李波，劉建都，王庭良，?；矍?/p>

（西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院電子信息工程系，西安 710124）

0 引言

國務(wù)院、中央軍委于 2011年做出了加快推動低空空域管理改革的重大決策，通用航空迎來迅猛發(fā)展的新局面[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。伴隨著低空空域的開放，中國通用航空快速發(fā)展，飛行總量年均增長10%以上，行業(yè)規(guī)模日益擴大，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，飛行器種類日益增多。伴隨著通用航空的快速發(fā)展，飛行安全問題亟需解決。進入 21世紀以來，飛機相撞事件屢屢發(fā)生，數(shù)據(jù)表明，90%以上的飛機相撞事故發(fā)生在低空，且大部分為通用航空[2]。當前，在運輸航空中普遍采用TCAS避撞系統(tǒng)，但由于其價格昂貴、通用航空飛機體積和載重限制等原因，TCAS主要在較大型的飛機上裝載，多數(shù)通用航空飛機并沒有裝載。長期以來，通用航空主要采用監(jiān)視、管理和飛行員目視的方式進行避撞[2,8,9]，這顯然不能滿足飛行情況復(fù)雜的通用航空的需求，還需要采取技術(shù)措施來保障通用航空的安全。

伴隨著GPS的發(fā)展，ADS-B技術(shù)得到快速發(fā)展，ADS-B技術(shù)已成為新航行系統(tǒng)的主要技術(shù)方向[2]，我國已確定并正在實施將ADS-B技術(shù)應(yīng)用于運輸航空和通用航空監(jiān)視中[1]，ADS-B技術(shù)先進，傳輸信息豐富，基于 ADS-B技術(shù)有望研制出適應(yīng)于通用航空的避撞系統(tǒng)。

1 ADS-B技術(shù)

自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）是ICAO在新航行系統(tǒng)中所推薦的一種新興的監(jiān)視技術(shù)。自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)，指機載導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的導(dǎo)航信息，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈或甚高頻空地數(shù)據(jù)鏈，自動實時地發(fā)送到地面接收和處理系統(tǒng)，然后通過偽雷達畫面，供有關(guān)人員監(jiān)視飛機運行狀態(tài)。可應(yīng)用于航路、終端區(qū)和地面監(jiān)視等部門，在運輸航空中成為現(xiàn)有的雷達監(jiān)視系統(tǒng)以及機載避撞系統(tǒng)的有力補充。同時，由于它還使用了衛(wèi)星鏈路，可應(yīng)用于海洋和邊遠地區(qū)，改善現(xiàn)有監(jiān)視條件下這些地區(qū)監(jiān)視手段不足的情況。

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B，Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）是一種基于衛(wèi)星定位和利用空-地、空-空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的空管監(jiān)視新技術(shù)[1]。

ADS-B系統(tǒng)包含GPS衛(wèi)星、機載設(shè)備和地面設(shè)備三部分，機載設(shè)備以GPS進行實時定位后，以1s的時間間隔廣播自己的數(shù)據(jù)信息，同時，本飛機也接收其他飛機的相關(guān)數(shù)據(jù)。ADS-B傳輸?shù)男畔⒅饕秋w機的呼號、標識、經(jīng)度、緯度、高度、附加信息（沖突告警信息等）以及數(shù)據(jù)類別信息，根據(jù)需要可包含一些別的附加信息，如航向、空速、風速、風向和外界溫度等。

國內(nèi)外多家生產(chǎn)廠商已研發(fā)生產(chǎn)出各種類型的 ADS-B機載和地面設(shè)備。其中國內(nèi)工業(yè)界積極開展 ADS-B技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)，在部分航路和機場成功進行了國產(chǎn) ADS-B地面站系統(tǒng)的應(yīng)用實驗和布局。在民航局政策與標準引導(dǎo)下，工業(yè)界已基本具備ADS-B設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化能力。

2 ADS-B技術(shù)的航空應(yīng)用情況

2.1 ADS-B在運輸航空中的應(yīng)用

國際民航組織于第十一屆航行大會確定ADS-B技術(shù)為全球新航行技術(shù)的主要發(fā)展方向。歐美等航行發(fā)達國家已制定了本國/本地區(qū)ADS-B實施規(guī)劃，建立了相關(guān)的規(guī)章和標準，開展了驗證與應(yīng)用。中國民航也高度重視新航行技術(shù)的應(yīng)用與實施，不斷加強 ADS-B技術(shù)研究與應(yīng)用，在技術(shù)政策與規(guī)章標準制定、機載設(shè)備加改裝、地面設(shè)備研制生產(chǎn)、技術(shù)驗證與試驗運行等方面開展了大量工作[1]。

