扈勝超 張 閻

（中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710000）

在民用航空運輸與無人機技術被廣泛應用的背景下，低空領域的飛行條件越來越嚴苛、復雜，低空飛行器發(fā)生碰撞的概率有所增加，且當前低空領域管制系統(tǒng)與實際發(fā)展情況并不匹配，亟須創(chuàng)新當前機載導航監(jiān)視系統(tǒng)與技術。自動相關監(jiān)視（ADS）系統(tǒng)是近年來我國投入研究較深的核心技術，能夠在空域管制中起到實效作用?；趶V播的自動相關監(jiān)視（ADS-B）技術不僅具備衛(wèi)星導航定位功能，還可以與空域飛機進行通訊，且此技術的數(shù)據(jù)更新效果更加優(yōu)越。基于此，針對低空域通用機載導航監(jiān)視系統(tǒng)的設計，需要通過ADS-B技術與廣播數(shù)據(jù)鏈的共同作用，以此實現(xiàn)低空域的實時信息傳遞。

1 ADS?B概述及其應用價值

1.1 ADS-B技術基本內(nèi)容

ADS-B技術作為當前國際民航組織主要應用的監(jiān)視技術之一，在我國航空領域的應用也越來越廣泛。ADS-B技術是建立在衛(wèi)星定位與廣播數(shù)據(jù)鏈通訊的基礎上，以穩(wěn)定、高效的監(jiān)視功能為空管系統(tǒng)與航空公司提供有效監(jiān)視，能夠確保管制員與飛行員對飛機運行狀態(tài)的掌控，并通過擴張監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋范圍來提高航班的運行效率與安全性。ADS-B技術的數(shù)據(jù)源主要是其導航設備與機載設備所傳回的數(shù)據(jù)信息，通信手段為地空或空空廣播數(shù)據(jù)鏈，基于飛機地外廣播位置、速度以及相關監(jiān)視信息，完成地空或空空導航監(jiān)視。此外，利用ADS-B技術能夠通過接收相關飛機的廣播信息，以本機為主體，對其他航空飛行器進行監(jiān)視與指揮。

1.2 ADS-B技術應用價值

在我國空域管理機制的改進過程中，低空領域通航飛行中涉及的飛行員培訓、公務飛行、短/長途運輸?shù)热蝿斩紡V泛應用了ADS-B技術。通用航空是民航強國建設中的重要組成部分，其發(fā)展與研究已上升至國家戰(zhàn)略的高度。通用航空飛機體型小、飛行高度低、航線相對靈活，這就導致其航空飛行任務容易受到環(huán)境、地形以及無線電干擾等因素的限制。在通用機載導航監(jiān)視系統(tǒng)中引入ADS-B技術，能夠切實有效地推進其內(nèi)部管理系統(tǒng)的完善與優(yōu)化，通過獲取管理過程中的數(shù)據(jù)信息，達成廣闊領域的資源共享，進一步強化低空領域的管理，為實現(xiàn)低空領域交通資源的全面覆蓋提供技術支持[1]。

2 ADS?B技術在我國應用中所存在的問題

2.1 技術體制問題

ADS技術的使用形式與契約相似，ADS-B技術中，通用機載導航監(jiān)視系統(tǒng)能夠?qū)蟾嫘畔⑦M行預設，并將目標地址、地面信息傳送至飛機，飛機接收到信息后，機載ADS設備才能將相應下行電文傳送回地面站。同理，地面站只有通過機載的ADS約定報告信息，才可以收集想要獲取的信息?；陲w行要求，航線數(shù)量越多，其包含的信息就越多。因此，ADS設備報告信息的使用頻率越高、周期越短，所繳納的服務費就越多。參照國際航空信息公司制定的格式，電報通信信息的傳遞需要較多資金，盡管ADS技術能夠?qū)骄€數(shù)量較少的航路進行監(jiān)視，但是受到資金的限制，一部分民航企業(yè)并不使用ADS技術，這也導致ADS技術數(shù)據(jù)鏈通訊效果與相應的配套系統(tǒng)的應用沒有得到實質(zhì)性進展。

2.2 技術兼容問題

ADS技術的通訊模式為地——地、地——空雙向通訊，我國航空飛行ADS設備采用的協(xié)議為美國的AEEC618與AEEC62。但是，我國的通訊協(xié)議與美國的廣播室雙向通訊不同，數(shù)據(jù)刷新率受到了通信協(xié)議的限制，這就導致當前協(xié)議的規(guī)定限度無法保證我國航空通訊的同步性與實時性，也無法與ADS系統(tǒng)建立同步連接。同時，ADS-B技術的廣播數(shù)據(jù)鏈可以對航線進行高密度監(jiān)視?；谌蛲ㄓ玫腁DS數(shù)據(jù)鏈，S模式數(shù)據(jù)鏈的最大長度為112位，但是，我國的最大下行數(shù)據(jù)長度為32位，且我國數(shù)據(jù)鏈與S模式相比，不具備兼容ADS-B廣播的能力。對于兼容問題，只有通過創(chuàng)建新的通訊數(shù)據(jù)鏈才能得到有效解決[2]。

3 基于ADS?B技術的低空領域?qū)Ш奖O(jiān)視系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 總體架構設計

通用機載導航監(jiān)視系統(tǒng)將通過融合ADS-B技術與“北斗”來實現(xiàn)優(yōu)勢互補。以“北斗”為導航，向ADS-B系統(tǒng)提供定位功能，并以ADS-B作為數(shù)據(jù)信息傳輸鏈路，利用“北斗”創(chuàng)建衛(wèi)星鏈路，實現(xiàn)ADS-B的廣域監(jiān)視，融合系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)框架

