ADS—B技術(shù)在CNSATM中的應(yīng)用研究

朱海杰

摘 要：廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是通信導(dǎo)航監(jiān)視/空中交通管理（CNS/ATM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。該文介紹了ADS-B的基本原理及其在CNS/ATM中的應(yīng)用，這些應(yīng)用可以改善空中交通管制、增加空域容量、提升飛行安全。

關(guān)鍵詞：CNS/ATM ADS-B 空中交通管制

中圖分類號(hào)：V355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（c）-0006-02

隨著民用航空運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，空中交通流量持續(xù)增長(zhǎng)，目前空中交通管制正面臨著空域資源不足、對(duì)航空器監(jiān)視手段單一等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，ICAO提出了CNS/ATM概念，利用衛(wèi)星和數(shù)字通信提供通信（C）、導(dǎo)航（N）和監(jiān)視（S）技術(shù)。目前，主要由歐洲的SESAR項(xiàng)目和FAA的NextGen項(xiàng)目進(jìn)行CNS/ATM的技術(shù)研究。ADS-B為CNS/ATM提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)，使飛行員和空管員看到的空中交通情況比傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視更精確。ADS-B的監(jiān)視范圍能覆蓋低空空域和地面，因此可利用它監(jiān)視機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的交通以及雷達(dá)無(wú)法覆蓋的區(qū)域，例如高大障礙物背后。

1 ADS-B的基本原理

ADS-B是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，利用空空、地空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和飛行信息傳遞的一種監(jiān)視技術(shù)。ADS-B包含了4層含義：（1）自動(dòng)（Automatic）：數(shù)據(jù)傳送無(wú)需人工干預(yù)；（2）相關(guān)（Dependent）：航空器的設(shè)備決定了數(shù)據(jù)的可用性，數(shù)據(jù)發(fā)送依賴于機(jī)載系統(tǒng)；（3）監(jiān)視（Surveillance）：提供的狀態(tài)數(shù)據(jù)適用于監(jiān)視的任務(wù)；（4）廣播（Broadcast）：采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，所有用戶都可以接收這些數(shù)據(jù)。

ADS-B系統(tǒng)由地面站和機(jī)載設(shè)備構(gòu)成。航空器或者在飛行區(qū)運(yùn)行的車輛定期發(fā)送其狀態(tài)向量和其他信息。地面站和其他航空器接收ADS-B信息在對(duì)應(yīng)的顯示設(shè)備上顯示空中交通情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通的空地和空空監(jiān)視。

2 ADS-B的應(yīng)用

根據(jù)信息相對(duì)于航空器的傳送方向，ADS-B功能分為發(fā)送（Out）和接收（In）。

2.1 ADS-B Out

ADS-B Out是機(jī)載ADS-B設(shè)備的基本功能，是指航空器周期性發(fā)送其四維位置信息（經(jīng)度、維度、高度和時(shí)間）和其他信息（航空器識(shí)別信息（ID）、航向、空速、風(fēng)速、爬升率等）。所發(fā)送的水平位置來(lái)自于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，高度來(lái)自于氣壓高度表。地面站通過(guò)接收機(jī)載設(shè)備發(fā)送的ADS-B Out信息，監(jiān)視空中交通情況。

2.2 ADS-B In

ADS-B In是指航空器接收其他航空器發(fā)送的ADS-B Out信息或地面服務(wù)設(shè)備發(fā)送的信息，通過(guò)駕駛艙交通信息顯示器（Cockpit Display of Traffic Information，CDTI）向飛行員提供交通態(tài)勢(shì)感知以及輔助沖突避免、沖突探測(cè)和四維沖突決斷的能力，提高了飛行的安全性。通過(guò)減小飛行間隔，提高空域的容量和運(yùn)行效率。ADS-B In的主要功能如下。

（1）空中態(tài)勢(shì)感知（ATSA-AIRB）。

ATSA-AIRB功能利用CDTI向機(jī)組通過(guò)提供增強(qiáng)的交通感知，協(xié)助機(jī)組目視獲取駕駛艙窗外的交通以及提供超視距的交通態(tài)勢(shì)感知。該功能提升了飛行安全性和效率，也提供周圍飛機(jī)的飛行ID、交通種類和所選飛機(jī)的地速。

（2）進(jìn)場(chǎng)視覺(jué)間隔（ATSA-VSA）。

ATSA-VSA功能是當(dāng)前目視進(jìn)近程序的擴(kuò)展。在進(jìn)近過(guò)程中，ATSA-VSA協(xié)助飛行員目視獲取前面的飛機(jī)并與其保持間隔。該功能旨在提高進(jìn)近過(guò)程的安全性和目視間隔性能，適用于單跑道和平行跑道進(jìn)近。CDTI提供的信息不能替代駕駛艙窗外的交通信息，飛行員必須在利用ATSA-VSA功能時(shí)保持與前方飛機(jī)的目視接觸。

（3）CDTI輔助視覺(jué)間隔（CAVS）。

CAVS功能是ATSA-VSA的擴(kuò)展，其目的也是在進(jìn)近過(guò)程中與前面飛機(jī)保持安全間隔以及維持盡可能整齊的間隔來(lái)增加跑道容量。CAVS功能與ATSA-VSA功能的重要區(qū)別在于當(dāng)丟失前面飛機(jī)的目視信息（例如，夜間在城市的燈光中看不見前面飛機(jī)）時(shí)，在CAVS功能中機(jī)組有權(quán)使用CDTI單獨(dú)提供的前機(jī)的飛行信息在進(jìn)近中保持與前機(jī)的間隔。

