ADS?B數據鏈應用風險與對策研究

楊成+林琳

摘 要： 簡述了ADS?B 1090ES，UAT，VDL Mode4的數據鏈特性，重點介紹了三種數據鏈在空中交通管制應用中可能面對的風險，探討了應對風險的策略。針對大規模應用ADS?B 1090ES數據鏈路擁塞可能造報文成丟失或報文延遲風險，采取限制該型設備使用總量來應對；UAT數據鏈存在的同頻段干擾風險通過設計帶有外部抑制輸入和自身抑制輸出信號接口避免相互干擾；針對雷達管制與ADS?B 1090ES融合互相影響的風險，提出先檢測監視信息的精度和完好性后再進行數據采集，濾除采集設備自身產生的錯誤數據，并比對當前數據和前期數據，確認ADS?B 1090 ES數據與雷達數據不一致時給出告警。

關鍵詞： ADS?B； 數據鏈； 風險； 對策

中圖分類號： TN95?34； V249 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0098?04

Study on application risk and countermeasure of ADS?B data link

YANG Cheng， LIN Lin

（Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： The data link characters of 1090ES， UAT and VDL Mode 4 of automatic dependent surveillance?broadcast （ADS?B） are introduced in this paper. The application risk of the above three data links in air traffic control is presented in details. The strategies countering the application risk of the above three data links are discussed. It is pointed out that the limitation of the total application quantity of 1090 ES model equipments is the way to solve the question of message lost or message delay owe to 1090 ES data link congestion. The same frequency band interference risk existing in the application of UAT data link can be avoided by the external suppressed input and the self?suppressed output signal interfaces. As for the mutual influence of the fusion of ADS?B 1090 ES and radar control， the accuracy and integrity of the supervision information must be detected before the data acquisition， the misdate of the data acquisition instrument is filtered， the current data and preceding data are compared， and the disparity between ADS?B 1090 ES data and radar data is validated so as to provide warning signal.

Keywords： ADS?B； data link； risk； countermeasure

0 引 言

ADS?B（Automatic Dependent Surveillance?Broadcast，廣播式自動相關監視[1]）通過機載電子設備完全自動廣播飛機的呼號、位置、高度、速度和其他一些參數，通常每1 s就廣播一次位置信息。ADS?B以先進的導航設備及其他機載設備產生的信息為數據源，以先進的地空/空空數據鏈為通信手段，通過對外自動廣播自身的狀態參數實現地面對它的實時監視；同時也接收其他飛機的廣播信息，達到飛機間的相互感知，實現對周邊空域交通狀況全面、詳細的了解，從而實現衛星系統、飛機以及地基系統空地一體化協同監視。

ADS?B具有OUT和IN兩種工作方式。ADS?B OUT是機載ADS?B設備的基本功能，需要具備充分的監視數據提供能力、報文處理（編碼和生成）能力、報文發送能力。只要相關機載電子設備正確安裝且正常運行，ADS?B OUT系統一般無需飛行機組干預即可自動工作。ADS?B IN是指航空器接收其他航空器發送的ADS?B OUT信息或地面服務設施發送的信息，為機組提供運行支持。

與傳統的雷達技術相比，ADS?B技術不僅定位速度快（數據間隔約為1 s，而傳統雷達數據間隔約為4～12 s），定位準確（使用GPS定位可達亞米級精度，而傳統雷達的精度為幾百米級以上），而且具有價格便宜、機載和地面設備安裝簡單、飛機之間可以進行相互監視等優點，因而受到國際民航界的高度重視。

1 ADS?B數據鏈介紹

目前ADS?B系統主要有三種數據鏈[2?3]：1090ES（1 090 MHz Extended Squitter，1 090兆赫擴展電文廣播式）自動相關監視、UAT（Universal Access Transceiver，通用訪問收發機數據鏈、VDL Mode4（Very High Frequency Data Link Mode 4，甚高頻數據鏈）。

表1 ADS?B三鐘數據鏈技術比較

[ ＼&1090ES＼&UAT＼&VDL Mode4＼&

使用頻率＼&1 090 MHz＼&建議使用DME，

通用978 MHz＼&建議使用VHF頻段，

需要多信道。沒有

世界范圍內的

標準或共識＼&碼速率＼&1 Mb/s＼&1 Mb/s＼&19.2 Kb/s＼&信道訪問

方式＼&隨機訪問＼&TDMA＼&STDMA＼&地?空通信距離＼&>200 Nm＼&>200 Nm＼&>200 Nm＼&技術標準＼&DO260B，DO181C，

ED73A，ED86＼&DO282B＼&ED08＼&

實施方法＼&升級現有的應答機軟件，使用現有的天線；通用航空器需加裝新的機載設備＼&加裝新的機載電子設備、收發信機、新天線＼&加裝新的機載

電子設備、

收發信機、新天線＼&]

