ERA ADS-B系統在西沙群島的應用

劉 旭 謝來陽

（民航中南空管局，廣東 廣州 510403）

ERA ADS-B系統在西沙群島的應用

劉 旭 謝來陽

（民航中南空管局，廣東 廣州 510403）

文章介紹了ADS-B的原理特點，并與傳統的的航管雷達監視系統進行了比較，闡述了在西沙群島設置ADS-B系統的必要性，同時介紹了引進的美國ERA公司生產的ADS-B系統框架，對系統如何進行相關的設置和對系統接口部分如何進行改進，最后對系統數據進行了相關分析。

ADS-B；一次雷達；二次雷達；GPS；以太網

1 引言

民航廣播式自動相關監視（ADS-B）是一種新興的空管監視技術，即航空器通過廣播模式的數據鏈，自動提供由機載導航設備和定位系統生成的數據，包括航空器識別、四維定位以及其他相關的附加數據。通常每500毫秒ADS-B設備廣播一次位置信息。本文介紹了ADS-B的原理特點，并與傳統的的航管雷達監視系統進行了比較，闡述了在西沙群島設置ADS-B系統的必要性，同時介紹了引進的美國ERA公司生產的ADS-B系統框架及相關的設置和改進。

2 ADS-B系統原理及特點

2.1原理

如圖1所示，ADS-B使用機載導航系統，得到飛機精確的位置和速度信息，通過機載的電子設備自動廣播飛機的呼號、位置、高度、飛行速度、航向、告警特殊識別和其它一些參數。地面接收機和其他航空器可以接收此數據，并用于各種用途，如在無雷達覆蓋地區提供ATC監視，機場場面監視以及未來空-空監視等應用服務。

圖1　ADS-B監視示意圖

2.2技術特征

ADS-B具備以下技術特征：

Automatic自動：數據信息自動發射，不需要人工的操作，不需要地面的詢問。

D-Dependent相關：信息全部基于機載數據。

S-Surveillance監視：提供呼號、位置、高度、速度和其它用于監視的數據。

B-Broadcast廣播：數據不是針對某個特殊的用戶，而是周期性的廣播給任何一個有合適裝備的用戶。

ADS-B是下一代空中交通系統（NextGen）的重要組成部分。在未來20年，ADS-B系統的實現將會使下一代空中交通系統變成現實。在美國，經過多年的研究和開發，并且通過在阿拉斯加通用航空領域和在愛荷華河谷航空運輸的使用，FAA決定在 2005年在全國航空系統投入使用 ADS-B技術。通過ADS-B，飛行員和管制員都可以看到由衛星提供的更加精確的類似雷達目標顯示的空中交通數據，這些數據可以實時更新，并且不會由于距離和覆蓋范圍的因素而失效。同時該系統還可以給飛行員提供氣象，覆蓋圖和飛行信息服務。有了這些強有力的數據，飛行員可以駕駛飛機安全飛行到更遠的一些缺少空中交通管制幫助的地方。

2.3與航管雷達監視手段的比較

與民航現使用的一、二次雷達比較而言，ADS-B是相關的、合作式監視系統。一次雷達是獨立的、非合作式監視系統，其可自主獲取目標的監視信息，被監視目標不需要安裝任何相關的設備。而二次雷達是獨立的、合作式監視系統。二次雷達通過詢問和機載設備的應答計算目標的距離和方位角。S模式二次雷達則增強了飛機尋址和雙向數據鏈路功能。與一次雷達相比，二次雷達能夠提供更詳細的信息，但二次雷達無法監視沒有安裝應答機或應答機失效的飛機。與二次雷達類似，ADS-B系統也需要航空器安裝相應的機載設備。除位置信息外，ADS-B還提供速度和航向等信息。與雷達系統不同的是ADS-B的信息直接從機載設備中得到。

