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第一章： ADS-B系统的工作原理和技术简介
概述：
ADS-B 的定义：
ADS-B是广播式自动相关监视的英文缩写，它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。ADS-B是一种全新科技，它将当今空中交通管制中的三大要素通信、导航、监视重新定义。
Automatic——自动，“全天候运行”，无需职守。
Dependent——相关，它只需要于依赖精确地全球卫星导航定位数据。
Surveillance——监视，监视（获得）飞机位置、高度、速度、航向、识别号和其它信息。
Broadcast——广播，无需应答，飞机之间或与地面站互相广播各自的数据信息。
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。
应用概况
ADS技术的应用方面，从1998年，中国民用航空为了探索新航行系统发展之路，促进西部地区航空运输发展，在国际航空组织新航行系统发展规划指导下，抓住中国西部地区开辟欧亚新航路的战略机遇，启动了第一条基于ADS技术的新航行系统航路(L888航路)建设。L888航路装备了FANS
1/A定义的ADS-C监视工作站，并在北京建立了网管数据中心。2000年，新系统完成了评估和测试并投入运行。2004年，北京、上海、广州三大区域管制中心相继建成。为三大区管中心配套的空管自动化系统都具备了ADS航迹处理能力。经验证，新系统可以处理和显示基于ACARS数据的自动相关监视航迹，也可以实施“航管员/飞行员数据链通信”(CPDLC)。这标志了中国航空的主要空管设施已经具备了ADS监视能力。随着我国航空公司机队规模扩大和机型的更新，近年来许多航空器都选装了适合新航行系统的机载电子设备，具备了地空双向数据通信能力。
中国航空在发展新航行系统和改进空中交通监视技术方面开展了建设性的活动，取得了一些成果，但总体上没有突破ADS-C的技术框架。因此，对解决空管的突出问题，改善安全与效率，效果并不明显。ADS-B技术的逐步成熟，将为我们寻求新的突破提供了机会。当今ADS-B技术发展已经进入实用阶段，而我国仍在ADS的概念阶段徘徊不前。当别人寻求以成本更低、效率更高、用途更广的新航行监视技术取代雷达技术时，我们还在加紧部署雷达网络。过去十年，航空空管在发展主义的旗帜下实现了规模的扩张，但是，发展质量不容乐观。一个重要的事实是极具说服力的：澳大利亚全境部署的雷达数量大致与上海飞行情报区可用的雷达资源相当。澳大利亚同行的优势，很大程度上得益于ADS-B技术的超前规划和大胆应用。相比之下，我们在ADS-B的实用技术研究、机载设备配备、地面系统建设、飞行和管制人员的操作技能培训等多方面，都还缺乏现实可行的规划安排。
技术体制问题
在ADS-C的技术体制内，ADS的航迹报告是有条件选择发送的。ADS-B与ADS-C之间除合约和通信协议的管理控制方式不同外，目标下传的位置、姿态和航行信息的内容基本一致。机载ADS报告系统对报告信息的要素选项、重复报告周期、发送选址都是可以预设的。飞机在收到地面发送的上行申请电文后发送ADS下行电文，将用户约定的报告内容通过空/地数据链和地面传输网络送达用户端。因此，ADS信息的使用是契约制的。也就是说，空管或航空公司签派等地面用户要想获得所需的ADS报告，必须逐架飞机、逐条航路(或航段)约定报告信息，同时还必须与经营空-地、地-地数据链传输业务的运营商定制信息传输服务。用户约定的飞行航迹越多、信息要素越多、重复报告周期越短，支付的信息服务费就越高，而且按照SITA格式电报计量的通信费用特别昂贵。在这样的技术体制下(附加了“第三方服务”成本)，虽然在低密度航路上，基于ADS监视技术的空中交通服务和航空公司运行管理都能够实现，但高额的运行成本却让空管和航空公司等用户望而却步，航空器已配置的先进机载设备、配套建设的空-空数据链、地-空数据链和地面用户设备也只能束之高阁。
