星載ADS-B接收系統及其應用
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一、概述
近年來航空業發展迅速，飛行流量持續快速增長使得民航空域資源嚴重短缺，給航跡跟蹤、流量控制、航空安全、事故搜救等帶來了巨大挑戰。為了實現對大流量空中交通的無縫連續監視，需要建設複雜的雷達網路和數據處理系統；另一方面，受自然環境限制，全世界大部分地區沒有得到航空監控，尤其在海洋、極地、山區、沙漠和不發達地區安裝地面監視設備在技術和經濟上無法實現。在這一背景下，廣播式自動相關監視 (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）技術應運而生。
ADS-B技術採用全向廣播方式自動播發機型、航空代碼、位置、速度、高度和航線等，將衛星導航、通信技術、機載設備以及地面設備等先進技術相結合，提供了更加安全、高效的空中交通監視手段，能有效提高管制員和飛行員的運行態勢感知能力，擴大監視覆蓋範圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運行效率。ADS-B工作原理如圖1所示。
圖1 ADS-B工作原理
國際民航組織於第十一屆航行大會確定ADS-B技術為全球新航行技術的主要發展方向。歐洲要求從2015年起重量大於5700kg或者速度大於250節的飛機強制裝配ADS-B播發設備，對於已經投入使用的飛機截止到2017年完成改裝。美國、加拿大等國家也採取了類似的舉措。預計到2020年，ADS-B將會在世界範圍內實際投入運行。
中國民航高度重視新航行技術的應用與實施，不斷加強ADS-B 技術研究與應用，在技術政策與規章標準制定、機載設備加改裝、地面設備研製生產、技術驗證與試驗運行等方面開展了大量工作，為ADS-B 地空監視（ADS-B OUT）的實施奠定了基礎。目前，國內70%的民航飛機已裝備ADS-B設備，在2020年後所有高性能飛行器將強制安裝ADS-B設備。
當前，基於ADS-B飛行器跟蹤技術的空中管理還主要依靠陸基雷達，但國內外已經嘗試將高靈敏度ADS-B接收機安裝到低軌衛星上，通過星載ADS-B對航空飛機進行跟蹤，廣域偵收信號，衛星位於境內時實時轉發偵收的信號，位於境外時先存儲後轉發。在星載ADS-B飛行器跟蹤技術應用以前，依靠陸基雷達實現全球空管的範圍只有10%，而星載ADS-B飛行器跟蹤技術應用之後將會將範圍擴大到100%。
二、國內外發展現狀
(1)國外發展現狀
ADS-B從1991年首次在瑞典首都的Bromma機場成功演示以來，在國際民航組織新航行系統發展規劃的指導下，歐洲、北美和澳大利亞等地區的航空組織進行了卓有成效的研究和實驗，一些具有代表性的進展有：1994年初，美國聯邦航空局在Boston Logan機場對ADS-B監視功能的性能開展了地對地通訊的實驗；2008年，歐空局率先開始研究1090ES模式的ADS-B信號能否被低地軌道衛星接收到，研究和模擬促使了「星載ADS-B」(ADS-B Over Satellite，AOS)的誕生；2010年11月，加拿大對飛臨哈德森灣上空的航空器強制要求裝備ADS-B發射系統；2011年，GlobalStar和ADS-B Technology開發出了ALAS (ADS-B Link Augmentation System)，通過該系統，能夠將載有ALAS系統的飛機的ADS-B數據通過GlobalStar L/S數據鏈與衛星進行數據交換；2013年，德國航空中心研製發射了國際首顆星載ADS-B的實驗衛星Proba-V；2015年，銥星二代衛星開始陸續發射，計劃於2017年完全替代目前網路，預計其將成為第一個完成星座組網的ADS-B系統；2015年11月，國際電信聯盟（International Telecommunications Union，ITU）將用于飛機和人造衛星的通信頻率確定為1087.7~1092.3MHz，ADS-B的頻譜利用資源得到有效保障。雖然從星載ADS-B概念提出到目前不到十年時間，但其已經取得了較大的發展，目前，德國、丹麥、加拿大、美國、中國等相繼開展了星載ADS-B系統的研製，並發射了自己的ADS-B小衛星。
