星基航空定位監視系統體制設計及關鍵技術驗證

葉紅軍，賈詩雨，劉　亮

（衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，石家莊　050081）

基金項目：國家重點研發計劃課題支持（2016YFB0502402）。

作者簡介：葉紅軍（1983—），男，漢族，河北武邑人，高級工程師，主要研究領域為導航測試、航空導航。E-mail：yehongjun563@163.com

摘　要：針對民用航空全域高精度實時監視的問題，提出“星地一體化航空監視網絡”的概念，從而構建全球覆蓋的低軌星座PNTRC網絡。該網絡能夠實時監測全球任一民航航班，使其成為天地一體網絡中的用戶節點。通過高靈敏度星載ADS-B分集接收、星載GNSS接收定軌、星間鏈路數傳、星地鏈路數傳等技術，實現全球航班實時軌跡追蹤及空域態勢監視。本文概述了該體制的構成及其關鍵技術，包括星地一體化綜合監視網絡設計、大批量監視信息并行接收技術的原理方法，并通過試驗驗證了星間傳輸鏈路技術及高靈敏度的星基ADS-B信號偵收技術的性能。未來，基于該體制的廣域航空監視應用，將全面支持全球航班追蹤系統建設和運行，顯著提高國際民航安全監視的技術水平，并形成國際航空標準。

關鍵詞：星地一體化航空監視網絡；星間路由技術；安全監視；星載ADS-B；航班追蹤

中圖分類號：TN927　文獻標識碼：A

Satellite-based Aeronautical Positioning Monitoring System Design and Validation of Key Technologies

Ye Hongjun，Jia Shiyu，Liu Liang

（State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology，Shi Jiazhuang，050081，China）

Abstract：The concept of“Integrated Aviation Surveillance Network”was proposed to construct a global covered low orbit constellation PNTRC network，which focused on the problem of global high-precision real time safety surveillance of civil aviation.The network is capable of monitoring any civil aviation flight in the world in real time，making it as a user node in“Integrated Aviation Surveillance Network”.Realtime trajectory tracking and airspace situation monitoring of global flights are realized by satellite-borne ADS-B diversity reception，on-board GNSS receiving orbit determination，inter-satellite link number transmission，and satellite link number transmission.This paper outlines the structure of the system and its key technologies，including the design of integrated surveillance network for satellite and ground，and the principle of parallel monitoring of large-scale monitoring information.The experimental results show that the inter-satellite transmission link technology and high-sensitivity satellite-based ADS-B signal detection technology performance.In the nearly future，the wide area aviation surveillance application based on this system will fully support the construction and operation of the global flight tracking system，which would significantly improve the technology level of the international civil aviation safety surveillance，and form the international aviation standard.

Key words：Integrated aviation surveillance network；Safety surveillance；Satellite borne ADS-B；Global flight tracking

0　引言

近年來，航空監視技術正從局部“看得見、看得遠”向全球范圍內“看得廣、看得準”發展。目前主用的航管一次/二次監視雷達、廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）、場面監視雷達和多點定位等航空監視裝備僅限于視距內觀測，只有少量特殊用途的天波、地波超視距雷達才能在一定程度上突破這一限制。但普遍存在監視范圍小、需要大型地面系統支持、頻譜資源占用大和易受環境干擾等問題。隨著衛星技術的發展，星基導航與通信的結合為航空監視提供了新手段，出現了ADS-C（ADS-Contract）、飛機通信尋址與報告系統（Aircraft Communications Addressing and Reporting System，ACARS）、北斗短報文等具備全球覆蓋能力的廣域航空監視手段。但受到衛星導航精度、通信鏈路容量的限制，目前只能為航空公司提供低精度、間隔時間大的位置報告，其監視性能遠不能達到地基設備水平。因此，改善星基導航性能、突破現有星基監視體制就成為國際航空監視技術發展的最新趨勢[1，2]。

1　新一代綜合航空監視技術框架

1.1　新一代航空監視系統的提出

針對傳統雷達監視手段的不足，新一代航空運輸系統的核心技術——廣播式自動相關監視（ADS-B）技術被引入，衛星系統、飛機機載電子系統以及地基裝置和網絡系統，通過高速數據鏈進行天空地一體化協同新一代綜合監視[3]。ADSB技術既可解決傳統地基雷達對基礎設施要求高、部署困難、價格昂貴、監視范圍和精度有限等問題，也可為空中交通管理和服務提供全面、精確、實時的定位、監視和飛行態勢信息。但地基ADSB技術同樣存在著監視范圍有限的問題，需要探索新的能夠解決全球監視特別是洋區監視問題的方案。如圖1所示，地基ADS-B監控站只能覆蓋全球10%左右的區域。