技术兼容问题
首先是双向通信制式的差异。ADS-B的通信制式是广播式双向通信，而我国用来进行航迹跟踪和管制数据通信的地空数据链，采用美国ARINC公司的AEEC618/AEEC622协议方式，属应答式双向通信。此通信制式的数据刷新率受应答协议制约，其同步性和实时性都不能满足高密度飞行管制服务需求，无法与ADS-B技术兼容。
其次是数据链容量的差异。ADS-B所使用的数据链应能满足高密度飞行监视的要求，因此对数据长度和通信速率都有很高的要求。国际航空组织推荐的全球可互用的ADS-B的广播数据链-1090MHzS模式扩展电文数据链(1090ES)，最大下行数据长度达到112位，最大数据率达到1兆比特/秒。而我国现用的RGS地-空数据链，最大下行数据长度为32位，最大数据率仅2400比特/秒，显然不能与ADS-B广播电文兼容。
再则是传输技术上的差距。ADS-B广播电文是面向比特的数据串，下行数据到达地面后，必须透明地传输至航空管制或航空运行签派等地面用户端。而现有系统中，通过RGS或卫星截获的下行数据，须转换为面向字符的SITA报文格式，经低速的自动转报网传输到用户端。这种信息传输方式的低效率以及传输时延不确定性，不能适应高密度飞行监视。
解决现有系统与ADS-B技术兼容问题，关键是选择新的空-空、地-空数据链系统。数据链是ADS-B技术重要的组成部分，当前，许多国家和组织出于不同的开发意图，开发出了多种多样的数据链，从中选择适合我国实际的数据链类型，是确定机载设备性能和发展地面设施的前提。各国对ADS-B数据链的选择各持己见，但主流意见基本倾向于以下三种：
(1)甚高频数据链模式4(VDLMode4)--欧洲较流行;其核心技术为SOTDMA协议，不足是现在VHF频段资源紧张。
(2)万能电台数据链(UAT)--美国较流行，多用于通用航空飞机；采用二进制连续相移键控CP-FSK，不足是和DME地面设备的互相干扰严重。
(3)1090MHzS模式扩展电文数据链(1090ES)--国际民航组织推荐;采用选择性询问、双向数据通信，不足是已出现频谱过度使用的危机。
国际航空组织一直在努力倡导使各成员国能够执行一个统一的数据链标准，从而提高数据链设备在全球范围的通用性。如果空中的每架飞机都执行同一个数据链标准，通过
ADS-B系统，每个飞行员都能看到其周围一定范围内所有航空器的位置和动态。这将显著提高飞行员对其周围飞行态势的感知度，从而可以在保证飞行安全的前提下，进一步缩小飞机间的安全间隔，优化飞行路线，提高空域资源的利用率。
欧洲是"广播式自动相关监视"（ADS-B）技术的策源地。世界上第一次机载"飞行情报舱显器"（CDTI）与ADS-B技术的联合演示，就是1991年2月瑞典民航局在首都Bromma机场进行的。但是在欧洲，ADS-B技术的应用似乎更艰难些。相比美国和澳大利亚，欧洲各国要统一推广某种技术标准，难度大得多了。好在本世纪初，欧洲一体化进程大大推进了新航行技术在欧洲的应用。2004年5月，欧洲空管（EUROCONTROL）发布了欧洲实施新航行技术的政策，制定了一个"欧洲民航委员会通过新通信和监视技术应用推进空管一体化。
CASCADE计划与ADS-B技术
CASCADE-简称"欧洲一体化空管计划"有两大技术内核：ADS-B和ink2000+。
Link2000+是基于甚高频数据链模式2（VDL2）技术的地空数据链，主要用来为飞行员和管制员提供非话音的数据链通信（CPDLC）服务。
在ADS-B技术将在应用方面，CASCADE描述了如下多方面应用和服务内容：
（1）无雷达区域的应用（ADS-B NRA）：
用于增强无雷达区（远离陆地的海上平台、海岛等区域）的航行监视能力，并提供容量、安全和效率类似雷达监视的引导服务。部分面临淘汰的老旧雷达，出于成本效益的考虑也建议采用ADS-B NRA 方式实施更新改造。
（2）雷达区域应用（ADS-B RAD）：
在雷达监视（包括有ADS-B 补充监视）区域，用于改进A、B、C、D、E类空域的航路、终端区以及各个飞行阶段的空中交通管理能力。并逐步由ADS-B地面设备更替航管二次雷达，优化和降低地面监视系统的投入成本。
