 技术的建设进展制定相关标准[8]。

美国、加拿大、欧洲航天局(ESA)、德国、丹麦等均启动了各自的星基航空监视计划,开展了在轨试验,其中铱星二代系统已经能够满足全球非繁忙空域的空管监视应用需求。

1) Proba-V

德国宇航中心(DLR)于2008 年开始研究低轨卫星是否能接收到飞机广播的1090ES ADS-B信号,为星基ADS-B 提供了概念证明[9]。 2013 年5 月欧洲航天局发射了Proba-V 卫星,携带DLR研制的ADS-B 接收机,在开机运行的2 h 内接收到了超过12 000 条ADS-B 信息[10-11],其观测到的飞机航迹如图3 所示。 Proba-V 首先验证了利用低轨卫星接收ADS-B 信号的可行性,为该领域的未来发展奠定了基础。

图3 Proba-V 观测到的飞机航迹[10]Fig.3 Aircraft tracks observed by Proba-V[10]

2) GOMX 系列

GomSpace 在2013 年底发射了搭载ADS-B 有效载荷的GOMX-1 立方星,根据在轨运行期间接收的数据分析,载荷具备跟踪飞机的能力,验证了基于立方体卫星的ADS-B 载荷可行性[12-13]。2015 年,GomSpace 发射了GOMX-3 卫星,更新了ADS-B 接收机,图4 为GOMX-3 采集的全球ADS-B数据,在全球除极地地区外的区域收集ADS-B 数据任务中表现良好[14]。 2019 年又发射了GOMX-4卫星,使用与GOMX-3 相同的ADS-B 接收器,并测试不同距离的卫星间通信,最高可达4 500 km[15-16]。

图4 GOMX-3 采集的全球ADS-B 数据[14]Fig.4 Global ADS-B data collected by GOMX-3[14]

3) CanX-7

CanX-7 卫星于2016 年9 月发射,其上搭载由加拿大皇家军事学院(RMCC)研制的ADS-B载荷。 其主要关注地点是北大西洋,自发射以来的6 个月内共接收到超过430 万条ADS-B 信息,在轨采集数据分布如图5 所示,测试结果表明搭载在低轨卫星上的接收机能够探测和跟踪飞机[17-18]。

图5 CanX-7 在轨采集数据分布[18]Fig.5 Distribution of CanX-7 in-orbit acquisition data[18]

4) ALAS 系统

2008 年美国GlobalStar 和ADS-B Technologies 公司开始联合研发可用的星基ADS-B 系统,借助GlobalStar 卫星星座提供全球ADS-B 服务,称为ADS-B 链路增强系统(ADS-B link augmentation system, ALAS),并在美国进行了飞行测试,如图6 所示[19]。 目前由于全球星座建设情况基本停滞,ALAS 系统前景很不明朗;并且由于ALAS 系统需要对飞机设备进行改装,其在民用航空领域的推广应用难度也十分大[20-21]。

图6 GlobalStar ADS-B(ALAS)飞行测试[19]Fig.6 GlobalStar ADS-B (ALAS) flight test[19]

5) Spire

Spire Global 于2016 年12 月宣布推出一项名为Spire AirSafe 的星基全球航空器追踪服务。2018 年年中Lemur 2 卫星搭载ADS-B 有效载荷发射,目前Spire 公司已经发射了超过100 颗卫星,并在其官网提供了ADS-B 数据服务[22-24],Spire 的ADS-B 数据如图7 所示。

6) 铱星二代星基ADS-B 系统

Aireon 公司的星基ADS-B 系统以铱星二代网络为基础,将ADS-B 1090ES 接收机安装在75颗低轨卫星上(其中66 颗主用卫星,9 颗备用卫星),主用卫星分布在6 个轨道上,每个轨道11 颗卫星,轨道高度780 km,采用多波束多通道体制,如图8 所示[25]。 表1 为Aireon 星基ADS-B 系统设计监视性能指标。

表1 Aireon 星基ADS-B 系统设计监视性能指标Table 1 Surveillance performance metrics for Aireon’s space-based ADS-B system

