ADS-B的主要技术以及相关设备综述

1、ADS-B的主要技术以及相关设备综述袁义煌 宋智勇 王玲 胡冰（湖北省无线电管理委员会办公室，湖北 武汉430061）1.引言ADS-B是广播式自动相关监视的英文缩写（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）,是无线电技术在航空监视上的新应用,即利用空对地、空对空数据通信完成信息传递的一种新技术。ADS-B可为航空器传送的空域交通、天气、地形等飞行信息，让机组人员清晰地了解周边的交通情况，提高情景意识，并可用于航空公司的运行监控和管理，为安全、高效的飞行提供保障。ADS-B还可以用于飞行区的地面交通管理，防止跑道侵入【见图1，图2】。与雷达系统相比

2、，ADS-B能够提供更加实时、准确的航空器监视信息，可以增加无雷达区域的空域容量且维护费用低，使用寿命长。正是因为ADS-B有以上诸多的优点，促成国际航空界积极推进该项技术的应用。图1航空器周边交通情况显示我国已制定出ADS-B推广应用的中、长发展规划。部分ADS数据链组网可行性试验工程、支持ADS-B的地空应用基础设施建设已经完成，系列配套工程正有序展开。2. ADS-B的基本原理国际民航组织（ICAO）将ADS-B定义为“用于传递飞行参数，如：位置、航迹和速度等，通过数据链广播模式，在特定的间隔时间内发送，任何空地用户都可以申请这一功能”。ADS-B包含了以下几层含义：自动（Automat

3、ic）：数据传送不需要人工操作和地面的询问；相关（Dependent）：数据的发送全部基于机载设备；监视（Surveillance）：提供的状态数据适用于监视的任务；广播（Broadcast）：采用广播方式发送数据，所有用户都可以接收这些数据。根据相对于航空器的信息传递方向，机载ADS-B应用功能可分为发送（OUT）和接收（IN）两类（相对于航空器）【见图3】。图3 ADS-B工作原理示意图2.1 ADS-B OUTADS-B OUT是指航空器的机载发射机以一定的周期发送航空器的各种信息，包括：航空器识别信息（ID）、位置、高度、速度、方向和爬升率等。OUT是机载ADS-B设备的基本功能。地面

4、系统通过接收机载设备发送的ADS-B OUT信息，监视空中交通状况，起到类似于二次雷达的作用。ADS-B发送的航空器水平位置一般源于GNSS系统，高度源于气压高度表。GNSS（全球导航卫星系统的缩写）的定位决定着ADS-B的定位精度。2.2 ADS-B INADS-B IN是指航空器接收其他航空器发送的ADS-B OUT信息或地面服务设备发送的信息，为机组提供运行支持。ADS-B IN可使机组在驾驶舱交通信息显示设备（CDTI：Cockpit Display of Traffic Information）上“看到”其他航空器的运行状况，从而提高机组的空中交通情景意识。ADS-B地面站也可以向航

5、空器发送信息，具体分为两类：空中交通信息服务广播（Traffic Information Service Broadcast，TIS-B)和飞行信息服务广播(Flight Information Services-Broadcast，FIS-B)。TIS-B：ADS-B地面站接收航空器发送的ADS-B位置报文，将这些数据传递给监视数据处理系统(Surveillance data processing system，简称SDPS)，同时SDPS也接收雷达和其他监视设备的数据，SDPS将这些数据融合为统一的目标位置信息，并发送至TIS-B服务器。TIS-B服务器将信息集成和过滤后，生成空中交通监视

6、全景信息，再通过ADS-B地面站发送给航空器。这样机组就可以获得全面而清晰的空中交通信息。TIS-B的应用可以使ADS-B不同数据链类型的用户获得周边的空域运行信息，从而做到间接互相可见。FIS-B：ADS-B地面站向航空器传送气象、航行情报等信息。这些信息可以是文本数据，也可以是图像数据。文本格式的气象信息包括日常报（METAR）、特选报（SPECI)、机场天气预报(TAF）等。图像格式的信息包括雷达混合图像、临时禁飞区域和其他航行信息。FIS-B使机组可以获得更多的运行相关信息，及时了解航路气象状况和空域限制条件，为更加灵活而安全的飞行提供保障。2.3 ADS-B的技术核心数据链系统在数据

