MGS—01型ADS—B系統在南中國海的應用

李自科

摘 要：由于我國南海海洋面積廣闊，陸地面積少，安裝雷達比較困難，加上隨著“一帶一路”的提出，在飛過南海的航班越來越多，目前只有一部航管二次雷達供管制員使用，管制員的指揮壓力越來越大，ADS-B作為新型航空監視技術今后在南海的地位極其重要。本文主要介紹MGS-01 ADS-B系統在南海的應用必要性，該系統的組成、信號流程、信號傳輸及其應用，在安裝過程面臨的問題以及解決方法，安裝完成后對評估ADS-B數據可靠性、覆蓋范圍來驗證該系統能夠在南中國海的實用性，為ADS-B監視技術在實際應用方面提供相關的經驗。

關鍵詞：ADS-B 可靠性 實用性

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-04

ADS-B是廣播式自動相關監視，它主要實施空對空監視，一般情況下，只需機載電子設備（GPS接收機、數據鏈收發機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI），不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能，裝備了ADS-B的飛機可通過數據鏈廣播其自身的精確位置和其他數據（如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等）。與雷達系統相比，ADS-B能夠提供更加實時和準確的航空器位置等監視信息，建設投資只有前者的1/10左右，并且維護費用低，使用壽命長。ADS-B可以在無法部署航管雷達的區域為航空器提供優于雷達間隔標準的虛擬雷達管制服務。

1 ADS-B在南海的應用必要性

香港民航處已向國際民航組織申請將南中國海地區的中兩條航路（L642和M771）改為ADS-B監視航路，預計2013年實施ADS-B航路管制。2011年6月16日，南中國海三亞情報區內的L642和M771兩條洋區航路也開始實施了ADS-B實驗運行，成功實現了利用ADS-B對廣闊區的二次雷達信號補盲，完善了洋區對空監控手段。然而西沙二次雷達在西邊和西南邊均存在較大的盲區，尤其在情報區的交界點BUNTA和DALBA不能覆蓋到，而且西沙二次雷達肩負著兩個飛行情報區雷達信號重任，一旦該設備故障率極高將嚴重影響管制飛行服務，之前新建的ERA ADS-B仍然存在幾個問題：（1）在西沙東邊的BUNTA點附近覆蓋比較差，掉點現象比較嚴重；（2）北邊的IKELA點附近覆蓋比較差，有盲區；（3）西沙南邊的DONDA點和MONBO-MIGUS航線附近覆蓋一般。所以在馬嶺、南山、西沙新建新的ADS-B地面站顯得極為重要，MGS-01型ADS-B是繼ERA后另一套在南中國海區域使用的ADS-B設備，隨著今后4套設備投產使用，不僅能解決盲區的覆蓋問題，也將對三亞飛行情報區航路監視提供有力的保障。

2 MGS-01型ADS-B系統介紹

2.1 MGS-01型ADS-B系統組成

ADS-B地面站包括ADS-B地面站主機（含1090MHz接收單元、數據處理單元、GNSS接收單元）、天饋單元、信標機、網絡交換機、串口通信設備、監控設備、供電防雷設備、監控單元、安裝保障設備等，用于接收、處理1090MHz廣播的ADS-B信號，并按ASTRTIX CAT021 格式輸出ADS-B監視信息，并支持擴展DF17、DF18信息輸出。

2.2 MGS-01型ADS-B系統信號流程

ADS-B地面站的ADS-B信號處理功能主要通過ADS-B天線、低噪放大器、1090ES接收機、信號處理模塊來實現。具體信號處理流程如圖1所示。

ADS-B信號處理主要處理流程包括：ADS-B天線獲取空中廣播的1090MHz頻率的ADS-B信號，GPS天線獲取廣播當中的GPS信號。ADS-B信號經過低噪聲放大器，用于補償饋線損失，降低系統的噪聲系數，而且對1090MHz ADS-B信號進行濾波，提高整機的抗干擾能力和靈敏度，經過低噪聲放大器后信號進入接收模塊，1090ES接收機將ADS-B天線收到的微弱射頻回波信號進行放大、濾波、檢波處理，形成對數視頻信號輸出。處理模塊接收視頻信號然后對其進行預處理，包括解交織碼、錯誤信息過濾、誤碼糾正等處理，實現具有抗多徑干擾和同頻干擾、分辨二重交織碼、誤碼信息修正等功能，并最終形成目標數據，送給數據單元進行處理。數據處理器接收來自信號處理器的112位數據，經過數據提取、點跡處理、航跡處理、航跡跟蹤、目標生成、信息組包處理，接收處理GPS信號，實現系統定位，形成符合CAT021格式的ADS-B監視數據，通過接口模塊以網絡方式發送和同步方式發送。

2.3 MGS-01型ADS-B系統信號傳輸和應用

ADS-B的應用除了地空數據鏈的應用外，各地面站與管制中心之間的數據傳輸也極其重要。特別是在自然條件比較差的西沙群島當中，這不僅對ADS-B地面站性能要求高，同時也是對傳輸設備性能的考驗。目前中南地區空中交通管理局大力發展FA36網絡，對于新建的ADS-B臺站信號的傳輸提供了極為便利的條件。在西沙新建的ADS-B地面站，只需要將信號傳送到老雷達站，并將信號接入到中南FA36網絡，便能通過中南FA36網絡將信號傳送給三亞ACC、廣州ACC。在本次工程當中總共安裝4套ADS-B地面站，其中馬嶺、南山一套，西沙兩套，每一個地面站都有兩路信號傳送，如何將多路信號融合成一路傳送給自動化進行處理就顯得相當重要。

