倪久順，陳利虎，*，余孫全，李松亭，郭劍鳴，羅坳柏，李晉華

1. 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073 2. 國家空域管理中心，北京 100080

1 引言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)(automatic dependent surveillance-broadcast, ADS-B)是近年來航空監(jiān)視領(lǐng)域的熱點發(fā)展方向之一[1]。當前地面ADS-B系統(tǒng)已經(jīng)逐步成熟并廣泛應(yīng)用到全球各大機場和重點航路航線，但還未能完全解決跨洋飛行監(jiān)視，偏遠的荒漠、極地地區(qū)地面設(shè)備布點難、安裝成本高等問題。星載ADS-B系統(tǒng)正好可以解決這方面問題。

本文在星載ADS-B基本原理簡介的基礎(chǔ)上，探討了當前星載ADS-B系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了星載ADS-B四個主要關(guān)鍵技術(shù)：天線技術(shù)、射頻電路技術(shù)、信號處理、星座設(shè)計方法。綜述了國內(nèi)外基于星載ADS-B航空監(jiān)視技術(shù)的研究進展，梳理了星載ADS-B的數(shù)據(jù)應(yīng)用與科學(xué)研究進展，提出了中國構(gòu)建廣域星載ADS-B系統(tǒng)發(fā)展的建議。

2 星載ADS-B原理及相關(guān)衛(wèi)星

2.1 星載ADS-B原理簡介

ADS-B技術(shù)數(shù)據(jù)鏈主要有1 090 MHz擴展電文模式(1090MHz mode S extended squitter, 1090ES)、通用訪問收發(fā)機模式(universal access transceiver, UAT)和甚高頻數(shù)據(jù)鏈路4模式(very high frequency data link mode 4, VDL-4)三種[2]。三種數(shù)據(jù)鏈區(qū)別如表1所示。1 090 ES主要工作頻率為1 090 MHz，采用脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation, PPM)編碼，碼速率為1 Mbit/s。UAT工作在978 MHz頻率附近，采用連續(xù)相位頻移鍵控(continuous phase frequency shift keying, CPFSK)編碼，碼速率同樣為1 Mbit/s。VDL-4工作在118～137 MHz頻段，采用高斯頻移鍵控(gauss frequency shift keying, GFSK)編碼，碼速率約為19 kbit/s。國內(nèi)外學(xué)者大多基于1 090 ES模式展開研究。

表1 ADS-B數(shù)據(jù)鏈Table 1 ADS-B data link

星載ADS-B通過衛(wèi)星搭載高靈敏度ADS-B接收機，接收地面航空器信號，并轉(zhuǎn)發(fā)到地面站進行分析、處理，從而實現(xiàn)對覆蓋區(qū)域內(nèi)的航空目標進行監(jiān)控的目的。星載ADS-B系統(tǒng)的基本組成如圖1所示，包括機載ADS-B信號發(fā)射機、低軌衛(wèi)星和地面站三部分構(gòu)成。飛機等航空器將自身的位置、航向、速度和航班號等信息通過ADS-B發(fā)射機進行廣播，裝載有ADS-B接收機的衛(wèi)星收到該信號后，將對應(yīng)的報文加上時間、功率等信息后，再下傳至地面衛(wèi)星接收站，進而將數(shù)據(jù)分發(fā)給相關(guān)用戶。

圖1 星載ADS-B原理圖Fig.1 Schematic diagram of space-based ADS-B

如圖2所示，通過星載ADS-B系統(tǒng)，用戶可掌握全球航班的實時動態(tài)信息。

圖2 星載ADS-B全球覆蓋效果圖Fig.2 Global aircraft surveillance by the space-based ADS-B

2.2 單星星載ADS-B系統(tǒng)

星載ADS-B系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的地基系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，各國紛紛進行了相關(guān)技術(shù)研究。如德國的PROBA-V[3]，丹麥的GATOSS[4]，加拿大CanX-7[5-6]，美國的二代銥星[7]、二代全球星[7]以及國內(nèi)的“天拓”系列等[8-10]。星載ADS-B技術(shù)的發(fā)展從最初構(gòu)想到實現(xiàn)，中間經(jīng)過了近10年時間，其技術(shù)水平也在不斷發(fā)展進步。