我國制定了運輸航空 ADS-B實施規(guī)劃，運輸航空 ADS-B建設(shè)與運行按照統(tǒng)一規(guī)劃、整體推進的原則，結(jié)合國家五年發(fā)展規(guī)劃分“十二五”和“十三五”兩個階段實施。到“十三五”末，實現(xiàn)ADS-B OUT全面運行[1]，具體包括：

（1）全國高空航路航線實現(xiàn)ADS-B監(jiān)視，實施ADS-B運行或雷達/ADS-B運行。

（2）終端（進近）管制區(qū)域?qū)崿F(xiàn)ADS-B監(jiān)視，實施ADS-B運行或雷達/ADS-B運行。

（3）全部運輸機場塔臺實現(xiàn)ADS-B監(jiān)視，實施 ADS-B運行或多源監(jiān)視運行。

（4）為機場、航空公司、航空保障企業(yè)、運行監(jiān)管部門、社會公眾提供ADS-B信息服務(wù)。

2.2 ADS-B在無人機中應(yīng)用

近些年，無人機無論在民用還是軍用中都得到快速發(fā)展，無人機的數(shù)量和種類快速發(fā)展，無人機的監(jiān)視、管理和避撞問題都亟需解決。

在文獻11、文獻12中研究將ADS-B應(yīng)用于無人機的監(jiān)視系統(tǒng)中；在文獻13、文獻14、文獻15中研究將 ADS-B應(yīng)用于無人機的避撞系統(tǒng)中。Robert C. Strain為小無人機專門研制了一套重量輕、成本低、能耗低、便攜式的 ADS-B系統(tǒng)，F(xiàn)lorent Martel等基于ADS-B成功研制了一套小于5kg的4D避撞系統(tǒng)?？梢灶A(yù)測，在未來無人機的監(jiān)視、管理和避撞系統(tǒng)中將大量采用ADS-B技術(shù)。

2.3 ADS-B在我國通用航空監(jiān)視中應(yīng)用

通用航空具有機型組成復(fù)雜，作業(yè)區(qū)域和作業(yè)時間靈活多變，作業(yè)種類繁多，對通信導(dǎo)航監(jiān)視等服務(wù)的需求差異較大等特點。中國民用航空局明確推進通用航空ADS-B監(jiān)視的建設(shè)與應(yīng)用[1]，依據(jù)國家低空空域分類改革工作總體部署，在管制空域、監(jiān)視空域全面實現(xiàn) ADS-B監(jiān)視，在報告空域根據(jù)航空活動需求建設(shè)必需的 ADS-B地面設(shè)施。通用航空ADS-B建設(shè)與運行按照統(tǒng)一規(guī)劃、分類指導(dǎo)、與運輸航空協(xié)調(diào)推進的原則，結(jié)合國家五年發(fā)展規(guī)劃分“十二五”和“十三五”兩個階段實施。到“十三五”全面實現(xiàn)通用航空活動的 ADS-B監(jiān)視服務(wù)。通用航空采用國際民航組織標準的1090ES數(shù)據(jù)鏈[1]。

3 ADS-B技術(shù)在我國通用航空避撞系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

3.1 構(gòu)建通用航空避撞系統(tǒng)的必要性分析

為保障飛行安全，運輸航空中除了加強航空交通管制（ATC）外，還加強避撞裝備的研制，當前運輸航空中普遍采用 TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System，交通預(yù)警與避撞系統(tǒng)，歐洲稱為 ACAS，Airborne Collision Avoidance System機載避撞系統(tǒng)）。TCAS是對空中交通管制工作的有益補充，更是飛行員和整個飛機的最后一道安全屏障。實踐證明，采用TCAS系統(tǒng)之后，飛機的碰撞率大大降低了。

相比運輸航空通，用航空在避撞問題上存在更大的挑戰(zhàn)：

（1）通用航空多數(shù)不是按特定的航線在特定的時間飛行，而是劃定區(qū)域內(nèi)和時間段的自由飛行，其方向和線路是自由的，其飛行時間也是自由的，在某個時間內(nèi)某個區(qū)域有可能飛機密度很大，這增大發(fā)生碰撞風險。

