中国民航西南空中交通管制局技术保障中心 四川 成都 610202
引言
我国的通航发展由于军方对空域的严格控制，受到了很大的制约，几乎处于停滞不前的状态。我国通用航空器的数量还相当少，没有能够提供监视服务的对象，自然就无法促进监视体系的发展，因此我国通航目前的监视体系与公共运输航空的监视体系相差无几，主要还是依靠雷达来提供监视服务，不同的只是要依靠低空监视雷达，只有少部分地区开始使用ADS-B技术来提供更好的监视服务。因此了解并学习先进的监视手段，可以让国内的通航监视体系的发展事半功倍。
一 国外ADS-B技术发展
国际上，许多国家依然在使用军方主导的低空监视雷达。像美国、澳大利亚这些通用航空比较发达的国家，几乎已经实现完全使用ADS-B技术来为自己的通用航空器提供监视服务，不仅仅是因为这些国家的通用航空发展远强于我国，更是因为这是一种必然趋势。美国是通航最发达的国家，数量众多的航空器单靠目视避让的原则已经满足不了要求，为了解决空-空协同避撞问题，它成为了ADS-B技术的最先发起者,FAA已经计划将ADS-B确定为下一代的空中交通运输系统（NGATS）的基石。根据FAA的计划，ADS-B在美国于2010年实现可用性，2013年实现全美完全覆盖。美国联邦航空局的飞行标准司（AFS）正在针对新的机载设备和运行操作制定使用文件，而空中交通组织部门（ATO）则为空域运用ADS-B开发新的管制程序。
二 ADS-B技术介绍
ADS-B是ADS技术的一种，是目前精度最高的监视设备，在冲突解决和间隔调配中占有重要的地位，是保证飞行安全高效的新兴手段。空中交通管制部门对飞机的监测手段通常分为独立监视和相关监视两种。所谓独立监视是指地面管制雷达自行监视，不依靠航空器或机载设备或其他监视途径；与此相对的相关监视则是依靠航空器报告发送位置或由机载设备共享数据链。
ADS-B的诞生地在美国，这有着特殊的背景。美国的通用航空(GA)非常发达。与商业运输航空不同，通用航空的航空器（特别是私人航空器）飞行机动性大，且主要在非管制空域活动。在机载设备配置方面，通用航空器的适航要求远不像商业运输机队那么严格。FAA对30客座以上的商用运输机强制要求装备的S模式应答机、空中交通告警和避撞系统（TCAS）、机载气象雷达、各种自动化操控系统等，并不强制通用航空器选装。因此，通用航空安全设施的不完整和飞行过程的非管制状态，航空器间的安全间隔控制主要依靠飞行员“看到－避让”（See & Avoid）的主观决策，客观上存在很大的风险。采取有效措施改进通用航空器的空中告警和避撞性能，这是航空管理当局关注的焦点问题之一。
美国发现了应用ADS-B技术，现有机载设备只须稍加改装就可以有效增强小型通用航空飞机的空中避撞性能。因此美国首先在GA领域推广ADS-B技术应用，并且重点解决飞行终端区的空-空协同避撞问题，可见美国的新技术应用政策是极其务实的，是注重效率和效益的[9]。
自动相关监视（ADS）是一种可以将监视服务扩展到海洋空域、边远陆地区域和雷达覆盖不到的地区的监视手段，是飞机将机上导航和定位系统导出的数据通过数据链自动发送，这些数据至少包括飞机识别、四维位置和所需附加数据。因此ADS向空管部门提供与二次雷达（SSR）等效的飞机位置数据。
广播式自动相关监视（ADS-B）是由飞机定期自动发送与ADS报告相同的数据信息（标识码、位置、速度、时刻等），主要用于空-地和空-空互传。任何空中和地面装有ADS-B能力的飞机将定期通过数据链广播其由机载导航和定位系统提供的有关数据信息，而任何装了ADS-B的用户都可以在广播作用距离范围内选择接受和处理这些信息。
三 ADS-B监视体系的特点