1090ES數據鏈最早發展于20世紀90年代初，是基于二次雷達（SSR）S模式相關標準和技術的，目前S模式數據鏈還用于交通防撞系統TCASⅡ。UAT通用訪問收發機數據鏈，20世紀90年代中期開發于美國，目前美國和中國的部分通用飛機上使用該數據鏈；VDL Mode4甚高頻數據鏈最早起源于20世紀80年代的瑞典，由于VHF頻段具有良好的傳播特性，給機場的地面監視帶來極大的好處，是歐洲常使用的一種地空數據鏈。

1090ES，UAT和VDL?4三種數據鏈互不兼容，其各自特點如表1所示。目前應用較多的ADS?B技術主要前兩種模式：1 090 MHz的S模式擴展電文數據鏈和978 MHz通用訪問收發機（UAT）。這兩種模式的主要區別在于數據鏈的傳輸方式，UAT模式的機載收發機為專用的通用訪問收發機，機載和地面收發機采用978 MHz的收發頻率；1 090 MHz模式是對機載S模式應答機進行改裝，利用S模式應答機的1 090 MHz電報數據鏈加入ADS?B數據。

應國際民航組織（ICAO）航行委員會（ANC）的要求，2003年在蒙特利爾第11次國際航行會議上，航空移動通信專家小組（AMCP）主要圍繞上述三種數據鏈的性能進行了認真比較分析。在分析過程中，AMCP運用了許多標準對上述幾種數據鏈進行了評估和比較。為了在不同的空中交通情況下評估系統的性能，用兩種空中交通情景（高密度和低密度）來代表未來的交通環境，AMCP認為使用UAT數據鏈的空對空ADS?B性能，在高密度和低密度情況下，總體上UAT數據鏈性能優于1090ES數據鏈和VDLM4甚高頻數據鏈性能。

隨著ADS?B監視技術的迅猛發展與普及應用，中國民航局先后出臺了編號為AC?115?TM?2010?01的咨詢通告《中國民航監視技術應用政策》、《中國民用航空ADS?B實施規劃》、編號為MH/T 4036?2012《1 090 MHz擴展電文廣播式自動相關監視地面站（接收）設備技術要求》、編號為AC?93?TM?2011?01《廣播式自動相關監視（ADS?B）管制運行規程》，以促進和加快ADS?B技術在中國的發展和應用。

但是ADS?B系統除了性能優越一面之外，還有一些值得注意的問題。在中國即將大范圍推廣應用ADS?B系統之前，謹慎地研究ADS?B應用風險及其對策、對ADS?B系統進行測試驗證和風險評估討論是必要的。

2 各種ADS?B數據鏈存在的風險

2.1 1090ES數據鏈存在的風險

目前國際民航組織S模式擴展發射機1090ES數據鏈標準定義了航空器位置、速度、場面位置、航空器標識類型、發射機狀態、事件等6種擴展報文，信道帶寬為2 MHz，總有效數據傳輸率為1 Mb/s，每架飛機的有效速率為300 b/s，報文延遲為1.2 ms，數據更新周期為1 s，空地距離為視距，空空通信為60～80海里。

早期出廠裝機的S模式SSR應答機不能滿足現在ADS?B對機載系統性能的要求，需要對S模式SSR應答機進行軟件升級，硬件上也需要再增加一條GPS連線，把機載GPS定位數據加載到了S模式擴展報文上，生成ADS?B的航跡信息；而新出廠的裝備有S模式擴展應答機的航空器，可以同時實現基本的二次雷達監視和廣播式自動相關監視。

目前，一些大型的商用客機己裝備有S模式擴展應答機，并開始在北美和歐洲一些S模式雷達覆蓋的主要航路上進行S模式數據鏈的應用。ADS?B 1090ES數據鏈的最大下行數據長度達到112 b，相對于目前使用的RGS地/空數據鏈最大下行數據長度32 b，大了3倍多，但問題是1090ES數據鏈需要支持TCAS，MDL，SSR等多項業務，由于容量限制容易造成數據鏈路擁塞，導致丟報或者報文延遲等現象。成都機場?九黃機場安裝SENSIS公司生產的ADS?B 1090ES系統已經考慮到此問題，但擁塞問題是否得到最終解決還無從驗證。