（2）通用航空監(jiān)視管理和服務(wù)難度大，通用航空為在劃定區(qū)域內(nèi)低空自由飛行，飛機易受到障礙物的遮擋，很難在很低的空域進行全空域的監(jiān)視，監(jiān)控中心也很難給低空空域內(nèi)所有飛機進行很好的空中態(tài)勢和管理服務(wù)。這樣飛行區(qū)域內(nèi)飛機分布態(tài)勢情況很難準確把握（尤其是在超低空區(qū)域，障礙物較多時），容易出現(xiàn)其他飛機突然從障礙物后面出現(xiàn)的情況，這樣也加大發(fā)生碰撞的風險。

（3）通用航空飛行員多數(shù)并非專職飛行員，飛行素質(zhì)存在較大差異，而且飛行員一般還要擔負其他的作業(yè)任務(wù)，如攝像、播種、噴撒農(nóng)藥等，這也易分散飛行注意力。

（4）低空空域飛行器種類復(fù)雜多樣。通用航空飛行器本身種類多樣，有固定翼飛機、旋翼飛機等，低空空域還有無人機、滑翔機等，體積、重量、速度差異很大。

當前，通用航空的飛行安全主要靠一系列的政策、法規(guī)和監(jiān)督管理，靠飛行員目視來進行近距離避撞。從近些年通用航空的高碰撞事故率來看，通用航空當前的避撞措施是不夠的，迫切需要如TCAS一樣的避撞系統(tǒng)來輔助飛行員進行避撞。

3.2 TCAS在通用航空避撞系統(tǒng)應(yīng)用分析

TCAS系統(tǒng)大大降低了運輸航空的碰撞概率。但運輸航空中的TCAS系統(tǒng)在通用航空中很少裝備，當前，TCAS主要裝備在較大型飛機上，例如美國和澳洲規(guī)定在 30人座以上渦輪發(fā)動機客機或最大起飛重量超過 15000公斤的飛機；歐洲規(guī)定在 19人座以上渦輪發(fā)動機客機或最大起飛重量超過5700公斤的飛機；香港規(guī)定在9人座以上渦輪發(fā)動機客機或最大起飛重量超過 5700公斤的飛機上裝備TCAS系統(tǒng)。這樣，當前通用航空飛機大多數(shù)并不安裝TCAS系統(tǒng)。

TCAS價格昂貴，對于低成本的通用航飛機來說會大大增加成本；TCAS系統(tǒng)會占用通用航空有限的使用空間，并增加通用航空的載荷負擔。另外，TCAS系統(tǒng)都是外國的產(chǎn)品，如采用TCAS系統(tǒng)也不利于我國通用航空的自主獨立發(fā)展。

3.3 構(gòu)建基于ADS-B通用航空避撞系統(tǒng)可行性分析

ADS-B近實時（以1s時間間隔進行廣播）的發(fā)送飛機的位置、速度、航向等信息，同時，通過接收，可以獲得其他飛機的位置、速度、航向等信息，ADS-B信息比TCAS中的數(shù)據(jù)信息更加豐富，因此，基于 ADS-B數(shù)據(jù)信息，完全可以構(gòu)建類似于TCAS的避撞系統(tǒng)。而且，ADS-B有效工作范圍更大，TCAS有效工作范圍為40海里，而ADS-B有效工作范圍在沒有遮擋的情況下可達 125海里，這有利于在更加廣闊的范圍內(nèi)通用航空飛機提前探測與入侵飛機的沖突情況并提前避讓，也可避開密集飛行區(qū)域。

3.4 基于ADS-B通用航空避撞系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

伴隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，ADS-B技術(shù)快速發(fā)展，研制用于通用航空的基于 ADS-B的避撞系統(tǒng)是可行的，并且較TCAS具有非常好的優(yōu)勢，具體分析如下：

（1）可與通用航空的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)共用設(shè)備，共享信息。根據(jù)我國相關(guān)出臺的政策文件，未來我國的通用航空飛行器必然要安裝 ADS-B相關(guān)監(jiān)視設(shè)備，而基于 ADS-B的避撞系統(tǒng)可以共用ADS-B相關(guān)監(jiān)視硬件設(shè)備，不需要或極少需要增加額外的硬件設(shè)備，而主要是進行相關(guān)軟件的研制，這樣不會增加額外空間和載荷負擔，而且還會大大降低成本?；?ADS-B的避撞系統(tǒng)與監(jiān)視系統(tǒng)共享信息，相互促進。

