ADS-B监视技术介绍及其在空管自动化系统中的应用

【摘要】    广播式自动相关监视（ADS-B）技术目前在国际民航组织的推广和普及下大力发展，ADS-B 技术特点是利用卫星导航技术、通信技术、机载设备的数据传输和接收以及地面站设备等先进技术相结合，提供了一种不同于雷达依靠探测和问询的方式获取目标位置信息的新型空中交通监视手段，其监视范围更广，能有效提高雷达覆盖能力不足地区的监视水平，随着ADS-B技术的不断发展和成熟，在目前的空管自动化领域，ADS-B已经开始被广泛应用。

【关键词】    广播式自动相关监视    空中交通监视    监视技术

一、ADS-B的技术原理

（一）ADS-B的定义

ADS-B是广播式自动相关监视的英文缩写，顾名思义，其具有通过ADS-B数据链自动对外广播数据的能力，并能通过其位置与呼号、二次代码等信息相关联，形成可靠的监视信息。 根据航空器机载设备的传递方式，机载ADS-B功能可以分为ADS-B（OUT）和ADS-B（IN）两种。ADS-B（IN）是指航空器机载设备接收其他航空器机载设备或地面站设备发送的ADS-B（OUT）信息为航空器提供空中态势数据和服务类数据等，使机组可以更好地了解其周围的其他航空器，空域信息。ADS-B（IN）的功能和用途在国内外已处于逐步推广并进行实验阶段，尚未做到整体普及。ADS-B（OUT）功能是指航空器机载设备以固定的周期通过ADS-B数据链以扩展电文的形式向其他航空器或地面站广播航空器的各种信息，包括：航空器识别信息（呼号、二次代码、地址码等）、航空器位置报告、高度码、速度、方向、上升下降率等。地面站通过接收机载设备下行数据发送的ADS-B（OUT）信息，经过对扩展电文的解析处理获得监视数据，起到与雷达相似的作用。

（二）ADS-B数据链

目前ADS-B有三种数据链技术，这三种数据链技术互不兼容，三种技术分别是Mode S 1090 ES技术（1090MHz S模式扩展电文）、UAT（978MHz双向收发机）技术以及VDL Mode（VDL-4数字数据链路）技术，目前1090ES技术在民航领域应用最为广泛，因其技术成熟并且拥有较高的传输带宽，其他两种模式均无法比拟，同时，1090ES传输技术只需对S模式应答机和普通地面站稍加改动，便可作为ADS-B数据传输设备使用，因此， 1090 ES数据链技术成为ICAO主推并且广泛应用的ADS-B数据链技术，目前我国民航的ADS-B机载设备均采用1090ES數据链技术。

二、ADS-B数据处理系统的架构与作用

（一）系统架构

ADS-B数据处理系统分为地面站、数据站、二级数据中心、一级数据中心。

（二）ADS-B系统的作用

本系统主要作用是利用1090ES数据链进行ADS-B数据的地空数据传输，ADS-B地空数据传输由航空器机载应答机和ADS-B地面站设备完成。ADS-B地面站接收航空器机载设备通过ADS-B数据链（目前应用的是S模式1090 ES）发射的下行数据，处理后生成ASTERIXCAT021格式的监视数据。

数据站能够根据应用需求引接ADS-B 地面站数据，同时实现对本区域内ADS-B 地面站的监控。

二级数据中心根据需求引接数据站、关键地面站数据，经过一系列过滤、融合处理后为空管自动化系统提供实时监视数据，同时向一级数据中心上传实时综合监视信息。

三、ADS-B二级数据中心的主要功能

（一）监视数据处理

在介绍ADS-B监视数据之前，我们必须要了解监视数据协议概念;ASTERIX CAT021 欧控监视数据交换标准文件—第12部分：ADS-B 报文（类别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版本差异比较大，1.4到2.4版本差异不大，系统通过对CAT021各个数据项进行解析获取目标航迹的航空器标识（呼号、二次代码、24位地址码等）、位置信息、高度信息、速度、方向以及上升下降率等。图3为CAT021的0.26版本数据项内容。