该系统2015 年开始发射,2019 年1 月完成星座部署,并于同年投入全球航空监视试运行,促进了国际民航组织洋区飞行间隔标准的更新,缩小了洋区的飞行间隔,并且在冰岛、加拿大地区及大西洋空域开展测试,表2 为铱星二代星基ADSB 系统测试指标。

表2 铱星二代星基ADS-B 系统测试指标Table 2 Iridium-Next space-based ADS-B system test metrics

Aireon 星基ADS-B 系统设计之初就是以商业运行为目的,是目前唯一系统架构与指标体系支撑管制运行、采用商业化运作、具备可持续运行能力的星基ADS-B 系统。 目前,铱星二代系统经过多次测试验证,能够满足全球非繁忙空域的空管监视应用需求[26-29],图9 显示了“铱星二代”星基ADS-B 系统获取的全球空中交通数据。

图9 “铱星二代”星基ADS-B 系统获取的全球空中交通数据[29]Fig.9 Air traffic data captured globally by Iridium-Next space-based ADS-B system[29]

7) 其他

西班牙的Aistech 公司设计了一个120 颗卫星的星座,将包括地球观测、ADS-B 等应用,2019年该星座的前2 颗卫星成功被送入轨道,预计将在未来几年内全面运行。 澳大利亚航空服务公司与Skykraft 公司合作,开发由210 颗卫星组成的星基通信与监视空管系统,计划于2022 年6 月进行首次发射。 西班牙Indra 和ENAIRE 公司创建了名为Startical 的项目,计划部署一个由200 多颗小型卫星组成的星座以改善空中交通管理并提供全球服务。 葡萄牙Tekever 公司计划发射一个12 颗卫星的星座,将携带包括合成孔径雷达、AIS、ADS-B 在内的多个有效载荷,目前仍处于研究阶段[30-33]。

2.2 国内发展

国内政策方面,在《中国民航航空器追踪监控体系建设实施路线图》和民航科技发展“十三五”规划中均强调了星基ADS-B 技术是未来发展关键。 国内多家单位针对天地一体化、空间互联网提出计划并发射验证星,包括“鸿雁”星座、“虹云”工程等,均将星基ADS-B 作为了其可搭载载荷之一。

目前,国内已有多家科研单位紧跟国际星基ADS-B 系统研究步伐,针对星基ADS-B 关键技术进行论证与研制,并发射了试验星,具有了一定的技术基础与测试条件。

1) 国防科技大学

国防科技大学设计与研制的“天拓三号”卫星(TianTuo-3,TT-3)于2015 年9 月发射,搭载了ADSB 接收机进行在轨验证,采用单通道单波束体制,灵敏度约-93 dBm。 其接收系统平均每天接收约40 万条ADS-B 报文数据,幅宽超过2 000 km[34],验证了低轨卫星接收ADS-B 信号的可行性。图10显示了“天拓三号”ADS-B 数据获得的2018 年5 月全球飞机静态分布图。

图10 “天拓三号”ADS-B 数据获得的2018 年5 月全球飞机静态分布图[34]Fig.10 Static distribution of global aircraft obtained from TianTuo-3 ADS-B dataset in May 2018[34]

2020 年8 月发射的“天拓五号”卫星(Tian-Tuo-5,TT-5)在其基础上提升了星基ADS-B 载荷接收性能,增加了天线增益,每天双机能接收星基ADS-B 报文超过300 万条,幅宽达到了4 500 km的范围[35-36]。

2) 上海微小卫星工程中心

上海微小卫星工程中心于2015 年9 月发射了“上科大二号”卫星(STU-2),采用2U 立方体卫星架构,星上搭载有星基ADS-B 载荷,灵敏度约-94 dBm[37]。 STU-2 一个月获取的飞机数据如图11 所示,其直接采用丹麦GomSpace 公司的立方体卫星方案,接收机每天可以收到超过10 000 条信息,飞机与卫星间的距离可以达到1 500 km,验证了基于立方体卫星的ADS-B 载荷技术方案的可行性。

图11 STU-2 一个月获取的飞机数据[37]Fig.11 STU-2 captured aircraft data over one month[37]

3) 北京和德宇航技术有限公司

北京和德宇航技术有限公司规划建设“天行者”星座,主要搭载AIS、VDES、ADS-B 等多种有效载荷,将由48 颗卫星组网,均匀分布在6 个近地轨道面上。 目前星座处于建设中[38-39]。