（2）便于與運輸航空互通信息，有利于與運輸航空的避撞。國際民航組織于第十一屆航行大會確定 ADS-B技術(shù)為全球新航行技術(shù)的主要發(fā)展方向。未來在運輸航空飛機中將大量裝備 ADS-B設(shè)備，這樣在通用航空飛機與運輸航空飛機靠近時，可以實現(xiàn) ADS-B信息的互通，有利于降低通用航空飛機與運輸航空飛機碰撞的風險。

（3）可以與無人機信息互通，有利于與無人機進行避撞。最近一些年，無人機飛速發(fā)展，無人機的監(jiān)視和避撞也是很復(fù)雜很重要的問題，ADS-B也有望用于無人機的監(jiān)視和避撞系統(tǒng)[11,12,13,14,15]，這樣通用航空飛機的基于 ADS-B避撞系統(tǒng)也有利于與無人機信息互通，降低碰撞風險，甚至通用航空和無人機的避撞系統(tǒng)還有可能一體化建設(shè)，進一步增強避撞性能。

（4）相比 TCAS，ADS-B傳輸信息豐富，更有利于避撞；工作范圍更廣，可以提前進行避撞。TCAS主要是能得到周圍飛機的位置信息，而ADS-B除了可以獲取周圍飛機的位置外，還可以得到周圍飛機的航向、航速、空速、風速等信息，如此豐富的信息，更加有利于進行避撞實施。TCAS能監(jiān)視前方水平范圍40海里，垂直范圍2700英尺（1英尺=0.3047999m），側(cè)向和后向作用距離會更小。而無遮擋情況下，ADS-B監(jiān)視范圍可達125海里，在工程計算時，一般取值為100海里，并且是全向的，如果再轉(zhuǎn)發(fā)周圍飛機信息，則工作范圍更廣，這樣基于 ADS-B的避撞系統(tǒng)可以提前調(diào)整航路，避開擁擠區(qū)域和可能會發(fā)生碰撞的區(qū)域，提前規(guī)避碰撞風險。

（5）有利于與地面上固定的高大建筑物和障礙物進行避撞。根據(jù) ADS-B的原理，可以在一些特殊區(qū)域內(nèi)的特殊建筑物和障礙物上（如一些樓房和山頂?shù)龋┌惭b ADS-B設(shè)備，有利于通用航空飛機與這些建筑物和障礙物的避撞。

（6）我國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)很快就會全面應(yīng)用，而且具有很高的精度，這樣，我國還可以開發(fā)基于北斗的完全自主知識產(chǎn)權(quán)的ADS-B設(shè)備。

4 基于ADS-B技術(shù)的通用航空避撞系統(tǒng)總體構(gòu)建

4.1 與監(jiān)視系統(tǒng)一體化構(gòu)建

ADS-B是國際民航組織確定的未來合作目標的主要航空監(jiān)視技術(shù)[1]。我國也已確定在通用航空監(jiān)視中采用ADS-B技術(shù)，制定了相應(yīng)的建設(shè)計劃，并已開始進行相關(guān)建設(shè)?；?ADS-B的通用航空避撞系統(tǒng)應(yīng)在 ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行協(xié)調(diào)建設(shè)，兩者要相互兼容。

硬件：在硬件方面共用監(jiān)視系統(tǒng)中的 ADS-B設(shè)備、主機設(shè)備、放音器設(shè)備、顯示設(shè)備、電源設(shè)備等，不需要另外添加硬件，如果避撞系統(tǒng)要具有人工手動設(shè)置“開啟/關(guān)閉避撞系統(tǒng)”和“開啟/關(guān)閉避撞語音提示”等功能，這些功能可以通過設(shè)置硬件按鍵來實現(xiàn)，也可以在軟件中通過軟件菜單來實現(xiàn)。

軟件：通用航空避撞系統(tǒng)軟件嵌入監(jiān)視系統(tǒng)軟件，可以作為監(jiān)視系統(tǒng)中的一些功能模塊。

數(shù)據(jù)：避撞系統(tǒng)中的 ADS-B數(shù)據(jù)與監(jiān)視系統(tǒng)共享。同時，避撞系統(tǒng)計算出的本飛機與周圍飛機的沖突信息可由監(jiān)視系統(tǒng)使用，可傳給地面監(jiān)控中心。

