基于ADS-B的空管監視系統研究

董曉紅

（新疆民航空管設備有限責任公司，烏魯木齊 830016）

ADS-B是廣播式自動相關監視的英文縮寫（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）。其工作原理是機載設備通過數據鏈系統，將飛機的四維位置信息及其他識別信息廣播發送給地面站和同一區域內的其他飛機，以便管制員對飛機的狀態進行實時的監控。

ADS-B技術通過將衛星的定位導航技術、通信技術、民用航空機載設備和地面設備等技術相互貫穿而實現，不僅對航空交通安全的監管起到至關重要的作用，而且對飛行員和管制員洞察安全風險的能力、航空監視范圍的覆蓋、航空交通安全水平的提高、設備運行效率的提高以及空域容量的提高均有著積極的影響。通過ADS-B還可以實現飛行信息的實時共享，顯著增強了飛行員對周邊飛行環境的感知，增強航空器的協同避撞能力。通過綜合應用場面監視雷達、多點定位系統的，為終端管制人員提供機場地面交通信息以及跑道侵入信息，提高管制員的情景意識。目前，ADS-B技術已經在世界范圍內積極推廣，加快推廣應用ADS-B技術是我國由民航大國向民航強國邁進，建設新一代航空運輸系統的重要任務之一。

一、系統總體設計

如圖1所示，根據系統所需可將總系統分為互不干涉，但能相互融合以此來提高空管監視業務的4個子系統，即飛行數據顯示系統、ASD-B數據處理系統、監視數據顯示系統以及系統運行狀態監控系統。

圖1　系統總體設計UML圖

二、ADS-B信號接收和處理模塊設計

ADS-B信號接收和處理模塊主要負責報文的接收和解析，為監視數據的顯示和飛行數據的顯示做支持。

（一）ADS-B報文接收

ADS-B報文接收主要分為兩個部分：一是地面接收站接收相關的無線電報文信號；二是接收站將接收到的報文進行轉發。由ADS-B報文接收模塊針對轉發的報文進行接收。表1是對報文接收處理的設計描述。

（二）ADS-B報文解析

ADS-B報文解析主要是針對報文接收模塊中接收到的報文信息進行解析，在進行解析的時候主要是將報文的版本信息等作為依據來提取接收到的報文中的數據。

（1）功能描述。其主要功能是根據EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR SURVEILLANCE DATA EXCHANGE Part 12 - Category 021對所接收原始的ASD-B報文按要求進行解析，再將解析后的報文處理結果緩存至緩沖區，提供給報文處理輕量級進程。

（2）性能要求。需要和ADS-B接收線程保持同步，接收到的數據經解析后不允許丟幀。

（3）算法描述。算法描述主要是把報文解析中提取到的相關數據，按照Category 021的格式規定進行解析，在成功完成解析之后將獲得的解析結果寫入結果緩沖區。圖2是針對已有數據所進行的相關算法說明。

圖2　算法說明

三、監視數據顯示模塊設計

（一）概述

監視數據顯示（Surveillance Data Display，SDD）系統主要是針對飛行器痕跡進行顯示和告警，相關的用戶可以利用地理矢量對飛行器的痕跡、標牌信息等相關信息進行實時的觀察。此外，還可以顯示航班的相關指揮數據，并且能夠很好地進行人機交互。安裝了SDD系統的終端用戶還可以通過SDD系統更好地了解到飛機的飛行狀況等，從而利用該系統對飛機進行有效的指揮管控。

（二）結構設計

（1）系統模塊劃分。表2顯示的是SDD系統的3個工作模塊：用戶命令接口模塊、航跡監視視圖模塊和狀態信息顯示模塊。之所以對SDD系統進行模塊劃分，主要是因為SDD系統內部功能相對復雜，要想保證系統的正常運行，就需要確保各部分之間充分協作。因此，將該系統進行模塊劃分可以更好地掌握每個模塊的運行狀態，從而實現較好的系統運行。

