李自科

摘 要：由于我國南海海洋面積廣闊，陸地面積少，安裝雷達(dá)比較困難，加上隨著“一帶一路”的提出，在飛過南海的航班越來越多，目前只有一部航管二次雷達(dá)供管制員使用，管制員的指揮壓力越來越大，ADS-B作為新型航空監(jiān)視技術(shù)今后在南海的地位極其重要。本文主要介紹MGS-01 ADS-B系統(tǒng)在南海的應(yīng)用必要性，該系統(tǒng)的組成、信號(hào)流程、信號(hào)傳輸及其應(yīng)用，在安裝過程面臨的問題以及解決方法，安裝完成后對(duì)評(píng)估ADS-B數(shù)據(jù)可靠性、覆蓋范圍來驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠在南中國海的實(shí)用性，為ADS-B監(jiān)視技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：ADS-B 可靠性 實(shí)用性

中圖分類號(hào)：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（b）-00-04

ADS-B是廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，它主要實(shí)施空對(duì)空監(jiān)視，一般情況下，只需機(jī)載電子設(shè)備（GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI），不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能，裝備了ADS-B的飛機(jī)可通過數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其他數(shù)據(jù)（如速度、高度及飛機(jī)是否轉(zhuǎn)彎、爬升或下降等）。與雷達(dá)系統(tǒng)相比，ADS-B能夠提供更加實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的航空器位置等監(jiān)視信息，建設(shè)投資只有前者的1/10左右，并且維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長。ADS-B可以在無法部署航管雷達(dá)的區(qū)域?yàn)楹娇掌魈峁﹥?yōu)于雷達(dá)間隔標(biāo)準(zhǔn)的虛擬雷達(dá)管制服務(wù)。

1 ADS-B在南海的應(yīng)用必要性

香港民航處已向國際民航組織申請(qǐng)將南中國海地區(qū)的中兩條航路（L642和M771）改為ADS-B監(jiān)視航路，預(yù)計(jì)2013年實(shí)施ADS-B航路管制。2011年6月16日，南中國海三亞情報(bào)區(qū)內(nèi)的L642和M771兩條洋區(qū)航路也開始實(shí)施了ADS-B實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)了利用ADS-B對(duì)廣闊區(qū)的二次雷達(dá)信號(hào)補(bǔ)盲，完善了洋區(qū)對(duì)空監(jiān)控手段。然而西沙二次雷達(dá)在西邊和西南邊均存在較大的盲區(qū)，尤其在情報(bào)區(qū)的交界點(diǎn)BUNTA和DALBA不能覆蓋到，而且西沙二次雷達(dá)肩負(fù)著兩個(gè)飛行情報(bào)區(qū)雷達(dá)信號(hào)重任，一旦該設(shè)備故障率極高將嚴(yán)重影響管制飛行服務(wù)，之前新建的ERA ADS-B仍然存在幾個(gè)問題：（1）在西沙東邊的BUNTA點(diǎn)附近覆蓋比較差，掉點(diǎn)現(xiàn)象比較嚴(yán)重；（2）北邊的IKELA點(diǎn)附近覆蓋比較差，有盲區(qū)；（3）西沙南邊的DONDA點(diǎn)和MONBO-MIGUS航線附近覆蓋一般。所以在馬嶺、南山、西沙新建新的ADS-B地面站顯得極為重要，MGS-01型ADS-B是繼ERA后另一套在南中國海區(qū)域使用的ADS-B設(shè)備，隨著今后4套設(shè)備投產(chǎn)使用，不僅能解決盲區(qū)的覆蓋問題，也將對(duì)三亞飛行情報(bào)區(qū)航路監(jiān)視提供有力的保障。

2 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)介紹

2.1 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)組成

ADS-B地面站包括ADS-B地面站主機(jī)（含1090MHz接收單元、數(shù)據(jù)處理單元、GNSS接收單元）、天饋單元、信標(biāo)機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、串口通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、供電防雷設(shè)備、監(jiān)控單元、安裝保障設(shè)備等，用于接收、處理1090MHz廣播的ADS-B信號(hào)，并按ASTRTIX CAT021 格式輸出ADS-B監(jiān)視信息，并支持?jǐn)U展DF17、DF18信息輸出。

2.2 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)信號(hào)流程

ADS-B地面站的ADS-B信號(hào)處理功能主要通過ADS-B天線、低噪放大器、1090ES接收機(jī)、信號(hào)處理模塊來實(shí)現(xiàn)。具體信號(hào)處理流程如圖1所示。