(1)ADS-B可以实施空对空监视。一般情况下，只需机载电子设备(GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器CDTI)，不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能，装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其它数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其它飞机的机载ADS-B结合起来，在空地都能提供精确、实时的冲突信息。
(2)ADS-B系统由多地面站和机载站构成，以网状、多点对多点方式完成数据双向通信。机载ADS-B通信设备广播式发出来自机载信息处理单元收集到的导航信息，接收其他飞机和地面的广播信息后经过处理送给机舱综合信息显示器。机舱综合信息显示器根据收集的其他飞机和地面的ADS-B信息、机载雷达信息、导航信息后给飞行员提供飞机周围的态势信息(主要包括:飞机标识、飞机类别、三维位置、速度)和其他附加信息(如:冲突告警信息、避碰策略、气象信息等)。
(3)ADS-B系统是一个集通信与监视于一体的信息系统，由信息源、信息传输通道和信息处理与显示三部分组成。ADS-B的主要信息是飞机的四维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其它可能附加信息(冲突告警信息、飞行员输入信息、航迹角、航线拐点等)以及飞机的识别信息和类别信息。此外，还可能包括一些别的附加信息，如航向、空速、风速、风向和飞机外界温度等。这些信息由以下航空电子设备得到:①全球卫星导航系统(GNSS)②惯性导航系统(INS)③惯性基准系统(IRS)④飞行管理器⑤其它机载传感器。ADS-B的信息传输通道以ADS-B报文形式，通过空－空、空－地数据链广播式传播。ADS-B的信息处理与显示主要包括位置信息和其它附加信息的提取、处理及有效算法，并且形成清晰、直观的背景地图和航迹、交通态势分布、参数窗口以及报文窗口等，最后以伪雷达画面实时地提供给用户。
四 雷达监视技术与ADS-B技术的对比
因为在我国现在的监视体系中，雷达监视技术占据了大部分，目前为止只有少部分地区和航路采用了ADS-B技术，但是鉴于国外使用ADS-B带来的高效率高收益的影响，国内的监视体系势必也会向ADS-B监视方向发展，ADS-B还需要逐步替代雷达监视甚至是要和雷达监视覆盖使用，因此还需要专门再对雷达监视技术与ADS-B技术进行一次对比分析，以期找到更切合实际的方法。
雷达监视与ADS-B技术的性能对比
1.建设成本以及建设要求的对比
建设陆基雷达基站的成本是相当昂贵的，并且建设选地条件也相当严格，许多地区无法建设。而ADS-B的基站成本，加上机载设备，成本仅约同等雷达的15%。
2.监视范围的对比
雷达监视的覆盖范围有限，且必须多重覆盖，而我国领土宽广，多重覆盖就会带来雷达数量的增加，成本也就增加了。而且雷达覆盖高度有限制，有时候低空或者超低空飞行的通航飞机无法探测到。虽然ADS-B的监视范围也局限于地面站的数量以及分布情况，但是ADS-B的建设成本很低，所以在相同成本的情况下，ADS-B的覆盖范围比雷达监视的范围大得多。而且通航小飞机上可以加装ADS-B设备实现空空监视，可以自行保证安全间隔。
3.监视信息的对比
基于陆基雷达的空域监视只能实现地面管制员对空中态势的监视。由于飞行员无法全面及时地掌握周围其他飞机的飞行动态，必须由管制员进行对空指挥，这增加了工作量，不是很效率。ADS-B的监视信息很全面，并且由于是机载设备自动广播自身飞机的综合信息。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆国际民航组织一直在努力倡导使各成员国能够执行一个统一的数据链标准，从而提高数据链设备在全球范围的通用性。如果空中的每架飞机都执行同一个数据链标准，通过ADS-B系统，每个飞行员都能看到其周围一定范围内所有航空器的位置和动态。这将显著提高飞行员对其周围飞行态势的感知度，从而可以在保证飞行安全的前提下，进一步缩小飞机间的安全间隔，优化飞行路线，提高空域资源的利用率。
