ADS-B技術在低空領域通用機載導航監視中的應用

扈勝超 張 閻

（中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710000）

在民用航空運輸與無人機技術被廣泛應用的背景下，低空領域的飛行條件越來越嚴苛、復雜，低空飛行器發生碰撞的概率有所增加，且當前低空領域管制系統與實際發展情況并不匹配，亟須創新當前機載導航監視系統與技術。自動相關監視（ADS）系統是近年來我國投入研究較深的核心技術，能夠在空域管制中起到實效作用。基于廣播的自動相關監視（ADS-B）技術不僅具備衛星導航定位功能，還可以與空域飛機進行通訊，且此技術的數據更新效果更加優越。基于此，針對低空域通用機載導航監視系統的設計，需要通過ADS-B技術與廣播數據鏈的共同作用，以此實現低空域的實時信息傳遞。

1 ADS?B概述及其應用價值

1.1 ADS-B技術基本內容

ADS-B技術作為當前國際民航組織主要應用的監視技術之一，在我國航空領域的應用也越來越廣泛。ADS-B技術是建立在衛星定位與廣播數據鏈通訊的基礎上，以穩定、高效的監視功能為空管系統與航空公司提供有效監視，能夠確保管制員與飛行員對飛機運行狀態的掌控，并通過擴張監視系統覆蓋范圍來提高航班的運行效率與安全性。ADS-B技術的數據源主要是其導航設備與機載設備所傳回的數據信息，通信手段為地空或空空廣播數據鏈，基于飛機地外廣播位置、速度以及相關監視信息，完成地空或空空導航監視。此外，利用ADS-B技術能夠通過接收相關飛機的廣播信息，以本機為主體，對其他航空飛行器進行監視與指揮。

1.2 ADS-B技術應用價值

在我國空域管理機制的改進過程中，低空領域通航飛行中涉及的飛行員培訓、公務飛行、短/長途運輸等任務都廣泛應用了ADS-B技術。通用航空是民航強國建設中的重要組成部分，其發展與研究已上升至國家戰略的高度。通用航空飛機體型小、飛行高度低、航線相對靈活，這就導致其航空飛行任務容易受到環境、地形以及無線電干擾等因素的限制。在通用機載導航監視系統中引入ADS-B技術，能夠切實有效地推進其內部管理系統的完善與優化，通過獲取管理過程中的數據信息，達成廣闊領域的資源共享，進一步強化低空領域的管理，為實現低空領域交通資源的全面覆蓋提供技術支持[1]。

2 ADS?B技術在我國應用中所存在的問題

2.1 技術體制問題

ADS技術的使用形式與契約相似，ADS-B技術中，通用機載導航監視系統能夠將報告信息進行預設，并將目標地址、地面信息傳送至飛機，飛機接收到信息后，機載ADS設備才能將相應下行電文傳送回地面站。同理，地面站只有通過機載的ADS約定報告信息，才可以收集想要獲取的信息。基于飛行要求，航線數量越多，其包含的信息就越多。因此，ADS設備報告信息的使用頻率越高、周期越短，所繳納的服務費就越多。參照國際航空信息公司制定的格式，電報通信信息的傳遞需要較多資金，盡管ADS技術能夠對航線數量較少的航路進行監視，但是受到資金的限制，一部分民航企業并不使用ADS技術，這也導致ADS技術數據鏈通訊效果與相應的配套系統的應用沒有得到實質性進展。

2.2 技術兼容問題

ADS技術的通訊模式為地——地、地——空雙向通訊，我國航空飛行ADS設備采用的協議為美國的AEEC618與AEEC62。但是，我國的通訊協議與美國的廣播室雙向通訊不同，數據刷新率受到了通信協議的限制，這就導致當前協議的規定限度無法保證我國航空通訊的同步性與實時性，也無法與ADS系統建立同步連接。同時，ADS-B技術的廣播數據鏈可以對航線進行高密度監視。基于全球通用的ADS數據鏈，S模式數據鏈的最大長度為112位，但是，我國的最大下行數據長度為32位，且我國數據鏈與S模式相比，不具備兼容ADS-B廣播的能力。對于兼容問題，只有通過創建新的通訊數據鏈才能得到有效解決[2]。

3 基于ADS?B技術的低空領域導航監視系統優化

3.1 總體架構設計

通用機載導航監視系統將通過融合ADS-B技術與“北斗”來實現優勢互補。以“北斗”為導航，向ADS-B系統提供定位功能，并以ADS-B作為數據信息傳輸鏈路，利用“北斗”創建衛星鏈路，實現ADS-B的廣域監視，融合系統結構如圖1所示。