根據(jù)功能差別將系統(tǒng)分為三層，分別是硬件層、協(xié)議層以及應用層。硬件層主要由服務器系統(tǒng)平臺、ADS-B數(shù)據(jù)采集節(jié)點、飛機承載終端系統(tǒng)等元素構成，用于服務器與機載終端的設計與開發(fā)；協(xié)議層主要包括ADS-B報文信息、“北斗”定位信息編碼、通航飛機監(jiān)視信息編解碼等，用于實現(xiàn)通航飛機狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳遞；應用層包括服務器系統(tǒng)端與機載系統(tǒng)端，其主要作用是實現(xiàn)監(jiān)視系統(tǒng)的信息化顯示與終端設計[3]。

3.2 系統(tǒng)報文協(xié)議

3.2.1 ADS-B報文協(xié)議

系統(tǒng)報文協(xié)議由ADS-B報文協(xié)議和“北斗”通信協(xié)議共同組成。依據(jù)兩種報文協(xié)議，設計了基于北斗定位功能的ADS-B鏈路，還規(guī)劃出導航飛機飛行情況監(jiān)測數(shù)據(jù)包。ADS-B報文為112位，這一長度是一種按位格式設計的結果。1090ES報文中包含了ADS-B報文基本結構，PI字段長度為89～112位。該系統(tǒng)主要使用DF=17類型的報文。ADS-BME字段中包含特定時間、位置、速度及其他信息的ADS-B報文。因此，可以將“北斗”導航定位信息對ADS-B報文格式中ME字段的一些數(shù)據(jù)進行替換，并由此實現(xiàn)ADS-B鏈路的有效發(fā)送。

3.2.2 “北斗”通信協(xié)議

“北斗”通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式包括位置信息與時間信息。位置信息由10個字節(jié)組成，主要應用在系統(tǒng)位置信息的傳送上。“北斗”通信數(shù)據(jù)格式包含諸如時間和位置之類的信息，但不包含ICAO編號和飛機高度之類的信息。ADS-B報文中的AAICAO字段涵蓋了飛機的ICAO編號，ME字段涵蓋了飛機的高度信息數(shù)據(jù)。因此，一些ADS-B數(shù)據(jù)需要集成到“北斗”衛(wèi)星鏈路發(fā)送的報文中，頻率為1 min/次。ADS-B報文中，飛機的ICAO編號、高度、時間、定位等信息非常重要，所以，當“北斗”通信數(shù)據(jù)格式保持不變時，可以根據(jù)“北斗”的速度格式將飛機的ICAO編號和高度信息整合到報文里面，從而生成新的CRC校驗值。在原始速度格式中，速度數(shù)據(jù)可以在1 min的時間間隔內(nèi)通過經(jīng)度和緯度信息獲得，坐標系變換后，可以獲得特定的距離信息，并推導出相應的速度信息。

3.3 便攜式終端系統(tǒng)設計

3.3.1 終端系統(tǒng)硬件設計

選擇STM32作為系統(tǒng)終端的核心處理器，并通過“北斗”導航系統(tǒng)的定位功能獲取數(shù)據(jù)源，把定位信息通過ADS-B報文進行編碼，并發(fā)揮出“北斗”導航的衛(wèi)星鏈路功能，將飛機的飛行狀態(tài)傳輸至監(jiān)視中心。結合機載導航監(jiān)視系統(tǒng)的實際工作要求，在對其進行設計的過程中，以嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)處理器，系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 導航系統(tǒng)硬件結構

通過STM32核心處理器，可將獲取到的定位信息傳送至ADS-B發(fā)射機和“北斗”通信模塊中。

3.3.2 終端系統(tǒng)軟件設計

機載導航監(jiān)視系統(tǒng)的終端軟件主要功能有采集監(jiān)視數(shù)據(jù)、報文編碼以及串口通信。結合上述內(nèi)容，在低空領域的監(jiān)視信息中，利用“北斗”的功能模塊與處理器收集相應的信息，并通過微控制器，可獲取ARM架構下的STM32處理器。終端系統(tǒng)軟件運行流程如圖3所示。

圖3 導航系統(tǒng)終端軟件運行流程

通過圖3信息可知：第一，在系統(tǒng)初始化過程中，收集“北斗”定位功能模塊中的數(shù)據(jù)信息，在CPR編碼的基礎上，生成ADS-B報文；第二，如果ADS-B信號具備使用的條件，那么將利用ADS-B通信鏈路完成相應信息數(shù)據(jù)的傳輸，反之，則利用“北斗”衛(wèi)星鏈路完成信息數(shù)據(jù)的傳輸。如果報文正常送達，監(jiān)視中心系統(tǒng)平臺將顯示出相應的目標位置，否則報文編碼錯誤，出現(xiàn)通訊失敗的問題[4]。

4 結語

隨著機場建設和飛機數(shù)量的快速增長，為優(yōu)化我國當前低空領域交通管理，有必要通過使用先進的空中交通管制技術進行科學改進。將ADS-B技術應用于航空路線規(guī)劃中，能夠調(diào)整新、舊機場之間的航空路線并進行準確規(guī)劃，加強不同地區(qū)之間的信息共享，提高低空領域交通管理效率。此外，ADS-B技術也能夠促進我國導航系統(tǒng)的完善，彌補雷達無法覆蓋的區(qū)域。目前，ADS-B系統(tǒng)仍處于發(fā)展初期，應鼓勵生產(chǎn)創(chuàng)新ADS-B設備，并通過實施相關政策與機制，加快ADS-B技術的發(fā)展。