（3）机场场面监视应用（ADS-B APT）
在管制机场，ADS-B的应用可为场面监视系统提供飞机和车辆等目标物的活动信息。ADS-B可自成系统，与在用场监雷达（或ASDE-3系统）组合成互补的联合场监系统。也可以集成在"先进的场面活动目标引导和控制系统"（A-SMGCS Level 1）或场面探测设备（ASDE-X)概念的场监系统中。
（4）地面交通状况知晓（ATSA SURF）
帮助机组掌握滑行、跑道运行中的相关信息。例如在驶入滑行道口、进入活动的跑道前、起飞前等，机组可利用CDTI，观察周围活动物体的动态，避免冲突。
（5）空中交通状况知晓（ATSA AIRB ）
在飞行过程中，使机组能通过CDTI掌握邻近航空器的位置，提高避撞主动性，增强TCAS性能。
（6）进近目视增强（ATSA VSA ）
在目视进近、间隔较小情况下，使机组通过CDTI 掌握其它进近航空器的位置和速度，以保持最佳安全间隔。
（7）机载数据采集（ADS-B ADD）
采集航空器系统运行中生成的额外数据信息，利用ADS自发广播发给地面。主要为航空营运人或维修人员提供监控信息。
二.实施进程
使早期较成熟的技术较早投入应用和服务，CASCADE计划在实施上划分了两个流程：
第一流程，2004年启动，2008年实施。
第一流程主要致力于ADS-B技术的早期应用。重点增强无雷达（ADS-B NRA）或雷达监视手段不完备（ADS-B RDA）地区的地－空监视服务，改善机场场面监视服务（ADS-B APT）。在更新空管设施的同时获得ADS-B技术的低成本效益。在第一流程中，机载ADS-B设备只发不收，因此又称"ADS-B OUT"技术。
第二流程，2006年启动，2010年实施。
第二流程将改进ADS-B的应用软件，重点开发"机上状况知晓"（ATSA SURDF、ATSA AIRB、ATSA VSA）功能，更多地开发和利用机载运行数据（ADS-B ADD）。在此流程中，机载ADS-B系统不但要发送自身的航迹信息和运行数据，还必须有能力接收和处理邻近飞机发出的航迹信息，因此又称为"ADS-B IN"技术。
目前，CASCADE项目分别设立了运行专业组、认证专业组、计划编制专业组三个专门机构，协调全欧统一的技术标准、技术认证和实施计划，有力地推进着ADS-B技术在欧洲的应用。在ADS-B "OUT"技术发展方面，欧洲已拟定了ADS-B技术系统的底层结构，并且开始生产符合底层结构标准的设备。这些设备不但在澳大利亚投入使用，而且也在欧洲各地安装。到2006年4月，欧洲已经安装了24个ADS-B地面站，以支持无雷达和雷达管制区域的ADS-B应用仿真测试。部分欧洲国家的航空公司机队已经选装了符合国际民航组织《附件十》第77项修正案的机载ADS-B设备，并且通过了适航认证。为了迎接未来ADS-B技术全球发展的挑战，欧洲的飞机制造商已经开始开发具有飞机自主监视能力的ADS-B "IN"机载设备（收/发电台和显示器）。
三. 欧洲ADS-B发展思路分析
1．统一在"一个天空"的旗帜下
在疆土分制的欧洲，要推进统一标准ATM，难度是可想而知的。即使这样，欧洲人也没有各行其是、无序开发。在"一个天空"旗帜下，欧洲空管空前地统一。
在发展规划方面，欧洲民航组织设立了"欧洲一个天空空管研究"（SESAR）项目，研究和制定了欧洲民航34各成员国共同协调执行的一体化欧洲空管系统。
在计划执行方面，由CASCADE项目的三个权威专业组统一制定全欧的实施技术标准，统一进行全欧的底层结构系统认证，统一指导全欧ADS-B过渡计划的协调实施。并且在奥地利、德国、法国、西班牙、地中海地区、爱尔兰、葡萄牙、瑞典和英国分别设立了9个"监视技术第一软件包的合作确认"（CRISTAL）机构，保证ADS-B（附带交通情报广播功能－TIS-B）在欧洲大陆的实验和确认工作整体推进。真正做到了标准统一、开发有序，管理高效，稳步推进。
2．应用目标现实而明确.
