基于星載ADS-B的航空器跟蹤監視發展概況及趨勢

王潤東 潘衛軍

（中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，廣漢 618300）

引言

在“馬航”失聯事件之后，全球對衛星監視的重視程度提高到了新的高度，國際民航組織（ICAO）召開高層次安全會議，會議推薦采用新的飛機跟蹤規則。這是提高全球飛行跟蹤要求的重要一步，也是ICAO推出的全球航空遇險與安全系統（Global Aeronautical Distress and Safety System，GADSS）的基礎[1]。同時，會議通過了“全球航班遇險與安全系統（GADSS）”運行概念，提出了從例行、非正常和遇險三個層面開展航空器追蹤監控工作。中國民航為增強航空安全保障體系建設，發布了《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》[2]，特別強調通過建設基于北斗衛星的ADS-B等新興監視與通信技術，來實現航班全球無縫追蹤。

廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是國際民航組織確定的未來主要監視技術[3]，已有70%的民用航空器加裝了ADS-B設備，而ADS-B覆蓋范圍受限制[4]，由此將ADS-B與衛星相結合來進行全球航班的飛行監控，而比較成熟且被多家航空公司采用的衛星監視技術主要包括以Inmarsat為代表的高軌通信衛星和以Iridium為代表的地近軌通信衛星[5]，但單純利用衛星來進行通信和監視，仍存在高延時、高成本、數據格式不一致、航班數據不共享以及各航空公司標準不統一等弊端。因此，在現有成熟的ADS-B技術、通信技術、機載設備以及地面設備的基礎上[6]，結合衛星通信導航的優勢而形成星載ADS-B，可在全時段、全球對飛機的整個飛行階段進行連續無間斷的監視[7]，擴大了監視覆蓋范圍，提供了更加安全、高效的空中交通監視手段[8]。同時，基于高頻多模、高精度與高覆蓋率的星載ADS-B數據降低了運行成本并提高了監視系統的精度和可靠性，可以有效避免“馬航”“亞航”等航班失聯事件的發生。

1 路基ADS-B與星載ADS-B對比分析

路基ADS-B主要依賴地面站臺接收數據信息，航空器的機載系統會自動1秒1次地向其他飛機或者地面站廣播飛機的位置、航向、速度及識別號等信息[9]，以供管制員監控飛機狀態，如圖1所示。

圖1 ADS-B原理圖

星載ADS-B就是將ADS-B接收機搭載在衛星上，發揮的作用就相當于地面基站，只要飛機在相應衛星的覆蓋區內，搭載ADS-B接收機的衛星可接收飛機廣播的實時狀態信息，并通過數據鏈路將信息傳回到地面控制系統，實現境內實時轉發、境外存儲轉發[10]，具體原理如圖2所示。

圖2 星載ADS-B示意圖

路基ADS-B監控設備受地面基站和地形限制，覆蓋范圍有限。星載ADS-B將高靈敏度ADS-B接收機安裝到低軌衛星上，接收機的覆蓋半徑可以達到3200km[11]，明顯大于地面接收機的覆蓋半徑，尤其適合使用在海洋和荒漠等地區。相對于路基ADS-B，星載ADS-B的優勢有：

（1）全球航班跟蹤和實時記錄能力，可作為搜尋救援工具；

（2）統一監視格式，降低了運行成本并提高了監視系統的精度和可靠性；

（3）提高航路利用率、優化航路以節省燃油和減少排放；

（4）增強航空器目標態勢感知和沖突檢測能力；（5）更好支持航線規劃與航路優化，縮小航路間距；（6）提升管制態勢感知能力，航班運行更高效，并為未來自由飛行提供保障。

2 發展概況

2.1 國內發展現狀分析

根據中國民航PBN路線圖，中國民航計劃在實施的近期和中期，率先在洋區和偏遠地區以及無雷達覆蓋地區推廣ADS-B技術[12]，并計劃在遠期將ADS-B技術作為主要監視手段。中國民航已在B213航路（成都-拉薩）實施了ADS-B試運行，并在B330航路（成都-九寨）、南中國海進行了ADS-B實驗驗證工作。中國民航飛行學院也率先完成了UAT數據鏈技術的ADS-B應用測試，隨后完成學院5個機場ADS-B地面站建設，并對學院近200架訓練機進行了加改裝，明顯提高了飛行的訓練效率。

