引言

　　隨著技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，以及軍事和民用需求的促進，航空領域呈現(xiàn)出前所未有的發(fā)展形勢，航空需求與日俱增，國家和公眾對空域的需求與可供使用的空域資源不足的矛盾日益突出，飛行活動出現(xiàn)了許多新情況和新特點。政府職能部門、國內外企業(yè)和個人擁有航空器和直升機數(shù)量呈逐年上升趨勢，且大部分在大中城市和機場密集地區(qū)飛行，使空域的飛行活動愈來愈變得錯綜復雜。根據(jù)美國運輸部的報告，2007年美國單程飛行數(shù)達到近750萬次[1]。中國航空工業(yè)第一集團公司預測，到2026年我國客運周轉量接近1.2萬億人千米[2]。航空運輸市場的快速發(fā)展帶來機場和航路的擁擠。因此，如何充分、合理、科學、可靠地利用這樣一個繁忙的空域，成為極其緊迫和重要的問題。必須建立完善的空管系統(tǒng)，包括先進機載設備、配套建設的空-空數(shù)據(jù)鏈、地-空數(shù)據(jù)鏈和地面用戶設備。

　　自動相關監(jiān)視(ADS)技術是新航行系統(tǒng)[3]發(fā)展最重要的成果，是國際上解決空中交通管制[4](空管)最有效的辦法。廣播式自動相關監(jiān)視(ADS-B)是一種基于GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視技術[5]。

　　ADS-B系統(tǒng)

　　ADS-B主要實施空對空監(jiān)視，一般情況下，只需機載電子設備(GPS接收機、數(shù)據(jù)鏈收發(fā)機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI)，不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能，裝備了ADS-B的飛機可通過數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其它數(shù)據(jù)(如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等)。ADS-B接收機與空管系統(tǒng)、其它飛機的機載ADS-B結合起來，在空地都能提供精確、實時的沖突信息[6]。

　　ADS-B系統(tǒng)由多地面站和機載站構成，以網狀、多點對多點方式完成數(shù)據(jù)雙向通信。機載ADS-B通信設備廣播式發(fā)出來自機載信息處理單元收集到的導航信息，接收其他飛機和地面的廣播信息后經過處理送給機艙綜合信息顯示器。機艙綜合信息顯示器根據(jù)收集的其他飛機和地面的ADS-B信息、機載雷達信息、導航信息后給飛行員提供飛機周圍的態(tài)勢信息和其他附加信息(如：沖突告警信息，避碰策略，氣象信息)。

　　ADS-B系統(tǒng)的工作原理如圖1、圖2所示[7]。

　　圖1表示具有同類設備飛機之間的相互監(jiān)視以及地面對空監(jiān)視的工作原理。ADS-B信息主要包括：飛機標識、飛機類別、3維位置、速度以及其它附加信息。圖2表示地面向空中廣播空中交通態(tài)勢信息(TIS-B)、飛行情報服務以及接收和處理ADS-B下行信息的工作原理。

　　ADS-B系統(tǒng)是一個集通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)，由信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示三部分組成。ADS-B的主要信息是飛機的4維位置信息(經度、緯度、高度和時間)和其它可能附加信息(沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點等信息)以及飛機的識別信息和類別信息。此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、空速、風速、風向和飛機外界溫度等。這些信息可以由以下航空電子設備得到：(1)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS);(2)慣性導航系統(tǒng)(INS);(3)慣性參考系統(tǒng)(IRS);(4)飛行管理器;(5)其它機載傳感器。ADS-B的信息傳輸通道以ADS-B報文形式，通過空-空、空-地數(shù)據(jù)鏈廣播式傳播。ADS-B的信息處理與顯示主要包括位置信息和其它附加信息的提取、處理及有效算法，并且形成清晰、直觀的背景地圖和航跡、交通態(tài)勢分布、參數(shù)窗口以及報文窗口等，最后以偽雷達畫面實時地提供給用戶。

ADS-B技術是新航行系統(tǒng)中非常重要的通信和監(jiān)視技術，把沖突探測、沖突避免、沖突解決、ATC監(jiān)視和ATC一致性監(jiān)視以及機艙綜合信息顯示有機的結合起來，為新航行系統(tǒng)增強和擴展了非常豐富的功能，同時也帶來了潛在的經濟效益和社會效益。