欧洲空管是一个代表股东利益的代理管理组织，它的体制决定了其投资目标的现实性。在ADS-B技术开发和应用方面，欧洲空管首先考虑的不是越洋远程航路的监视，而是紧密结合欧洲大陆的空管需求，以改进陆地区域、高密度飞行的空中交通监视为基本目标。海岛和近海，不便安装或空中交通不值得配置雷达的无雷达区域，用ADS-B作为主要监视手段；雷达覆盖不完善的区域，ADS-B作为补充监视手段；雷达覆盖区域，ADS-B作为技术升级手段；在机场运行区域，ADS-B作为场面辅助监视手段。这是欧洲空的ADS-B近期应用目标。
下一步，欧洲空管主要开发ADS-B"IN"的应用。解决的问题主要是：
增强高密度飞行空域，飞机间的相互监视；
增强飞行（滑行）过程对地面情况的监视能力；
增强地面对机舱和飞机运行状况的监视能力。
从欧洲空管的发展目标可以清楚地发现，雷达监视技术将逐步被ADS-B技术取代，不仅是因为雷达设施投资大、管理成本高，而且由于雷达技术已无法胜任下一代空管系统的监视需求。
3．自主的技术应用路线
欧洲的ADS-B应用路线，既不同于美国，也明显区别于澳大利亚。
欧洲不具备美国高度集中的"国家空域系统"（NAS）优势，1998年以来，统一后的欧洲空管才开始修补"一个天空"下的管制缝隙。ADS-B技术 对欧洲空管来说，可谓天赐良机。当美国在"通用访问电台"（UAT）上开发ADS-B技术，谋求改进通用航空机队的自主监视和情报截获能力时，欧洲空管却把ADS-B技术应用的重点聚焦在增强高密度飞行区域空中交通管理系统的整体监视能力方面。在这一点上，欧洲空管与澳大利亚民航服务局不谋而合。但是相比澳人，欧洲人对ADS-B技术的应用更细腻，更系统，更有远见。澳洲人技术应用路线是"拿来主义"，无论地面还是机载设备，技术上对外依赖性较强，而且比较多地关注于眼前的受益。欧洲人则更注重ADS-B技术的全面运用。从他们对底层结构的设计、技术体制和产品标准的制定和认证、未来"自由飞行"环境的技术准备（空对空、空对地监视技术）等方面的考虑，都明显高澳人一筹。
4．数据链选择
ADS-B技术应用的一个重要前提是地空间数据传输载体的选择。由于欧洲空管的CASCADE项目的目标是：通过新通信和监视技术应用推进欧洲空管一体化，因此，CASCADE在地空数据链的选择上是监视与通信并重的。
在监视方面，首选国际民航组织《附件十》第77项修正案建议的"1090 兆赫S模式扩展型自发报文"（1090 ES）数据链。由于不考虑天气图一类的图像信息传输，1090 ES数据链可以满足CASCADE定义的所有ADS-B应用项目的数据传输要求（包括第二流程的应用要求）。
在通信方面，CASCADE有机地融合了Link 2000+地空通信数据链。Link 2000+数据链是欧洲空管开发的基于国际民航组织"航空电信网/甚高频数据链模式2"（ATN/VDL 2）的地空通信数据链。利用Link 2000+数据链，管制人员可以向机组发送放行许可类短指令。某些常规的、重复性的指令，甚至无需管制员干预，自动生成和发送（如通信信道转换、新配二次代码等）；机组可以通过数据链访问地面的OTIS数据库，获取所需的机场情报通播（ATIS）、机场气象（METAR）、航行/雪情通告（NOTAM/SNONTAM）等地面运行环境数据。利用Link 2000+数据链，还可以进行话音信道的话筒键检查，防止甚高频话筒键卡死造成话音信道阻塞，等等。
在美国，FAA同时选用1090 ES数据链和UAT数据链来支持ADS-B应用。不过美国的两种数据链分别用来装备不同机队，通用航空机队使用UAT数据链，商用运输机队主要使用1090 ES数据链。
与美国不同，欧洲空管的两种数据链都用于商用运输机，分别用来承载不同的业务数据。1090 ES数据链承载监视（Surveillance）数据，Link 2000+数据链承载通信（Communication）数据。两种数据链并行应用，可以满足较长时期地空数据通信的需求。机载方面，Link 2000+数据链是通过数/话兼容的甚高频通信信道传输的，对于符合FANS1/A标准配置的飞机来说，硬件改动很少，技术上易于实现。
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