1090ES數據鏈技術上的主要問題是應用報文能力的擴展受到二次雷達擴展報文編碼技術和預制寄存器技術的制約，其發展空間受限，難以支持多種業務的復用；此外，1090ES地面站采用全向天線，當空中的飛機數量非常多時，信號間相互交疊（包括S模式信號相互交疊、S模式與A/C模式信號間相互交疊）現象非常嚴重，斷續振蕩信號很容易受到其他應答信號的干擾而發生交疊，嚴重時可導致無法形成連續的航跡。

2.2 UAT數據鏈存在的風險

通用訪問收發機UAT工作頻率是978 MHz。起初是為開發一種新型寬帶數據鏈，以適應ADS?B的功能性需求，但ADS?B UAT系統在美國和中國通用機低成本運行已經引起全球的廣泛關注，成為ADS?B相關備選技術方案之一。在通用飛機上使用ADS?B UAT系統需要加裝GPS接收機和ADS?B發射機，而ADS?B UAT地面站通過發送UAT幀的ADS?B字符段中的ADS?B消息來支持交通情報服務廣播TIS?B業務。

由于ADS?B UAT數據鏈工作在978 MHz公共服務頻段上，面臨著來自軍機JTIDS/MIDS Link 16數據鏈和DME測距機地面發射設備的干擾，同時也面臨數字電視信號的干擾。這些干擾的存在會降低ADS?B UAT系統的性能，必需精心設計UAT波形以提高抗擊外部環境干擾的能力[3]。所以，ADS?B UAT系統在同頻段中與其他現役系統的兼容性設計顯得尤為重要。此外，民用ADS?B UAT數據鏈還需與軍用JTIDS/MIDS Link 16數據鏈的使用部門進行有關工作頻率的電磁兼容性協調。

2.3 VDL Mode4數據鏈路存在的風險

在歐洲，部分飛機使用VDL Mode4數據鏈作為ADS?B數據鏈，需要加裝新的VDL Mode4機載收發機設備。雖然VDL Mode4數據鏈工作于VHF頻段，傳播特性較好，但它卻存在明顯的共址干擾問題，所以，對VDL Mode4設備的頻率規劃問題必須給予慎重的研究。按照2010年11月頒布的《中國民航監視技術應用政策》，中國主要推行ADS?B 1090ES數據鏈，而沒有使用VDL Mode4數據鏈，所以中國不存在該數據鏈使用風險。

2.4 GNSS定位精度的風險

ADS?B系統是基于全球衛星導航系統（GNSS）工作的，由GNSS提供位置、航向、高度、速度等信息，所以ADS?B應用過程中，必須監測GNSS是否完好，其監測功能模塊被稱為RAIM[4]，目的是在導航過程中檢測出發生故障的衛星，并保障導航定位的精度。2010年頒布的《中國民航監視技術應用政策》（AC?115?TM?2010?01）指出，ADS?B系統的主要缺點在于由于其依賴GNSS對目標進行定位，所以ADS?B系統本身不具備對目標位置的驗證功能；如果航空器給出的位置信息有誤，ADS?B地面站設備（系統）將無法辨別。在GNSS失效情況下，ADS?B系統不能正常工作。

正常情況下，一般采取余度技術，通過增加觀測衛星數量來檢測發生故障的衛星，并保障導航定位的精度。因此，在進行衛星導航信號接收的同時需要首先判斷當時可見星的數目，若少于5顆可見定位衛星則要提醒用戶此時RAIM無效，需要重新接收定位信號；其次，需要根據性能指標對當前可見星的幾何分布進行判斷，決定其是否適合進行完好性監測。根據接收到的衛星數據得出水平保護限HPL，然后與系統給定的水平警告門限HAL相比較，如果HPL小于HAL，說明此時可見星幾何結構滿足RAIM要求，此時的完好性監測結果是有效的；反之無效，此時稱為RAIM空洞，需要重新接收衛星信號進行判斷，這種情況通常稱為完好性要求下的可用性判斷。目前存在的主要問題是：由于存在RAIM空洞現象，而導航數據又過于依賴GPS，這樣安全性和可靠性問題會比較突出。