對于傳統的監視系統，如一次雷達和二次雷達網絡，其自身的某些特點，造成了一些局限性：

（1）配置、維護和運營成本高：每臺設備一兩百萬到壹千萬美元，據FAA數據，每年可高達2萬美元的維護成本。同時需要建設專門臺站，并且配置專線電力電纜和相應配套的UPS和柴油發電機設備。系統安裝復雜，需要專業安裝機具，如站點設在邊遠臺站，安裝條件相當惡劣。

（2）性能的局限性：精確度和有效性受外部條件影響，由于系統特性，距離目標越遠，特別是在雷達覆蓋范圍邊緣，精確度不高。

（3）如果有山脈或大型建筑物遮擋，造成某些區域無法完全覆蓋。

相比之下，ADS-B就具有以下優點：

（1）低成本接收器；全方位覆蓋和系統冗余，價格不再昂貴；監視范圍擴展到250海里范圍；采用現有標準1090Mhz頻率。由于系統較簡單，安裝相當簡便，有電源和一定容量的UPS即可，可安裝于邊遠臺站，如遙控VHF臺，或移動通信基站等處。

（2）高精確度：精確度不受限于距離；數據每秒更新。

（3）可提供更多的信息：航空器的識別碼，可提供航向、速度，可作為預警處理的輸入信號。

正是由于以上特點和ADS-B技術的發展，澳大利亞基于對中西部地區飛行流量的預期和投資成本的核算，放棄了以航管雷達覆蓋澳洲大陸的意圖。取而代之的是，僅投資1000萬美元在中西部地區建設ADS-B監視系統，與現有航管雷達設施，組合成一個覆蓋澳洲全境高空的空中交通服務監視系統。

2.4傳輸技術

目前ADS-B可選的數據鏈傳輸技術有Mode S 1090 ES、VDL MODE 4、UAT三種，對于機載設備，VDL MODE 4和UAT都需要加裝新的機載設備，而目前所有的商業運輸飛機的機載應答機均裝備了S模式應答機，若采用S模式1090 ES技術，需要做的工作僅僅是升級應答機軟件及加裝一條 GPS連線，不僅工作量小、簡單易行，而且從經濟效益角度來講也有很大優勢。鑒于國際民航組織亞太區的建議和在全球范圍內的互操作性，我國在西部地區已安裝的ADS-B系統都使用了1090 ES作為ADS-B數據鏈路技術。

3 西沙群島設置ADS-B的必要性

21世紀初，民航空管單位為實現南中國海西沙群島周邊空域的雷達覆蓋，于西沙群島的某島嶼設立了由美國TELEPHONICS公司生產的一套小型單脈沖二次雷達，但由于種種原因，雷達建設后在 150公里以外的空域覆蓋不太理想，出現了目標丟失，目標分裂及航跡擺動等現象。而ADS-B系統由于具有價格較低，使用維護成本不高的特點，只要地面沒有大型阻擋物，監視范圍可達到 250海里。同時其系統簡單，安裝維護簡便。ADS-B系統天線采用鞭狀天線，不需要象航管二次雷達那樣的大型天線塔，因此安裝起來不會受到島上有關部門對建筑障礙物相關規定的影響。在ADS-B地空通信收發信機等設備的技術指標都已確定的前提下，ADS-B地面站覆蓋范圍的計算很大程度上取決于地球表面上的阻擋物，即地形的影響。只要將天線安裝于島上臺站的高點處，周邊無其他障礙物遮擋，則可基本滿足覆蓋要求。鑒于上述原因，空管單位基于西沙雷達建設難度大，成本投入高及維護難度大等方面的考慮，于前幾年在西沙群島某島設立ADS-B系統，作為現有二次雷達監視系統的補充手段。

4 ERA ADS-B系統原理及設置改進

4.1系統框架

西沙ADS-B系統采用美國ERA公司生產的ADS-B系統，系統框架圖如圖2所示。

圖2　Era ADS-B系統框架圖

西沙ADS-B系統由兩獨立冗余的ADS-B通道組成，即各個ADS-B單元單獨連接各自的ADS-B全向接收天線，GPS天線和SITE MONITOR天線（SQB天線），這兩個通道各自獨立，同時工作，互為備分。每個通道ADS-B單元由SSR接收機、GPS及診斷單元（GPSD）、測量單元、信號處理、控制單元、供電單元組成。