圖1 總體系統框架

根據功能差別將系統分為三層，分別是硬件層、協議層以及應用層。硬件層主要由服務器系統平臺、ADS-B數據采集節點、飛機承載終端系統等元素構成，用于服務器與機載終端的設計與開發；協議層主要包括ADS-B報文信息、“北斗”定位信息編碼、通航飛機監視信息編解碼等，用于實現通航飛機狀態數據信息傳遞；應用層包括服務器系統端與機載系統端，其主要作用是實現監視系統的信息化顯示與終端設計[3]。

3.2 系統報文協議

3.2.1 ADS-B報文協議

系統報文協議由ADS-B報文協議和“北斗”通信協議共同組成。依據兩種報文協議，設計了基于北斗定位功能的ADS-B鏈路，還規劃出導航飛機飛行情況監測數據包。ADS-B報文為112位，這一長度是一種按位格式設計的結果。1090ES報文中包含了ADS-B報文基本結構，PI字段長度為89～112位。該系統主要使用DF=17類型的報文。ADS-BME字段中包含特定時間、位置、速度及其他信息的ADS-B報文。因此，可以將“北斗”導航定位信息對ADS-B報文格式中ME字段的一些數據進行替換，并由此實現ADS-B鏈路的有效發送。

3.2.2 “北斗”通信協議

“北斗”通信協議的數據格式包括位置信息與時間信息。位置信息由10個字節組成，主要應用在系統位置信息的傳送上。“北斗”通信數據格式包含諸如時間和位置之類的信息，但不包含ICAO編號和飛機高度之類的信息。ADS-B報文中的AAICAO字段涵蓋了飛機的ICAO編號，ME字段涵蓋了飛機的高度信息數據。因此，一些ADS-B數據需要集成到“北斗”衛星鏈路發送的報文中，頻率為1 min/次。ADS-B報文中，飛機的ICAO編號、高度、時間、定位等信息非常重要，所以，當“北斗”通信數據格式保持不變時，可以根據“北斗”的速度格式將飛機的ICAO編號和高度信息整合到報文里面，從而生成新的CRC校驗值。在原始速度格式中，速度數據可以在1 min的時間間隔內通過經度和緯度信息獲得，坐標系變換后，可以獲得特定的距離信息，并推導出相應的速度信息。

3.3 便攜式終端系統設計

3.3.1 終端系統硬件設計

選擇STM32作為系統終端的核心處理器，并通過“北斗”導航系統的定位功能獲取數據源，把定位信息通過ADS-B報文進行編碼，并發揮出“北斗”導航的衛星鏈路功能，將飛機的飛行狀態傳輸至監視中心。結合機載導航監視系統的實際工作要求，在對其進行設計的過程中，以嵌入式系統作為系統處理器，系統硬件結構如圖2所示。

圖2 導航系統硬件結構

通過STM32核心處理器，可將獲取到的定位信息傳送至ADS-B發射機和“北斗”通信模塊中。

3.3.2 終端系統軟件設計

機載導航監視系統的終端軟件主要功能有采集監視數據、報文編碼以及串口通信。結合上述內容，在低空領域的監視信息中，利用“北斗”的功能模塊與處理器收集相應的信息，并通過微控制器，可獲取ARM架構下的STM32處理器。終端系統軟件運行流程如圖3所示。

圖3 導航系統終端軟件運行流程

通過圖3信息可知：第一，在系統初始化過程中，收集“北斗”定位功能模塊中的數據信息，在CPR編碼的基礎上，生成ADS-B報文；第二，如果ADS-B信號具備使用的條件，那么將利用ADS-B通信鏈路完成相應信息數據的傳輸，反之，則利用“北斗”衛星鏈路完成信息數據的傳輸。如果報文正常送達，監視中心系統平臺將顯示出相應的目標位置，否則報文編碼錯誤，出現通訊失敗的問題[4]。

4 結語

隨著機場建設和飛機數量的快速增長，為優化我國當前低空領域交通管理，有必要通過使用先進的空中交通管制技術進行科學改進。將ADS-B技術應用于航空路線規劃中，能夠調整新、舊機場之間的航空路線并進行準確規劃，加強不同地區之間的信息共享，提高低空領域交通管理效率。此外，ADS-B技術也能夠促進我國導航系統的完善，彌補雷達無法覆蓋的區域。目前，ADS-B系統仍處于發展初期，應鼓勵生產創新ADS-B設備，并通過實施相關政策與機制，加快ADS-B技術的發展。