　　ADS-B技術應用

　　ADS-B技術用于空中交通管制，可以在無法部署航管雷達的大陸地區(qū)為航空器提供優(yōu)于雷達間隔標準的虛擬雷達管制服務;在雷達覆蓋地區(qū)，即使不增加雷達設備也能以較低代價增強雷達系統(tǒng)監(jiān)視能力，提高航路乃至終端區(qū)的飛行容量;多點ADS-B地面設備聯(lián)網，可作為雷達監(jiān)視網的旁路系統(tǒng)，并可提供不低于雷達間隔標準的空管服務;利用ADS-B技術還在較大的區(qū)域內實現(xiàn)飛行動態(tài)監(jiān)視，以改進飛行流量管理;利用ADS-B的上行數(shù)據(jù)廣播，還能為運行中的航空器提供各類情報服務。ADS-B技術在空管上的應用，預示著傳統(tǒng)的空中交通監(jiān)視技術即將發(fā)生重大變革。

　　ADS-B技術用于加強空-空協(xié)同，能提高飛行中航空器之間的相互監(jiān)視能力。與應答式機載避撞系統(tǒng)(ACAS/TCAS)相比，ADS-B的位置報告是自發(fā)廣播式的，航空器之間無須發(fā)出問詢即可接收和處理漸近航空器的位置報告，因此能有效提高航空器間的協(xié)同能力，增強機載避撞系統(tǒng)TCAS的性能，實現(xiàn)航空器運行中即能保持最小安全間隔又能避免和解決沖突的空-空協(xié)同目的。ADS-B系統(tǒng)的這一能力，使保持飛行安全間隔的責任更多地向空中轉移，這是實現(xiàn)“自由飛行”不可或缺的技術基礎。

　　ADS-B技術用于機場地面活動區(qū)，可以較低成本實現(xiàn)航空器的場面活動監(jiān)視。在繁忙機場，即使裝置了場面監(jiān)視雷達，也難以完全覆蓋航站樓的各向停機位，空中交通管理“登機門到登機門”的管理預期一直難以成為現(xiàn)實[8]。利用ADS-B技術，通過接收和處理ADS-B廣播信息，將活動航空器的監(jiān)視從空中一直延伸到機場登機橋，因此能輔助場面監(jiān)視雷達，實現(xiàn)“門到門”的空中交通管理。甚至可以不依賴場面監(jiān)視雷達，實現(xiàn)機場地面移動目標的管理。

　　ADS-B技術能夠真正實現(xiàn)飛行信息共享。空中交通管理活動中所截獲的航跡信息，不僅對于本區(qū)域實施空管是必需的，對于跨越飛行情報區(qū)(特別是不同空管體制的情報區(qū))邊界的飛行實施“無縫隙”管制，對于提高航空公司運行管理效率，都是十分寶貴的資源。但由于傳統(tǒng)的雷達監(jiān)視技術的遠程截獲能力差、原始信息格式紛雜、信息處理成本高，且不易實現(xiàn)指定航跡的篩選，難以實現(xiàn)信息共享。遵循“空地一體化”和“全球可互用”的指導原則發(fā)展起來的ADS-B技術，為航跡信息共享提供了現(xiàn)實可行性。

　　ADS-B技術在我國應用概況和存在的問題

　　應用概況

　　ADS技術的應用方面，中國航空的起步并不晚。1998年，中國航空為了探索新航行系統(tǒng)發(fā)展之路，促進西部地區(qū)航空運輸發(fā)展，在國際航空組織新航行系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃指導下，抓住中國西部地區(qū)開辟歐亞新航路的戰(zhàn)略機遇，啟動了第一條基于ADS技術的新航行系統(tǒng)航路(L888航路)建設。L888航路裝備了FANS 1/A定義的ADS-C監(jiān)視工作站，并在北京建立了網管數(shù)據(jù)中心。2000年，新系統(tǒng)完成了評估和測試并投入運行。2004年，北京、上海、廣州三大區(qū)域管制中心相繼建成。為三大區(qū)管中心配套的空管自動化系統(tǒng)都具備了ADS航跡處理能力。經驗證，新系統(tǒng)可以處理和顯示基于ACARS數(shù)據(jù)的自動相關監(jiān)視航跡，也可以實施“航管員/飛行員數(shù)據(jù)鏈通信”(CPDLC)。這標志了中國航空的主要空管設施已經具備了ADS監(jiān)視能力。隨著我國航空公司機隊規(guī)模擴大和機型的更新，近年來許多航空器都選裝了適合新航行系統(tǒng)的機載電子設備，具備了地空雙向數(shù)據(jù)通信能力。

