ADS-B監視技術介紹及其在空管自動化系統中的應用

【摘要】? ? 廣播式自動相關監視（ADS-B）技術目前在國際民航組織的推廣和普及下大力發展，ADS-B 技術特點是利用衛星導航技術、通信技術、機載設備的數據傳輸和接收以及地面站設備等先進技術相結合，提供了一種不同于雷達依靠探測和問詢的方式獲取目標位置信息的新型空中交通監視手段，其監視范圍更廣，能有效提高雷達覆蓋能力不足地區的監視水平，隨著ADS-B技術的不斷發展和成熟，在目前的空管自動化領域，ADS-B已經開始被廣泛應用。

【關鍵詞】? ? 廣播式自動相關監視? ? 空中交通監視? ? 監視技術

一、ADS-B的技術原理

（一）ADS-B的定義

ADS-B是廣播式自動相關監視的英文縮寫，顧名思義，其具有通過ADS-B數據鏈自動對外廣播數據的能力，并能通過其位置與呼號、二次代碼等信息相關聯，形成可靠的監視信息。 根據航空器機載設備的傳遞方式，機載ADS-B功能可以分為ADS-B（OUT）和ADS-B（IN）兩種。ADS-B（IN）是指航空器機載設備接收其他航空器機載設備或地面站設備發送的ADS-B（OUT）信息為航空器提供空中態勢數據和服務類數據等，使機組可以更好地了解其周圍的其他航空器，空域信息。ADS-B（IN）的功能和用途在國內外已處于逐步推廣并進行實驗階段，尚未做到整體普及。ADS-B（OUT）功能是指航空器機載設備以固定的周期通過ADS-B數據鏈以擴展電文的形式向其他航空器或地面站廣播航空器的各種信息，包括：航空器識別信息（呼號、二次代碼、地址碼等）、航空器位置報告、高度碼、速度、方向、上升下降率等。地面站通過接收機載設備下行數據發送的ADS-B（OUT）信息，經過對擴展電文的解析處理獲得監視數據，起到與雷達相似的作用。

（二）ADS-B數據鏈

目前ADS-B有三種數據鏈技術，這三種數據鏈技術互不兼容，三種技術分別是Mode S 1090 ES技術（1090MHz S模式擴展電文）、UAT（978MHz雙向收發機）技術以及VDL Mode（VDL-4數字數據鏈路）技術，目前1090ES技術在民航領域應用最為廣泛，因其技術成熟并且擁有較高的傳輸帶寬，其他兩種模式均無法比擬，同時，1090ES傳輸技術只需對S模式應答機和普通地面站稍加改動，便可作為ADS-B數據傳輸設備使用，因此， 1090 ES數據鏈技術成為ICAO主推并且廣泛應用的ADS-B數據鏈技術，目前我國民航的ADS-B機載設備均采用1090ES數據鏈技術。

二、ADS-B數據處理系統的架構與作用

（一）系統架構

ADS-B數據處理系統分為地面站、數據站、二級數據中心、一級數據中心。

（二）ADS-B系統的作用

本系統主要作用是利用1090ES數據鏈進行ADS-B數據的地空數據傳輸，ADS-B地空數據傳輸由航空器機載應答機和ADS-B地面站設備完成。ADS-B地面站接收航空器機載設備通過ADS-B數據鏈（目前應用的是S模式1090 ES）發射的下行數據，處理后生成ASTERIXCAT021格式的監視數據。

數據站能夠根據應用需求引接ADS-B 地面站數據，同時實現對本區域內ADS-B 地面站的監控。

二級數據中心根據需求引接數據站、關鍵地面站數據，經過一系列過濾、融合處理后為空管自動化系統提供實時監視數據，同時向一級數據中心上傳實時綜合監視信息。

三、ADS-B二級數據中心的主要功能

（一）監視數據處理

在介紹ADS-B監視數據之前，我們必須要了解監視數據協議概念;ASTERIX CAT021 歐控監視數據交換標準文件—第12部分：ADS-B 報文（類別021）。常用版本有0.26版本、1.4版本、1.5版本、2.1版本和2.4版本。其中0.26版本到1.4版本差異比較大，1.4到2.4版本差異不大，系統通過對CAT021各個數據項進行解析獲取目標航跡的航空器標識（呼號、二次代碼、24位地址碼等）、位置信息、高度信息、速度、方向以及上升下降率等。圖3為CAT021的0.26版本數據項內容。

