ADS-B技術(shù)在低空領(lǐng)域通用機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視中的應(yīng)用

扈勝超 張 閻

（中國飛行試驗(yàn)研究院,陜西 西安 710000）

在民用航空運(yùn)輸與無人機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用的背景下，低空領(lǐng)域的飛行條件越來越嚴(yán)苛、復(fù)雜，低空飛行器發(fā)生碰撞的概率有所增加，且當(dāng)前低空領(lǐng)域管制系統(tǒng)與實(shí)際發(fā)展情況并不匹配，亟須創(chuàng)新當(dāng)前機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)與技術(shù)。自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）系統(tǒng)是近年來我國投入研究較深的核心技術(shù)，能夠在空域管制中起到實(shí)效作用。基于廣播的自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)不僅具備衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能，還可以與空域飛機(jī)進(jìn)行通訊，且此技術(shù)的數(shù)據(jù)更新效果更加優(yōu)越。基于此，針對低空域通用機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要通過ADS-B技術(shù)與廣播數(shù)據(jù)鏈的共同作用，以此實(shí)現(xiàn)低空域的實(shí)時(shí)信息傳遞。

1 ADS?B概述及其應(yīng)用價(jià)值

1.1 ADS-B技術(shù)基本內(nèi)容

ADS-B技術(shù)作為當(dāng)前國際民航組織主要應(yīng)用的監(jiān)視技術(shù)之一，在我國航空領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。ADS-B技術(shù)是建立在衛(wèi)星定位與廣播數(shù)據(jù)鏈通訊的基礎(chǔ)上，以穩(wěn)定、高效的監(jiān)視功能為空管系統(tǒng)與航空公司提供有效監(jiān)視，能夠確保管制員與飛行員對飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的掌控，并通過擴(kuò)張監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋范圍來提高航班的運(yùn)行效率與安全性。ADS-B技術(shù)的數(shù)據(jù)源主要是其導(dǎo)航設(shè)備與機(jī)載設(shè)備所傳回的數(shù)據(jù)信息，通信手段為地空或空空廣播數(shù)據(jù)鏈，基于飛機(jī)地外廣播位置、速度以及相關(guān)監(jiān)視信息，完成地空或空空導(dǎo)航監(jiān)視。此外，利用ADS-B技術(shù)能夠通過接收相關(guān)飛機(jī)的廣播信息，以本機(jī)為主體，對其他航空飛行器進(jìn)行監(jiān)視與指揮。

1.2 ADS-B技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

在我國空域管理機(jī)制的改進(jìn)過程中，低空領(lǐng)域通航飛行中涉及的飛行員培訓(xùn)、公務(wù)飛行、短/長途運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)都廣泛應(yīng)用了ADS-B技術(shù)。通用航空是民航強(qiáng)國建設(shè)中的重要組成部分，其發(fā)展與研究已上升至國家戰(zhàn)略的高度。通用航空飛機(jī)體型小、飛行高度低、航線相對靈活，這就導(dǎo)致其航空飛行任務(wù)容易受到環(huán)境、地形以及無線電干擾等因素的限制。在通用機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)中引入ADS-B技術(shù)，能夠切實(shí)有效地推進(jìn)其內(nèi)部管理系統(tǒng)的完善與優(yōu)化，通過獲取管理過程中的數(shù)據(jù)信息，達(dá)成廣闊領(lǐng)域的資源共享，進(jìn)一步強(qiáng)化低空領(lǐng)域的管理，為實(shí)現(xiàn)低空領(lǐng)域交通資源的全面覆蓋提供技術(shù)支持[1]。

