ADS-B技术在INDRA空管自动化系统中的设计与应用

ADS-B技术在INDRA空管自动化系统中的设计与应用
黄丹珺
【摘要】为应对一些地区复杂的地形环境,实现雷达信号全覆盖,满足日益增长的空中交通需求,国际民航组织及其相关国家连同其他国际组织达成协定,即使用ADS-B 技术作为未来全球空中交通监视手段的主要发展方向.文章介绍了ADS_B技术的原理和INDRA空管自动化系统,并以西安区管中心为例,阐述ADS-B在INDRA自动化系统中的设计和应用.
【期刊名称】《中国高新技术企业》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】3页(P41-43)
【关键词】ADS-B技术;INDRA自动化系统;空中交通管制;雷达信号;飞行计划
【作者】黄丹珺
【作者单位】民航西北空管局,陕西西安 710082
【正文语种】中文
【中图分类】TP315
近年来，我国民航空中交通管制监视系统的保障能力大幅提升，据不完全统计，2015年中国民航年飞行起降架次为780万架次，同比增长5.7%，而截至2016
年8月底，西安咸阳机场航班起降架次为880万架次，另外，至2020年底中国
机场数量预计将达到260个。

运用传统航空监视手段，可以达到东部航线基本实现部分地区两重或三重雷达覆盖，
但民航运输日益增大，拥堵状况日益明显；西部地区雷达设施不完善，信号覆盖不完全，受地形复杂和高海拔的影响，航线和机场搭建传统雷达监视设备困难、维护成本高。

因此为适应民航运输需求，弥补传统监视手段的不足，寻求更加高效的监视手段，中国民航积极开展了ADS-B的建设和实验工作，已实施一系列ADS-B
技术应用的运行试验与验证工程，目前已经完成8套1090ES数据链ADS-B地面站的建设工作。

通过新技术应用，缩小飞行间隔，提高空域容量，减轻管制员工作负荷，促进管制运行安全和效率的提高。

广播式自动相关监视（ADS-B）的全称是Automatic Dependent Surveillance-Broadcast。

ADS-B定义了一种新型的监视手段，它通过数据链以广播形式向外
发送自身的状态信息，信息如飞机的标识、呼号、位置（经纬度、高度）、速度、爬升、下降和转弯等其他信息，这些信息可由同样加装ADS-B设备的飞机和地面站接收并显示。

本机作为产生信息的数据源向外广播，它也能接收到来自其他飞机的广播信息。

ADS-B监视系统提高了对空域的利用，改进了对目标的监视能力，
提高了飞行安全。

ADS-B是ADS技术的一种，是实现未来自由飞行理念的重要保证。

ADS-B具有如下特征：（1）Automatic：全天候运行，无需监视；（2）Dependent：只依赖于全球卫星导航定位系统提供的精确数据；（3）Surveillance：通过监视获得航班号、位置、高度、速度、矢量角及其他信息；（4）Broadcast：无需应答，ADS-B信息发送者通过广播形式发送信息，不仅是点对点传送，而且是将信息周期性地广播给通信空域内的任何一个装有相关设备的用户，即只要有效范围内安装ADS-B机载系统的飞机，都可以不受限制的接收ADS-B信息。

简单来说，ADS-B的工作原理就是由机载设备接收到机载导航和定位系统的报文，将飞机位置信息以1s的间隔向外广播，自动传送给地面站和周围其他飞机，同时
飞机自身也接收空域内其他飞机的数据广播。

INDRA AirCon 2100（以下简称INDRA）自动化系统是由西班牙英德拉公司开发设计的空管自动化系统，可以为区域和塔台等不同管制中心提供空中交通管制服务，支持一、二次雷达、ADS-B及ADS-C、AIDC/OLDI移交、CPDLC地空数据链、飞行计划等航班信息服务和空中交通信息服务，让管制员全面掌握空中动态，向航班发出实时指令，增强航班飞行安全。

