基于北斗的多链路通用航空监视系统设计

焦 毅， 林 琳， 王靖涛， 李林春

(中国民用航空飞行学院 民航飞行技术与飞行安全科研基地， 四川 广汉 618307)

2012年，中国通航产业首次被列入国家战略性新兴产业，自此进入爆发式发展阶段。通航飞机数量也从2012年12月的1 342架增至2020年12月的2 892架[1]。随着通航产业的蓬勃发展，通航飞机的安全问题也开始受到人们的关注。据统计，近年来通用航空发生的事故数量和事故征候率远高于运输航空。究其原因：中国通航飞机机队组成复杂，通信监视设备落后；通用航空器运行环境复杂、工作时间灵活，很难为其提供空中交通管理服务。

通用航空器主要在低空空域运行且飞行速度较慢，当前主要的空管雷达很难为其提供有效监视，存在着监视盲区。广播式自动相关监视(ADS-B)系统作为新型航空监视技术，凭借监视精度高和性价比高的优势，在世界各国航空业得到广泛推广应用。利用加装的机载ADS-B设备，航空器可以将自身的经度、纬度、高度和速度等方位信息以及姿态、航班号、地址码等其他信息自动对外广播，以协助其他航空器和地面设备及时掌握其空中态势，从而实现相互感知。运用ADS-B技术，航空器可以更好使用空域空间，降低高度和能见度的限制，提高场面监视能力，增强航空安全[2]。ADS-B虽然是一项先进的空中监视技术，仍面临若干问题：ADS-B系统容易受障碍物和地形环境的影响，只能够通过增设地面站来扩大通信覆盖面，但这将增加建设成本且偏远地区通常不符合地面站建设要求；当前ADS-B系统的导航信号来源基本以GPS数据为主，系统的稳定性、安全性存在很大隐患[3]。2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着中国北斗卫星导航系统(简称北斗系统)迎来全球服务时代。将北斗作为ADS-B系统的卫星数据源，不仅能够摆脱导航数据受制于人的困境，并且双模定位的导航模式精度高、可靠性更强。此外，短报文通信技术能够提供卫星通信链路，即使在ADS-B信号覆盖范围外，也能提供监视数据传输服务。国内外学者围绕北斗及ADS-B的系统应用与推广展开了广泛的研究：针对北斗短报文通信容量受限的问题，文献[4]利用单次多点和多卡复用技术，提高了通信频度。地基增强系统(GBAS)是下一代民航飞机主要的进近和着陆引导方式，当前GBAS系统主要由GPS提供位置信息。于耕等[5]将北斗作为GBAS系统的导航数据源，实验结果表明基于北斗的GBAS系统计算出的完好性数据满足RTCA (航空无线电技术委员会) 规范中对CAT I 类进近要求的定义，北斗卫星可以作为中国下一代的GBAS系统导航数据源。文献[6]使用接收到的北斗卫星定位数据仿真生成了ADS-B报文，详细阐述了报文产生涉及的关键技术以及报文的生成过程，为基于北斗导航源的ADS-B相关技术研究提供参考。文献[7]将ADS-B技术应用到机场场面监视领域，首先使用ADS-B信息对飞机进行定位，其次利用历史轨迹预测飞机未来某时刻位置，通过历史与预测位置划分飞机活动区域，最后在一个小区域中完成目标飞机的识别。星基ADS-B具有监视精度高、覆盖范围广的优势，是今后ADS-B技术的主要发展方向。文献[8]介绍了星基ADS-B系统的组成结构和技术原理，提出了将飞机位置的更新间隔作为系统性能评价的技术指标。

根据北斗卫星导航系统快速定位和双向通信的特点，本文设计一种兼容北斗卫星短报文通信和1090ES链路并行的通用航空监视系统。系统由便携式机载设备、北斗地面监视指挥中心和数据融合服务器构成,使用北斗/GPS双模定位模块获取航空器ID、位置、速度、航向等关键信息，通过北斗卫星短报文和1090ES信道并行的通信机制，可靠地将航空器的关键状态信息发送至地面监控、指挥中心。此外，机载设备的双向通信能力能够帮助通航驾驶员接收来自地面指挥中心的指令。