ADS-B前置預處理系統是將多路ADS-B信號進入空管自動化系統之前對其進行過濾、融合成符合系統要求的信號作為輸出。ADS-B前置預處理系統能夠對ADS-B多路信號進行錄制和回放，能夠實時監控其信號狀態，并評估一段時間內ADS-B信號質量的各項指標。西沙1、2#站ADS-B數據通過中南FA36 A網經過三亞ACC跳轉然后送到三亞航管樓，馬嶺、南山的ADS-B直接到達航管樓，通過前置系統將四路ADS-B數據融合成一路ADS-B數據，通過中南FA36 A網抵達廣州ACC，并由廣州ACC廣播融合數據到每一個節點。傳輸路由圖如圖2所示。

2.4 MGS-01型ADS-B系統供電

西沙群島地處遼闊的太平洋，自然條件比較惡劣，而且臺風頻繁，目前島上所有設施的供電主要是通過油機發電。在島上建設太陽能發電系統從長遠角度來講能減少運行成本，而且不用燃料，不會產生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對環境無不良影響，是理想的清潔能源。ADS-B地面站是一種接收下行1090MHz數據鏈的設備，無需對外發射信號，雙機功耗小于200W。目前新建的MGS-01型一號ADS-B地面站放在室外機房頂，二號地面站設備室放在室內。由于一號地面站為完全室外單元，所以一號地面站系統的供電將以太陽能電為主，在太陽能出現故障以后才會轉換成旁路市電。在二號地面站以太陽能供電為主，UPS電為輔。一、二號站供電示意圖如圖3、圖4所示。

3 MGS-01型ADS-B系統信號評估

判斷ADS-B系統性能是否可靠標準就是將其信號應用于自動化系統，與相應臺站的雷達信號對比和評估。分析數據的完好性、數據包傳輸延時、報文發送間隔、信號的覆蓋范圍來確定該設備性能是否適用于自動化系統。目前由于2號地面站由于光纜中斷無法將信號傳回來三亞航管樓無法進行分析。4個臺站系統的所有實際情況最后都會通過飛行校驗來得到結論。

3.1 ADS-B數據完好性

可通過ADS-B報文中的完導航不確定度類別（NUC）參數來衡量的。為了表征導航數據的精度和完好性，GPS接收機輸出水平保護標準（HPL）。為了減少飛機廣播參數的數量和長度，在ADS-B記載設備中，HPL被轉成導航不確定度類別（NUC）。NUC是一個0～9的整數，大于等于5可以實施雷達管制。選取西沙1號地面站通過軟件分析NUC≥5的報文數量占報文總量的94.90%。NUC<5的報文數量占報文總量的5.1%，全部是NUC為0的報文。因為地面站的NUC值由ADS-B信息當中TYPECODE值決定，CAT021數據包當中的NUC應嚴格按照DO-260B規范要求填寫，所以出現一定比例NUC值為0屬于正常。NUC數值統計如圖5所示。

3.2 ADS-B數據包延時

在ADS-B報文UAP中數據項I021/030Time of Day定義了位置報告時間。通過計算接收時間和位置報告時間的時間差，可以得出ADS-B報文的延時。選取西沙1號地面站通過軟件計算平均延時50ms，波動范圍（偏離平均值30ms）。

3.3 ADS-B報文發送間隔

雷達系統的報文周期通常為4～10s。而ADS-B系統中，正常情況下同一航班收到兩條報文間隔為1s，由于可能受距離、環境、干擾等影響報文發送的間隔有時會大于1s，有時會小于1s。取西沙1號地面站通過軟件計算其中0.5s以內間隔發送占比45.75%，0.5～1s占比42.74%，1～1.5s占比9.62%，1.5s以上占比1.9%。

3.4 ADS-B信號覆蓋

理論上，在可視范圍內MGS-01 ADS-B系統覆蓋范圍為250nm，考慮到不同環境、地形的影響，覆蓋范圍可能會縮小。L642和M771航路上的飛機基本達到巡航高度，而且洋區周圍沒有遮擋，所以主要是分析7200m高空以上的覆蓋范圍。通過軟件打點分析，記錄飛機飛過區域所留下的軌跡直至消失。覆蓋如圖6所示。

每一個距離圈為100km，黃色為飛機飛行留下的軌跡，從圖中分析可知ADS-B作用距離大于400km，無明顯的覆蓋盲區，并在BUNTA點覆蓋連續，解決之前北邊的IKELA點附近覆蓋比較差和西沙南邊的DONDA點和MONBO-MIGUS航線附近覆蓋一般等問題。

4 結語

ADS-B是未來航空監視技術的發展方向，其在航空領域應用的優點相當顯著，今后在其技術不斷創新發展的基礎上，完全有可能取代雷達成為主要的監視手段。我國民航事業起步較晚，重要設備的核心技術都在國外，大力推廣國內先進技術在民航領域的應用，也有利于將我國從民航大國轉變成民航強國。

參考文獻

[1] 張利永，王宇.ADS-B在南中國海的試驗分析和應用思考[J].中國民用航空，2011（1）：59-60.

[2] 倪豆.空管自動化ADS-B信號預處理系統[J].科技信息，2012（5）：55-57.

[3] RTCA.DO-260B：Minimum Operational Performance Standards for 1090MHz Extended Squitte ADS-B and TIS-B[S].2009.