7、通信网中，按一种链路协议的技术要求连接两个或多个数据站的电信设施，称为数据链路，简称数据链。数据链路(data link)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。ADS-B的OUT和IN的功能都是基于数据链通信技术。共有三种数据链路可供ADS-B选择使用：S模式的基于异频雷达收发机的1090ES数据链；通用访问收发机（UAT：Universal Access Transceiver）；模式甚高频数据链（VDL-4）。2.3.1 1090ES1090ES数据链是ICAO推荐采用的用于ADS-B系统的数据链，“1090”指系统使用1090MHz作为下行传输频率，“ES”（Extend

8、ed Squitter【扩展间歇振荡器】）表示相对原有报文长度的扩展（56到112比特）以及自动广播的特性。1090ES传送的位置信息每0.5秒更新一次。表1是1090ES数据链的性能主要参数。表11090 ES数据链主要性能参数性能参数内容频率1090MHz比特率1Mb/s编码方式PPM（脉冲位置编码）发射机功率51-57dBm报文更新率位置2次/s速度2次/s消息长度112bits纠错24个奇偶校验码同步4个脉冲的前同步码伪随机接入2.3.1.11090ES的机载设备如仅需要ADS-B OUT功能，则要求两个主要电子组件：（1）S模式1090ES应答机，（2）GNSS接收机。具备ADS-B

9、 OUT和IN功能的综合收发系统要求4个主要电子组件：（1）S模式1090ES应答机，（2）GNSS接收机（3）1090 ES接收机，（4）驾驶舱交通信息显示器CDTI。2.3.1.2 1090ES应答机VT2000是Garrecht公司生产的具备发射ADS-B 1090信息能力的S模式应机，除了具备传统S模式应答机的功能外，还能够通过1090MHz数据链发射ADS-B信息。【见图4】。图4 VT2000 S模式应答机图5 TRX-1090数据接收机2.3.1.3 1090ES接收机TRX-1090是Garrecht公司研发的一款1090MHz数据接收机，能够接收1090MHz ADS-B信息

10、。具有两个外接显示器接口，用来连接外部CDTI。有GPS接口，以提供本机定位数据。如果对方飞机的应答机没有ADS-B OUT功能，本机TRX-1090也能够通过接收对方飞机的其他DF信息，得到对方飞机的高度信息，计算对方飞机距离本机的水平距离，并在本机CDTI显示出来。【见图5】。图5具有防撞警告功能的TAS600接收机TAS600A是Avidyne公司研发的既具备ADS-B IN功能，即ADS-B信息的接收能力，工作频率为1090MHz，又具备主动询问功能，能够针对临近飞机的位置、方位、相对高度和距离等参数给出声音警告。TAS600使用上下两个全向天线，总线接口为ARINC 429。【见图5

11、，图右侧为天线】。2.3.1.4机载座舱显示器图6机载座舱显示器LX8000图7机载座舱显示器EX600LX8000的是LxNav公司研制的机载座舱显示器，能够显示通过Garrecht TRX1090接收机接收到的临近空域其他飞机发射出来的ADS-B 1090信息。LX8000包含全球地形地图、空域和机场数据库。LX8000内置了FLARM防撞系统和飞行记录仪。【见图6】。EX600是Avidyne公司研制的机载座舱显示器，能够显示通过ADS-B 1090接收机接收到的临近空域其他飞机发射出来的ADS-B 1090信息。【见图7】。2.3.1.5 GPS/WASS传感器图8 GPS/WAAS传