1.單路監視數據處理

系統能處理 ASTERIX CAT021格式的ADS-B數據，包括V2.1及以上版本格式并且可以向下兼容例如V0.26、V1.4等版本格式;接收處理ASTERIX CAT023格式的ADS-B數據（地面站狀態信息）：包括ASTERIX CAT023 V1.2版本格式或以上版本的信息。每一路ADS-B信息必須攜帶其唯一的SAC/SIC碼并且有獨立的數據通道接入系統，系統會檢查DBMS中配置的對應數據源定義與數據實際傳輸過來的SAC/SIC是否一致，將對不一致的數據進行提示和丟棄處理。系統會對接收到的單路數據源進行簡單的預處理并進行解析、跟蹤、記錄，形成平滑穩定的單路監視數據，單路數據一方面可以在態勢界面進行查看，用戶可以只查看一種單路監視數據，也可以將多個單路數據同時顯示在態勢界面上進行查看和對比。另一方面將被應用于多路監視數據融合處理。

2.多路監視數據融合處理

由于單路監視數據的覆蓋范圍和精確度有限，而空管自動化系統需要更大的范圍且目標航跡準確穩定，因此ADS-B二級數據中心需要對多路監視數據進行融合處理，用以獲得更全面、更準確的目標信息。

系統將會判斷不同地面站報告的監視數據是否屬于同一目標，如果確定為同一目標，系統將會對多個單路監視數據進行融合處理，生成綜合監視數據。綜合監視數據和單路監視數據可以同時在態勢界面上進行觀察，以便于設備維護人員對信號質量進行判斷和排查。融合后的目標通過目標數據周期保持機制來避免位置的回跳和識別信息反復改變的情況。

（二）監視數據輸出功能

經過一系列的單路數據引接處理，多路數據融合處理，ADS-B監視數據處理系統的最主要目的就是將監視數據輸出給空管自動化系統、一級數據處理中心等需要ADS-B監視數據的單位和用戶，系統可以按照空域要求，同時向外輸出不同空域柱體范圍、不同數據源的監視數據（可以是單路數據源也可以是多路融合數據）。監視數據輸出能夠將 ADS-B 數據以 ASTERIX CAT021（0.26、1.4、2.1等版本可選）格式，通過數據處理分系統發送給所轄地區的空管自動化系統;當ADS-B數據有ASTERIX CAT021格式的不同版本來源時，系統提供將高版本數據統一轉為低版本格式輸出的功能。需要特別注意的是，ADS-B系統可以根據空管自動化系統對于空域、高度、更新周期等要求，提供非常詳細、全面的數據輸出定義設置功能;我們了解到詳細的定義選項，在輸出數據設置之前，我們只需要按照自動化系統的需求，將ADS-B需要輸出的空域、高度等條件以輸出柱體的方式配置完成，再根據下表進行輸出條件配置，便可以得到相應的監視數據輸出鏈路。

（三）系統監控、參數配置等其他功能

1.作為一套完整的監視數據處理系統，ADS-B擁有完善的系統監控功能，監視和控制系統輸入輸出接口的工作狀態。監視和控制系統內網絡狀態和各節點軟件和硬件的工作狀態，顯示各通道的數據質量和各項指標的統計結果，監視ADS-B地面站設備狀態。

2.系統配置了一套DBMS數據庫管理工具，具備數據參數設置和軟件版本升級功能，并且可以備份之前的軟件版本用于在特定情況下進行版本或參數的回滾操作。

3.系統對于監視數據具有數據質量分析和驗證能力，使用TDOA為基礎，雷達（雷達綜合航跡）輔助的假目標判定機制，數據質量分析和驗證功能可以將假目標、問題航空器簡單明了的呈現在列表和清單中，在系統對外輸出監視數據時，既可以選擇避免輸出列表或清單中的目標，也可以選擇依然輸出這些目標。