（4）機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面態(tài)勢(shì)感知（ATSA-SURF）。

ATSA-SURF功能在機(jī)場(chǎng)地圖背景上提供本機(jī)的位置和周圍交通態(tài)勢(shì)信息。CDTI顯示機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面地圖（包括機(jī)庫(kù)、滑行道、跑道、航站樓、地面車輛等），對(duì)機(jī)組在滑行、起飛和著陸過(guò)程中的決策起到輔助作用。該功能旨在增加在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的運(yùn)行效率，降低跑道入侵與相撞的可能性。

（5） 排隊(duì)飛行程序（ATSA-ITP）。

ITP功能使得飛機(jī)能夠在一架參考飛機(jī)附近或兩架參考飛機(jī)之間執(zhí)行所需的爬升或下降機(jī)動(dòng)。該功能可以用來(lái)降低航線運(yùn)營(yíng)成本（例如降低油耗）和提高飛行的安全性（例如避讓危險(xiǎn)天氣）。該功能向機(jī)組提供信息便于其決定飛機(jī)是否滿足爬升或下降機(jī)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，還可以向機(jī)組提供執(zhí)行ITP機(jī)動(dòng)的可用時(shí)間或執(zhí)行ITP機(jī)動(dòng)前需要等待的時(shí)間。一般情況下，在越洋飛行或在無(wú)地面雷達(dá)站支持的空域中飛行時(shí)需要ITP機(jī)動(dòng)。

ITP功能可分為排隊(duì)爬升（In-Trail Climb，ITC）、排隊(duì)下降（In-Trail Descent，ITD）、主導(dǎo)爬升（Leading Climb，LC）、主導(dǎo)下降（Leading Descent，LD）。ITP功能的優(yōu)點(diǎn)主要是能在擁擠的空域中實(shí)現(xiàn)爬升或下降；能節(jié)省燃料，降低二氧化碳排放量。

（6）含指示和告警的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面態(tài)勢(shì)感知（ATSA-SURF IA）。

ATSA-SURF IA功能增強(qiáng)了基本ATSA-SURF功能，提升阻止跑道入侵的有效性并減小跑道入侵的有害影響。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，ATSA-SURF IA功能對(duì)基本ATSA-SURF機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面顯示增加了指示和告警。

（7）飛行間隔管理（ASPA-FIM）。

間隔管理（Interval Management，IM）的目標(biāo)是有效實(shí)現(xiàn)和/或保持飛機(jī)間的精確間隔。一些IM許可要求飛機(jī)維持在其當(dāng)前航路上，只對(duì)飛行速度進(jìn)行管理。而另一些IM許可要求飛機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)。IM許可的目標(biāo)是使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)和/或維持相對(duì)于目標(biāo)飛機(jī)的指定間隔。對(duì)于現(xiàn)有飛行操作，主要增加了轉(zhuǎn)彎和精確速度指引，使機(jī)組能主動(dòng)管理本機(jī)相對(duì)于目標(biāo)飛機(jī)的間隔。在IM操作中，空管的職責(zé)是保持飛機(jī)間隔，飛行員負(fù)責(zé)完成和/或保持空管指定的間隔。對(duì)于ASPA-FIM，為滿足空管的運(yùn)行目標(biāo)，機(jī)組能夠主動(dòng)管理橫向飛行計(jì)劃。該功能使得機(jī)組自主管理與目標(biāo)飛機(jī)的間隔，減少了空管與飛機(jī)間的通信，減輕了空管的工作量。

3 ADS-B的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B具有明顯的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為以下4個(gè)方面。

（1）提升空中交通監(jiān)視能力。

隨著民航空中交通流量的日益增長(zhǎng)，雷達(dá)等傳統(tǒng)監(jiān)視技術(shù)及其布局、數(shù)量將難以滿足航空運(yùn)輸?shù)男枨蟆DS-B技術(shù)能夠提升空地協(xié)同運(yùn)行能力與空空監(jiān)視能力，提高了飛行安全水平、空域容量與運(yùn)行效率。

（2）增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行保障能力。

ADS-B技術(shù)能為機(jī)場(chǎng)運(yùn)行提供精確、實(shí)時(shí)和豐富的航空器監(jiān)視信息，進(jìn)一步優(yōu)化地面滑行，提高跑道運(yùn)行效率，防止跑道入侵，提升機(jī)場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)控水平。

（3）提高航空公司運(yùn)行監(jiān)控能力。

ADS-B技術(shù)能使航空公司對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)際航班實(shí)現(xiàn)全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高運(yùn)行管理主動(dòng)應(yīng)對(duì)能力，進(jìn)一步提升運(yùn)行控制水平，更好地為旅客提供航班信息服務(wù)。

（4）增強(qiáng)通用航空監(jiān)視能力。

ADS-B技術(shù)的應(yīng)用，將有效加強(qiáng)低空空域的監(jiān)視，從而更好地保障通用航空飛行安全，實(shí)現(xiàn)軍民航監(jiān)視信息共享，促進(jìn)通用航空持續(xù)健康發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

作為一種新型監(jiān)視技術(shù)，ADS-B技術(shù)為CNS/ATM的實(shí)現(xiàn)提供重要基礎(chǔ)，這也是新型飛機(jī)研制時(shí)必須考慮實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造商對(duì)ADS-B技術(shù)的研究與應(yīng)用還處于起步階段，因此對(duì)ADS-B技術(shù)的研究為其在新型飛機(jī)上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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