3 星基ADS-B 关键技术研究现状

相对于传统的陆基ADS-B 系统,星基ADS-B系统通过卫星组网建立星座,具有覆盖范围广的特点,但系统复杂度高、部署周期长,同时也存在星基端接收ADS-B 信号时信噪比低、信号交织严重等问题,严重制约了系统的接收性能。 针对星基ADS-B 各项关键技术,国内外学者已经开展了深入研究。

3.1 微弱信号解调技术

陆基ADS-B 系统的信号接收范围不超过450 km,而星基ADS-B 系统由于轨道高度和覆盖范围的增加,信号接收距离远大于陆基ADS-B 系统,导致星基ADS-B 接收机接收到的信号功率和信噪比远远小于陆基ADS-B 接收设备。 欧美在轨技术验证表明,基于低轨卫星的星基ADS-B 系统接收到的ADS-B 信号功率将低至-102 dBm,而陆基ADS-B 系统接收机设计时未考虑处理功率在-90 dBm 以下的信号,在星基条件下性能急剧下降[40]。 因此,必须突破星基ADS-B 高灵敏度解调技术,才能推动星基ADS-B 系统在空管领域应用的进程。

Delovski 等提出了一种改进的S 模式相关机制,借助ADS-B 报文8 位帧头和5 位DF17 标志位序列提高信号帧头的同步率[41]。 余孙全等在帧头检测时将匹配滤波器的低电平设置为负值,并采用基于置信度的纠错方法,实验验证在95%的译码率下得到了-95 dBm 的灵敏度[42]。 Ren等根据ADS-B 信号帧格式的特点,提出了一种基于恒虚警率的多准则前导头检测算法,提高低信噪比下DF17 格式的ADS-B 信号的检测性能[43]。Qin 和Yang 研究ADS-B S 模式消息前导码检测和数据位提取算法的设计与实现,缓解了传统算法反复验证计算量大以及占用资源过多的问题[44]。 Zhang 和Li 设计了一种RS 译码器,采用改进的BM 迭代算法对传输过程中UAT 模式ADS-B 信号产生的误码进行纠错,避免了有限域逆运算的出现[45]。 Zhang 等研究增强型ADS-B接收技术,使用多个幅度样本以及能力更强的错误检测/纠正算法在高干扰环境下提高了正确解调概率[46]。 Ren 等提出了一种具有最优阈值的N 置信度纠错算法和具有恒定复杂度的降序纠错算法, 改进低信噪比情况下 ADS-B 的接收性能[47]。

3.2 解交织技术

陆基ADS-B 系统的信号接收范围相对有限,接收到的信号数量少,而星基ADS-B 系统覆盖范围广,单个载荷需满足上千架以上航空器同时监视,大量的报文数量导致信号重叠交织情况十分严重。 同时和陆基系统相比,星基ADS-B 系统中信号到达卫星时的信噪比更低、信号之间的功率差更小,进一步加剧了交织信号分离的难度,易造成接收机误解码率高、监视丢点不连续等问题,导致无法获取重要信息而影响航空器安全,降低空域监视性能。 为了避免这种情况,将重叠信号分离出来的解交织技术十分关键。

Petrochilos 等研究出了经典的投影算法(projection algorithm, PA)和扩展投影算法(extended projection algorithm, EPA)来在真实环境中分离多个二次监视雷达信号[48-50],其信号结构与ADS-B的信号结构相同。 国际民航组织制定的标准文件中通过采用对强信息或第1 个到达的消息进行解码,而放弃其他消息的方式处理重叠报文[40]。 陈为桢提出了一种基于干扰抵消的ADS-B 交叠信号处理算法,对成功检测的大功率信号的参数进行估计来重构信号,从交叠信号中抵消掉重构信号可以成功恢复小功率信号[51]。 吴杰等从脉冲幅度特征出发,研究了一种在时域中分离2 个重叠ADS-B 信号的方法[52]。 吴仁彪等对信号的采样点进行累加,并采用K 均值聚类方法分类处理ADS-B 交织信号[53]。 Wang 等使用未校准天线阵列提出了一种基于盲自适应波束成形的ADS-B交织信号分离方法[54]。 Yu 等提出了2 种ADS-B重叠信号分离方法,一种采用基于功率差的自适应阈值调整技术进行分离,另一种通过重构和相消来分离混合信号,并分析了2 种方法的应用场景[55]。 刘慧等研究了松弛改进的快速独立成分分析算法(fast independent component analysis,FastICA)在解交织中的使用,在经典算法中考虑松弛因子,避免了收敛性能取决于初始权值的缺陷[56]。 Zhang 等提出了一种分离算法,根据测量的特征值分布确定重叠信号的数量后,利用MUSIC 算法中的峰值搜索估计信号到达方向来重构混合矩阵,并通过计算重构混合矩阵的Moore-Penrose 逆来估计分离矩阵[57]。 Li 等分析了两个重叠信号的时域特性,提出了一种基于时域对消的ADS-B 分离算法[58]。