全球航空飛行監控系統需要滿足以下功能：

1）監控內容

● 高精度位置監控。這也是航空飛行監控最核心的監控內容。如圖2所示，遠距離下ADS-B監控手段相比于雷達監控和廣域多點相關系統監控的定位精度要高。其中，SACP代表位置監視精度等級，數值越大表明精度越高，民航飛機在不同飛行階段需要滿足不同的位置監視精度等級。

● 飛行器狀態監控。這是在位置監控基礎上更豐富的監控內容，與位置不同，飛行狀態是判斷飛行中故障、操作等的重要依據。

2）監控要求

● 連續性。航空飛行監控具有一定的特殊性，以目前最長的跨洋航班為例，其總時間長度也不會超過15h，因此，小時級，甚至更高頻度的監控是有必要的。目前ICAO規定的航班飛行監控頻度約在15min，針對特定需求也已經有公司給出了分鐘級甚至秒級的監控方案。

● 全球性。要求被監控的航空器具有一定的全球普適的特征，也就意味著航空器上應有標準統一、強制安裝位置、狀態傳感器以及在海洋和陸地都提供監控的手段。

新一代綜合航空監視技術的關鍵是對二次監視雷達技術和地基ADS-B接收站無法覆蓋地區的飛機的監視問題，比如山川、海洋、沙漠地區，而這些地區占全球近2/3。星基ADS-B在地基ADS-B的基礎上利用覆蓋全球的數據鏈增強系統，使得處在衛星覆蓋區域內的飛機能夠得到實時的監控[4]。該種監控技術能夠突破地理條件的限制，極大提高監控范圍、監控效率、對飛機的搜索救援效率，提高航空安全性和航空效率。此外，還能優化航線，減少能源消耗和碳排放，對民航業的發展有著極為重要的意義。

1.2　新一代航空監視系統框架

目前我國的航空監視體系以空管二次雷達為主，地基ADS-B監視為輔，ACARS為補充，星基ADS-B監視技術與北斗監視作為新的技術手段也得到了較為充分的試驗驗證。如表1所示，為現行幾種航空監視手段對比分析。

通過對現行航空監視手段的優缺點進行分析，本文提出了新一代綜合航空監視技術的框架，通過建立以星基ADS-B監視網絡為主的空域監視系統，結合導航增強及星間傳輸，建立空中交通態勢感知技術的應用，保障空管系統對無雷達區空域的覆蓋性監測。新一代綜合航空監視技術框架示意圖如圖3所示。

考慮到ADS-B信號功率有限，高軌道衛星無法很好地接收，星基ADS-B監視網絡適宜采用低軌星座進行全球的組網覆蓋。同時，低軌星座可通過星座的快速幾何變化及大功率信號增強，幫助實現導航定位精度與完好性的增強，使飛機位置定位結果的可靠性得到顯著提高。此外，為實現監視信息的傳輸、保證監視目標的實時性和有效性，需要具有衛星間通信能力。因此，整個系統框架以低軌星座為基礎構建全球無縫覆蓋的監視網絡，結合北斗三號衛星導航系統及衛星通信網絡形成星基定位和監視信息傳輸手段，實現全球實時大批量航班信息的監視和傳輸。

2　低軌星座航空安全監視體制關鍵技術

低軌星座航空安全監視體制涉及星座網絡拓撲設計、星上大批量監視信息并行接收等方面，星間信息傳輸則利用衛星通信網絡進行實現。

2.1　星地一體化綜合監視網絡設計

對衛星系統而言，要實現對一定區域或者全球的覆蓋和服務能力，往往需要由數顆或者數十顆衛星構成衛星星座。低軌衛星星座網絡建模確定星座布局和路由拓撲，確保覆蓋的有效性、傳輸的時效性，并降低衛星數量。

將星座衛星編號為XYY，其中X代表軌道號，YY代表軌道內衛星編號。衛星具有星上處理與路由交換能力，可以完成路由器的功能，按照特定規則將數據包轉發到相鄰衛星。對于近極軌星座，在兩極附近，衛星比較密集，相鄰軌道面間的衛星相對運動角速度也較高，跨越極區時還會發生左右關系互換、天線指向跟蹤困難。另一方面，兩極區域業務量很低，因此在衛星緯度高于門限時將關閉軌道面間星間鏈路。

由于星間/星地鏈路所承載的數據業務遠小于所能提供的星間鏈路數傳速率，因此在星間傳輸時，鏈路傳輸阻塞概率極小，在路由規劃中可以以實現最小轉發傳輸時延為主要的優先目標。綜合考慮信號空間傳播時延和信號轉發處理時延，在信號轉發中，信號處理時延將是主要的延遲項，因此在具體的路由規劃中，采用最小跳數算法。