INDRA自动化系统具备监视数据的接入及
处理、多雷达航迹融合、综合航迹与飞行计划的相关处理、图形生成及显示、告警功能以及数据记录和回放等功能模块。

2.1 信号接入模块
SFE（Surveillance Front End，监视数据前端处理）是INDRA自动化的前端设备，提供ADS-B、雷达等监视数据的接收和预处理，SFE包括外部接口设备和RDCU（Radar Data Compressor Unit，监视数据比选单元）。

ADS-B数据通过外部接口设备传输数据至RDCU，RDCU中每个数据源均配置为双通道模式，即
主备通道模式。

若两通道均正常工作，系统进行自动比选，时刻对比两通道数据的监测指标；一旦系统监测到主用通道数据质量低于备用通道，则自动切换到备用。

用户也可手动进行选择。

另外，RDCU还为ADS-B数据提供时间戳处理功能。

INDRA系统支持的ADS-B数据格式为ASTERIX Cat021/023，传输协议为HDLC、X.25及IP组播。

INDRA自动化系统的外部接口设备有：分路器（串口输入x1，串口输出x4）；
复用器（串口输入x16，网口输出x2）；48口以太网交换机。

已有的配置共允许32路监视数据串口传输，72路监视数据网口传输。

2.2 多雷达航迹融合模块
SDP（Surveillance Data Processing，监视数据处理服务器），该模块负责接收和处理不同的监视数据来源，提供飞行计划与雷达数据相关、多雷达航迹跟踪处理、
处理STCA、MSAW等安全告警及ADS数据跟踪等功能，实现稳定、连续、真实的空中交通态势处理，并将不同航迹传输至SDDs（Surveillance Data Display，监视数据显示）和SNETs（Safety Net Processor，安全告警服务器）。

目标数据识别的过程是：接收目标报告→按需过滤→转换为相应的ASTERIX格式→分配给其他子功能，例如MST。

MST（Multi Sensor Tracking，多雷达航迹跟踪器）子系统是SDP的核心，它能够预处理接收到的数据（点迹或报告）以便用于后续转换为统一坐标系以及目标过滤，其他处理例如点迹-航迹相关和雷达偏差预测，在MST接收数据之前进行处理。

当跟踪航班的水平位置时，MST首先执行高级IMM（Interacting Multiple Model，交互式多模型）过滤将新的点迹或报告与每个系统航迹更新关联，这一高级筛选能够处理水平位置、速度矢量及“位置&矢量”等测量项。

同时，对于垂直方向，MST采用标准的卡尔曼滤波与垂直机动决策算法相结合的方法，来预测每一个系统航迹的高度和垂直速度。

多雷达航迹也叫系统航迹，当航空器被多种监视源探测到时，MST根据这些数据源计算出系统航迹，提高精确度、连续性和覆盖面。

当一架航空器的信息由多个ADS-B地面站提供时，系统仍将其看作单一监视数据来源，与其他监视数据进行融合。

因此即使不同ADS-B地面站设计厂家不同，自动化系统也能进行信息无差别处理。

MST的主要功能包括多雷达航迹跟踪子模块。

多雷达航迹跟踪子模块是指在多重监视源覆盖的情况下，对系统航迹进行初始化、维持、更新和取消。

INDRA系统航迹更新的频率是固定的，设置为4s，这保证了管制员能从SDD上看到周期性的连续的航迹更新。

两个及两个以上代表同一航班的系统航迹可以合并为一个单系统航迹，ADS-B航迹的合并条件是满足航班号、位置及监视源关键参数等条件。

在未来，SDP将向其他系统传输ASTERIX Cat022格式的TIS-B（Traffic Information Service-Broadcast，广播式空中交通信息服务），并处理和显示GPS可用性的警告信息，该信息可能会影响来自外部监控系统中目标航迹的导航
精确性。

2.3 飞行计划处理模块
FDP（Flight Plan Processing,飞行计划处理器）接收处理外部系统发送的报文并生成计划，提供AIDC、航班识别、飞行计划与系统航迹相关、飞行计划的添加/
修改/删除/查询等功能。