其中信號處理單元核心為一采用WINDOWS操作系統的微型計算機（RPU），其通過以太網把處理好的數據傳輸出去以及和監控計算機進行通信。本地監控電腦（LCMS）放置于臺站現場,用于對 ADS-B設備和 GPS狀態進行監控和對ADS-B目標查看；遠程監控電腦（RCMS），放置于三亞遠端監控站,用于對 ADS-B設備和 GPS狀態進行遠程監控和對ADS-B目標查看。

4.2系統設置

系統所有硬件安裝完畢后，需要對系統參數進行一些必要的設置。系統開機各設備正常后，通過監控終端LCMS或RCMS登陸到信號處理單元核心計算機 RPU，系統配置的CMS計算機上裝有遠程登陸軟件，同時為了在CMS上能正常顯示目標和監控數據，安裝調試時也必須對CMS進行設置：

（1）RPU設置

在\Gua-rpu01ArchDir目錄下存放有系統保存的 ADS-B目標ASTERIX CAT21類數據；而在\Gua-rpu01DataRec目錄下存放了原始記錄數據；在\Gua-rpu01ERARPUCFG目錄下打開mss.cfg文件，為確保安全，必須將原文件進行備份，而且先將文件下載到本地電腦進行設置，修改完后再上傳，主要修改的是文件中的reference point中的經度（Latitude）、緯度（Longtitude）和高度（Height）信息，經緯度以度為單位，高度以米為單位。將上述數據修改為安裝ADS-B的臺站GPS位置信息。

同時，如圖3所示，如果因為網絡原因需要更改RPU的計算機IP地址，則更改\Gua-rpu01ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-adsb”對應的內容,同時相應更改RPU系統的IP地址，系統的信號輸出是通過以太網以廣播的的方式輸出，要更改信號輸出 IP地址和端口號的話，則更改\Gua-rpu01 ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-out-ch01”對應的內容，“ip-out-ch01”地址為廣播的地址，一般沒有特殊要求不用更改。

圖3　RPU地址更改示意圖

（2）CMS計算機設置

CMS計算機同樣也是采用WINDOWS XP操作系統，其與ADS-B設備的連接也是通過以太網進行連接，而其監控軟件是通過WEB界面對ADS-B系統參數進行監控，因此該計算機的網絡IP也必須設為與RPU同一網段。通過WEB頁面監控系統時，在IE瀏覽器上直接鍵入RPU地址即可，輸入RPU地址/4003端口則為顯示GPS診斷頁面，輸入RPU地址/8003端口則為顯示GPS狀態頁面。另外為保證能正常顯示目標，在 CMS的顯示軟件參數也必須設置中心點坐標，打開C:Program FilesERAMTdisplay目錄下的display.ini文件（進行更改前必須對原文件進行備份），對[center]、[station1]或[station2]的經度、緯度進行更改，經緯度設置格式為度：分：秒。同時，為能顯示實時目標或重放目標，在顯示程序的COMMUNICATION項目里的通道，通信方式、UDP端口和廣播地址設置要正確設置，如圖 4所示，需要注意的是這里的端口設置是16進制數，而在之前所述的RPU里參數文件設置的端口設置為10進制數。當系統安裝和參數設置完畢后，系統需要重起使參數生效。