中國航空在發(fā)展新航行系統(tǒng)和改進空中交通監(jiān)視技術方面開展了建設性的活動，取得了一些成果，但總體上沒有突破ADS-C的技術框架。因此，對解決空管的突出問題，改善安全與效率，效果并不明顯。ADS-B技術的逐步成熟，將為我們尋求新的突破提供了機會。當今ADS-B技術發(fā)展已經進入實用階段，而我國仍在ADS的概念階段徘徊不前。當別人尋求以成本更低、效率更高、用途更廣的新航行監(jiān)視技術取代雷達技術時，我們還在加緊部署雷達網絡。過去十年，航空空管在發(fā)展主義的旗幟下實現(xiàn)了規(guī)模的擴張，但是，發(fā)展質量不容樂觀。一個重要的事實是極具說服力的：澳大利亞全境部署的雷達數(shù)量大致與上海飛行情報區(qū)可用的雷達資源相當。澳大利亞同行的優(yōu)勢，很大程度上得益于ADS-B技術的超前規(guī)劃和大膽應用。相比之下，我們在ADS-B的實用技術研究、機載設備配備、地面系統(tǒng)建設、飛行和管制人員的操作技能培訓等多方面，都還缺乏現(xiàn)實可行的規(guī)劃安排。

　　可喜的是相關當局開始考察該技術的運行狀況，并表示進一步開發(fā)、利用這項新技術，對推動我國航空活動發(fā)展提供了現(xiàn)實可行性。

　　技術體制問題

　　在ADS-C的技術體制內，ADS的航跡報告是有條件選擇發(fā)送的[9]。ADS-B與ADS-C之間除合約和通信協(xié)議的管理控制方式不同外，目標下傳的位置、姿態(tài)和航行信息的內容基本一致。機載ADS報告系統(tǒng)對報告信息的要素選項、重復報告周期、發(fā)送選址都是可以預設的。飛機在收到地面發(fā)送的上行申請電文后發(fā)送ADS下行電文，將用戶約定的報告內容通過空/地數(shù)據(jù)鏈和地面?zhèn)鬏斁W絡送達用戶端。因此，ADS信息的使用是契約制的。也就是說，空管或航空公司簽派等地面用戶要想獲得所需的ADS報告，必須逐架飛機、逐條航路(或航段)約定報告信息，同時還必須與經營空-地、地-地數(shù)據(jù)鏈傳輸業(yè)務的運營商定制信息傳輸服務。用戶約定的飛行航跡越多、信息要素越多、重復報告周期越短，支付的信息服務費就越高，而且按照SITA格式電報計量的通信費用特別昂貴。在這樣的技術體制下(附加了“第三方服務”成本)，雖然在低密度航路上，基于ADS監(jiān)視技術的空中交通服務和航空公司運行管理都能夠實現(xiàn)，但高額的運行成本卻讓空管和航空公司等用戶望而卻步，航空器已配置的先進機載設備、配套建設的空-空數(shù)據(jù)鏈、地-空數(shù)據(jù)鏈和地面用戶設備也只能束之高閣。

　　技術兼容問題

　　首先是雙向通信制式的差異。ADS-B的通信制式是廣播式雙向通信，而我國用來進行航跡跟蹤和管制數(shù)據(jù)通信的地空數(shù)據(jù)鏈，采用美國ARINC公司的AEEC618/AEEC622協(xié)議方式，屬應答式雙向通信。此通信制式的數(shù)據(jù)刷新率受應答協(xié)議制約，其同步性和實時性都不能滿足高密度飛行管制服務需求，無法與ADS-B技術兼容。

　　其次是數(shù)據(jù)鏈容量的差異。ADS-B所使用的數(shù)據(jù)鏈應能滿足高密度飛行監(jiān)視的要求，因此對數(shù)據(jù)長度和通信速率都有很高的要求。國際航空組織推薦的全球可互用的ADS-B的廣播數(shù)據(jù)鏈-1090MHzS模式擴展電文數(shù)據(jù)鏈(1090ES)，最大下行數(shù)據(jù)長度達到112位，最大數(shù)據(jù)率達到1兆比特/秒。而我國現(xiàn)用的RGS地-空數(shù)據(jù)鏈，最大下行數(shù)據(jù)長度為32位，最大數(shù)據(jù)率僅2400比特/秒，顯然不能與ADS-B廣播電文兼容。