3.3 多波束接收技术

由于星基ADS-B 系统覆盖范围远大于陆基ADS-B 系统的监视范围,信号冲突概率大大增加,而星基ADS-B 系统多采用微小卫星,通过软件算法解决交织信号分离问题的计算复杂度和资源要求对小卫星能力是一项巨大挑战。 国内外另一种解决星基ADS-B 信号冲突问题的有效方法是采用多波束接收的方式,将卫星可视范围分为几个波束覆盖区,以降低单个波束覆盖范围内的航空器数量,有效降低信号冲突概率,提升星基ADS-B 监视性能。

Bettray 等研究了ADS-B 多波束天线的工程模型,提出一种星基ADS-B 信号的7 波束接收天线来提升接收性能[59]。 Budroweit 等讨论了多通道ADS-B 接收机的设计与实现,并给出了初步的测试结果[60]。 Yu 等提出了一种自适应多波束形成方法,通过动态调整波束方向图来有效减小ADS-B 信号冲突概率,提升ADS-B 信息的更新概率[61];其于2020 年又介绍了一种具有自校准功能的数字波束形成系统,采用一个4 ×4 微带阵列天线和一个16 通道接收机,可以同时产生19 个以上波束大小和方向可灵活控制的独立波束,减少信号碰撞,提高星基ADS-B 系统的可靠性[62]。

3.4 防欺骗技术

ADS-B 消息以公开形式广播,由于缺乏加密和身份验证等基本安全措施使其在应用具有被窃听、干扰、消息注入和修改等风险。 恶意用户可以很容易通过设备实时进行窃听,在1 090 MHz 频率上发送干扰信号妨碍消息正常接收,或通过发送人工ADS-B 信号向系统注入虚假航空器信息,以伪装不存在的航空器或受信任的航空器。 以上攻击威胁可能导致系统可用性和可靠性中断,对ADS-B 系统造成严重破坏。 因此,随着ADS-B 系统广泛应用,为了消除攻击行为的影响,需要进行欺骗干扰检测,以避免攻击数据注入决策流。

Amin[63]和Kacem[64]等研究了基于密码学思想保护ADS-B 信号的方法,但添加加密或认证机制需要修改当前的协议体系结构。 Ghose 和Lazos 提出了一种基于ADS-B 传输射频特性的物理层验证方法来验证航空器的速度和位置,利用短相干时间和多普勒扩展现象检测恶意广播的ADS-B 信息[65]。 Kim 等添加时间戳数据,根据接收到GPS 信号时间与到达接收机时间的时间差对ADS-B 信息进行安全性验证,并分析了时间戳的范围与精度[66]。 Naganawa 等利用扇形天线的振幅单脉冲技术测量到达角(angle of arrival,AoA),同时根据ADS-B 报文中航空器的位置计算预期AoA,通过比较2 种AoA 检测欺骗[67]。Habler 和Shabtai 基于LSTM 编解码算法检测异常ADS-B 消息,通过分析合法ADS-B 消息序列对飞行路线建模,航空器可以自主评估接收到的ADS-B 消息与合法飞行路径的偏差[68]。 Ying 等对ADS-B 数据的特征进行挖掘,建立分类模型,提出一种使用深度神经网络监测ADS-B 攻击行为的方法[69]。 吕宗平等利用全球导航卫星系统(GNSS)完好性信息对虚假ADS-B 报文进行识别,通过水平保护级(HPL)与导航不确定类别(NUC)的一致性比对防止恶意欺骗[70]。 Li 等基于黏性层次Dirichlet 过程的隐马尔可夫模型建立ADS-B 数据序列隐状态预测生成模型,通过分析隐藏状态序列的上下文偏差信息检测攻击数据[71]。 吴庆基于多普勒频偏变化与位置变化的对应关系,提出一种深度学习的ADS-B 防欺骗方法,利用改进型AlexNet 识别虚假信号[72]。

