星基航空定位监视系统体制设计及关键技术验证

叶红军，贾诗雨，刘　亮

（卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄　050081）

基金项目：国家重点研发计划课题支持（2016YFB0502402）。

作者简介：叶红军（1983—），男，汉族，河北武邑人，高级工程师，主要研究领域为导航测试、航空导航。E-mail：yehongjun563@163.com

摘　要：针对民用航空全域高精度实时监视的问题，提出“星地一体化航空监视网络”的概念，从而构建全球覆盖的低轨星座PNTRC网络。该网络能够实时监测全球任一民航航班，使其成为天地一体网络中的用户节点。通过高灵敏度星载ADS-B分集接收、星载GNSS接收定轨、星间链路数传、星地链路数传等技术，实现全球航班实时轨迹追踪及空域态势监视。本文概述了该体制的构成及其关键技术，包括星地一体化综合监视网络设计、大批量监视信息并行接收技术的原理方法，并通过试验验证了星间传输链路技术及高灵敏度的星基ADS-B信号侦收技术的性能。未来，基于该体制的广域航空监视应用，将全面支持全球航班追踪系统建设和运行，显著提高国际民航安全监视的技术水平，并形成国际航空标准。

关键词：星地一体化航空监视网络；星间路由技术；安全监视；星载ADS-B；航班追踪

中图分类号：TN927　文献标识码：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

近年来，航空监视技术正从局部“看得见、看得远”向全球范围内“看得广、看得准”发展。目前主用的航管一次/二次监视雷达、广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）、场面监视雷达和多点定位等航空监视装备仅限于视距内观测，只有少量特殊用途的天波、地波超视距雷达才能在一定程度上突破这一限制。但普遍存在监视范围小、需要大型地面系统支持、频谱资源占用大和易受环境干扰等问题。随着卫星技术的发展，星基导航与通信的结合为航空监视提供了新手段，出现了ADS-C（ADS-Contract）、飞机通信寻址与报告系统（Aircraft Communications Addressing and Reporting System，ACARS）、北斗短报文等具备全球覆盖能力的广域航空监视手段。但受到卫星导航精度、通信链路容量的限制，目前只能为航空公司提供低精度、间隔时间大的位置报告，其监视性能远不能达到地基设备水平。因此，改善星基导航性能、突破现有星基监视体制就成为国际航空监视技术发展的最新趋势[1，2]。

1　新一代综合航空监视技术框架

1.1　新一代航空监视系统的提出

针对传统雷达监视手段的不足，新一代航空运输系统的核心技术——广播式自动相关监视（ADS-B）技术被引入，卫星系统、飞机机载电子系统以及地基装置和网络系统，通过高速数据链进行天空地一体化协同新一代综合监视[3]。ADSB技术既可解决传统地基雷达对基础设施要求高、部署困难、价格昂贵、监视范围和精度有限等问题，也可为空中交通管理和服务提供全面、精确、实时的定位、监视和飞行态势信息。但地基ADSB技术同样存在着监视范围有限的问题，需要探索新的能够解决全球监视特别是洋区监视问题的方案。如图1所示，地基ADS-B监控站只能覆盖全球10%左右的区域。

全球航空飞行监控系统需要满足以下功能：

1）监控内容

● 高精度位置监控。这也是航空飞行监控最核心的监控内容。如图2所示，远距离下ADS-B监控手段相比于雷达监控和广域多点相关系统监控的定位精度要高。其中，SACP代表位置监视精度等级，数值越大表明精度越高，民航飞机在不同飞行阶段需要满足不同的位置监视精度等级。

● 飞行器状态监控。这是在位置监控基础上更丰富的监控内容，与位置不同，飞行状态是判断飞行中故障、操作等的重要依据。

2）监控要求

● 连续性。航空飞行监控具有一定的特殊性，以目前最长的跨洋航班为例，其总时间长度也不会超过15h，因此，小时级，甚至更高频度的监控是有必要的。目前ICAO规定的航班飞行监控频度约在15min，针对特定需求也已经有公司给出了分钟级甚至秒级的监控方案。