2013年5月，人類世界上第一個實現(xiàn)ADS-B數(shù)據(jù)接收的衛(wèi)星是德國PROBA-V[3]。經(jīng)過一年半的在軌運行，Proba-V共偵收ADS-B報文上億條。但由于Proba-V主要用于植被探測，ADS-B接收機作為實驗用的副載荷，其實際性能并不理想。同年10月，丹麥GomX-1順利升空。其作為兩立方星模塊設(shè)計，用于星載ADS-B接收測試，并在2015年10月發(fā)射了GomX-3,一顆三立方星衛(wèi)星[4]。國內(nèi)首顆進行ADS-B技術(shù)驗證的衛(wèi)星天拓三號(Tiantuo-3,TT-3)于2015年9月成功發(fā)射[8]。 2020年8月對ADS-B偵收性能進行算法優(yōu)化的天拓五號(Tiantuo-5,TT-5)順利進入預(yù)定軌道。圖3展示了天拓五號ADS-B接收幅寬，可以看到幅寬達到了4 517 km的范圍大小，每天雙機可接收340萬條報文。圖4展示了上述部分具有代表性的ADS-B衛(wèi)星，它們均為小衛(wèi)星，主要用來驗證星基接收ADS-B信號的可行性。

圖3 天拓五號ADS-B接收幅寬Fig.3 Detection width of Tiantuo-5 ADS-B

圖4 部分具有代表性的ADS-B衛(wèi)星Fig.4 Some representative ADS-B satellite

表2對上述星載ADS-B系統(tǒng)，從接收能力和單星覆蓋區(qū)域大小進行比較，重點是比較ADS-B接收性能?？梢钥闯?，ADS-B衛(wèi)星全部處于近地軌道，其接收能力從每天2千條到340萬條不等，反映了接收系統(tǒng)之間的性能的巨大差異。

表2 星載ADS-B接收機性能對比Table 2 Performance comparison of space-based ADS-B receiver

2.3 星座星載ADS-B系統(tǒng)

(1)二代銥星ADS-B系統(tǒng)

基于二代銥星的ADS-B系統(tǒng)是世界上第一個成功商業(yè)應(yīng)用的星載ADS-B系統(tǒng)。2011年，銥星通訊公司和一些航空導(dǎo)航服務(wù)提供商聯(lián)合成立了Aireon公司，并進行相關(guān)技術(shù)研究。2017年，二代銥星開始發(fā)射，2019年1月11日，二代銥星全部完成在軌部署，其中66顆衛(wèi)星搭載了ADS-B接收系統(tǒng)。這些衛(wèi)星分為6個軌道面，運行在780 km的近地軌道上。

測試表明，二代銥星ADS-B系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球航空目標的監(jiān)視，在95%的置信概率下，對任意目標能夠達到15 s的準實時監(jiān)控[11]?？梢钥闯鲆悦绹炐枪緸槭椎亩炐窍到y(tǒng)走在了世界的前列，2019年4月美國Aireon公司正式提供空中交通監(jiān)控服務(wù)[12]，將監(jiān)控范圍從之前的30%提高到100%。但二代銥星采用的是極地軌道，考慮到全球的飛機穿越極地相對較少，可以引入大傾角軌道衛(wèi)星星座與極地軌道結(jié)合的概念，減少衛(wèi)星數(shù)目。

(2)國內(nèi)星座計劃

天行者星座[13-14]由48顆衛(wèi)星組成，均勻分布在6個近地軌道面上，衛(wèi)星主要搭載ADS-B等有效載荷。截至2020年12月發(fā)射升空和德一號、和德二號A/B星和德四號、和德五號共5顆衛(wèi)星在軌運行。

虹云衛(wèi)星通信系統(tǒng)[7]由156顆衛(wèi)星組成，2018年該系統(tǒng)首星武漢號順利升空。主要搭載了通信主載荷，光譜測溫儀和ADS-B載荷。

鴻雁衛(wèi)星通信系統(tǒng)[7]由300 顆衛(wèi)星組成。2018年該系統(tǒng)首星重慶號在甘肅省酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。重慶號同樣載有ADS-B接收系統(tǒng)。

目前國內(nèi)低軌衛(wèi)星星座的研究和發(fā)展都在競相準備和籌劃中，但目前仍處于單星或多顆衛(wèi)星試驗驗證階段。離最后成功的應(yīng)用到空中交通管理中還需要一定的時間和技術(shù)積累。一方面，各家公司或者單位都有自己的業(yè)務(wù)需求；另一方面，可以廣泛開展交流合作，爭取國內(nèi)實際可以應(yīng)用的系統(tǒng)早日落地。

3 星載ADS-B接收關(guān)鍵技術(shù)進展

星載ADS-B接收機在接收飛機報文信號時存在多重信號混疊問題和噪聲信號干擾嚴重的問題，這對系統(tǒng)接收性能是極大的考驗[17]。為此，需要在天線前端、射頻電路、信號處理方面進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 天線技術(shù)