3.5 星座与星间链路技术

虽然卫星上的ADS-B 接收机覆盖范围比陆基系统大,但单颗卫星无法完全满足全球连续覆盖的空管监视要求,需要建立和部署卫星星座来集成并提高单颗卫星的性能。 此外,具有良好可靠星间链路的星座可以完成监视数据的即时、连续传输与下载。 低轨卫星星间链路多具有较大的动态性,可能会受到多普勒频移的显著影响,因此如何设计一个合适的星座构型并优化以及建立稳定可靠的星间链路,是需要研究的重要内容之一。

Nguyen 等对链路可能性和卫星星座跟踪能力的性能进行分析,定义了包括卫星数量、轨道高度、最大间隔时间等在内的星座参数,提出一种低成本的星基ADS-B 系统[73]。 Nag 等基于模拟空中交通数据描述了一种适用于区域覆盖任务的立方体卫星星座设计方法,以提高监视区的安全性和态势感知能力[74]。 Chen 等分析星基系统的设计约束,设计了由81 颗微纳卫星组成的Walker卫星星座系统,通过数值仿真验证了卫星系统设计的合理性[75]。 Leyva-Mayorga 等提出了一个在低轨星座中动态建立星间链路的框架和相应的算法,以确保所有卫星在任何时候都至少具备一个完整的星间链路连接[76]。 Guo 等提出了一个卫星星座性能评估模型,综合考虑覆盖范围、星间链路、网络传输等方面给出了一个55 颗卫星的星座设计方案[77]。 考虑到低轨卫星星座规模,部署策略对发射次数和待发射卫星有重大影响,de Weck等论证了分阶段部署在低轨通信卫星星座中的价值,并针对全球星应用进行了研究[78]。 Lee 等结合铱星和全球星的经验,提出一种使用遗传算法优化的分阶段部署策略,使星座大小适应市场需求[79]。

3.6 路由转发技术

虽然陆基ADS-B 系统已经较为成熟,但卫星网络传输与地面网络传输存在较大的差别。 中国目前没有能力在世界各地部署星基ADS-B 地面站,因此所有ADS-B 数据将通过卫星网络汇聚到中国地面站上空的卫星,距离汇聚节点较近的星间链路更有可能出现拥塞,在这种情况下大多数路由算法和流量平衡方法会导致大量不必要的消耗。 同时由于航路航线的设置,ADS-B 数据在全球的分布很不均衡,在繁忙空域的数据量可能是非繁忙空域的数十倍,这种不均衡分布在进行汇聚时会导致路径流量的不均衡,加剧了某些链路的负担,容易超过链路的最大传输能力而造成丢包现象或进一步导致卫星网络的拥塞。 因此,针对星基ADS-B 系统的网络路由转发技术进行研究是必要且关键的。

目前,卫星网络路由技术根据实现方式可以大致分为虚拟拓扑法、虚拟节点法和动态拓扑法3 类,流量均衡技术可以按照全局方案与局部方案分为2 类。 Mohorcˇicˇ等将流量同时分布在最短路径和次短路径上,提出了ALR 多径流量均衡路由算法[80]。 Bai 等提出了CEMR 多径流量均衡算法,将流量分布到K条路径上解决拥塞问题[81]。 Hussein 等针对全球交通流量分布采用流量预测来进行流量均衡[82]。 Taleb 等提出了ELB局部流量均衡算法,在一跳范围内进行均衡[83]。Dong 等提出针对不同业务需求,组合使用基于人工智能的QoS 算法、多层卫星网络架构、多路径路由算法以提升路由性能[84]。 叶红军等针对星基航空监视系统设计了星地一体化综合监视网络,并进行了理论分析与网络拓扑验证[85]。 郑晓冬等考虑低轨星间链路网络中航空安全信息传输的路由规划需求进行了算法设计,分别提出了多站就近落地、高可靠备份传输以及分区负载均衡3 种算法,并基于星间链路网络仿真平台进行了试验验证[86]。

