2.4.4 ADS-B技术
广播式自动相关监视（ADS-B）是利用空-地、空-空数据通信完成交通监视和信息传递的一种航行新技术［15］，国际民用航空组织将其归纳为非独立协同式监视技术，其自动化定位精度、数据更新率、部署和维护成本都优于传统雷达［16］。与之相呼应，美国、澳大利亚和欧洲等国家或地区纷纷出台ADS-B相关政策，并广泛部署ADS-B地面基础设施［17］。
中国现采用北斗的低空监视与服务系统，通过在飞机端安装北斗定位通信终端，以及北斗短报文的卫星通信通道，将飞机的实时位置信息发送给地面监视与指挥系统，实现飞机的实时位置监控，同时支持飞机端同地面监视与指挥系统之间直接的双向自由短信发送。同时，中国已研制出针对运输航空的地面接收系统，并已将这些系统投入实际应用之中。
ADS-B技术正在随着其应用范围的推广而不断深化和丰富，ADS-B技术地面接收设备已经从原来的1090ES单模式接收机发展到基于UAT 和1090ES的双模式接收机［18］；这个设计在一定程度上是出于通航和运输航空飞机在交叉运行区域相互感知和避撞的考虑。
未来发展过程中监视技术会更加成熟，不断提高公共服务的质量是政府的基本职责，各级政府可以通过远程监控服务，使得政府为社会公众提供的服务更加全面、更加高效和更加安全。气象预测、火灾预测、水灾预测和水资源监测、核辐射监测、化学污染监测等工作，能为政府部门和企业的预警系统提供宝贵的决策支持。在发展的同时会注入更新更先进的技术，在完成人机对话的同时，技术领域将不断更新发展，基础建设也会随之开展，从而实现低空监视全网络布局。
2.4.4.1 数据链技术
支持ADS-B的数据链应具备信道容量大、传输速率快且具有广播模式功能等特点，目前有3种数据链可满足ADS-B对数据通信的要求，即二次监视雷达（SSR）S模式超长电文（1090ES）、UAT和VDL模式4。
1）1090ES
1090ES是S模式二次监视雷达技术的一种扩展，每一信息元包含120 bit数据，其中前8位为报头，具有标识信息和同步的作用。采用随机方式接入1 090 MHz链路，信道由ADS-B报文、对来自地面雷达询问的回答及ACAS共享，数据传输率为1 Mbit/s（图2-67）。
图2-67 1090ES信息元结构
2）UAT
UAT是由美国专门设计用来支持ADS-B功能的收发系统，还具有从地面站实现上行广播的功能。接入方式为时分复用，在1 s长的帧中，前188 ms分配给地面广播服务，后812 ms分配给ADS-B，其中地面广播部分仍为时分复用并采用时间同步以减小信息重叠，ADS-B部分采用随机接入方式，数据传输率为1 Mbit/s（图2-68）。
图2-68 UAT信息结构
3）VDL模式4
VDL模式4能提供点对点及广播式通信服务的地-空、地-地数据链，采用两个独立的25 k Hz信道（GSCS），在高密度区域还可以使用一个附加信道。接入方式为自组织时分多址（STDMA），这种复用方式可以显著减小带宽要求，数据传输率为19.2 kbit/s。
从技术层面上而言，3种数据链均可实现对ADS-B的支持；使用UAT 的空对空ADS-B性能在高密度和低密度情况下总体优于其他两种数据链；由于甚高频良好的传播特性，因此VDL模式4的机场地面监视性能更优异。
1090ES的性能虽然并不优于其他两种数据链，但是同样可满足ADS-B初期的要求；与此同时，在其他非技术要素的对比中它还具有以下优势：
（1）它是唯一实现标准化的ICAO链路技术。
（2）目前只有该项技术获得了批准的全球无线电频谱。
（3）可供使用并且技术已经成熟。
（4）实施计划已启动，再投入资金额度相对较少。
因而，选择1090ES支持短期内ADS-B应用是最佳方案。
但从长期来看，目前的1090ES将无法满足未来ADS-B的应用要求，因此未来可能会引入二级ADS-B补充链，或由容量更高的数据链替代。在替代数据链的选择上，应尽量考虑已制定或正在制定标准的数据链（即VDL模式4和UAT），也要关注未来会出现的新数据链技术。
2.4.4.2 移动自主网技术
将移动自主网技术应用于空中飞机实现自主通信，需要考虑航空移动的特殊性和实现ADS-B的特殊要求，并选择与之相适应的技术方案来实现，这主要涉及路由选择算法、网络结构特征和信息安全实施等方面。
1）路由选择
适用于移动自主网的路由算法主要有表驱动路由、需求驱动路由和混合路由3种类型。其中，表驱动路由采用周期性的路由分组广播来交换路由信息，每个节点维护通往全网所有节点的路由，具有有效路由始终存在的特点，故发送延时很小，但为维护路由需要花费很大的代价，如占用很多的带宽、很多的CPU 资源等。对于高速飞行的飞行器，其自组网动态拓扑结构变化迅速，除花费代价大外还存在路由的更新无法跟上拓扑结构变化的可能性，会使得算法失效；需求驱动路由根据发送节点的需要，按需进行路由发现，网络拓扑结构和路由表均按需进行构建，其内容可能仅是网络中的一部分，优点是无需周期的路由发现、占用资源很小，但由于其在发送分组时才临时启动路由发现，因此延时大，并且由于ADS-B周期性发送报告的特点，当某些数据更新率较高时，路由发现也将频繁地重复进行，效率急剧降低。