2.5 雷達管制與ADS?B 1090ES融合應用存在的風險

目前國內在大型運輸機上使用ADS?B 1090ES數據鏈設備，ADS?B 1090ES使用將對現行雷達管制程序產生較大影響，最為突出的問題是將雷達航跡與ADS?B航跡融合為系統航跡時，可能存在ADS?B數據和雷達數據相互影響的風險[5]。面對此問題，可采用單獨顯示雷達航跡或ADS?B航跡，這樣就不存在ADS?B數據影響雷達數據的風險，也不需要重新驗證雷達數據處理功能；特別對于非雷達覆蓋區的航路，航班流量較少，在ADS?B管制與雷達管制過渡區產生少量的跳點現象對航行管制影響不大，所以可單獨使用ADS?B1090ES數據鏈為非雷達覆蓋區的航路管制服務。

但是某些區域，雷達管制與ADS?B管制同時存在，為了避免出現跳點現象，將雷達航跡與ADS?B航跡融合為系統航跡在所難免，但必須在空管自動化系統中增加ADS?B數據與雷達數據不一致的告警以及ADS?B數據與飛行計劃不一致的告警功能；另外還要特別注意ADS?B監視的飛機與雷達監視的飛機之間的短期沖突告警。

3 ADS?B數據鏈風險對策

3.1 1090ES數據鏈風險的對策

目前ADS?B 1090ES數據鏈尚未應用于飛行終端區。國內安裝1090ES系統的飛機數量接近700架，由于數量不多，1090 ES數據鏈路擁塞可能造成報文丟失或者報文延遲現象幾乎還沒出現；但未來加裝ADS?B 1090ES數據鏈的飛機數量增加后，這個問題值得考慮。國際民航組織也已經意識到此問題，只有大型運輸飛機才準許使用具有惟一標識的ADS?B 1090ES數據鏈設備，所以限制ADS?B 1090ES數據鏈設備的使用量是解決問題的根本。

3.2 UAT數據鏈風險的對策

ADS?B UAT 數據鏈的主要問題是其他信號的同頻段干擾。針對此問題，ADS UAT數據鏈機載設備設計帶有外部抑制輸入和自身抑制輸出信號接口，可以與同機安裝的同頻段電子設備相互抑制，避免相互干擾。

3.3 雷達管制與ADS?B 1090ES融合風險的對策

由于ADS?B的數據更新速率較快，每1 s鐘更新1次，而二次雷達需要長達4 s的時間才能更新1次。因此，在需要精確比對兩種監視數據時，必須先將ADS?B和SSR的數據進行同步處理。對于由多雷達和ADS?B組成的航路綜合監測系統，各雷達輸出的數據均是在以各自的空間位置為坐標原點的坐標系中生成的，為此還需要解決不同雷達數據進行坐標變換的問題。為確保ADS?B系統和SSR雷達系統的輸出數據的正確性，對由于采集設備自身原因導致的錯誤數據要進行過濾；還需把當前的數據和前期采集的數據進行比較，ADS?B數據與雷達數據不一致或ADS?B數據與飛行計劃不一致時給出告警。

3.4 GNSS定位精度風險的對策

使用 GNSS對越來越多的民航飛機進行ADS?B監視已成為民航運輸系統發展的必然趨勢。影響GNSS定位精度的主要風險是某些區域可視衛星數量不夠，特別是衛星出現故障或被人為關閉情況下，定位精度風險尤甚。解決這個問題的根本辦法是發射更多自己國家控制的導航衛星。目前國家正在相繼發射“北斗”系列導航衛星，相信不久的將來，我國“北斗”衛星的數量就能滿足中國區域內ADS?B系統對可視衛星數量的要求。另外最近新發布了具有“北斗”導航系統功能的多頻多系統兼容芯片，意味著“北斗”導航系統兼容衛星導航接收機產品已經突破關鍵技術。伴隨國家的大力支持，相關多模式衛星導航接收機產品裝備民航飛機也指日可待，可以解決目前面臨的GNSS定位精度風險。

在對航路監視系統進行數據采集前，應首先檢測和判斷監視信息的精度和完好性。當評估出的監視數據的精度和完好性具有可用性時，才能對監視數據進行采集，否則給出相關的告警信息。評估主要包括以下幾方向：首先對ADS?B位置報文數據的精度進行評估，以RTK提供的位置數據為標準位置數據比較同一段時間間隔內ADS?B和雷達位置數據與標準位置數據的方差大小，得出監視精度結論；其次對ADS?B監視數據的完好性進行評估，計算一段時間間隔內從ADS?B報文數據中提取完好性質量參數NUC≥5的報文數占總ADS?B報文數的比例，即完好率，得到ADS?B監視數據的完好性結論。在監視數據精度和完好性具有可用性時，對監視數據進行采集，以確認雷達數據和ADS?B數據融合的有效性。