3.7 监视性能评估技术

星基ADS-B 是空天地一体化的大系统,其监视数据量大、动态变化快,监视数据质量如位置误差、报文更新周期、数据传输延迟等受GNSS 导航系统、星间链路传输等多种因素影响。 为验证星基ADS-B 系统的可用性及其监视性能能否达到空中交通管理系统的最低接入标准,通过试验卫星接收的数据,研究适用于星基ADS-B 系统的监视性能评价指标,开展在轨运行数据分析与性能评估并确立相应评估方法,及时发现和告警达不到空中交通管制所需监视性能等级的情况将具有十分重要的意义。

Delovski 等依据陆基ADS-B 监视要求给出了包括目标获取概率、目标检测概率、目标识别概率和消息识别概率在内的4 个星基ADS-B 监视性能参数计算方法,并对Proba-V 卫星ADS-B 载荷在北大西洋、太平洋越洋航线上的监视性能进行了评估[11]。 Schäfer 等开发和部署了面向中欧地区的ADS-B 系统OpenSky,并分析了其获取的数据[87]。 van der Pryt 等建立了一个确定到达卫星的功率水平的模型,为CanX-7 性能提供评估[88]。Garcia 等提出了系统和接收机模型,评估是否能够实现提供服务所需的更新间隔[89];并于2017年进行了铱星二代卫星的在轨试验情况分析,采用了陆基参考发射机,用于铱星系统性能模型的深入校准[26];其在2018 年铱星二代系统较为完整之后,又针对不同的ADS-B 发射机单独进行实验,定义了可用性指标,并分析了铱星二代系统的关键指标[27]。 钟建华等开发了一个ADS-B 数据质量分析软件,通过解析报文计算数据的完好率、漏点率和跳点率[90]。 于克非和赵嶷飞利用“天拓三号”卫星数据对更新时间间隔、数据完好性和数据准确性3 项指标进行统计分析[91-92]。 王运帷提出一套ADS-B 数据质量评估体系,从接收能力、刷新时间间隔、精确性、连续性4 个角度进行评估分析[93]。

4 北航联合团队星基ADS-B 研究情况

北航四川九洲空管科技有限责任公司(简称九洲空管公司)、中国民航大学、西华大学等单位经过多年合作,形成“产学研用”联合科研团队。张军院士带领科研团队,在国家重大科研项目支持下,依托国家空管监视与通信系统工程技术研究中心等多个国家级和省部级科研平台,共同开展星基ADS-B 研究与技术攻关,并发射了试验验证星。

4.1 星基ADS-B 关键技术研究

北航张学军等设计了以相干解调为基础的星基ADS-B 联合解调算法,重点解决了信号帧头的同步和信号的频偏问题,在之前的研究基础上有效提高了解调灵敏度[94]。 九洲空管公司冯涛和梁俊提出了一种帧头检测方法,并使用遗传算法对检测到的微弱信号进行高精度频率和相位估计,实现直接相干解调[95];通过反演修正的方法在低信噪比下实现了ADS-B 信号译码,提升星基ADS-B 接收信号解调性能[96]。 张学军等利用最大似然比法则建立数学模型提取低置信度矩阵,对低置信度位在错误图表中对应的错误图样进行异或纠错,解决了在任意位置的5 个及以下的错误纠错,提高了译码率[97];并充分考虑星上硬件资源,结合FPGA 技术完成星基ADS-B 接收机信号处理模块的实现,减少了FPGA资源消耗与处理延时[98]。

北航刘凯等研究了基于泊松过程的星基ADS-B 信号高阶碰撞模型,并据此提出一种迭代投影算法用于星基ADS-B 信号分离,在仿真中比较了算法与MDA 和EPA 的性能差异[99]。 北航张涛等通过对混叠信号进行白化处理判断重叠信号数量,依此在每个时间段内进行矩阵变化,利用波束赋形矩阵得到分离信号,降低了多信号碰撞情况下分离算法的复杂度[100]。

