ADS-B技术及其在空管中的发展与应用

随着技术的不断创新和发展，以及军事和民用需求的促进，航空领域呈现出前所未有的发展形势，航空需求与日俱增，国家和公众对空域的需求与可供使用的空域资源不足的矛盾日益突出，飞行活动出现了许多新情况和新特点。政府职能部门、国内外企业和个人拥有航空器和直升机数量呈逐年上升趋势，且大部分在大中城市和机场密集地区飞行，使空域的飞行活动愈来愈变得错综复杂。根据美国运输部的报告，2007年美国单程飞行数达到近750万次[1]。中国航空工业第一集团公司预测，到2026年我国客运周转量接近1.2万亿人千米[2]。航空运输市场的快速发展带来机场和航路的拥挤。因此，如何充分、合理、科学、可靠地利用这样一个繁忙的空域，成为极其紧迫和重要的问题。必须建立完善的空管系统，包括先进机载设备、配套建设的空-空数据链、地-空数据链和地面用户设备。
　　自动相关监视(ADS)技术是新航行系统[3]发展最重要的成果，是国际上解决空中交通管制[4](空管)最有效的办法。广播式自动相关监视(ADS-B)是一种基于GPS全球卫星定位系统和空-空、地-空数据链通信的航空器运行监视技术[5]。
　　ADS-B系统
　　ADS-B主要实施空对空监视，一般情况下，只需机载电子设备(GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器CDTI)，不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能，装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其它数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其它飞机的机载ADS-B结合起来，在空地都能提供精确、实时的冲突信息[6]。
　　ADS-B系统由多地面站和机载站构成，以网状、多点对多点方式完成数据双向通信。机载ADS-B通信设备广播式发出来自机载信息处理单元收集到的导航信息，接收其他飞机和地面的广播信息后经过处理送给机舱综合信息显示器。机舱综合信息显示器根据收集的其他飞机和地面的ADS-B信息、机载雷达信息、导航信息后给飞行员提供飞机周围的态势信息和其他附加信息(如：冲突告警信息，避碰策略，气象信息)。

　　ADS-B系统的工作原理如图1、图2所示[7]。

　　图1表示具有同类设备飞机之间的相互监视以及地面对空监视的工作原理。ADS-B信息主要包括：飞机标识、飞机类别、3维位置、速度以及其它附加信息。图2表示地面向空中广播空中交通态势信息(TIS-B)、飞行情报服务以及接收和处理ADS-B下行信息的工作原理。

　　ADS-B系统是一个集通信与监视于一体的信息系统，由信息源、信息传输通道和信息处理与显示三部分组成。ADS-B的主要信息是飞机的4维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其它可能附加信息(冲突告警信息，飞行员输入信息，航迹角，航线拐点等信息)以及飞机的识别信息和类别信息。此外，还可能包括一些别的附加信息，如航向、空速、风速、风向和飞机外界温度等。这些信息可以由以下航空电子设备得到：(1)全球卫星导航系统(GNSS);(2)惯性导航系统(INS);(3)惯性参考系统(IRS);(4)飞行管理器;(5)其它机载传感器。ADS-B的信息传输通道以ADS-B报文形式，通过空-空、空-地数据链广播式传播。ADS-B的信息处理与显示主要包括位置信息和其它附加信息的提取、处理及有效算法，并且形成清晰、直观的背景地图和航迹、交通态势分布、参数窗口以及报文窗口等，最后以伪雷达画面实时地提供给用户。
　　ADS-B技术是新航行系统中非常重要的通信和监视技术，把冲突探测、冲突避免、冲突解决、ATC监视和ATC一致性监视以及机舱综合信息显示有机的结合起来，为新航行系统增强和扩展了非常丰富的功能，同时也带来了潜在的经济效益和社会效益。
　　ADS-B技术应用
　　ADS-B技术用于空中交通管制，可以在无法部署航管雷达的大陆地区为航空器提供优于雷达间隔标准的虚拟雷达管制服务;在雷达覆盖地区，即使不增加雷达设备也能以较低代价增强雷达系统监视能力，提高航路乃至终端区的飞行容量;多点ADS-B地面设备联网，可作为雷达监视网的旁路系统，并可提供不低于雷达间隔标准的空管服务;利用ADS-B技术还在较大的区域内实现飞行动态监视，以改进飞行流量管理;利用ADS-B的上行数据广播，还能为运行中的航空器提供各类情报服务。ADS-B技术在空管上的应用，预示着传统的空中交通监视技术即将发生重大变革。
　　ADS-B技术用于加强空-空协同，能提高飞行中航空器之间的相互监视能力。与应答式机载避撞系统(ACAS/TCAS)相比，ADS-B的位置报告是自发广播式的，航空器之间无须发出问询即可接收和处理渐近航空器的位置报告，因此能有效提高航空器间的协同能力，增强机载避撞系统TCAS的性能，实现航空器运行中即能保持最小安全间隔又能避免和解决冲突的空-空协同目的。ADS-B系统的这一能力，使保持飞行安全间隔的责任更多地向空中转移，这是实现“自由飞行”不可或缺的技术基础。
　　ADS-B技术用于机场地面活动区，可以较低成本实现航空器的场面活动监视。在繁忙机场，即使装置了场面监视雷达，也难以完全覆盖航站楼的各向停机位，空中交通管理“登机门到登机门”的管理预期一直难以成为现实[8]。利用ADS-B技术，通过接收和处理ADS-B广播信息，将活动航空器的监视从空中一直延伸到机场登机桥，因此能辅助场面监视雷达，实现“门到门”的空中交通管理。甚至可以不依赖场面监视雷达，实现机场地面移动目标的管理。
　　ADS-B技术能够真正实现飞行信息共享。空中交通管理活动中所截获的航迹信息，不仅对于本区域实施空管是必需的，对于跨越飞行情报区(特别是不同空管体制的情报区)边界的飞行实施“无缝隙”管制，对于提高航空公司运行管理效率，都是十分宝贵的资源。但由于传统的雷达监视技术的远程截获能力差、原始信息格式纷杂、信息处理成本高，且不易实现指定航迹的筛选，难以实现信息共享。遵循“空地一体化”和“全球可互用”的指导原则发展起来的ADS-B技术，为航迹信息共享提供了现实可行性。