1.单路监视数据处理

系统能处理 ASTERIX CAT021格式的ADS-B数据，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;接收处理ASTERIX CAT023格式的ADS-B数据（地面站状态信息）：包括ASTERIX CAT023 V1.2版本格式或以上版本的信息。每一路ADS-B信息必须携带其唯一的SAC/SIC码并且有独立的数据通道接入系统，系统会检查DBMS中配置的对应数据源定义与数据实际传输过来的SAC/SIC是否一致，将对不一致的数据进行提示和丢弃处理。系统会对接收到的单路数据源进行简单的预处理并进行解析、跟踪、记录，形成平滑稳定的单路监视数据，单路数据一方面可以在态势界面进行查看，用户可以只查看一种单路监视数据，也可以将多个单路数据同时显示在态势界面上进行查看和对比。另一方面将被应用于多路监视数据融合处理。

2.多路监视数据融合处理

由于单路监视数据的覆盖范围和精确度有限，而空管自动化系统需要更大的范围且目标航迹准确稳定，因此ADS-B二级数据中心需要对多路监视数据进行融合处理，用以获得更全面、更准确的目标信息。

系统将会判断不同地面站报告的监视数据是否属于同一目标，如果确定为同一目标，系统将会对多个单路监视数据进行融合处理，生成综合监视数据。综合监视数据和单路监视数据可以同时在态势界面上进行观察，以便于设备维护人员对信号质量进行判断和排查。融合后的目标通过目标数据周期保持机制来避免位置的回跳和识别信息反复改变的情况。

（二）监视数据输出功能

经过一系列的单路数据引接处理，多路数据融合处理，ADS-B监视数据处理系统的最主要目的就是将监视数据输出给空管自动化系统、一级数据处理中心等需要ADS-B监视数据的单位和用户，系统可以按照空域要求，同时向外输出不同空域柱体范围、不同数据源的监视数据（可以是单路数据源也可以是多路融合数据）。监视数据输出能够将 ADS-B 数据以 ASTERIX CAT021（0.26、1.4、2.1等版本可选）格式，通过数据处理分系统发送给所辖地区的空管自动化系统;当ADS-B数据有ASTERIX CAT021格式的不同版本来源时，系统提供将高版本数据统一转为低版本格式输出的功能。需要特别注意的是，ADS-B系统可以根据空管自动化系统对于空域、高度、更新周期等要求，提供非常详细、全面的数据输出定义设置功能;我们了解到详细的定义选项，在输出数据设置之前，我们只需要按照自动化系统的需求，将ADS-B需要输出的空域、高度等条件以输出柱体的方式配置完成，再根据下表进行输出条件配置，便可以得到相应的监视数据输出链路。

（三）系统监控、参数配置等其他功能

1.作为一套完整的监视数据处理系统，ADS-B拥有完善的系统监控功能，监视和控制系统输入输出接口的工作状态。监视和控制系统内网络状态和各节点软件和硬件的工作状态，显示各通道的数据质量和各项指标的统计结果，监视ADS-B地面站设备状态。

2.系统配置了一套DBMS数据库管理工具，具备数据参数设置和软件版本升级功能，并且可以备份之前的软件版本用于在特定情况下进行版本或参数的回滚操作。

3.系统对于监视数据具有数据质量分析和验证能力，使用TDOA为基础，雷达（雷达综合航迹）辅助的假目标判定机制，数据质量分析和验证功能可以将假目标、问题航空器简单明了的呈现在列表和清单中，在系统对外输出监视数据时，既可以选择避免输出列表或清单中的目标，也可以选择依然输出这些目标。