针对防欺骗问题,九洲空管的李家蓬等分别针对单通道和四通道ADS-B 地面站进行防欺骗方法研究,对单通道采用时序模式特征验证、几何相符、意图相符等多种验证手段组合验证;对四通道则结合四通道脉冲幅度测向法和信号幅度-距离测量法实现目标定位,判断虚假目标,并将相应研究成果应用于星基四通道接收机的研究中[101-102]。 安强等则利用信号TDOA 解算目标空间位置,同ADS-B 报告位置比对判断目标的真实性与有效性[103]。

针对星座设计,北航张学军等结合当前空管发展与监视需求,提出了满足全球覆盖的60 星、96 星的2 种星座构型方案,同时考虑卫星重量与尺寸包络,探讨了一箭多星的星座部署方案;并采用“瓦式”架构射频前端设计,将辐射阵元通过功分网络合成后与后端射频模块按照分层结构层层堆砌在基板上,对星间链路技术展开研究。

北航张涛等建立路径中间节点到目的节点之间的M条待选转发路径,在目的节点周围建立多径,共同负担全球ADS-B 业务流量业务,缓解目的节点周围的拥塞和延时,提高网络传输的可靠性[104]。 针对ADS-B 业务在低轨卫星网络中产生汇聚的特点,提出一种可以缓解网络拥塞的动态路由协议,引入了链路代价机制和链路状态反馈机制,结合最短路径算法,缓解空间信息网络的链路拥塞,降低丢包率[105-106]。 张学军等提出了一种基于目标节点泛洪的全局-局部路由算法DFGL,在全局范围内使用多目的节点的泛洪算法,在汇聚节点的N跳范围内进行多径路由优化,随后通过动态代价估计和概率路径选择对算法进一步改进,并利用空间网络仿真(SNS)系统上进行仿真验证,提高了路由算法在实际场景中的可用性[107]。

中国民航大学刘海涛等理论推导了在仅有ADS-B 信号干扰情况下星基接收机的监视容量[108],之后又基于共信道干扰模型理论分析ADS-B 消息被星基接收机正确接收的概率以及位置报告更新间隔,并结合航空器的空-时分布特性分析了星基系统的监视容量,对单通道接收机能否满足当前监视需要作评估[109]。 北航张学军等提出通过水平位置更新率PUR、气压高度更新率PUH、航空器身份更新率PUI 计算监视系统所需监视性能可用性[110];此外提出一种监视性能评估指标形成方法,利用航空器的航行信息建立参考航迹,依据预设有效数据标准,通过比对参考航迹中数据项与航行信息数据项筛选并统计监视性能指标[111]。 同时,张学军等搭建了国内首套空事卫星系统半实物仿真演示验证平台,该平台可将实物载荷与真实卫星映射为虚拟卫星网络中的卫星节点,通过真实数据和模拟数据共同模拟星座运行状态,评估系统监视性能。

4.2 北航星基ADS-B 验证星

北航于2019 年发射了星基ADS-B 平台技术验证星,验证了所需卫星平台的功能及性能指标,并在2020 年发射了北航星基ADS-B 技术验证星,如图12 所示,其上搭载张学军等针对星基ADS-B 信号传输衰减大、空域内信号易产生冲突等重点问题研制的星基ADS-B 航空监视载荷开展在轨技术验证。 该载荷是中国首个面向全球空管需求,针对全球航班广域监视应用研制的载荷,突破了星基ADS-B 高灵敏度解调算法、数字多波束接收等关键技术。

图12 北航星基ADS-B 技术验证星Fig.12 Beihang space-based ADS-B technology verification satellite

自成功发射以来,卫星工作正常,获得了全球空域的大量飞行数据,经过数据分析可知,繁忙空域内,平均每小时接收ADS-B 消息数超过100 万条;最远探测距离超过2 500 km;半径800 km 的设计覆盖范围内,95% 位置消息更新间隔低于8 s,报文更新率初步满足空管运行需求,性能指标达到国内领先、国际先进水平[112]。 北航星基ADS-B 系统技术验证星获取的全球航空器分布如图13 所示。