4.2 通用航空避撞系統(tǒng)規(guī)劃

根據(jù) ATC規(guī)定，飛機方圓 5海里（5×1.852=9.26km）、上下1200英尺（≈366m）為避撞區(qū)域，禁止其他航空器闖入，否則就有碰撞的可能，需要進行避撞處理[2]。TCAS在這一區(qū)域進行 TA（Traffic Advisory）和RA（Resolution Advisory）兩級避撞。

ADS-B傳輸信息豐富，工作范圍廣，一般認為ADS-B的有效工作范圍為 100海里（≈185km）[2,18,19,20]，借助ADS-B，可以在ATC規(guī)定的避撞區(qū)域外構(gòu)建保護區(qū)域，進行提前避撞，以增強避撞性能，如在文獻16中的5min范圍內(nèi)保護區(qū)域避撞，文獻2、文獻17、文獻20中的40～100海里范圍內(nèi)提前避撞，文獻18中5～40海里的保護區(qū)域避撞等。

基于以上分析，提出構(gòu)建基于 ADS-B技術(shù)的通用航空避撞系統(tǒng)，在ATC規(guī)定的避撞區(qū)域外構(gòu)建保護區(qū)域（PA，Protection Airspace Zone）進行提前避撞；將ATC規(guī)定的避撞區(qū)域內(nèi)再仿照TCAS分為TA區(qū)域和RA區(qū)域分別進行一般避撞和緊急避撞，即基于 ADS-B技術(shù)的通用航空避撞系統(tǒng)總共包括三級避撞。

保護區(qū)域（PA）提前避撞：ATC避撞區(qū)域外、ADS-B工作范圍內(nèi)設(shè)定保護區(qū)域，該區(qū)域大小可根據(jù)實際需要設(shè)定，在該區(qū)域內(nèi)進行提前避撞，由于這一區(qū)域較大，入侵飛機與本飛機發(fā)生碰撞的可能性小，所以，無需要對所有入侵飛機都進行避撞處理，而應(yīng)先對入侵飛機與本飛機進行航路沖突檢測，如存在沖突即進行避撞處理，如無沖突則不處理[2,17,18,19,20]。

TA區(qū)域一般避撞：這一區(qū)域外圍范圍設(shè)定為ATC規(guī)定的避撞區(qū)域范圍，進入該區(qū)域的入侵飛機與本飛機有較大碰撞可能，對所有入侵飛機都應(yīng)進行一般避撞處理。

圖1 基于ADS-B的通用航空避撞系統(tǒng)空間模型示意圖

RA區(qū)域緊急避撞：這一區(qū)域可仿照TCAS中的RA區(qū)域設(shè)定為35s的區(qū)域，進入該區(qū)域的入侵飛機已非常接近本飛機，應(yīng)對所有入侵飛機進行緊急避撞處理。

這樣，本飛機周圍空間劃分如圖1所示，其中SA（Surveillance Area，監(jiān)視區(qū)域）為ADS-B的工作范圍，CA（Collision Area，碰撞區(qū)域）為本飛機的碰撞區(qū)域，如果入侵飛機進入 CA，即表示與本飛機發(fā)生碰撞。

4.3 通用航空避撞系統(tǒng)與運輸航空、無人機一體化構(gòu)建

通用航空主要活動范圍為低空空域，在低空空域還有快速發(fā)展的無人機，另外，運輸航空飛行器起飛降落也多在低空，雖然對不同航空的活動范圍有明確劃分，但仍不可避免相互交叉，如近些年多次發(fā)生在低空空域民航飛機與通用航空飛機相撞事件。

ADS-B技術(shù)有望應(yīng)用于通用航空、無人機和運輸航空的避撞系統(tǒng)中，基于相同的技術(shù)基礎(chǔ)，避撞系統(tǒng)進行一體化構(gòu)建相對容易，一體化的避撞系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)各自航空的避撞，還有利于實現(xiàn)不同航空器之間的避撞。

5 結(jié)語

為保障通用航空的發(fā)展，避撞問題亟需解決。伴隨著GPS的發(fā)展，ADS-B快速發(fā)展，ADS-B技術(shù)已被中國民用航空局確定用于通用航空的監(jiān)視管理，在此基礎(chǔ)上研制避撞系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，有望成為解決我國通用航空避撞系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。