ADS-B信號通過天線進入星載ADS-B系統(tǒng)，天線設(shè)計的好壞直接影響著接收機性能。

在星載ADS-B的前期實驗驗證中，主要考慮天線的尺寸要盡可能小，接收增益要盡可能大。為了解決這個問題，GOMX-1[18]、天拓三號以及STU-2[19]衛(wèi)星采用了彈簧展開式螺旋天線。程云[20]等人采用螺旋天線對星載船舶自動識別信號(automatic identification system, AIS)進行波束掃描，但AIS實時性要求沒有ADS-B高，采用這個方法所導(dǎo)致的信號無法應(yīng)用到ADS-B系統(tǒng)中去。

驗證了在軌接收ADS-B信號的可行性之后，發(fā)現(xiàn)星載ADS-B雖然覆蓋范圍廣，但與地基ADS-B相比，它面臨著信號沖突問題更加嚴重。為了解決這個問題，目前普遍采用多波束天線來接收ADS-B信號，達到不減少天線覆蓋范圍的前提下減輕信號沖突的影響。Aireon公司在二代銥星上設(shè)計由4個獨立的天線陣面組成的多波束天線陣列，如圖5(a)所示，其中3個陣面包含3x5個天線單元，1個陣面具有3x3個天線單元，總共產(chǎn)生7個天線波束[21]。在國內(nèi)，文獻[22]提出了一種19單元六邊形陣列自適應(yīng)多波束形成方法。該方法與傳統(tǒng)的固定多波束天線相比，大幅提升了飛機的檢測概率。在此基礎(chǔ)上，文獻[23]提出了一種數(shù)字多波束星載ADS-B系統(tǒng)，采用的是包絡(luò)尺寸為550 mm×550 mm×200 mm的數(shù)字19波束一體化接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三層組成。如圖5(b)所示，頂層為4×4微帶天線陣，第二層為射頻電路板，通過SMA端口與天線單元直接插入。結(jié)構(gòu)緊湊，消除了電纜連接造成的損耗。第三層為信號處理層。2020年11月6日成功發(fā)射的北航空事衛(wèi)星一號，同樣采用了4×4微帶天線陣，采用模擬相控陣天線技術(shù)。為了減輕系統(tǒng)質(zhì)量，上海航天電子技術(shù)研究所設(shè)計了一種電熱絲熔斷釋放的七波束可展開螺旋天線[24]。如圖5(c)所示，該設(shè)計使天線的質(zhì)量下降到8 kg。就目前星載ADS-B天線技術(shù)的發(fā)展來看，受限于平臺的尺寸和功耗，小衛(wèi)星普遍采用單天線，而中型和大型衛(wèi)星則普遍采用相控陣多波束的方式。目前在軌的二代銥星以及空事一號屬于模擬相控陣，波束的個數(shù)、大小、方向均固定。數(shù)字相控陣盡管被證明具有優(yōu)越性，但還沒有得到在軌驗證。

圖5 幾種星載ADS-B多波束系統(tǒng)Fig.5 Multi-beam space-based ADS-B receiving systems

3.2 射頻電路技術(shù)

目前常見的射頻電路實現(xiàn)方法主要有零中頻架構(gòu)、低中頻架構(gòu)和超外差架構(gòu)三種。由于ADS-B信號傳輸?shù)拇a速率只有1 Mbit/s，在低碼速率下，零中頻架構(gòu)在低頻處存在閃爍噪聲的干擾，只有在碼速率超過4 Mbit/s后，閃爍噪聲影響才可忽略不計。而在低中頻架構(gòu)中，IQ支路的增益及相位失配很難使鏡像抑制性能超過30 dB。ADS-B信號從機載發(fā)射器發(fā)出，到星載ADS-B接收機，中間鏈路信號衰減明顯，這就需要更高靈敏度的接收機。從ADS-B接收的架構(gòu)來看，目前采用較多的是超外差架構(gòu)，如圖6所示，典型的超外差架構(gòu)外置有通帶選擇濾波器和鏡像抑制濾波器，集成有A/D采集電路、抗混疊濾波器、本振及混頻電路等。當干擾與載波頻率接近時，傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)存在鏡像抑制濾波與抗混疊濾波之間的矛盾。針對這個問題，提出了二級超外差架構(gòu)，可以有效避免一級結(jié)構(gòu)帶來的濾波器矛盾問題。

圖6 ADS-B接收機(超外差架構(gòu))Fig.6 ADS-B receiver (superheterodyne architecture)

