ADS―B数据链系统的建设与应用

[摘 要]ADS-B数据链系统目前主要包括三种：1）S模式的基于异频雷达收发机的1090ES数据链；2）通用访问收发机（UAT）数据链；3）模式4甚高频数据链（VDL-4）。本文主要介绍了三种数据链目前在国内的建设和应用情况，并对ADS-B数据链系统建设中可能出现的问题进行了探讨。

[关键词]ADS-B；UAT；1090ES；VDL-4；数据链

中图分类号：V355 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0121-02

1 概述

面对二十一世纪飞行活动量的急剧增长，为建立未来全球飞行必须的统一标准、统一体制的无缝隙空中交通环境，国际民航组织（ICAO）明确提出以卫星技术、数据通信技术和计算机技术为基础的ADS-B（广播式自动相关监视）技术构建“未来航行系统（FANS）”，达到有效保证空中交通安全有序，减轻驾驶员和管制员的负担的目的。

ADS-B技术通过交换飞机的四维位置信息（经度、纬度、高度、时间）、飞行员输入信息、航迹信息、飞机识别信息及气候信息，达到对周围空域态势的共享。这些信息来源于：全球卫星导航系统（GNSS）、惯性导航系统（INS）、惯性参考系统（IRS）、飞行管理系统（FMS）及其他机载传感器。根据相对于航空器的信息传递方向，ADS-B应用功能可分为发送（OUT）和接收（IN）两类。ADS-BOUT是指航空器主动发送其位置信息和其他信息，地面系统通过接收机载设备发送的ADS-BOUT信息，监视空中交通状况，起到类似于雷达的作用；ADS-BIN是指航空器接收其他航空器发送的ADS-BOUT信息或地面服务设备发送的信息，并能在驾驶舱交通信息显示设备（CDTI）上“看到”其他航空器的运行状况，从而有助于机组人员对周围空域交通状况的了解。

2 ADS-B数据链发展现状

目前主要有三种数据链能够提供ADS-B服务，分别是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）数据链和模式4甚高频数据链（VDL-4）。这三种数据链在体制上互不兼容，且不同的地区或不同的机型选用了不同的数据链体制，一定程度上制约了ADS-B监视的推广应用。

1090ES数据链是基于二次监视雷达（SSR）的S模式扩展电文（ES）基础上发展起来的，它是ICAO唯一实现大规模商用化的成熟链路技术，且目前只有该项技术获得了批准的全球无线电频谱，故在TCAS、SSR等领域得到了广泛的应用和发展。

UAT数据链是美国联邦航空局（FAA）考虑到1090MHz频段比较拥挤，不足以支撑通用航空大容量、动态和实时的信息服务，最后选择了专为ADS-B设计的工作于978MHz单一信道上的多功能数据链通信系统（即UAT数据链系统）作为通用航空使用的数据链系统。经过分析和试验，在高密度和低密度情况下，UAT数据链空对空ADS-B性能总体上最优。目前国际上倾向于在通用航空方面应用UAT数据链系统完成导航和监视。

VDL-4数据链是瑞典民航局于1994年提出的基于自组织时分多路访问（STDMA）技术的数据链路。优点是VDL-4数据通信与ATN完全兼容，且由于VHF频段的良好传播特性，它能给机场的地面监视性能带来好处；缺点是传输速率比较低，存在划分信道频率困难和容易造成通信间的干扰，目前VDL-4还缺乏实际应用经验和实例，只有Eurocontrol正在致力开发用于通信、监视服务的VDL-4。三种数据链的对比分析见表1所示。

3 ADS-B数据链系统在国内的建设与应用

3.1 1090ES数据链系统

3.1.1 1090ES数据链系统组成及原理

1090ES数据链主要完成常规模式及S模式应答、ADS-B OUT和ADS-B IN等功能，包括机载端和地面端两部分，系统组成示意图如下图1所示。

S模式应答机完成S模式应答和ADS-B OUT功能；1090ES接收机实时接收其他飞机广播的ADS-B消息，并重组装为CAT021报告；座舱交通信息显示器（CDTI）接收1090ES接收机送来的CAT021报告，经过解码处理，以图形的方式将周围空中交通态势实时呈现给用户，必要时给予用户警告和避撞措施。