2 ADS?B技術(shù)在我國應(yīng)用中所存在的問題

2.1 技術(shù)體制問題

ADS技術(shù)的使用形式與契約相似，ADS-B技術(shù)中，通用機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)能夠?qū)?bào)告信息進(jìn)行預(yù)設(shè)，并將目標(biāo)地址、地面信息傳送至飛機(jī)，飛機(jī)接收到信息后，機(jī)載ADS設(shè)備才能將相應(yīng)下行電文傳送回地面站。同理，地面站只有通過機(jī)載的ADS約定報(bào)告信息，才可以收集想要獲取的信息。基于飛行要求，航線數(shù)量越多，其包含的信息就越多。因此，ADS設(shè)備報(bào)告信息的使用頻率越高、周期越短，所繳納的服務(wù)費(fèi)就越多。參照國際航空信息公司制定的格式，電報(bào)通信信息的傳遞需要較多資金，盡管ADS技術(shù)能夠?qū)骄€數(shù)量較少的航路進(jìn)行監(jiān)視，但是受到資金的限制，一部分民航企業(yè)并不使用ADS技術(shù)，這也導(dǎo)致ADS技術(shù)數(shù)據(jù)鏈通訊效果與相應(yīng)的配套系統(tǒng)的應(yīng)用沒有得到實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

2.2 技術(shù)兼容問題

ADS技術(shù)的通訊模式為地——地、地——空雙向通訊，我國航空飛行ADS設(shè)備采用的協(xié)議為美國的AEEC618與AEEC62。但是，我國的通訊協(xié)議與美國的廣播室雙向通訊不同，數(shù)據(jù)刷新率受到了通信協(xié)議的限制，這就導(dǎo)致當(dāng)前協(xié)議的規(guī)定限度無法保證我國航空通訊的同步性與實(shí)時(shí)性，也無法與ADS系統(tǒng)建立同步連接。同時(shí)，ADS-B技術(shù)的廣播數(shù)據(jù)鏈可以對航線進(jìn)行高密度監(jiān)視。基于全球通用的ADS數(shù)據(jù)鏈，S模式數(shù)據(jù)鏈的最大長度為112位，但是，我國的最大下行數(shù)據(jù)長度為32位，且我國數(shù)據(jù)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(chuàng)建新的通訊數(shù)據(jù)鏈才能得到有效解決[2]。

3 基于ADS?B技術(shù)的低空領(lǐng)域?qū)Ш奖O(jiān)視系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

通用機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)將通過融合ADS-B技術(shù)與“北斗”來實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。以“北斗”為導(dǎo)航，向ADS-B系統(tǒng)提供定位功能，并以ADS-B作為數(shù)據(jù)信息傳輸鏈路，利用“北斗”創(chuàng)建衛(wèi)星鏈路，實(shí)現(xiàn)ADS-B的廣域監(jiān)視，融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)框架

根據(jù)功能差別將系統(tǒng)分為三層，分別是硬件層、協(xié)議層以及應(yīng)用層。硬件層主要由服務(wù)器系統(tǒng)平臺、ADS-B數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、飛機(jī)承載終端系統(tǒng)等元素構(gòu)成，用于服務(wù)器與機(jī)載終端的設(shè)計(jì)與開發(fā)；協(xié)議層主要包括ADS-B報(bào)文信息、“北斗”定位信息編碼、通航飛機(jī)監(jiān)視信息編解碼等，用于實(shí)現(xiàn)通航飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳遞；應(yīng)用層包括服務(wù)器系統(tǒng)端與機(jī)載系統(tǒng)端，其主要作用是實(shí)現(xiàn)監(jiān)視系統(tǒng)的信息化顯示與終端設(shè)計(jì)[3]。

3.2 系統(tǒng)報(bào)文協(xié)議

3.2.1 ADS-B報(bào)文協(xié)議

系統(tǒng)報(bào)文協(xié)議由ADS-B報(bào)文協(xié)議和“北斗”通信協(xié)議共同組成。依據(jù)兩種報(bào)文協(xié)議，設(shè)計(jì)了基于北斗定位功能的ADS-B鏈路，還規(guī)劃出導(dǎo)航飛機(jī)飛行情況監(jiān)測數(shù)據(jù)包。ADS-B報(bào)文為112位，這一長度是一種按位格式設(shè)計(jì)的結(jié)果。1090ES報(bào)文中包含了ADS-B報(bào)文基本結(jié)構(gòu)，PI字段長度為89～112位。該系統(tǒng)主要使用DF=17類型的報(bào)文。ADS-BME字段中包含特定時(shí)間、位置、速度及其他信息的ADS-B報(bào)文。因此，可以將“北斗”導(dǎo)航定位信息對ADS-B報(bào)文格式中ME字段的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，并由此實(shí)現(xiàn)ADS-B鏈路的有效發(fā)送。