傳統(tǒng)ADS-B接收機的靈敏度一般最高到-85 dBm，可由軟件無線電(software-defined radio, SDR)方法實現(xiàn)[25]。E.G.Piracci等提出了一種基于軟件無線電架構(gòu)的ADS-B接收系統(tǒng)，系統(tǒng)靈活性很高，可以很方便地驗證一些新算法[26]。Pu B D等基于AD9361和Xilinx平臺設(shè)計了ADS-B接收系統(tǒng)，并通過MATLAB軟件集成了解碼顯示功能[27]。

由于星地傳輸距離增大，星載ADS-B接收機對靈敏度的要求更高。星載ADS-B接收機需要滿足以下特點：1)信噪比足夠高；2)增益能夠根據(jù)周圍環(huán)境的變化進行調(diào)整，并且線性范圍足夠大；3)能夠和天線實現(xiàn)最佳匹配；4)抗帶外干擾以及抗鏡像頻率干擾能力強?；谝陨峡紤]，當前普遍采用超外差式結(jié)構(gòu)設(shè)計，靈敏度可以達到-95 dBm以上，可在軌接收ADS-B信號[28]。

3.3 信號處理技術(shù)

制約ADS-B信號解調(diào)效果的技術(shù)主要包括：幀頭檢測，比特譯碼和糾錯算法。其中能否準確定位幀頭直接決定了信號檢測效果。ADS-B信號的幀頭檢測方法主要分為脈沖沿法和匹配濾波法兩種，相比較而言，匹配濾波法效果更好，但硬件資源消耗相對較大。比特判決方面，主要采用基于置信度的判決方法。完整性校驗方面，ADS-B消息采用24 bit的循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)，可對5 bit以內(nèi)的錯誤進行校正，但資源消耗大。因此，當發(fā)現(xiàn)解調(diào)錯誤時，當前普遍采用丟棄該條報文的做法，或基于置信度的部分校正方法。

星載ADS-B信號處理技術(shù)的另一個關(guān)鍵方面是信號盲分離技術(shù)。由于星載ADS-B系統(tǒng)覆蓋范圍大，導(dǎo)致大量信號可能同時涌入，造成信號沖突的問題。為此，需要對交織的信號進行分離。由于星載ADS-B信號結(jié)構(gòu)和調(diào)制方法與二次監(jiān)視雷達S模式信號相同。所以目前許多二次監(jiān)視雷達S模式信號的分離方法也被用在ADS-B信號的分離上。Petrochilos多年來一直致力于二次監(jiān)視雷達S模式信號分離的算法研究，主要方法集中在陣列信號的處理上。他在2005年提出的投影算法(projection algorithm, PA)和2008年提出的擴展投影算法(extended projection algorithm, EPA)計算量低且易于硬件實現(xiàn)[32-33]，目前國內(nèi)許多研究者提出的星載ADS-B信號分離算法很多是在這兩種算法的基礎(chǔ)上改進過來的。Wang等人采用陣列天線，基于自適應(yīng)波束成形方法進行了ADS-B信號分離研究，在信噪比為15 dB的條件下取得了較好的效果[34]?？紤]到ADS-B信號的載頻為1 090 MHz，陣列天線的陣元間距一般取半個波長距離，即30 cm。受制于衛(wèi)星平臺尺寸限制，星載ADS-B天線個數(shù)較少，因此采用陣列天線的分選算法在星載ADS-B系統(tǒng)中的分離效果并不理想。文獻[35]將單通道全向天線接收到的信號重新排列成陣列形式， 能夠分離一部分混合信號，但該方法對信號的信噪比和采樣率要求很高，而衛(wèi)星接收ADS-B信號卻存在著信噪比低、采樣率低的問題。文獻[36]研究了高靈敏度解調(diào)算法，利用基于匹配濾波的ADS-B信號幀頭檢測算法對信號準確定時和提取功率信息，板載驗證表明，最終接收機的靈敏度可達-95 dBm。

總體而言，當前關(guān)于ADS-B信號的解調(diào)方法的研究較多，也相對成熟，解調(diào)誤碼率已經(jīng)逼近理論極限。但當前的星載ADS-B信號盲分離算法仍處于理論仿真階段，因其算法復(fù)雜度一般較高，而未能得到實際應(yīng)用。

3.4 星載ADS-B星座設(shè)計

在衛(wèi)星上搭載ADS-B專用載荷來接收ADS-B信號的成本更低、效費比更高。一方面，衛(wèi)星的研制和發(fā)射成本十分高昂，發(fā)射專用星座來接收ADS-B信號的成本過大；另一方面，衛(wèi)星上的部組件，如星務(wù)計算機、推進及姿態(tài)控制系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)等是可以被多個任務(wù)載荷所共享的。目前國外國內(nèi)也都是采用衛(wèi)星上搭載ADS-B專用載荷的方式來接收ADS-B信號。