12、感器图9地面接收站设备图图8是FreeFlight公司研制的1203 GPS/WAAS传感器，具备ARINC429接口可与导航及飞行管理系统整合，获取飞机的位置、速度等信息。2.3.1.5地面接收站设备图10国产化ADSB-2000A地面站接收站设备图图10是ADS-B(out) 1090ES处理模块构成的单台ADSB-2000A地面站，支持无人具有：双接收通道，热备份；提供标准的以太接口，支持远程网管功能；支持远程射频自检功能，GPS/Compass模块为ADS-B消息提供时标、地面站的经纬度；可以处理并解码ADS-B标准规定的DF18的消息。图9是实验网络的地面接收站设备图。2.3.3UA

13、TUAT是FAA（美国联邦航空局）专门设计用来支持ADS-B功能的收发系统。具有从地面站上行广播的功能，接入方式为时分复用。在1秒长的帧中，前188毫秒分配给地面广播服务，后812毫秒分配给ADS-B下行使用，下行部分采用随机接入方式,机载和地面收发机均采用978MHz的收发频率。目前，成熟的UAT产品是接收和发送为一体的集成设备。UAT数据链主要性能参数见表2。表3UAT数据链主要性能参数性能参数内容频率978MHz比特率1Mb/s编码方式2CPFSL带宽635K报文结构帧结构：1秒长的帧中，前188毫秒（22个时隙）上行，后812毫秒下行。下行的ADSB的基本报告可用128位，下行的ADS

14、的扩展报告可用256位。2.3.2.31 UAT收发信机RANGR 978MHz是美国FreeFlight公司专门针对通用航空设计并研制的一款UAT ADS-B收发信机，是符合FAA最新的适航标准的型号。【见图10】。图10RANGR 978MHzUAT收发信机图11SkyView机载座舱显示器SkyView是Dynon Avionics公司研制的机载座舱显示器，能够显示通过ADS-B UAT收发信机接收到的临近空域其他飞机发射出来的ADS-B UAT信息。【见图11】。图12第20研究所研制的多模式ADSADS-BB地面站2.3.4VDL Mode 4是瑞典民航局于1994年提出的数字数据链

15、路。VDL-4实际应用经验和实例现在还相对较少。2.3.5三种数据链的比较与拟采用的方案1090ES、UAT和VDL-4三种数据链互不兼容。1090ES数据链目前在TCAS、SSR等领域得到了广泛的应用，技术比较成熟，但是现有的S模式地面设备基本不具备上行数据传送能力。FAA考虑到1090 ES要支持TCAS防撞系统、MDL多点定位系统、SSR二次雷达等多项业务，1090 ES链路比较拥挤，而美国通用航空约占全美总飞行流量的1/3，非常需要动态、实时的信息服务，FAA为通用航空飞行选择了UAT链路。为解决1090ES与UAT互不兼容的缺点，国际上一些厂商推出了双数据链结构的接收设备，这些设备一

16、般工作在UAT数据格式下，当接收到1090ES数据时，其内部电路将1090ES数据转换为UAT数据格式。这种设备虽然做到了全面兼容1090ES数据链和UAT数据链，但是造价也相应增加，使这种双频接收机在通用航空领域的应用受到了一些影响。我国经济不断发展，通用航空器市场逐步增大。如果通用航空也使1090ES，必然加剧该频率出现过度使用的危机，UAT支持TIS-B和FIS-B服务，有利于通用航空飞行安全。虽然由于1090ES与UAT互不兼容，但可以通过建设双模地面站【见图11】，可以使监视系统具备ADS-R(ADS Rebroadcast）能力，实现两种数据链的数据互联。这也可能是我国ADS-B大规模实施时采用的数据链路方案。ADS-B相关的技术研究有：ADS-B机载设备（1090ES/UAT）;支持TIS-B和FIS-B服务的单/多模式地面站设备；异种ADS-B数据链信息交换技术；5组合监视技术。利用多传感器（ADS-B、监视雷达等）的数据融合，弥补ADS-B技术对G