國內實施星載ADS-B的起步較晚，國家民航總局在2012年發布了《中國民用航空ADS-B實施規劃》[13]，并在2015年又進行了修訂。明確提出，到“十二五”末實現ADS-B OUT（地空監視）初始運行（如圖3所示），到“十三五”末，實現ADS-B OUT全面運行（如圖4所示）。

圖3 “十二五”全國ADS-B與雷達各高度層覆蓋圖

圖4 “十三五”全國ADS-B各高度層覆蓋圖

規劃在2025年前全面實現地面及基于衛星的全國ADS-B系統建設。在國家民航總局支持下，自2015年起，國家組織國內民航界、航空界、航天界等多家科研單位開展了基于衛星的ADS-B系統研制工作，并計劃在2020—2025年建成國內自主的ADS-B系統衛星星座為國內民航部門提供服務。2015年9月底10月初發射了“天拓三號”納米衛星，其主星“呂梁一號”搭載了ADS-B接收機，平均每天接收全球范圍內40多萬條ADS-B報文數據，國內星載ADS-B偵收系統首次實現了業務運行。2017年8月，民航局發布了《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》[14]，提出2025年底前將建成主要包括“北斗”系統、自主星基ADS-B系統、自主衛星通信系統以及自主知識產權機載設備的制造、測試與適航審定等基于自主知識產權的航空器全球追蹤系統，并形成相關標準。

ADS-B實時監控下的航班圖如圖5所示。

圖5 ADS-B實時監控下的航班圖

2.2 國外發展現狀分析

國外的衛星通信技術起步較早，美國率先將研究方向瞄向星載ADS-B系統。美國銥衛星公司作為全球首家建設ADS-B衛星星座的系統提供商，截至2017年6月底已發射兩批共計20顆搭載ADS-B接收機的二代衛星，并將在2018年底前全面部署和投入運行總量達到75顆（66+9）的二代衛星星座，在全球全面提供衛星ADS-B數據業務。包括FlightAware等飛機追蹤數據提供公司，已經基于多種數據源實現對航班的監控，并為多家航司合作提供數據支持，數據包括地面ADS-B+MLAT（算法）融合數據、星載ADS-B數據、ACARS數據、FLIFO數據等。尤其在MH370事件后，全球航空遇險與安全系統（GADSS）要求在跨洋盲區時以1min間隔發送飛機追蹤系統的位置報告，空管或航空公司可以將飛機位置確定在11km范圍內。GlobalStar和ADS-B Technology[15]開發出了 ALAS（ADS-B Link Augmentation System），通過該系統的lobalStar L/S數據鏈，能夠將載有ALAS系統的飛機的ADS-B數據與衛星進行數據交換，

并對接收的星載ADS-B信號進行飛行試驗驗證。

歐洲單一天空空中交通管理研究項目（SESAR）也對星載ADS-B展開了一定的研究，包括星載ADS-B載荷研制和ADS-B衛星在軌演示驗證等。

已發射的典型的星載ADS-B系統如表1所示。

表1 已發射的典型的星載ADS-B系統

3 發展趨勢分析

星載ADS-B監視系統為滿足未來航班量的急速增加、移動節點快速多變以及覆蓋范圍不斷擴大等帶來的監視需求，需要對自身系統和技術進行持續的更新和優化，包括進行跨學科的技術融合，為航空公司未來業務使用先期開展預先研究提供參考，加強現有的基于二次雷達的空管系統與基于衛星ADS-B技術的空管系統的有效融合，為國內未來自有ADS-B衛星星座部署應用開展前期先導性工作。

3.1 星座組網設計

ADS-B衛星星座系統建設是一項非常復雜的系統工程，星座多軌道面全面部署完成時間長、耗資巨大，一般需要5～7年的時間，因此不能出任何差錯。由于基于衛星的民航空管數據時效性要求遠遠超過其他交通運輸行業，若干顆ADS-B衛星發射在軌完全無法為民航空管業務提供幫助。通過國際合作將ADS-B技術帶到太空，搭載ADS-B接收機的專用微納衛星與多任務小衛星，通過同一格式的衛星數據量進行連接組網，實現全球多重覆蓋，提高監視跟蹤精度與更新速率，提供準時數據，降低成本。