歐美由於率先完成了地基ADS-B系統的建設，因此也都率先將目光投向了星載ADS-B技術。歐洲由歐盟和歐洲航空安全組織發起了SESAR(Single European Sky ATM Resarch)，其中星載ADS-B技術也被列為未來空中交通管理的飛行跟蹤手段之一，同時ESA也發出了項目邀請，推進星載ADS-B載荷研製和ADS-B衛星在軌演示驗證。美國由於通航發展迅速，因此也是全球最早開始部署地基ADS-B並將目光率先瞄向天基ADS-B系統的國家。
2011年，GlobalStar和ADS-B Technology開發出了ALAS (ADS-B Link Augmentation System)，通過該系統，能夠將載有ALAS系統的飛機的ADS-B數據通過GlobalStar L/S數據鏈與衛星進行數據交換。2015年7月21-28日，GlobalStar在美國進行了約36小時的飛行試驗來對星載ADS-B信號的接收進行驗證，飛行期間，GlobalStar共收到了129300條報文中的125795條，接收成功率達到97%；8月12日，GlobalStar與ADS-B Technology宣布NASA Langley選擇了ALAS系統作為NASA雙向通信需求的研究工作。
歐洲航天局（The European Space Agency，ESA）2013年發射了由德國航空中心（DLR）研製的PROVE-V衛星搭載了ADS-B接收機，驗證了星載ADS-B飛行器跟蹤技術。在首次進行試驗時2小時內接收到了12000餘條ADS-B報文。它的成功驗證了從太空進行空管的可能性。
圖2 PROVE-V衛星在英國空域偵收到的ADS-B信號
圖3 PROVE-V衛星在澳大利亞空域偵收到的ADS-B信號
圖4 PROVE-V衛星ADS-B偵收幅寬示意圖（單軌約500km）
該衛星驗證了從太空持續跟蹤航空器的可能性。在不到的兩年時間裡，對地覆蓋範圍相對較小（約1200L×500W (km)）的ADS-B載荷已接收了來自15000多架飛機的2500萬個位置信號。該接收機接收的數據通過與澳大利亞的地基ADS-B網路數據比對，吻合結果非常好，驗證了DLR研製的天基ADS-B接收機的接收性能......
(2) 國內發展現狀
國防科技大學微納衛星工程中心2015年9月發射了「天拓三號」（TT3）。這是我國首次進行星載航空目標自動識別信號接收試驗。TT3星載ADS-B接收系統平均每天可接收全球範圍40多萬條ADS－B報文數據，幅寬超過2000公里，成功實現對全球範圍航空目標的准實時目標監控、空中流量測量，接收的報文數據可為航空安全、航線優化、航空管制和提升航空效率提供信息服務。如圖5、圖6所示......
圖5 TT3星載ADS-B單軌幅寬示意圖（2015-09-22日數據）
圖6 TT3星載ADS-B 8小時偵收數據示意圖（2015-09-22日）
三、結束語
星載ADS-B具有位置高遠、廣域覆蓋的優勢，其偵收信息在軍事上可用於監視全球航空目標，配合重要目標詳查；在國民經濟建設中可用於掌握全球航空動態、維護航行安全、分析全球經濟態勢等，在智能大交通、空管、物流等各領域應用廣泛。總的來說星載ADS-B具有巨大的軍民兩用價值。
2015年國內星載ADS-B系統的首次飛行驗證圓滿完成，改進型星載ADS-B載荷、低信噪比解調和多信號衝突信號分選演算法等研究進展順利，微、納衛星平台的研製和驗證日漸完善，各應用單位在星載ADS-B數據處理和顯示、資料庫的建設方面日漸成熟。綜合以上幾個有利因素，可以看出我國建設實用化的星載ADS-B偵收系統已經具有良好的基礎和條件。
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