2.3.1 航班识别。

这一功能提供以下服务：航班24位地址码（Mode S & ADS-B）或二次代码（Mode A）识别、仅基于飞行数据的模拟航迹的生成与发展等。

2.3.2 飞行计划与系统航迹的相关。

这一功能自动相关当前的飞行计划与自动化系
统航迹，航班号、航班24位地址码、二次代码、地理位置是满足相关的关键因素。

基于二次代码和地理位置的相关，即系统检测代码是否符合时会考虑当前和之前的二次代码，且该目标处于相关的地理范围（INDRA系统可手动配置）内，一旦相关，飞行计划信息会及时更新，并在管制员席位SDD上显示一个航班标牌。

另外，也可以由管制员席位手动输入进行相关。

在相关过程中，可能会存在由两个系统航迹的二次代码相同引起的模糊问题，这时，系统会对根据飞行计划计算的4D轨迹和系统航迹进行一致性检测，两者相符时才会相关成功，若这一过程失败，相关则不会自动完成，需由管制员手动操作。

2.4 态势显示处理模块
SDD（Situation Data Display，空中交通态势显示器）是AirCon2100 INDRA
自动化系统面向管制员的显示终端，它基于系统对主要空中交通管制任务和环境的实时分析，可提供ADS-B等大量数据的管理。

“最终实现”确保通过适用于用户需求的人机交互界面，管制员更易控制及与周边环境沟通；另一方面，也保证有效的数据显示和自动化支持，给予管制员更多的思考时间来做出交通管理的决策，减少其工作压力，加强安全性、高效性，降低成本。

2.4.1 ADS-B数据显示。

从ADS-B位置报告中，系统可以得到以下数据，并显示
在SDD上相应目标的航班标牌上：ADS能力（即目标为ADS-B或ADS-C）和连接建立指示符；CPDLC能力和连接建立指示符；NIC（Navigation Integrity Control，导航完整性控制）指示符；ADS-B紧急模式指示符；可用的ADS-B预测航路（下两个航路点）；通信协议（ATN、ACARS等）；ADS-B事件指示符。

2.4.2 ADS-B位置报告。

带有ADS-B信息的航迹，管制员能够选择使其与一个ADS-B位置报告关联。

若系统收到ADS-B基础位置报告（无速度信息），SDD屏幕上会显示一个空心三角形来表示目标在该位置；若收到扩展报告（有速度信息）则显示一个实心三角形表示。

每一个三角形又连接两条线形标牌，一条线包括ADS-B报告的时间戳，另一条线显示报告中包括的飞行高度。

以上任意一种情况，航迹颜色是不会改变的。

当前时间和当前ADS-B位置报告接收时间之间的间隔也可以通过设置显示出来。

SDD可显示的位置报告数量（最多为10个）及该功能的激活/关闭可以在SDD 上设置。

INDRA自动化系统在各国空管领域均应用广泛，支持ADS-B信号与多雷达信号融合处理，适用于国内西北地区的实际地理情况和发展情况，并且作为西安区管中心的核心设备，必须保证监视及其他数据的准确性、完整性及传输高效性，才能为用户提供更好的服务。

理想的空中交通服务是能实现飞行情报服务、空中交通管制、航空气象服务、告警服务，这些服务都依赖于优质的数据源。

ADS-B技术能以更频繁更准确的传输方式，将本机信息实时传给地面站或其他飞机，作为整个航空监视系统的一部分，ADS-B需要能够给其他系统提供准确数据。

伴随着不断地创新进步，ADS-B技术在国内必将得到广泛应用，并带动新一代空中交通管理体系的发展。

【相关文献】
[1] 吕小平．ADS-B技术介绍[J]．空中交通管理，2005，（4）．
[2] 潘卫军．空中交通管理基础[M]．成都：西南交通大学出版社，2005．
[3] 李自俊．ADS-B广播式自动相关监视原理及未来的发展和应用[J]．中国民航飞行学院学报，2008，（5）．
[4] 何进．基于1090ES的机载ADS-B设备总体设计[J]．电讯技术，2011，（7）．。