● 全球性。要求被监控的航空器具有一定的全球普适的特征，也就意味着航空器上应有标准统一、强制安装位置、状态传感器以及在海洋和陆地都提供监控的手段。

新一代综合航空监视技术的关键是对二次监视雷达技术和地基ADS-B接收站无法覆盖地区的飞机的监视问题，比如山川、海洋、沙漠地区，而这些地区占全球近2/3。星基ADS-B在地基ADS-B的基础上利用覆盖全球的数据链增强系统，使得处在卫星覆盖区域内的飞机能够得到实时的监控[4]。该种监控技术能够突破地理条件的限制，极大提高监控范围、监控效率、对飞机的搜索救援效率，提高航空安全性和航空效率。此外，还能优化航线，减少能源消耗和碳排放，对民航业的发展有着极为重要的意义。

1.2　新一代航空监视系统框架

目前我国的航空监视体系以空管二次雷达为主，地基ADS-B监视为辅，ACARS为补充，星基ADS-B监视技术与北斗监视作为新的技术手段也得到了较为充分的试验验证。如表1所示，为现行几种航空监视手段对比分析。

通过对现行航空监视手段的优缺点进行分析，本文提出了新一代综合航空监视技术的框架，通过建立以星基ADS-B监视网络为主的空域监视系统，结合导航增强及星间传输，建立空中交通态势感知技术的应用，保障空管系统对无雷达区空域的覆盖性监测。新一代综合航空监视技术框架示意图如图3所示。

考虑到ADS-B信号功率有限，高轨道卫星无法很好地接收，星基ADS-B监视网络适宜采用低轨星座进行全球的组网覆盖。同时，低轨星座可通过星座的快速几何变化及大功率信号增强，帮助实现导航定位精度与完好性的增强，使飞机位置定位结果的可靠性得到显著提高。此外，为实现监视信息的传输、保证监视目标的实时性和有效性，需要具有卫星间通信能力。因此，整个系统框架以低轨星座为基础构建全球无缝覆盖的监视网络，结合北斗三号卫星导航系统及卫星通信网络形成星基定位和监视信息传输手段，实现全球实时大批量航班信息的监视和传输。

2　低轨星座航空安全监视体制关键技术

低轨星座航空安全监视体制涉及星座网络拓扑设计、星上大批量监视信息并行接收等方面，星间信息传输则利用卫星通信网络进行实现。

2.1　星地一体化综合监视网络设计

对卫星系统而言，要实现对一定区域或者全球的覆盖和服务能力，往往需要由数颗或者数十颗卫星构成卫星星座。低轨卫星星座网络建模确定星座布局和路由拓扑，确保覆盖的有效性、传输的时效性，并降低卫星数量。

将星座卫星编号为XYY，其中X代表轨道号，YY代表轨道内卫星编号。卫星具有星上处理与路由交换能力，可以完成路由器的功能，按照特定规则将数据包转发到相邻卫星。对于近极轨星座，在两极附近，卫星比较密集，相邻轨道面间的卫星相对运动角速度也较高，跨越极区时还会发生左右关系互换、天线指向跟踪困难。另一方面，两极区域业务量很低，因此在卫星纬度高于门限时将关闭轨道面间星间链路。

由于星间/星地链路所承载的数据业务远小于所能提供的星间链路数传速率，因此在星间传输时，链路传输阻塞概率极小，在路由规划中可以以实现最小转发传输时延为主要的优先目标。综合考虑信号空间传播时延和信号转发处理时延，在信号转发中，信号处理时延将是主要的延迟项，因此在具体的路由规划中，采用最小跳数算法。

所采用的最小跳数算法，基于最短路径算法进行设计，即将链路代价归一化，可以在实现相同路由性能的条件下，降低路由规划的运算处理复杂度。路由规划中通过逐步标定到达节点路径长度的方法来求解最短的路径[5]。

设每个节点i到达目的节点1的最小路径代价估计为Di。如果在迭代过程中，Di已变成一个固定的值，则称节点i为永久标定的节点，永久标定节点的集合用P表示。在算法的每一步中，在P以外的节点中，选择与目的节点1最近的节点加入集合P。具体算法如下：