1090ES数据链地面站接收并处理飞机/车辆广播的ADS-B报文，组合成CAT021格式的航迹报告输出，同时还输出包含自身状态信息的CAT023报告和包含版本信息的CAT247报告。它为地面管制中心提供空域内的飞机或者机场场面的飞机、车辆信息，以便于地面管制中心实时监视周边空域交通状况，从而有效保障飞机飞行安全。

3.1.2 1090ES数据链系统的建设与应用

随着我国新航行系统建设和低空空域建设的开展和深入，1090ES数据链系统在军航和民航两方面都进行了加装和试验，并取得了很好的监视效果。

由于大部分商用飞机的现有设备具有ADS-B OUT功能，目前主要考虑地面监视系统的建设和应用。中国民航总局2008年3月在成都双流国际机场和九寨-黄龙机场安装了两套Sensis公司的基于1090ES数据链的ADS-B地面站，评估1090ES数据链的ADS-B系统的性能。经调试和试运行，设备工作正常，能显示航迹和相关信息，提高了监视能力；而以国营第七八三厂为代表的自主研制的1090ES数据链ADS-B地面站已经在北京、广州、成都、九寨、乌鲁木齐、兰州、绵阳、广汉、峨眉山等全国各地安装，目前运行情况良好。

1090ES数据链系统设备的成功投入和运行为我国逐步开展ADS-B系统的应用打下了良好的基础，为下一步ADS-B应用监视技术在全国的推广使用提供了大量的实际经验。

3.2 UAT数据链系统

3.2.1 UAT数据链系统组成及原理

UAT数据链系统包括UAT机载设备和UAT地面设备。该系统除了可支持ADS-B外、还支持FIS-B（Flight Information Service-Broadcast）和TIS-B（Traffic Information Service-Broadcast）等服务。通过ADS-B服务，安装UAT设备的飞机可将其位置信息、模式状态信息、空中气象信息等向周围空域及UAT地面站广播，同时它也接收其他安装UAT设备的飞机发送的位置信息、模式状态信息、空中气象信息等；通过FIS-B服务，安装UAT设备的飞机可接收UAT地面站发送的文本化或图像化的地面气象信息、空域咨询信息以及其他航空信息；通过TIS-B服务，UAT地面站可作为多种数据链之间的“网关”进行信息的转发和交通管制，使得安装UAT设备的飞机可接收UAT地面站转发的其他安装非UAT设备的飞机上的状态参数及其他信息。系统组成示意图如下图2所示。

3.2.2 UAT数据链系统的建设与应用

2005年，民航飞行学院完成了ADS-B在亚洲地区的首次应用测试，之后于2006年早些时候引进了该系统。目前已先后完成了绵阳、广汉、新津、遂宁、洛阳5个地面台建设，并在七种机型近200架飞机上完成了UAT数据链系统机载设备安装。实现了对训练的教练机进行实时、准确的跟踪监视，提高了飞行训练的安全性。

在UAT数据链系统方面开展的这些工作为我国在通用航空数据链的选择和使用上进行了有意义的探索，为下一步ADS-B应用监视技术在我国的推广使用奠定了坚实的基础。

3.3 VDL-4数据链系统

3.3.1 VDL-4数据链系统组成及原理

VDL一4数据链利用GNSS系统信息定时和STDMA方式组网，时隙选择由所有用户共同协调完成，采用面向比特的开放式系统互联（OSI）模型，实现了以前模式所不能完成的通信方式，并且系统性能也有了很大的改善。VDL一4数据链设备的基本结构包括VHF收发器、GNSS接收器和数据通信处理器各一台。设备基本结构如下图3所示。