所采用的最小跳數算法，基于最短路徑算法進行設計，即將鏈路代價歸一化，可以在實現相同路由性能的條件下，降低路由規劃的運算處理復雜度。路由規劃中通過逐步標定到達節點路徑長度的方法來求解最短的路徑[5]。

設每個節點i到達目的節點1的最小路徑代價估計為Di。如果在迭代過程中，Di已變成一個固定的值，則稱節點i為永久標定的節點，永久標定節點的集合用P表示。在算法的每一步中，在P以外的節點中，選擇與目的節點1最近的節點加入集合P。具體算法如下：

（1）初始化，即P=｛1｝，D1=0，Dj=dj1，j≠1。

（2）尋找下一個與目的節點最近的節點，即求i，i?P使下式成立。如果P包含了所有的節點，則算法結束。

（3）更改標定值，即對所有的j?P，置Dj=。

返回步驟（2）。

2.2　星基高靈敏度ADS-B監視信息并行接收技術

低軌道衛星與空間飛行器最近的距離約為500km（假定），此外，為了擴大覆蓋范圍，還需要監測距離約為1500km的飛行器。此時的自由空間的路徑傳輸損耗約為

loss=32.45+10lg（1500）+10lg（1090）=156dB

因此可得ADS-B信號到達衛星天線接收口面的電平約為：23+30-156=-103dBm。在DO-260B對A類ADS-B接收機的靈敏度要求中，靈敏度最高的A3類接收機的靈敏度也僅僅為-84dBm，所以現有的ADS-B地面接收處理算法不能滿足星基低信噪比環境的要求。針對星基ADS-B小信號及并發大批量的特性，需要進行新的方法研究，適用于大批量高靈敏度監視信號的接收[6，7]。

ADS-B數據鏈的信號幀可以分成報頭部分和數據部分。報頭部分長為8μs，主要由4個脈沖構成，每個脈沖寬度為0.5μs。如圖4所示，以第一個脈沖出現位置為基準，設為0μs，第二、三、四個脈沖分別出現在1.0μs、3.5μs和4.5μs處。從8μs開始為數據位的起始，一直到120μs為止。數據位時長為112μs，共有112比特，其中88比特為信息位，其余24比特為CRC校驗位[8]。

ADS-B解碼最先進行、最核心的部分是對報頭的檢驗。傳統ADS-B的報頭檢測算法有直接判決法、邊緣檢測法、滑窗相關法。

直接判決法是最傳統的算法。方法是設定一個門限直接判斷信號幅度，如果信號幅值高于門限，就判斷為脈沖。當脈沖位置分別處在0μs、1.0μs、3.5μs和4.5μs處時，就判斷為報頭。該方法的優點是操作簡單、易實現；缺點為動態范圍較小、靈敏度低，接收的算法的性能較差。

邊緣檢測法是通過檢測信號的上升沿來檢測脈沖，將當前時刻采樣點的幅值與前一個采樣點和后一個采樣點做比較，若符合相應的算法，則存在上升沿或下降沿。對于上升沿，若信號某處采樣點的值比前一個采樣點的值有大幅度的增加，其增值超過一個門限，那么信號在此點有一個上升沿。值得注意的是，這個上升沿處的采樣點不能是一個過渡點，也不能是一個尖峰脈沖。邊緣檢測法的不同情況如圖5所示。邊緣檢測法的優點是抗干擾能力比較強，在有單脈沖干擾的情況下依然可以檢測到報頭；缺點是由于要檢測上升沿，所以需要的信噪比環境要比較好，檢測靈敏度較低。

滑窗相關法是將AD模塊產生的基帶信號送入一個20bit的窗口，每滑動一次，窗口中20bit的數據將與20bit的本地信號進行相關得到一個相關值。本地用于相關的信號有兩種，一種是1bit信號，另一種是0bit信號。相關窗的形狀如圖6所示。相關之后再根據門限值確定脈沖位置，從而判定報頭位置。滑窗相關法的優點是靈敏度較高，可以檢測到幅度較低的信號；缺點是抗干擾能力較差，如果某一個脈沖的位置出現干擾，則將檢測不到該報頭。

針對以上方法存在的問題，本文提出了一種拓展滑窗相關法的星載ADS-B接收機報頭檢測算法。算法的基本原理是，擴展相關窗的長度，讓基帶信號與報頭跟DF位整體相關，當相關值大于一定門限，且大于附近的相關值時，判定此處為ADS-B報文的報頭。這種方法相當于利用了擴頻增益的原理，從以前檢測單個脈沖變成了檢測一個序列，從而可以在更低的靈敏度下解出ADS-B報文。同時，本方法還能有效抵抗單脈沖干擾，單個脈沖的干擾對整個相關值的影響小于10%。由于是同DF位整體相關，本方法還能濾除二次雷達A/C模式、TCAS等共同利用1090MHz頻率的信號。