（1）初始化，即P=｛1｝，D1=0，Dj=dj1，j≠1。

（2）寻找下一个与目的节点最近的节点，即求i，i∉P使下式成立。如果P包含了所有的节点，则算法结束。

（3）更改标定值，即对所有的j∉P，置Dj=。

返回步骤（2）。

2.2　星基高灵敏度ADS-B监视信息并行接收技术

低轨道卫星与空间飞行器最近的距离约为500km（假定），此外，为了扩大覆盖范围，还需要监测距离约为1500km的飞行器。此时的自由空间的路径传输损耗约为

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

因此可得ADS-B信号到达卫星天线接收口面的电平约为：23+30-156=-103dBm。在DO-260B对A类ADS-B接收机的灵敏度要求中，灵敏度最高的A3类接收机的灵敏度也仅仅为-84dBm，所以现有的ADS-B地面接收处理算法不能满足星基低信噪比环境的要求。针对星基ADS-B小信号及并发大批量的特性，需要进行新的方法研究，适用于大批量高灵敏度监视信号的接收[6，7]。

ADS-B数据链的信号帧可以分成报头部分和数据部分。报头部分长为8μs，主要由4个脉冲构成，每个脉冲宽度为0.5μs。如图4所示，以第一个脉冲出现位置为基准，设为0μs，第二、三、四个脉冲分别出现在1.0μs、3.5μs和4.5μs处。从8μs开始为数据位的起始，一直到120μs为止。数据位时长为112μs，共有112比特，其中88比特为信息位，其余24比特为CRC校验位[8]。

ADS-B解码最先进行、最核心的部分是对报头的检验。传统ADS-B的报头检测算法有直接判决法、边缘检测法、滑窗相关法。

直接判决法是最传统的算法。方法是设定一个门限直接判断信号幅度，如果信号幅值高于门限，就判断为脉冲。当脉冲位置分别处在0μs、1.0μs、3.5μs和4.5μs处时，就判断为报头。该方法的优点是操作简单、易实现；缺点为动态范围较小、灵敏度低，接收的算法的性能较差。

边缘检测法是通过检测信号的上升沿来检测脉冲，将当前时刻采样点的幅值与前一个采样点和后一个采样点做比较，若符合相应的算法，则存在上升沿或下降沿。对于上升沿，若信号某处采样点的值比前一个采样点的值有大幅度的增加，其增值超过一个门限，那么信号在此点有一个上升沿。值得注意的是，这个上升沿处的采样点不能是一个过渡点，也不能是一个尖峰脉冲。边缘检测法的不同情况如图5所示。边缘检测法的优点是抗干扰能力比较强，在有单脉冲干扰的情况下依然可以检测到报头；缺点是由于要检测上升沿，所以需要的信噪比环境要比较好，检测灵敏度较低。

滑窗相关法是将AD模块产生的基带信号送入一个20bit的窗口，每滑动一次，窗口中20bit的数据将与20bit的本地信号进行相关得到一个相关值。本地用于相关的信号有两种，一种是1bit信号，另一种是0bit信号。相关窗的形状如图6所示。相关之后再根据门限值确定脉冲位置，从而判定报头位置。滑窗相关法的优点是灵敏度较高，可以检测到幅度较低的信号；缺点是抗干扰能力较差，如果某一个脉冲的位置出现干扰，则将检测不到该报头。

针对以上方法存在的问题，本文提出了一种拓展滑窗相关法的星载ADS-B接收机报头检测算法。算法的基本原理是，扩展相关窗的长度，让基带信号与报头跟DF位整体相关，当相关值大于一定门限，且大于附近的相关值时，判定此处为ADS-B报文的报头。这种方法相当于利用了扩频增益的原理，从以前检测单个脉冲变成了检测一个序列，从而可以在更低的灵敏度下解出ADS-B报文。同时，本方法还能有效抵抗单脉冲干扰，单个脉冲的干扰对整个相关值的影响小于10%。由于是同DF位整体相关，本方法还能滤除二次雷达A/C模式、TCAS等共同利用1090MHz频率的信号。

针对以上4种方法进行仿真验证，得出的结果如图7所示。

可以看出直接判决法性能最差。边缘检测法在高信噪比环境下性能稍好于滑窗相关法，而在低信噪比环境下性能不如滑窗法。拓展滑窗相关法在各个信噪比下性能都是最优的，所以在接收机中采用拓展滑窗相关法检测报头。