4.系統配置了兩套數據錄制回放服務器和磁盤陣列設備。能同時記錄和重放原始ASTERIX CAT021 格式的 ADS-B數據、處理后的航跡數據（包括經過數據融合、數據有效性校驗等處理之后的綜合數據等）、系統運行信息、各類告警信息、輸出給外部用戶的ADS-B數據等。作為空管自動化系統諸多監視源中的一種，此功能可以用來排查空管自動化系統中ADS-B信號源出現的假信號、丟信號、下行數據異常等問題。

四、ADS-B監視數據在空管自動化系統中的應用

（一）ADS-B監視數據在空管自動化系統中的優勢

空管自動化系統具有處理不同監視源的監視數據功能，包括一、二次雷達數據、S模式二次雷達數據、多點定位監視數據、ADS-B監視數據等。這些數據通過融合處理，得到準確、全面的綜合監視數據，生成穩定的系統航跡。融合處理功能需要處理不同監視源的更新周期以及檢查監視數據的完整性和下行參數（DAPS）等問題。空管自動化系統在雷達覆蓋能力不足或無雷達覆蓋區域可以依靠ADS-B數據作為監視源，用來保障當前航空器間隔標準或減少航空器的間隔標準，優化航路設置。也可以在有雷達覆蓋的區域同時引入ADS-B監視數據作為監視源之一參與融合，可以減少雷達覆蓋邊界區域航空器的最小間隔標準，在保證監視水平不降低的同時減少所需要的雷達數量。

相對于雷達部署和建設費用，ADS-B系統的一級數據中心、二級數據中心建設、地面站的建設和改造等護費用更低，因此自動化系統廣泛應用ADS-B監視數據不但可以增加空域容量還可以減少傳統雷達的建設投入，真正做到降低投入，提高效能。

（二）ADS-B監視數據在空管自動化系統中的運行現狀

為了增加華北地區空域容量和空中交通水平，華北地區ADS-B二級數據中心根據空管自動化系統的需求將監視數據配置成相應的數據輸出鏈路，通過DOP數據輸出服務器經由輸出防火墻輸出，在自動化系統這端部署了ADS-B引接交換機進行連接。

目前ADS-B監視數據已于2021年底在北京THALES空管自動化系統中正式上線并參與融合，覆蓋500-20000米高度范圍。作為空管自動化系統眾多監視源之一，我們可以通過THALES系統的SGW服務器對ADS-B信號進行上線、下線操作。也可以通過THALES系統SDD界面進行雷達監視源切換（可以選擇查看ADS-B數據與雷達數據融合后的系統航跡，也可以選擇查看只有雷達數據沒有ADS-B數據參與融合的系統航跡），我們可以通過不同的雷達標識符判斷ADS-B信號質量和融合狀態，如下表。

當我們在自動化系統中遇到假信號、丟信號、下行數據異常等問題時，如果初步判斷為ADS-B信號導致，可以建議管制員通過切換信號源，使用無ADS-B信號參與融合的綜合航跡觀察態勢，然后維護人員根據信號異常情況來判斷是否需要將ADS-B信號在自動化系統中做下線操作，在進行異常信號和下行數據問題排查時，普通雷達監視源在自動化系統中的原始數據項可以利用test.ptg工具進行解析和查看，而ADS-B監視數據則可以通過ADS-B二級數據中心進行輸出數據回放以及對原始數據進行提取和解析。

面對日益繁忙的空域，以及空管部門一直以來對航空器間隔的嚴格要求，未來我們可以根據不同空域、不同高度的監視需求，繼續增加ADS-B相應的監視數據鏈路，進一步提高空管自動化系統的空中交通水平、空域容量與運行效率。

作者單位：王晨旭? ? 中國民用航空華北地區空中交通管理局

參? 考? 文? 獻

[1]郭金亮.空管自動化系統等保測評實踐與安全防護技術研究[J].信息安全與通信保密，2021（11）：126-135.

[2]曾培彬.適用于進近管制的集成式相似航班告警系統的設計[J].中國民航飛行學院學報，2021，32（04）：48-52.

[3]鄭楷文. S模式雷達和ADS-B數據在空管自動化系統中的應用[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2020（11）：162-163.

[4]鄒國政. ADS-B數據在空管自動化系統中的處理方法分析[J].機電工程技術，2021，50（06）：188-190.