4.监视精度的对比
雷达监视精度随飞机距雷达的距离越远而下降，而ADS-B的精度可以达到10m，能够达到在雷达监视的最高精度的要求。监视精度的高低直接影响到在提供管制服务时需要掌握的安全间隔的大小，也就直接影响飞机的飞行安全和空域利用率。
5 对比结果分析
民航的发展脚步很快，传统雷达监视已经无法满足民航的发展需要，从以上各方面对比都能显示出ADS-B技术相对于雷达监视的优越性，因此可以得出ADS-B是最适合的监视手段，并且依赖此监视手段为通航提供的管制服务更安全也能更有效地利用空域。虽然在短期内ADS-B无法完全取代雷达监视，因此在有雷达覆盖的区域，依旧可以继续使用雷达监视，但是ADS-B必将在长期与雷达共用的情况下最后将后者取代，通航就能实现完全的ADS-B技术服务覆盖。
五 ADS-B在我国应用的建议
ADS-B则能够达到低空飞行的通航小飞机实现空空监视的目的，进而缩小相互间的安全间隔，提高空域利用率。使用ADS技术还可以显著的缩短航路距离，比如我国已经在L888航路试验了ADS-C，缩短了近700km的欧亚航路。ADS-B技术作为主推技术，不仅具有造价更低廉，精度更高，监视范围更广等优点，更有各技术政策的支持，为我国开放低空、发展通用航空事业，提供了坚实的基础。因此，建议在雷达已经覆盖的区域继续使用雷达监视，而在雷达无法覆盖的区域，比如沙漠地区以及洋区，则可以使用ADS来提供监视服务，其他满足条件的地区可以尝试MLAT与空地协同监视以及ADS-B技术的选择性或者配合使用。
六 在ADS-B条件下的管制手段
ADS-B是现代卫星导航技术、地空数据链通信技术以及计算机技术发展的最新成果。由于其在航空监视方面的卓越性能，国际民航组织建议世界各国加快ADS-B建设尽早将其用于空中交通管制服务，替代二次监视雷达的功能应用。但是由于涉及航空安全，对该设备的可靠性、稳定性、监视精度等需要进行严格适航认证，同时需要世界各国建立起ADS-B类雷达管制运行服务程序标准。因此国际民航组织发布了一系列将ADS-B用于空中交通管制的安装和运行指导性文件,如“ADS-B IMPLEMENTATION AND OPERATIONS GUIDANCE DOCUMENT”等。要求各国根据自己国家的具体情况制定自己的ADS-B运行标准，促进ADS-B监视系统的建设并计划在世界范围内推广。
要实行ADS-B条件下的管制，首先要做好ADS-B管制工作的准备程序。首先要调整设备，包括调整ADS-B显示器的清晰度、显示范围等，还要输入正确的QNH值、确认适当的ADS-B信号源。其次要检查ADS-B设备工作是否正常，尤其是距离、方位的准确性，还要检查收发信号机是否正常以及诸如进程单摆放等其他程序。
具体的管制手段又包括了识别、位置报、引导、移交等。
1.对飞机进行识别是提供ADS-B管制服务的前提，对于管制员而言，只有管制屏幕是看到并确认该飞机标识后方可开始提供管制服务因此ADS-B识别是进行ADS-B管制服务的第一步。
ADS-B识别是指实施ADS-B的管制员在管制屏幕上确认该飞机的标识并确认该标识与飞机实际的高度速度等信息一致。识别方法有：（1）从ADS-B标牌上认出航空器的识别标志（2）观察到ADS-B显示有航空器按指示调定的应答识别编码（3）观察某一指定编码的机动指令的遵守情况（4）观察打开应答机识别标志（identification mark）的指令的遵守情况等。在识别航空器要注意一个问题，要避免航空器做识别转弯时脱离管制区或ADS-B覆盖区，或使航空器低于最低安全高度，或最低引导高度。