　　再則是傳輸技術上的差距。ADS-B廣播電文是面向比特的數(shù)據(jù)串，下行數(shù)據(jù)到達地面后，必須透明地傳輸至航空管制或航空運行簽派等地面用戶端。而現(xiàn)有系統(tǒng)中，通過RGS或衛(wèi)星截獲的下行數(shù)據(jù)，須轉換為面向字符的SITA報文格式，經低速的自動轉報網傳輸?shù)接脩舳?。這種信息傳輸方式的低效率以及傳輸時延不確定性，不能適應高密度飛行監(jiān)視。

　　解決現(xiàn)有系統(tǒng)與ADS-B技術兼容問題，關鍵是選擇新的空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈是ADS-B技術重要的組成部分，當前，許多國家和組織出于不同的開發(fā)意圖，開發(fā)出了多種多樣的數(shù)據(jù)鏈，從中選擇適合我國實際的數(shù)據(jù)鏈類型，是確定機載設備性能和發(fā)展地面設施的前提。各國對ADS-B數(shù)據(jù)鏈的選擇各持己見，但主流意見基本傾向于以下三種[10]：(1)甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4(VDLMode4)--歐洲較流行;其核心技術為SOTDMA協(xié)議，不足是現(xiàn)在VHF頻段資源緊張。(2)萬能電臺數(shù)據(jù)鏈(UAT)--美國較流行，多用于通用航空飛機;采用二進制連續(xù)相移鍵控CP-FSK，不足是和DME地面設備的互相干擾嚴重。(3)1090MHzS模式擴展電文數(shù)據(jù)鏈(1090ES)--國際民航組織推薦;采用選擇性詢問、雙向數(shù)據(jù)通信，不足是已出現(xiàn)頻譜過度使用的危機。這三種數(shù)據(jù)鏈技術概貌見表1。

　國際航空組織一直在努力倡導使各成員國能夠執(zhí)行一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈標準，從而提高數(shù)據(jù)鏈設備在全球范圍的通用性。如果空中的每架飛機都執(zhí)行同一個數(shù)據(jù)鏈標準，通過 ADS-B系統(tǒng)，每個飛行員都能看到其周圍一定范圍內所有航空器的位置和動態(tài)。這將顯著提高飛行員對其周圍飛行態(tài)勢的感知度，從而可以在保證飛行安全的前提下，進一步縮小飛機間的安全間隔，優(yōu)化飛行路線，提高空域資源的利用率。

　　發(fā)展方向

　　當前，處于成長期的中國航空運輸業(yè)，空域范圍在擴充，機隊規(guī)模在擴大，機型在更新，空管設施面臨進一步改造和完善。當局將面臨選擇：是全面引進國外ADS-B空管技術，還是在現(xiàn)有體制上改造，還是自主研發(fā)ADS-B技術。無論采用何種方式，都涉及到全面更新機載設備、調整空管地面設施的結構、研發(fā)和生產技術產品等，必須協(xié)調各方，整體推進，還需要航空宏觀政策的政策支持。出于兼容現(xiàn)有機載設備、兼顧終極發(fā)展目標的考慮，政策取向也會有所側重。近期待實現(xiàn)和完善的目標有：

　　·ADS-B技術實驗計劃的安排;

　　·機載設備全面更新;

　　·實驗基礎上制定ADS-B應用規(guī)則和服務程序;

　　·制定陸地區(qū)域ADS-B地面系統(tǒng)的技術規(guī)范;

　　·西部地區(qū)ADS-B監(jiān)視為主、雷達監(jiān)視為輔的管制策略(限制雷達布局)[11];

　　·雷達管制地區(qū)建立基于ADS-B航跡處理的應急備份系統(tǒng);

　　·積極推進空中交通管制一體化建設[12]。

　　結語

　　ADS-B系統(tǒng)對空中交通管制的發(fā)展具有十分重要的意義。根據(jù)沖突檢測和交通態(tài)勢圖顯示，實現(xiàn)飛行器相互監(jiān)視和指揮能力，增加了航行的安全性。通過有效減小飛行器在空域內的最小間隔增大空域容量，提高了空域資源的利用率。ADS-B良好的通信功能和監(jiān)視手段能更準時、及時、連續(xù)的掌握飛行器動態(tài)，有效實施管制。我國航空事業(yè)起步較晚，技術力量薄弱，因地制宜，大力科學推進ADS-B系統(tǒng)的實施有望迅速帶來顯著的經濟效益和軍事效益。