4.系统配置了两套数据录制回放服务器和磁盘阵列设备。能同时记录和重放原始ASTERIX CAT021 格式的 ADS-B数据、处理后的航迹数据（包括经过数据融合、数据有效性校验等处理之后的综合数据等）、系统运行信息、各类告警信息、输出给外部用户的ADS-B数据等。作为空管自动化系统诸多监视源中的一种，此功能可以用来排查空管自动化系统中ADS-B信号源出现的假信号、丢信号、下行数据异常等问题。

四、ADS-B监视数据在空管自动化系统中的应用

（一）ADS-B监视数据在空管自动化系统中的优势

空管自动化系统具有处理不同监视源的监视数据功能，包括一、二次雷达数据、S模式二次雷达数据、多点定位监视数据、ADS-B监视数据等。这些数据通过融合处理，得到准确、全面的综合监视数据，生成稳定的系统航迹。融合处理功能需要处理不同监视源的更新周期以及检查监视数据的完整性和下行参数（DAPS）等问题。空管自动化系统在雷达覆盖能力不足或无雷达覆盖区域可以依靠ADS-B数据作为监视源，用来保障当前航空器间隔标准或减少航空器的间隔标准，优化航路设置。也可以在有雷达覆盖的区域同时引入ADS-B监视数据作为监视源之一参与融合，可以减少雷达覆盖边界区域航空器的最小间隔标准，在保证监视水平不降低的同时减少所需要的雷达数量。

相对于雷达部署和建设费用，ADS-B系统的一级数据中心、二级数据中心建设、地面站的建设和改造等护费用更低，因此自动化系统广泛应用ADS-B监视数据不但可以增加空域容量还可以减少传统雷达的建设投入，真正做到降低投入，提高效能。

（二）ADS-B监视数据在空管自动化系统中的运行现状

为了增加华北地区空域容量和空中交通水平，华北地区ADS-B二级数据中心根據空管自动化系统的需求将监视数据配置成相应的数据输出链路，通过DOP数据输出服务器经由输出防火墙输出，在自动化系统这端部署了ADS-B引接交换机进行连接。

目前ADS-B监视数据已于2021年底在北京THALES空管自动化系统中正式上线并参与融合，覆盖500-20000米高度范围。作为空管自动化系统众多监视源之一，我们可以通过THALES系统的SGW服务器对ADS-B信号进行上线、下线操作。也可以通过THALES系统SDD界面进行雷达监视源切换（可以选择查看ADS-B数据与雷达数据融合后的系统航迹，也可以选择查看只有雷达数据没有ADS-B数据参与融合的系统航迹），我们可以通过不同的雷达标识符判断ADS-B信号质量和融合状态，如下表。

当我们在自动化系统中遇到假信号、丢信号、下行数据异常等问题时，如果初步判断为ADS-B信号导致，可以建议管制员通过切换信号源，使用无ADS-B信号参与融合的综合航迹观察态势，然后维护人员根据信号异常情况来判断是否需要将ADS-B信号在自动化系统中做下线操作，在进行异常信号和下行数据问题排查时，普通雷达监视源在自动化系统中的原始数据项可以利用test.ptg工具进行解析和查看，而ADS-B监视数据则可以通过ADS-B二级数据中心进行输出数据回放以及对原始数据进行提取和解析。

面对日益繁忙的空域，以及空管部门一直以来对航空器间隔的严格要求，未来我们可以根据不同空域、不同高度的监视需求，继续增加ADS-B相应的监视数据链路，进一步提高空管自动化系统的空中交通水平、空域容量与运行效率。

作者单位：王晨旭    中国民用航空华北地区空中交通管理局

参  考  文  献

[1]郭金亮.空管自动化系统等保测评实践与安全防护技术研究[J].信息安全与通信保密，2021（11）：126-135.

[2]曾培彬.适用于进近管制的集成式相似航班告警系统的设计[J].中国民航飞行学院学报，2021，32（04）：48-52.

[3]郑楷文. S模式雷达和ADS-B数据在空管自动化系统中的应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2020（11）：162-163.

[4]邹国政. ADS-B数据在空管自动化系统中的处理方法分析[J].机电工程技术，2021，50（06）：188-190.