4 結 語

本文簡述了廣播式自動相關監視ADS?B 1090ES、UAT，VLD4數據鏈特性，討論了三種數據鏈所面臨的風險，并提出了應對風險的策略。針對大規模應用ADS?B 1090ES數據鏈路擁塞可能造報文成丟或報文延遲風險采取限制該型設備總使用量來應對風險；ADS?B UAT 數據鏈存在的同頻段干擾風險通過設計帶有外部抑制輸入和自身抑制輸出信號接口避免相互干擾；針對雷達管制與ADS?B 1090ES融合互相影響的風險，提出對航路監視系統進行數據采集前，首先檢測和判斷監視信息的精度和完好性后再進行數據采集，濾除采集設備自身原因導致的錯誤數據，并比對當前數據和前期采集的數據，確認ADS?B數據與雷達數據不一致或ADS?B數據與飛行計劃不一致時給出告警。

參考文獻

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[6] 吝繼鋒，周德云，魯華.數據鏈系統的航跡關聯方法[J].現代電子技術，2011，34（9）：6?9.

在對航路監視系統進行數據采集前，應首先檢測和判斷監視信息的精度和完好性。當評估出的監視數據的精度和完好性具有可用性時，才能對監視數據進行采集，否則給出相關的告警信息。評估主要包括以下幾方向：首先對ADS?B位置報文數據的精度進行評估，以RTK提供的位置數據為標準位置數據比較同一段時間間隔內ADS?B和雷達位置數據與標準位置數據的方差大小，得出監視精度結論；其次對ADS?B監視數據的完好性進行評估，計算一段時間間隔內從ADS?B報文數據中提取完好性質量參數NUC≥5的報文數占總ADS?B報文數的比例，即完好率，得到ADS?B監視數據的完好性結論。在監視數據精度和完好性具有可用性時，對監視數據進行采集，以確認雷達數據和ADS?B數據融合的有效性。

4 結 語

本文簡述了廣播式自動相關監視ADS?B 1090ES、UAT，VLD4數據鏈特性，討論了三種數據鏈所面臨的風險，并提出了應對風險的策略。針對大規模應用ADS?B 1090ES數據鏈路擁塞可能造報文成丟或報文延遲風險采取限制該型設備總使用量來應對風險；ADS?B UAT 數據鏈存在的同頻段干擾風險通過設計帶有外部抑制輸入和自身抑制輸出信號接口避免相互干擾；針對雷達管制與ADS?B 1090ES融合互相影響的風險，提出對航路監視系統進行數據采集前，首先檢測和判斷監視信息的精度和完好性后再進行數據采集，濾除采集設備自身原因導致的錯誤數據，并比對當前數據和前期采集的數據，確認ADS?B數據與雷達數據不一致或ADS?B數據與飛行計劃不一致時給出告警。

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在對航路監視系統進行數據采集前，應首先檢測和判斷監視信息的精度和完好性。當評估出的監視數據的精度和完好性具有可用性時，才能對監視數據進行采集，否則給出相關的告警信息。評估主要包括以下幾方向：首先對ADS?B位置報文數據的精度進行評估，以RTK提供的位置數據為標準位置數據比較同一段時間間隔內ADS?B和雷達位置數據與標準位置數據的方差大小，得出監視精度結論；其次對ADS?B監視數據的完好性進行評估，計算一段時間間隔內從ADS?B報文數據中提取完好性質量參數NUC≥5的報文數占總ADS?B報文數的比例，即完好率，得到ADS?B監視數據的完好性結論。在監視數據精度和完好性具有可用性時，對監視數據進行采集，以確認雷達數據和ADS?B數據融合的有效性。

4 結 語

本文簡述了廣播式自動相關監視ADS?B 1090ES、UAT，VLD4數據鏈特性，討論了三種數據鏈所面臨的風險，并提出了應對風險的策略。針對大規模應用ADS?B 1090ES數據鏈路擁塞可能造報文成丟或報文延遲風險采取限制該型設備總使用量來應對風險；ADS?B UAT 數據鏈存在的同頻段干擾風險通過設計帶有外部抑制輸入和自身抑制輸出信號接口避免相互干擾；針對雷達管制與ADS?B 1090ES融合互相影響的風險，提出對航路監視系統進行數據采集前，首先檢測和判斷監視信息的精度和完好性后再進行數據采集，濾除采集設備自身原因導致的錯誤數據，并比對當前數據和前期采集的數據，確認ADS?B數據與雷達數據不一致或ADS?B數據與飛行計劃不一致時給出告警。

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