1 关键技术介绍

1.1 ADS-B技术

基于卫星导航的ADS-B技术是国际民航组织(ICAO)推荐使用的集数据通信、卫星导航和监视技术于一体的新一代航行系统的先进技术[9]。ADS-B系统主要由安装了S模式应答机的飞机、地面站、ATC塔台和地面站之间的网络组成，如图1所示。飞机使用GNSS进行实时定位后，机载设备以1 s的间隔时间广播自身ICAO地址、呼号、经度、纬度、高度等信息。周边航空器及地面监视系统接收并处理这些信息，并在机载座舱交通信息显示器(CDTI)或地面监视终端上显示，完成飞行状态一致性监视、机场场面定位监视、空中防撞冲突检测与解脱、飞行间隔保障、辅助进近、防止跑道入侵等功能，从而完成对空域和地面活动目标的有效监视。ADS-B信号通常采用数据链方式进行传输，国际上常见的3种数据链包括1090ES数据链、UAT数据链和VDL-4数据链。其中1090ES模式的数据链路是中国民航唯一推荐的ADS-B系统工作链路，也是目前应用最广泛的一种ADS-B链路。利用ADS-B技术，航空器位置由被动探测向主动报告转变，极大加强了飞行安全，也为自由飞行奠定基础。

图1 ADS-B系统结构

ADS-B数据采用简单的脉冲位置调制(PPM)编码，如图2所示。所有ADS-B 报文都包含有8 μs的报文前导头和112 μs的报文数据块。ADS-B的报文前导头固定为4个脉冲，4个脉冲的起始时刻点为0.0、1.0、3.5、4.5 μs，脉冲的持续时间为(0.5±0.05) μs。ADS-B 报文数据块包含有 112 Bit(BIT1-BIT112)PPM 编码的 0/1 数据位，从第8 μs开始，每Bit占用1 μs[10]。

图2 ADS-B报文时序特征

ADS-B报文结构如表1所示。DF=17格式用于S模式应答机发射的ADS-B消息，CA字段表明应答机位置属性和发报能力；AA字段为应答机24位ICAO地址；ME字段是ADS-B报文主体字段，包含时间、速度、位置等信息；PI字段为奇偶校验位。DF=18格式用于非S模式应答机发射的ADS-B消息或TIS-B消息，当CF=0或1时，此传输格式传输的是ADS-B消息。由于DF=19 格式预留为军事应用，民用ADS-B设备无法使用此格式[11]。

表1 ADS-B报文结构

1.2 北斗短报文通信技术

北斗卫星导航系统(Beidou navigation satellite system，BDS),简称北斗系统，是中国自主研发、独立运行拥有自主知识产权的卫星导航系统，与美国全球卫星定位系统、俄罗斯全球轨道导航卫星系统、欧洲伽利略系统构成全球四大导航系统，各卫星系统性能见表2。北斗系统创新地集成了定位与通信功能，具有实时导航、快速定位、精准授时、精准位置报告和短报文通信服务五大功能[12]。其中短报文通信服务在导航定位的同时提供卫星同时链路，帮助用户实现数据传输。民用短报文通信特点如下:

表2 卫星系统性能

1)报文通信容量受限。区域通信单次最大容量为14 000 bit，全球通信单次最大容量为560 bit，支持多种数据格式[13]。

2)北斗卡服务频段受限，连续两条北斗报文的间隔时间大约为1 min。

3)卫星通信链路属于不可靠通信，通信过程中没有卫星系统反馈的“确认”回执，无法确定数据发送是否成功。

短报文功能通过北斗卡实现，在北斗卫星信号覆盖范围内，用户可以不借助其他通信网络完成信息的传递。此外，由于北斗卡号的唯一性，发报方的身份能够被识别，报文传输流程如下：

1)发报方将通信内容按照传输协议编辑并加密，再通过卫星传输至地面中心站。

2)地面中心站根据接收到的通信申请信号，解密后再加密，通过卫星将信号广播给指定用户。

3)接收到来自卫星广播的出站信号后，接收方对其进行解调和解密，以获得消息内容并完成通信。

ADS-B系统信号更新频率非常快，每秒大约更新两条报文信息。利用卫星链路作为通信信道时，无法满足数据传输的完整性及有效性，因此传输前需对监视数据进行压缩。为了保证重构数据与原数据相同，选择无损的LZW压缩算法[14]。数据传输过程中参考TCP协定的数据包传输方式：发送方将数据包分为不超过短报文中最大通信宽度的几个独立数据子包，并添加数据包头标识；接收端接收到数据后，通过北斗短报文的数据格式解析报文内容，并根据包头中标识的子包号组装成长报文。组包完成后,向发送终端发送信息内容为0的响应包,以说明接收到的数据包没有丢失；一旦组包失败,将在解析过程中标识信息并定位为丢失子包序号,并向发送端发送重传的包序号。同样,若在预期时限内不能发送所有子包,则重复补包操作最多3次；如果仍然不成功，将放弃重新发送数据包，并执行其他数据传输过程[15]。