圖4　顯示程序Communication項參數設置圖

4.3系統改進

在系統安裝設置完畢后，筆者發現與系統XC-5接口連接的SITE MONITOR(以下簡稱SQB)工作不正常，沒有信號，經檢查，在SQB設備端測量輸入電壓為零，而斷開設備，在系統的接口XC-5處測量電壓正常，在排除了設備電纜及SQB本身設備故障的原因后，懷疑系統接口是否故障，但在系統的監控單元上觀察，各模塊工作正常。于是，我們詳細查閱了廠家的技術資料和分析系統的電路圖，電路圖如圖5所示，發現了原廠家提供的安裝資料上注明SQB接在ADS-B主機框單元的XC-5接口，但其實內部XC-5接口接線是接至電源模塊的電池接口，是不能用于接入負載的。于是，現場就對系統內部進行改裝，將機框內部XC-5接線連接至內部直流電源模塊輸出接線端，如圖 5所示。經現場對系統內部接線進行改進后，測量電壓正常，在原設計的 XC-5接口重新接回SQB設備電源線，此時設備工作正常，改進試驗成功。

圖5　XC-5接口電路圖

5 數據分析

據ERA廠家資料內容，當前2002年后生產的民用客機基本都安裝了ADS-B設備，而在越洋航班中，70%的航班都具備了ADS-B設備。在西沙ADS-B系統建成后，筆者在島上比較了西沙雷達和ADS-B顯示的航路飛行目標數，統計方法是在某個時間點上，在雷達系統和ADS-B系統的有效覆蓋范圍內，觀察比較雷達顯示和ADS-B系統顯示的航空器目標數，計算ADS-B系統顯示的目標占雷達顯示目標的百分比，統計結果如表1所示，從統計數據上可以看到在ADS-B上顯示的目標數基本都達到雷達顯示目標數的 60%以上，平均為63.62%。

表1　西沙ADS-B與雷達顯示目標數統計表

同時，筆者也對雷達與ADS-B系統顯示的同一目標進行了跟蹤，在有效覆蓋范圍內對接收回來的目標數據進行比較，相同類型的參數數據基本一致，而在某些原雷達覆蓋性能不良區域，雷達顯示目標丟失，而ADS-B系統仍然可以持續跟蹤目標。

通過航班跟蹤統計得到西沙ADS-B信號能比較穩定地覆蓋到330 km以內的目標，350 km以外覆蓋稍差，最遠覆蓋范圍可達420 km。

通過以上的數據比較分析，表明西沙設立ADS-B系統能基本滿足民航管制的要求，今后可以把兩種監視系統在同一顯示器上顯示，實現數據的互補, 如飛機的ADS-B設備或應答機故障，地面的顯示器也能監控，這樣極大地提高了監控系統的能力，也進一步整合了二次雷達和ADS-B 監控系統的資源同時也對原二次雷達系統做了強有力的補充。

6 結束語

西沙 ERA ADS-B系統安裝至今整體運行平穩、安全可靠，彌補了三亞管制區在南海區域的監視盲區，為管制服務提供了極為有力的技術支撐和保障，同時也為ADS-B監視技術的應用和推廣積累了極為珍貴的技術資料和寶貴的經驗。ADS-B新技術的在三亞管制區的成功應用，將對航空器提供更小的間隔，擴大海南地區空域容量，提高安全運行水平發揮積極作用。

近幾年，隨著科技和經濟的發展，相關標準也日益完善，民用航空器的ADS-B設備已成為必備設備。相信隨著ADS-B技術的發展，將會有越來越多的航班裝備ADS-B設備，作為現有二次雷達監視系統的補充手段的西沙ADS-B系統將會扮演更加重要的角色。

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ERA ADS-B system application in Xisha islands

This paper introduced the theory & characteristic of ADS-B system and compared with normal radar system. And also the necessity of ADS-B system in Xisha islands is discussed. After that we give the details about the system frame diagram, configuration and adjustment of ERA ADS-B system installed in Xisha islands. In the end we discussed about the target quality of ERA ADS-B system by analysing the data from the comparison with the radar targets.

ADS-B; PSR; SSR; GPS; ethernet

V37

A

1008-1151(2015)09-0007-04

2015-08-13

劉旭（1972－），男，民航中南空管局工程師，從事民航空管通信、導航及監視系統安裝、維修及研究工作；謝來陽（1975－），男，民航中南空管局高級工程師，從事民航空管通信、導航及監視系統安裝、維修及研究工作。