2.位置报告包括飞行员向管制员报告和管制员向飞行员报告飞机的位置。飞行员向管制员主要报告飞机高度、当前过航路点时间、预计过下一航路点时间等信息；管制员向飞行员报告飞机位置主要报告相对与跑道、电台等位置点的方位和距离。
提供位置报可以采用以下方式：（1）相对于一个显著的地理位置（2）到一个重要点，航线上一个导航设备的方位和距离（3）距一个已知位置的方向和距离（4）做最后进近的航空器距接地点的距离。
3.ADS-B引导是指管制员通过管制屏幕上显示的空中交通情况，给空中飞机下达上升、下降、转弯、调速等指令，引导飞机实施进近或飞向航路点，保持飞机之间间隔，维护空中飞行安全与秩序。在管制员引导期间，飞机与飞机之间，飞机与地面之间的安全完全由管制员负责，但飞行员仍然需要通过机载设备随时了解自己飞机的位置。
在实施引导时，飞行员必须按照管制员给定的高度、速度、航向等指令飞行。其目的是提供飞行间隔、理顺空中秩序，加速流量。在这期间飞行员是被动的，管制员通过监视屏幕主动指挥，因此管制员对飞机的安全负有完全责任。这要求管制员必须根据机场、地形、飞机性能、天气状况、空中飞行动态等情况，严格按照相关规定进行指挥引导。
引导方法如下：（1）指定转弯方向和磁航向（2）该航空器航向不明，又没有时间问清时，指定转变方向和转弯度数（3）使航空器保持现在航向（4）指定飞离某定位点时的磁航向。
4.由于通信、监视、管理等原因，每架飞机在飞行过程中，沿途会接收不同管制部门的管制。管制移交是相临两个管制单位或扇区之间，两个不同管制员，不同通信波道之间的管制移交。
ADS-B管制移交应当建立在ADS-B识别的基础上或者按照双方的具体协议进行，使接受方能够在与航空器建立无线电联系时立即完成识别。ADS-B管制移交时，被移交航空器的间隔应当符合接受方所认可的最低间隔，同时移交方还应当将指定给航空器的高度及有关引导指令通知接受方。在管制单位内部或者相互间进行的ADS-B识别移交，应当在ADS-B有效监视范围内进行。
ADS-B移交的方式以识别移交为主，电话移交为辅。
移交方法如下：（1）在航空器进入相邻管制区的交接点前15公里开始至交接点前5公里完成管制移交（2）在给航空器发布换频指令之前，必须完成ADS-B识别移交和管制协调（3）进行移交的航空器标牌内容包括：航空器呼号，气压高度，表速，机型（4）与航空器脱波前应保证潜在飞行冲突和不利影响已得到正确处理，必要的协调已完成，保证间隔的有关飞行限制已通知接受方（5）在完成ADS-B移交的同时应完成进程单的移交。
除去在ADS-B条件下的管制方法，还需要提供情报服务。
ADS-B情报服务是指管制员向空中的飞行员发布空中交通信息、气象信息等，通报可能的飞行冲突及可能威胁飞行安全的航行情报[22]。
结论
我国目前对通用航空飞行的监控还十分薄弱，主要原因是由于通用飞机一般飞行高度较低，往往低于雷达覆盖的高度，空管单位无法进行有效监控。由于我国目前低空还没有开放，任何飞行必须提前一天申请，而有些私人飞机是看天飞行，不愿进行提前申请，因此依仗自己飞行高度低，雷达看不到而不经申请私自飞行，有时甚至穿越主干航路对航班飞行造成严重威胁；对于消防飞机而言，飞行监控的需要也十分得急迫，例如现代森林灭火，空中灭火的直升机很多都在往火点飞，火场上空往往烟雾弥漫，飞机之间防撞的压力十分大；对于学校的飞行训练而言，由于飞行训练的密度加大，没有适当的监控设备则无法降低飞机之间的间隔，满足飞行训练任务量的要求。如果推广使用飞机ADS-B设备，那么以上问题皆可迎刃而解
论文作者:刘娟 戢宏
论文发表刊物:《科技中国》2016年6期
论文发表时间:2016/10/17
标签：管制论文; 飞机论文; 航空器论文; 信息论文; 数据链论文; 飞行员论文; 空域论文; 《科技中国》2016年6期论文;