3.3.2 VDL-4数据链系统的建设与应用

VDL一4数据链适合新一代通信系统的需要，但在作为监视应用的ADS-B数据链中相较于其他两种数据链（1090ES和UAT）却没有明显优势，目前仅在北欧一些国家的场面监视方面有一些应用，而我国目前也没有使用VDL一4数据链作为ADS-B监视应用的工程建设实例。

3.4 ADS-B数据链选择

目前，困扰我国决策的主要是1090ES数据链和UAT数据链选择的问题：即二选一，或是都选择。

从FAA已公布的资料中可以看出，美国也曾面临数据链选择问题。选择1090ES的认为，国际上UAT应用少，如果美国的航空器选择安装UAT，那么在执行国际运输任务时，就需要再加装1090ES机载设备。支持UAT的认为，1090ES 尚不支持FIS-B和TIS-B应用（这对于通用航空很重要），而且存在频率拥塞、干扰等问题。FAA 在听取上述两种意见后，根据运输航空和通用航空对空域的使用需求，在评估双链路运行技术和经费方面可接受情况后，根据实际情况决定运输航空使用1090ES，通用航空使用UAT。

中国的情况和美国不同，通用航空的发展还处于法律法规制定阶段，距离美国现在的通用航空市场还有相当大的距离。因此，在充分考虑数据源安全性、与现有系统兼容性、ADS-B OUT和ADS-B IN发展关系、频段抗干扰能力、与其他监视技术如多点定位系统的关系以及中国的发展国情等问题基础上，目前不考虑通用航空的影响，优先规划建设1090ES 数据链的应用，通过政策引导等措施促使通用航空器配置1090ES 数据链机载设备。在将来可根据ADS-B数据链应用和通用航空发展情况使用UAT数据链和1090ES数据链的“双数据链路模式”，在地面通过TIS-B报告实现不同数据链系统的互不兼容问题，如下图4所示。

4 ADS-B数据链系统需考虑的问题

由于ADS-B数据链系统具有高度依赖GNSS提供数据源信息的特点，当GNSS失效后，如何持续提供符合管制间隔要求的监视服务就成了系统面临的问题。

考虑到我国现有监视设备覆盖情况，应分为非雷达覆盖区（NRA）和雷达覆盖区（RA）来考虑。对于NRA，除配置1090ES接收机之外，还应配置广域多点定位系统（WAM）地面站设备，故在规划1090ES地面站时应统筹WAM 地面站的配置；在运行上，ADS-B 设备为主用，WAM 为备份，即为ADS-X 模式。对于RA，考虑到未来要过渡到ADS-B 模式，因此也要及早配置ADS-B；在运行上，雷达主用，ADS-B备份。位置数据源服务星座目前符合运行性能指标的只有GPS，且美国在持续投入研究经费，其研究成果不断影响RTCA 的标准，逐步提高运行性能指标。而我国的北斗二代系统只有满足这些运行性能指标后，才能作为这一类数据源使用。当位置数据源风险问题解决后，再过渡到ADS-B主用，雷达备份。

5 结束语

ADS-B在中国应用需考虑的问题较多，我们在做好ADS-B应用顶层设计，统一规划，分布实施的同时，还需长期跟踪研究ADS-B有关标准的发展和技术应用，并进行同步试验和验证，这对提高我国空域和机场的利用率并最终达到提高空中交通管理水平具有重要的现实意义。

参考文献

[1] 时宏伟.ADS―B数据链应用技术的综合评述（一） [J].空中交通管理，2007（6）

[2] 李楠，陈颖，夏毅强.VDL4：一种新型航空VHF数据链[A].电讯技术，2003，（6）

[3] ADS―B Technical Link Assessment Team.Technical Link Assessment Report[EB/OL].[2010―03].

基金项目

国家国际科技合作专项资助（2010DFB13010）.