2 基于北斗的监视系统设计方案

2.1 总体设计

根据中国民用航空局所发布的《中国民用航空发展第十三个五年规划》，ADS-B系统在未来将会替代传统空管雷达成为民航主要监视手段。目前，北斗卫星导航系统已经完成全球组网，满足卫星导航的各项指标。ADS-B系统与北斗导航技术的应用与推广将是未来研究的重点。基于北斗的通用航空监视系统由便携式机载设备、地面监视指挥中心和数据融合服务器组成。系统架构如图3所示。

图3 系统架构

图4 机载设备结构原理

该系统主要关键技术是北斗卫星短报文和1090ES数据链并行通信。如何在不大幅增加设备体积、功耗和成本的基础上，集成两种数据通信链路，解决双通道通信模式下的电磁兼容问题，实现双模式兼容运行或者可配置的单模式运行。对于1090ES 数据链，可以直接按照RTCA DO-260B 技术规范进行报文编码和传输；而对于北斗短报文卫星链路，可以根据北斗卫星的报文格式和通信容量，将标准ADS-B 信息通过分解、融合、拼接的方式，实现标准ADS-B 报文在两种不同信道上的传输[16]。为实现该功能，设计了一种多模式定位和多链路通信的机载监控终端。通用航空器加装机载设备后，可将接收到的位置信息(经度、维度)、速度、航向、ICAO四字码等参数编码ADS-B报文格式对外传输。同时，多链路并行通信机制将航空器位置信息发送至各ADS-B地面站和“北斗”地面站。各个地面站通过通信网络建立通信，并将解析好的报文信息发送至数据融合服务器。数据融服务器将两种报文信息进行融合处理后，分发给不同用户，最终实现航空数据显示。

2.2 便携式机载设备设计

根据ICAO和CAAC技术标准和法规规范，参考RTCA和ARINC相关国际技术标准，为通航飞机设计了一套集成北斗/GPS双模定位的便携式机载监视设备。该设备由卫星导航模块、ADS-B接口模块、ADS-B信息编码模块、1090ES射频模块、北斗通信模块和电源模块6部分组成。组成结构如图4所示。

卫星导航模块利用定位芯片获得飞行器经纬度、速度、航向等有关参数，并经由RS232串口传输至接口模块的微控制单元(MCU)进行处理；接口控制模块处理收发天线的申请电文，从而确定要返回的数据类型，并且即时获取航空器定位信息和各项技术参数；ADS-B机载报文模块负责报文组包和ADS-B信号的生成；北斗通信模块中的RDSS基带芯片接收ADS-B信号，传输至射频芯片进行处理，最后由北斗天线发送至地面指挥平台；1090ES射频模块将ADS-B信号进行调制、预放、功放处理后，通过1090ES天线进行发射。

2.3 北斗地面监视指挥中心

地面站指挥中心系统由北斗指挥型用户接收机、数据通信单元、数据处理和监视指挥平台组成，如图5所示。北斗指挥型接收机通过对北斗卫星波束信号的实时跟踪处理，实现对下属用户的指挥调度和多级分组组网功能，能够获取下属用户机的通信信息并向用户发布信息。然后通过数据接口模块将获取的通航飞机运行信息(包括飞机状态信息和位置信息)发送到数据处理服务器。经服务器处理后，显示终端显示并保存航空器的位置信息。利用北斗短报文的双向通信功能，地面监视指挥平台可以为安装了机载设备的通航飞行员提供通信服务。

图5 北斗地面指挥中心结构

3 系统测试

系统测试选择塞斯纳172、西门诺尔等经典通用飞机机型。数据融合服务器不仅可以接收来自1090ES链路的监视信息广播报文，还可以接收通过北斗卫星链路传来的通用航空器位置信息，进而完成状态监控、航迹规划、电子地图等功能，如图6所示。数据融合服务器为C/S结构，当配置好客户端应用后，在异地的通用航空用户即可通过互联网访问平台并获取相关信息。图7为手机访问ADS-B和北斗指挥中心数据融合服务器的屏幕截图，航空器的位置能够在GIS上清晰展示，同时得到航空器状态的文本信息。

图6 显示界面

图7 显示界面(手机端)

4 结语

面对不断蓬勃发展的通用航空产业，通用航空器对监管的需要也不断提高，雷达监视手段无法满足监视需求。ADS-B技术虽然能够满足监视性能，但监视范围受到地面站制约并且导航信号源存在安全隐患。本文设计了基于北斗导航系统的通用航空监视系统，利用ADS-B技术与北斗导航技术的优势互补，构建出了覆盖全国的通用航空监视网络。同时随着北斗导航通信技术在民航领域不断推广创新，系统具有良好应用推广前景。