進行衛(wèi)星星座設(shè)計是實現(xiàn)廣域航空監(jiān)控系統(tǒng)的重要一步。盡管已有許多星座設(shè)計方面的論文，但針對星載ADS-B應(yīng)用的衛(wèi)星星座設(shè)計還較少。星座構(gòu)型設(shè)計以分析和優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，多從星座覆蓋性能上對星座參數(shù)進行設(shè)計，Nag等人[38]依據(jù)仿真得到的航空流量數(shù)據(jù)，提出了一種立方星(CubeSat)星座設(shè)計方法，不過該設(shè)計僅適用于區(qū)域覆蓋任務(wù)。Liang等人[39]也考慮了星座覆蓋特性，但未考慮星間鏈路和星間組網(wǎng)性能等。Guo等人[40]從星基ADS-B的任務(wù)需求和性能指標出發(fā)，建立星座覆蓋、星間鏈路、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃阅茉u估模型，在此基礎(chǔ)上分析ADS-B星座的性能，將星座設(shè)計方案通過仿真與Iridium進行對比，驗證設(shè)計方案的性能，得到了一個55顆星即可覆蓋全球的方案?？傮w而言，當只考慮航空監(jiān)視任務(wù)時，ADS-B星座具有巨大的優(yōu)化空間。如何去尋找一個合適的星座結(jié)構(gòu)，是我們未來需要研究的內(nèi)容之一。

4 星載ADS-B應(yīng)用及展望

星載ADS-B關(guān)鍵技術(shù)問題雖然沒有徹底解決，但目前星載ADS-B應(yīng)用具有廣闊前景。

1)星載ADS-B多波束接收技術(shù)。面對越來越多的ADS-B目標，需要更多、更窄的波束進行接收，以提高系統(tǒng)的檢測性能。在工程實現(xiàn)上，還需考慮衛(wèi)星平臺的尺寸、功耗限制，這是一個多目標優(yōu)化問題。

2)星載ADS-B信號分離方法的研究。星載ADS-B上存在著大量的信號沖突現(xiàn)象，大大降低了系統(tǒng)的監(jiān)視能力，如前所述，星載ADS-B混疊信號的分離對于提高星載接收性能具有重大意義。目前對于星載ADS-B信號分離方法的研究基本還停留在軟件仿真階段，星載ADS-B信號分離方法的硬件實時實現(xiàn)是接下來需要研究的問題。

3)星載ADS-B數(shù)據(jù)應(yīng)用。如表3所示，星載ADS-B數(shù)據(jù)可以應(yīng)用在多個場景方面。在軍事應(yīng)用方面，ADS-B數(shù)據(jù)可以用于空中軍事目標的監(jiān)控與偵察；在民航運輸方面，ADS-B數(shù)據(jù)可以高效應(yīng)用在空中交通管制、應(yīng)急搜救、飛機監(jiān)控空運物流監(jiān)控等。

表3 星載ADS-B應(yīng)用Table 3 Space-based ADS-B applications

4)基于星載ADS-B的多傳感器信息融合方法。把星載ADS-B數(shù)據(jù)結(jié)合上遙感圖像、地基雷達數(shù)據(jù)，研究相應(yīng)的融合算法，實現(xiàn)多平臺數(shù)據(jù)融合，監(jiān)測異常目標，實現(xiàn)無間隔覆蓋。

5)基于星載ADS-B的科學(xué)應(yīng)用。例如：Cushley等人利用全球存在的飛機ADS-B信號，測量衛(wèi)星接收信號的法拉第旋轉(zhuǎn)，利用法拉第旋轉(zhuǎn)和電離層濃度之間的關(guān)系得到全球電離層電子(Total electron content, TEC)濃度[41]。

5 結(jié)論

本文對近十年來星載ADS-B相關(guān)研究進行了全面的闡述、梳理與總結(jié)。從星載ADS-B衛(wèi)星及星座發(fā)展情況入手，對天線技術(shù)、射頻電路技術(shù)、信號處理、星座設(shè)計方法四個方面關(guān)鍵技術(shù)進行了研究討論，對當前星載ADS-B應(yīng)用進行了總結(jié)。

隨著航天科技的發(fā)展，星載ADS-B在航空監(jiān)視的比重越來越大。全球覆蓋的星基ADS-B系統(tǒng)是下一步的發(fā)展趨勢，具有重要研究價值與廣闊應(yīng)用前景。