3　仿真试验验证

3.1　星地一体化综合监视网络拓扑验证

基于MATLAB对所获取的网络拓扑数据进行处理，采用路由算法实现对网络路由性能进行仿真试验。根据建链规则进行建链；网络节点数量为79，包含了77颗卫星及2个地面站。航空安全监视星间链路仿真平台设计如图8所示。

按照一定频度进行星间链路可视性报告的获取，形成星间链路网络的可视性矩阵序列[9]。矩阵元素代表对应节点间的可视性情况和传输距离，为0则表示两节点间不可视，不为0则表示节点间的传输距离。

根据可视性矩阵序列，基于建链规则形成79×79的网络拓扑快照矩阵序列，如图9所示。矩阵元素代表对应节点间的建链情况，为0表示两节点间不建链，为1则表示建链。

基于星间链路网络的快照矩阵序列进行路由规划，模拟77颗卫星数据传回地面站的业务过程，假设卫星转发时延为200ms。由于星间链路速率比传输业务具有较大冗余，可以不考虑阻塞或丢包问题。

目前主要对传输时延进行了仿真试验。为了衡量星间路径的路由性能，令所有卫星节点每1s产生一个模拟业务数据包，目的地址为地面站。在一个轨道周期内对所有数据包统计平均跳数和平均时延，时间片长度分别选为10s、60s、120s和180s。实验结果如表2所示。

实验结果表明，星间链路业务传输平均转发次数为4～5次，传输时延在毫秒级。提高拓扑矩阵快照频度可以实现传输时延的降低，但是也会大幅度提高路由表的更新频率，带来一定的传输负荷。可视更新频率因此采用180s的快照频度，传输时延在1s级可以满足航空监视要求。

3.2　高灵敏度星基ADS-B接收机性能试验验证

在高灵敏度星基ADS-B接收机上运行基于拓展滑窗相关法的星基ADS-B接收机算法，在地面ADS-B接收机中运行通用地面接收机的算法，通过试验对比分析可以得出，星基ADS-B接收机相比传统接收机在信号的检测概率和误码率上都具备一定的优势。如图10所示，运用了基于拓展滑窗相关法的星基ADS-B接收机，在接收-98dBm电平的信号时，接收检测概率可以达到50%以上，而在接收-95dBm电平的信号时，接收检测概率可以达到95%以上。到达星载ADS-B接收机的接口电平功率一般为-100dBm～-91dBm，本接收机可以接收到很大一部分的信号。同时可以看出，星基ADS-B接收机比传统的地面接收机接收灵敏度高出10dB左右，大大增强了接收机可以接收的范围，监测区域可从200km提高到1000km以上，把ADS-B的应用范围从地面扩展到太空。

4　结束语

本文以空管行业实现全球航班监视过程中面临的问题为出发点，通过对现有空管监视技术进行全面的整理分析，提出了基于低轨星座航空安全监视技术的新一代综合航空监视技术的框架；通过对其中星地一体化综合监视网络设计和星基高灵敏度ADS-B监视信息并行接收技术等两项关键技术的理论分析、对原理样机的性能测试，验证了低轨星座航空安全监视技术在工程实践中具有非常高的可行性。

由于具有全覆盖、实时感知的能力，低轨星座航空安全监视技术能够大大提升航空安全监视水平，具有广阔的应用前景。潜在用户划分为四个领域，分别是空中导航服务供应商、航空公司、通用航空和国土安全部门，其商业价值包括节省燃油、节省飞行时间和减少等候时间。根据分析，通过优化航班爬升过程、提升航路利用率、根据风和气候变化优化航路三项服务，能够在2017—2030年为北大西洋和太平洋的美国航空公司节省30亿美元[10，11]。从其前景来看，ADS-B的全球大数据价值非常可观。其中不可忽视的一个关键角色，就是卫星与航空业务结合，这种结合型应用可使从事空中导航服务的运营商，拥有获取全球（特别是海洋区域）飞行跟踪数据的能力，使上述各种商业模式得以实现。

参考文献

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[11]杜万营，陈惠萍.ADS-B监视技术在空中交通服务中的应用研究[J]