（2）架構設計。下面用UML圖展示監視數據顯示系統的架構設計，以及各模塊的主要內部層次關系，如圖3所示。

表1　ADS-B報文接收設計描述

表2　SDD主窗口示意圖

圖3　監視數據顯示系統架構設計

四、飛行數據顯示系統設計

（一）概 述

飛行數據顯示（Flight Data Display，FDD）系統主要是負責管理和顯示飛行計劃，并且根據不同的狀況對飛行計劃進行及時的調整和改進等。此外，FDD系統還要負責管理電報相關方面的內容，具體的管理內容主要包括：顯示已收到的報文，糾正錯誤的報文等。鑒于FDD系統承擔的多項工作內容，FDD系統成為了空管系統中的重要組成部分。

由于FDD系統在空管系統中占據很重要的地位，因此在針對FDD系統進行設計的時候主要是圍繞需求分析結果進行的。為了更詳細、更全面地介紹FDD系統在空管系統中起到的作用，本文從多個方面進行分析。

（二）結構設計

（1）系統模塊劃分。表3是針對FDD系統的整體系統模塊進行的分析，為了更加清晰地表明每一個不同模塊所負責的任務，針對系統模塊的分析主要從飛行計劃管理、值班檔案處理和電報管理這3個方面進行功能上的對比分析，在運行過程中，這3個模塊相互獨立。

（2）架構設計。為了更加清楚地看到各個模塊之間的聯系，本文通過查閱資料采取了UML圖來描述系統的架構設計。如圖4所示，最頂層的是飛行數據顯示系統，正如上文中提到的，FDD是空管系統的一個重要組成部分，因此要想更好地進行分析就要從整體的飛行數據顯示系統著手，飛行數據顯示系統又包含了3個子模塊：飛行計劃管理模塊、檔案管理模塊和AFTN電報管理模塊。在3個子模塊中又分別包含不同的內容：飛行計劃管理中主要包含了顯示、編輯、新建、搜索以及打印等功能；檔案管理主要包含文件管理和顯示等功能；AFTN電報管理主要包括了報文模板；再往下層，文件顯示功能主要包含了一個第三方開源庫 Poppler，其主要負責文件的打開和讀寫及提供PDF文件的解析等內容。

圖4　飛行數據顯示系統架構設計

表3　飛行數據顯示系統模塊設計

五、系統運行狀態監控系統設計

（一）概 述

系統運行狀態監控（System Management Control，SMC）主要是負責將讀取到的結果進行圖形化的表示。具體的監控設備主要有席位主機、打印機及路由器等。

SMC監控系統要想很好地實現監控，就需要利用SNMP協議來完成。要想針對某一設備進行監控，就需要該監控設備同意該協議，SMC系統主要是先利用目標設備的IP等對監控目標發起SNMP查詢，通過查詢了解該監控目標是否已經同意和支持SNMP協議。除此之外還可以根據查詢結果了解到該監控目標的參數信息等，如果發現參數數據達到了告警標準，就需要及時發出告警，避免出現風險等。

（二）結構設計

（1）模塊劃分。表4顯示的是系統運行狀態監控模塊設計分析，分析內容主要涉及兩個方面：設備監控和管理模塊、用戶管理模塊。

表4　系統運行狀態監控系統模塊設計計

（2）架構設計。圖5是SMC的架構結構分析，該監視系統主要分為兩個方面：狀態監控和用戶管理。其中，狀態監控主要包括網元管理和監控，用戶管理主要包括數據庫操作。

六、結束語

圖5　系統運行狀態系統架構設計

綜上所述，ADS-B系統相較于傳統監視系統而言更加具有優勢，是國際民航空管監視系統的未來發展方向。由于其成本較低，建設較為方便，很值得相關領域的專業人士進行研究。我國對ADS-B技術在民航領域的應用較晚，目前正逐步形成以雷達、ADS-B為核心的民航監視網絡，隨著低空空域的逐漸開放，ADS-B技術在空管系統的應用上有很大的機遇和發展空間。本文主要研究的是基于ADS-B設計的空管監視系統，包含了空管監視系統中的關鍵功能，在小規模的空管監視中依舊可以起到較大的作用。