图13 北航星基ADS-B 系统技术验证星获取的全球航空器分布Fig.13 Global aircraft distribution obtained by Beihang space-based ADS-B technology verification satellite

根据北航星基ADS-B 技术验证星在轨试验期间接收的数据分析,充分考虑运输航空起飞/降落、离场/进近、巡航各个阶段运行场景与通用航空监视跟踪运行场景,其具备在全球范围内对运输航空器各飞行阶段进行监视跟踪的能力,具备对在全球范围内对通用航空飞行器监视跟踪的能力。

国外对星基ADS-B 系统的研究起步较早,2013 年发射的Proba-V 卫星就首先验证了卫星接收ADS-B 信号的可行性,而GOMX-1 卫星则验证了基于立方星的ADS-B 载荷的可行性,随后Aireon 公司建设的铱星二代系统采用相控阵天线、多波束接收的星基ADS-B 载荷,具备了提供空管监视服务的能力,也是目前国际上唯一建成并投入商业试运行的星基ADS-B 系统。

国内2015 年后有一些不成系统的低轨ADSB 监视试验卫星,国防科技大学、上海微小卫星工程中心相继发射了试验星“天拓三号”和“上科大二号”,均实现了星基ADS-B 信号的接收,这些试验星参考国外前期研究,基于单颗卫星对ADS-B信号接收的可行性做了验证,无法满足全球空管监视应用需求。 2020 年国防科技大学沿用“天拓三号”技术体制,发射了改进的“天拓五号”,在星基ADS-B 接收性能上有所提升,但仍旧无法满足空管运行需求。

根据国内已发射的低轨ADS-B 卫星测试情况,北航星基ADS-B 技术验证星面向空管监视实际运行设计与研制,在高灵敏度接收算法、数字多波束合成等关键技术上有所突破,初步满足了空管运行需求。 其作为单星的技术验证星,与目前已经成功组网、唯一商业化运作的铱星二代系统还存在一定差距,在性能指标与星间链路等方面还有改进与提升的空间。

但北航星基ADS-B 技术验证星在轨验证的成功仍标志着中国在星基航空监视方面达到国际先进水平,未来将有能力给航空用户提供基础的全球航空监视和跟踪服务,极大推动中国空事卫星系统全面组网建设的进程,对中国军民航和通航的发展具有极为重要的意义。

5 结束语

星基ADS-B 系统利用低轨卫星空间覆盖优势,搭载ADS-B 接收机,实现对全球高中低空各类空域的全覆盖,可为所有安装了ADS-B 设备的航空器提供空中交通管制监视服务,确保其不受陆基系统地形限制的影响,解决陆基空管系统在洋区、荒漠、偏远地区的盲区问题,提升全球空管综合监控能力,实现全球范围内无缝空域监视和空中交通管理。 北航、九洲空管公司、中国民航大学等单位的联合团队针对星基ADS-B 进行了广泛而深入的研究,成功发射的北航星基ADS-B 技术验证星为中国空管系统全球化建设奠定了基础。

为了推动中国星基ADS-B 系统的全面建设,未来还需要进一步发展并突破关键技术,提升其解调灵敏度,改进其相控阵天线和多通道处理设计等,以提高有效覆盖范围,适应不同轨道高度和不同航空用户的需求;此外,要想为全球范围内的航空用户提供监视服务必须完成卫星全球组网,其中包括星座与卫星平台设计、低时延星上路由等多项关键技术,可以结合航空网络流量预测,主动分散卫星网络流量以防止拥塞;另外,还需结合现有标准进一步完善监视性能评估体系,支撑星基ADS-B 系统运行。

同时随着中国军事现代化进程不断推进,军民航空域使用需求多元化、多样化趋势明显加快,空域使用结构需求更加复杂,空域使用矛盾将继续加剧。 星基ADS-B 系统的发展时刻都有军方身影,其不仅是服务全球空中交通的一种高效基础设施,更是军航作战全球飞行的一种支撑体系。未来需要综合考虑军民航空管在国家战略和全球化发展中的作用,建立统一的兼容技术架构,将航天航空技术要求和军民航用户需求整合在一起,以发展需求为牵引、拓展军民航应用,实现与航空企业、地区经济协同发展,实现资源共用、信息共享为重点的军民航协同发展。