ADS-B信號(hào)處理主要處理流程包括：ADS-B天線獲取空中廣播的1090MHz頻率的ADS-B信號(hào)，GPS天線獲取廣播當(dāng)中的GPS信號(hào)。ADS-B信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器，用于補(bǔ)償饋線損失，降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，而且對(duì)1090MHz ADS-B信號(hào)進(jìn)行濾波，提高整機(jī)的抗干擾能力和靈敏度，經(jīng)過低噪聲放大器后信號(hào)進(jìn)入接收模塊，1090ES接收機(jī)將ADS-B天線收到的微弱射頻回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、檢波處理，形成對(duì)數(shù)視頻信號(hào)輸出。處理模塊接收視頻信號(hào)然后對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，包括解交織碼、錯(cuò)誤信息過濾、誤碼糾正等處理，實(shí)現(xiàn)具有抗多徑干擾和同頻干擾、分辨二重交織碼、誤碼信息修正等功能，并最終形成目標(biāo)數(shù)據(jù)，送給數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理器接收來自信號(hào)處理器的112位數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取、點(diǎn)跡處理、航跡處理、航跡跟蹤、目標(biāo)生成、信息組包處理，接收處理GPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位，形成符合CAT021格式的ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)，通過接口模塊以網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送和同步方式發(fā)送。

2.3 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)信號(hào)傳輸和應(yīng)用

ADS-B的應(yīng)用除了地空數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用外，各地面站與管制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸也極其重要。特別是在自然條件比較差的西沙群島當(dāng)中，這不僅對(duì)ADS-B地面站性能要求高，同時(shí)也是對(duì)傳輸設(shè)備性能的考驗(yàn)。目前中南地區(qū)空中交通管理局大力發(fā)展FA36網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于新建的ADS-B臺(tái)站信號(hào)的傳輸提供了極為便利的條件。在西沙新建的ADS-B地面站，只需要將信號(hào)傳送到老雷達(dá)站，并將信號(hào)接入到中南FA36網(wǎng)絡(luò)，便能通過中南FA36網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳送給三亞ACC、廣州ACC。在本次工程當(dāng)中總共安裝4套ADS-B地面站，其中馬嶺、南山一套，西沙兩套，每一個(gè)地面站都有兩路信號(hào)傳送，如何將多路信號(hào)融合成一路傳送給自動(dòng)化進(jìn)行處理就顯得相當(dāng)重要。

ADS-B前置預(yù)處理系統(tǒng)是將多路ADS-B信號(hào)進(jìn)入空管自動(dòng)化系統(tǒng)之前對(duì)其進(jìn)行過濾、融合成符合系統(tǒng)要求的信號(hào)作為輸出。ADS-B前置預(yù)處理系統(tǒng)能夠?qū)DS-B多路信號(hào)進(jìn)行錄制和回放，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控其信號(hào)狀態(tài)，并評(píng)估一段時(shí)間內(nèi)ADS-B信號(hào)質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)。西沙1、2#站ADS-B數(shù)據(jù)通過中南FA36 A網(wǎng)經(jīng)過三亞ACC跳轉(zhuǎn)然后送到三亞航管樓，馬嶺、南山的ADS-B直接到達(dá)航管樓，通過前置系統(tǒng)將四路ADS-B數(shù)據(jù)融合成一路ADS-B數(shù)據(jù)，通過中南FA36 A網(wǎng)抵達(dá)廣州ACC，并由廣州ACC廣播融合數(shù)據(jù)到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。傳輸路由圖如圖2所示。

2.4 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)供電

西沙群島地處遼闊的太平洋，自然條件比較惡劣，而且臺(tái)風(fēng)頻繁，目前島上所有設(shè)施的供電主要是通過油機(jī)發(fā)電。在島上建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)從長遠(yuǎn)角度來講能減少運(yùn)行成本，而且不用燃料，不會(huì)產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對(duì)環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源。ADS-B地面站是一種接收下行1090MHz數(shù)據(jù)鏈的設(shè)備，無需對(duì)外發(fā)射信號(hào)，雙機(jī)功耗小于200W。目前新建的MGS-01型一號(hào)ADS-B地面站放在室外機(jī)房頂，二號(hào)地面站設(shè)備室放在室內(nèi)。由于一號(hào)地面站為完全室外單元，所以一號(hào)地面站系統(tǒng)的供電將以太陽能電為主，在太陽能出現(xiàn)故障以后才會(huì)轉(zhuǎn)換成旁路市電。在二號(hào)地面站以太陽能供電為主，UPS電為輔。一、二號(hào)站供電示意圖如圖3、圖4所示。