針對以上4種方法進行仿真驗證，得出的結果如圖7所示。

可以看出直接判決法性能最差。邊緣檢測法在高信噪比環境下性能稍好于滑窗相關法，而在低信噪比環境下性能不如滑窗法。拓展滑窗相關法在各個信噪比下性能都是最優的，所以在接收機中采用拓展滑窗相關法檢測報頭。

3　仿真試驗驗證

3.1　星地一體化綜合監視網絡拓撲驗證

基于MATLAB對所獲取的網絡拓撲數據進行處理，采用路由算法實現對網絡路由性能進行仿真試驗。根據建鏈規則進行建鏈；網絡節點數量為79，包含了77顆衛星及2個地面站。航空安全監視星間鏈路仿真平臺設計如圖8所示。

按照一定頻度進行星間鏈路可視性報告的獲取，形成星間鏈路網絡的可視性矩陣序列[9]。矩陣元素代表對應節點間的可視性情況和傳輸距離，為0則表示兩節點間不可視，不為0則表示節點間的傳輸距離。

根據可視性矩陣序列，基于建鏈規則形成79×79的網絡拓撲快照矩陣序列，如圖9所示。矩陣元素代表對應節點間的建鏈情況，為0表示兩節點間不建鏈，為1則表示建鏈。

基于星間鏈路網絡的快照矩陣序列進行路由規劃，模擬77顆衛星數據傳回地面站的業務過程，假設衛星轉發時延為200ms。由于星間鏈路速率比傳輸業務具有較大冗余，可以不考慮阻塞或丟包問題。

目前主要對傳輸時延進行了仿真試驗。為了衡量星間路徑的路由性能，令所有衛星節點每1s產生一個模擬業務數據包，目的地址為地面站。在一個軌道周期內對所有數據包統計平均跳數和平均時延，時間片長度分別選為10s、60s、120s和180s。實驗結果如表2所示。

實驗結果表明，星間鏈路業務傳輸平均轉發次數為4～5次，傳輸時延在毫秒級。提高拓撲矩陣快照頻度可以實現傳輸時延的降低，但是也會大幅度提高路由表的更新頻率，帶來一定的傳輸負荷。可視更新頻率因此采用180s的快照頻度，傳輸時延在1s級可以滿足航空監視要求。

3.2　高靈敏度星基ADS-B接收機性能試驗驗證

在高靈敏度星基ADS-B接收機上運行基于拓展滑窗相關法的星基ADS-B接收機算法，在地面ADS-B接收機中運行通用地面接收機的算法，通過試驗對比分析可以得出，星基ADS-B接收機相比傳統接收機在信號的檢測概率和誤碼率上都具備一定的優勢。如圖10所示，運用了基于拓展滑窗相關法的星基ADS-B接收機，在接收-98dBm電平的信號時，接收檢測概率可以達到50%以上，而在接收-95dBm電平的信號時，接收檢測概率可以達到95%以上。到達星載ADS-B接收機的接口電平功率一般為-100dBm～-91dBm，本接收機可以接收到很大一部分的信號。同時可以看出，星基ADS-B接收機比傳統的地面接收機接收靈敏度高出10dB左右，大大增強了接收機可以接收的范圍，監測區域可從200km提高到1000km以上，把ADS-B的應用范圍從地面擴展到太空。

4　結束語

本文以空管行業實現全球航班監視過程中面臨的問題為出發點，通過對現有空管監視技術進行全面的整理分析，提出了基于低軌星座航空安全監視技術的新一代綜合航空監視技術的框架；通過對其中星地一體化綜合監視網絡設計和星基高靈敏度ADS-B監視信息并行接收技術等兩項關鍵技術的理論分析、對原理樣機的性能測試，驗證了低軌星座航空安全監視技術在工程實踐中具有非常高的可行性。

由于具有全覆蓋、實時感知的能力，低軌星座航空安全監視技術能夠大大提升航空安全監視水平，具有廣闊的應用前景。潛在用戶劃分為四個領域，分別是空中導航服務供應商、航空公司、通用航空和國土安全部門，其商業價值包括節省燃油、節省飛行時間和減少等候時間。根據分析，通過優化航班爬升過程、提升航路利用率、根據風和氣候變化優化航路三項服務，能夠在2017—2030年為北大西洋和太平洋的美國航空公司節省30億美元[10，11]。從其前景來看，ADS-B的全球大數據價值非常可觀。其中不可忽視的一個關鍵角色，就是衛星與航空業務結合，這種結合型應用可使從事空中導航服務的運營商，擁有獲取全球（特別是海洋區域）飛行跟蹤數據的能力，使上述各種商業模式得以實現。

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