3.2 先進的荷載技術

通過ADS-B天線關鍵技術研究及ADS-B與AIS荷載一體化設計與開發，來實現低延時、高質量的數據通信。集成監視和ATC通信功能到一個單元里，實現遠距離指揮監視：SDR技術、多波束天線。

3.3 全球飛行跟蹤系統大數據應用

包括FlightRadar等應用，已經利用監視數據實現了移動終端對飛機的實時監控。而數據應用遠不止于此，將監視系統存儲的數據進行數據分析和數據挖掘可以實現對現有航空公司運行控制以及空管系統的優化，具體包括以下幾點：空中流量分析與優化、提高空域利用率、航線航路優化、成本優化。

3.4 計算機技術與星載ADS-B結合

基于星載ADS-B系統開發相關業務軟件系統、優化系統降低延時。利用現有國際衛星ADS-B數據資源，進行計算機仿真驗證工作，并與國際同步先期開展相關技術演示，可預先優化星載ADS-B的實施方案，避免不必要的損失。

4 結論

目前，國內ADS-B技術已經很成熟，現有的高性能航空器也都搭載了ADS-B接收機，但國內民用航空器的跟蹤監視處理偏遠地區還是主要依靠雷達，但大多出于技術驗證的目的，由于用戶過少，難以實現商業運行，針對該情況提出以下建議。

（1）基于中國民航飛行學院的飛行經驗，進行前期的數據驗證和可行性分析，為推廣提供前提條件。

（2）積極制定相關規章與標準，鼓勵民航單位實施ADS-B監視，并提供政策引導。

（3）加強民航與院校、科研院所及衛星通信公司的合作，研發出具有自主知識產權的星載ADS-B系統。

（4）加強國際合作，宣傳星載ADS-B優勢，吸引更多的航空公司加入這項業務。

[1]Steil B.International Convention on Maritime Search and Rescue[Z].1979.

[2]張豐蘩.中國民航航空器追蹤監控體系建設分三階段走[EB/OL].(2017-08-14)[2018-01-01].http://news.carnoc.com/list/415/415185.html.

[3]劉韜.由馬航客機失聯反思衛星在航空器飛行監控中的應用[J].衛星應用，2014，（5）：31-35，38.

[4]李國圣.星載ADS-B系統性能分析及可行性研究[D].成都：電子科技大學，2015.

[5]郭丞.機載衛星通信系統——銥星系統和海事衛星系統之比較[J].中國高新技術企業，2012，（23）：14-15.

[6]卜恩書，高紅蕾.衛星通信在民航空管中的應用與發展[J].衛星應用，2015，（11）：60-61.

[7]張學軍，張其善.ATM中的ADS-SSR數據融合研究[J].北京航空航天大學學報，2001，（1）：24-27.

[8]唐鵬.基于ADS-B數據監視性能評估技術研究[D].天津：中國民航大學，2015.

[9]李自俊.ADS-B廣播式自動相關監視原理及未來的發展和應用[J].中國民航飛行學院學報，2008，（5）：11-14.

[10]藍天翼.讓飛機“永不失聯”——衛星在全球航空飛行跟蹤中的應用[J].衛星應用，2015，（12）：41，44-49.

[11]陳利虎，陳小前，趙勇.星載ADS-B接收系統及其應用[J].衛星應用，2016，（3）：34-40.

[12]中國民用航空局.中國民航基于性能的導航實施路線圖[Z].2009.

[13]中國民用航空局.中國民用航空ADS-B實施規劃[Z].2012.

[14]中國民用航空局.中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖[Z].2017.

[15]Caleb Henry，Juliet Van Wagenen.Globalstar, ADS-B Technologies Complete Space-Based Aircraft Tracking Demonstration[EB/OL].(2014-09-18)[2018-01-01].http://www.aviationtoday.com/2014/09/18/globalstar-ads-btechnologies-complete-space-based-aircraft-trackingdemonstration/.