3 MGS-01型ADS-B系統(tǒng)信號(hào)評(píng)估

判斷ADS-B系統(tǒng)性能是否可靠標(biāo)準(zhǔn)就是將其信號(hào)應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)，與相應(yīng)臺(tái)站的雷達(dá)信號(hào)對(duì)比和評(píng)估。分析數(shù)據(jù)的完好性、數(shù)據(jù)包傳輸延時(shí)、報(bào)文發(fā)送間隔、信號(hào)的覆蓋范圍來確定該設(shè)備性能是否適用于自動(dòng)化系統(tǒng)。目前由于2號(hào)地面站由于光纜中斷無法將信號(hào)傳回來三亞航管樓無法進(jìn)行分析。4個(gè)臺(tái)站系統(tǒng)的所有實(shí)際情況最后都會(huì)通過飛行校驗(yàn)來得到結(jié)論。

3.1 ADS-B數(shù)據(jù)完好性

可通過ADS-B報(bào)文中的完導(dǎo)航不確定度類別（NUC）參數(shù)來衡量的。為了表征導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精度和完好性，GPS接收機(jī)輸出水平保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（HPL）。為了減少飛機(jī)廣播參數(shù)的數(shù)量和長度，在ADS-B記載設(shè)備中，HPL被轉(zhuǎn)成導(dǎo)航不確定度類別（NUC）。NUC是一個(gè)0～9的整數(shù)，大于等于5可以實(shí)施雷達(dá)管制。選取西沙1號(hào)地面站通過軟件分析NUC≥5的報(bào)文數(shù)量占報(bào)文總量的94.90%。NUC<5的報(bào)文數(shù)量占報(bào)文總量的5.1%，全部是NUC為0的報(bào)文。因?yàn)榈孛嬲镜腘UC值由ADS-B信息當(dāng)中TYPECODE值決定，CAT021數(shù)據(jù)包當(dāng)中的NUC應(yīng)嚴(yán)格按照DO-260B規(guī)范要求填寫，所以出現(xiàn)一定比例NUC值為0屬于正常。NUC數(shù)值統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

3.2 ADS-B數(shù)據(jù)包延時(shí)

在ADS-B報(bào)文UAP中數(shù)據(jù)項(xiàng)I021/030Time of Day定義了位置報(bào)告時(shí)間。通過計(jì)算接收時(shí)間和位置報(bào)告時(shí)間的時(shí)間差，可以得出ADS-B報(bào)文的延時(shí)。選取西沙1號(hào)地面站通過軟件計(jì)算平均延時(shí)50ms，波動(dòng)范圍（偏離平均值30ms）。

3.3 ADS-B報(bào)文發(fā)送間隔

雷達(dá)系統(tǒng)的報(bào)文周期通常為4～10s。而ADS-B系統(tǒng)中，正常情況下同一航班收到兩條報(bào)文間隔為1s，由于可能受距離、環(huán)境、干擾等影響報(bào)文發(fā)送的間隔有時(shí)會(huì)大于1s，有時(shí)會(huì)小于1s。取西沙1號(hào)地面站通過軟件計(jì)算其中0.5s以內(nèi)間隔發(fā)送占比45.75%，0.5～1s占比42.74%，1～1.5s占比9.62%，1.5s以上占比1.9%。

3.4 ADS-B信號(hào)覆蓋

理論上，在可視范圍內(nèi)MGS-01 ADS-B系統(tǒng)覆蓋范圍為250nm，考慮到不同環(huán)境、地形的影響，覆蓋范圍可能會(huì)縮小。L642和M771航路上的飛機(jī)基本達(dá)到巡航高度，而且洋區(qū)周圍沒有遮擋，所以主要是分析7200m高空以上的覆蓋范圍。通過軟件打點(diǎn)分析，記錄飛機(jī)飛過區(qū)域所留下的軌跡直至消失。覆蓋如圖6所示。

每一個(gè)距離圈為100km，黃色為飛機(jī)飛行留下的軌跡，從圖中分析可知ADS-B作用距離大于400km，無明顯的覆蓋盲區(qū)，并在BUNTA點(diǎn)覆蓋連續(xù)，解決之前北邊的IKELA點(diǎn)附近覆蓋比較差和西沙南邊的DONDA點(diǎn)和MONBO-MIGUS航線附近覆蓋一般等問題。

4 結(jié)語

ADS-B是未來航空監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向，其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)顯著，今后在其技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)上，完全有可能取代雷達(dá)成為主要的監(jiān)視手段。我國民航事業(yè)起步較晚，重要設(shè)備的核心技術(shù)都在國外，大力推廣國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用，也有利于將我國從民航大國轉(zhuǎn)變成民航強(qiáng)國。

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