3.2.2 “北斗”通信協(xié)議

“北斗”通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式包括位置信息與時(shí)間信息。位置信息由10個(gè)字節(jié)組成，主要應(yīng)用在系統(tǒng)位置信息的傳送上。“北斗”通信數(shù)據(jù)格式包含諸如時(shí)間和位置之類的信息，但不包含ICAO編號和飛機(jī)高度之類的信息。ADS-B報(bào)文中的AAICAO字段涵蓋了飛機(jī)的ICAO編號，ME字段涵蓋了飛機(jī)的高度信息數(shù)據(jù)。因此，一些ADS-B數(shù)據(jù)需要集成到“北斗”衛(wèi)星鏈路發(fā)送的報(bào)文中，頻率為1 min/次。ADS-B報(bào)文中，飛機(jī)的ICAO編號、高度、時(shí)間、定位等信息非常重要，所以，當(dāng)“北斗”通信數(shù)據(jù)格式保持不變時(shí)，可以根據(jù)“北斗”的速度格式將飛機(jī)的ICAO編號和高度信息整合到報(bào)文里面，從而生成新的CRC校驗(yàn)值。在原始速度格式中，速度數(shù)據(jù)可以在1 min的時(shí)間間隔內(nèi)通過經(jīng)度和緯度信息獲得，坐標(biāo)系變換后，可以獲得特定的距離信息，并推導(dǎo)出相應(yīng)的速度信息。

3.3 便攜式終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選擇STM32作為系統(tǒng)終端的核心處理器，并通過“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能獲取數(shù)據(jù)源，把定位信息通過ADS-B報(bào)文進(jìn)行編碼，并發(fā)揮出“北斗”導(dǎo)航的衛(wèi)星鏈路功能，將飛機(jī)的飛行狀態(tài)傳輸至監(jiān)視中心。結(jié)合機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)際工作要求，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，以嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)處理器，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過STM32核心處理器，可將獲取到的定位信息傳送至ADS-B發(fā)射機(jī)和“北斗”通信模塊中。

3.3.2 終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)載導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的終端軟件主要功能有采集監(jiān)視數(shù)據(jù)、報(bào)文編碼以及串口通信。結(jié)合上述內(nèi)容，在低空領(lǐng)域的監(jiān)視信息中，利用“北斗”的功能模塊與處理器收集相應(yīng)的信息，并通過微控制器，可獲取ARM架構(gòu)下的STM32處理器。終端系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航系統(tǒng)終端軟件運(yùn)行流程

通過圖3信息可知：第一，在系統(tǒng)初始化過程中，收集“北斗”定位功能模塊中的數(shù)據(jù)信息，在CPR編碼的基礎(chǔ)上，生成ADS-B報(bào)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(yīng)信息數(shù)據(jù)的傳輸，反之，則利用“北斗”衛(wèi)星鏈路完成信息數(shù)據(jù)的傳輸。如果報(bào)文正常送達(dá)，監(jiān)視中心系統(tǒng)平臺將顯示出相應(yīng)的目標(biāo)位置，否則報(bào)文編碼錯(cuò)誤，出現(xiàn)通訊失敗的問題[4]。

4 結(jié)語

隨著機(jī)場建設(shè)和飛機(jī)數(shù)量的快速增長，為優(yōu)化我國當(dāng)前低空領(lǐng)域交通管理，有必要通過使用先進(jìn)的空中交通管制技術(shù)進(jìn)行科學(xué)改進(jìn)。將ADS-B技術(shù)應(yīng)用于航空路線規(guī)劃中，能夠調(diào)整新、舊機(jī)場之間的航空路線并進(jìn)行準(zhǔn)確規(guī)劃，加強(qiáng)不同地區(qū)之間的信息共享，提高低空領(lǐng)域交通管理效率。此外，ADS-B技術(shù)也能夠促進(jìn)我國導(dǎo)航系統(tǒng)的完善，彌補(bǔ)雷達(dá)無法覆蓋的區(qū)域。目前，ADS-B系統(tǒng)仍處于發(fā)展初期，應(yīng)鼓勵(lì)生產(chǎn)創(chuàng)新ADS-B設(shè)備，并通過實(shí)施相關(guān)政策與機(jī)制，加快ADS-B技術(shù)的發(fā)展。