可见，单独采用表驱动路由和需求驱动路由中任何一种路由选择方法，都不能很好地支持ADS-B的要求。因此，构想一种综合利用两种方法的混合式路由方法：在较近距离范围内，为实现ADS-B所支持的如冲突避免等应用，要求的数据更新率较高，并且在此空域内需要相互通信的节点数多，采用表驱动路由方法实时更新路由；在相对较远的空域，ADS-B所支持的如冲突发现、航路规划等应用，要求的数据更新率相对不高，并且所需通信的节点数较少，采用需求驱动路由按需进行路由发现。此种混合方法，针对ADSB对通信要求的特殊性，综合了各路由发现所具有的优点，可以显著提高飞机自主网的通信性能及ADS-B的服务质量。
2）网络结构
对于不同的空域交通状况，应规划与之相应的网络结构以优化其性能。在低密度空域，可以采用平面结构，其所有节点都是平等的，每一节点都可通过特定的路由与任何其他节点通信，结构简单、鲁棒性强，相应的网络管理、维护方便；在高密度空域，由于飞行器数量显著增多，通信量显著增加，对每个节点的相应维护难度也大大增加，因此可考虑采用分级结构，即将网络划分成簇，每个簇有簇头和簇员组成，簇头组成高一级网络。在分级结构中，簇成员只维护簇内所属及节点飞机的路由信息，簇间通信则由簇头统一维护，可大大减少路由控制信息、提高效率，增强可扩展性和抗毁性。
3）信息安全
信息安全对ADS-B的顺利实现至关重要，广播信息应安全、及时地被合法用户接收，而无法被非法者窃取、修改，但移动自主网具有分布式的自主控制、无中心节点的统一管理以及欠缺的目录服务等网络服务的特点，对安全构成了极大的威胁。为保证通信安全，需要采取如下策略，即由多个节点共同进行密匙和口令的认证，通信设备只受拥有者控制的单一安全模式和异步的分布式密匙管理等。
2.4.4.3 冲突检测技术
传统空管体制的集中式管理，使对空中交通的规划、监控、指挥全部由地面的各管理部门承担，飞机则机械地接受空管部门的各项指令，按照所规定的航行规则和程序执行飞行任务。传统空管体制下，空域机场的使用率低、容量有限，但随着民航运输业的快速发展、飞机数量及航班架次的迅猛增加，管理效率的低下与管理需求的提升之间的矛盾越来越突出。为此，需要打破禁锢空域高效实用的传统航行管理规则，采用基于新技术的先进航空运营和管制手段。自由飞行是一种全新的航空理念，它赋予飞行人员自由实时地选择航路以及飞行航速等状态的权利，即实行自主管理。自由飞行的实施，将显著提高飞行效率、降低成本、提高用户满意度，具有巨大的经济、社会效益。
支持自由飞行顺利实现的关键因素就是要确保飞机之间始终有安全的间隔距离以避免相撞的危险。由于自由飞行允许自由选择航路，因此飞机之间发生冲突的可能性将大大增加，为实现安全间隔保证，及早发现潜在的冲突并加以避免，就需要采取有效的冲突预测方法和冲突避免措施。对冲突的预测，以当前所获得的各类信息为基础，依据一定条件推算未来时刻飞机所处状态，进而判定冲突的发生与否。由于传统监视导航技术的限制，因此对冲突的预测只能依靠获得的当前位置、速度等状态信息，冲突预测能力将随着航路飞行复杂性的增加而大大降低。ADS-B技术能够对外界广播多种类型、内容丰富、满足精度和准确性要求的监视信息，基于全面、及时、丰富的监视信息而实现的冲突预测，将能够更及时、更准确地预测冲突的发生，确保自由飞行的安全。
Paielli等提出了基于概率计算的冲突预测算法［19］，它考虑到飞机位置等数据存在着随预测时间而增大的随机误差这一因素，对冲突发生的概率进行计算，并以此结果作为实施相应冲突避免措施的依据。但是该算法仅能预测飞机沿直线航路飞行情况下的冲突，不适用在预测时间内航路改变的情况。ADS-B作为未来主要的航空监视手段之一，允许飞机接收其他飞机周期性的广播信息，提高对空域状况的感知。ADS-B提供航路改变意图信息，提供在未来某时刻将发生航路改变的相关信息，包括当前航路意图改变点（TCP）和未来航路意图改变点（TCP+1）。TCP是目标飞机从现在所处航路到新航路的计划改变点，TCP+1则是从TCP开始的新航路再次改变航路的计划改变点。如图2-69所示，通过此类意图信息，不仅可以获得航路预期发生改变的航路点，而且可以获得航路改变的偏转角，进而通过相应的数学变换和运算，即可推导出适用于航路改变的概率预测算法。
图2-69 航路偏转角的获得
与Paielli等提出的仅利用当前位置、速度信息的直线航路算法相比，适用于航路改变的冲突概率算法具有更好的冲突预测有效性。对于航路发生改变后在继续飞行途中发生冲突的情况，如图2-70所示，直线航路算法随着航向偏转角的增大，其预测概率值迅速减小，当角度增大到10°时，此值已接近为0，丧失了有效预测冲突的能力。对于此种情况，只有在飞机实际完成航路改变后才能依赖直线航路算法预测到冲突，因而明显减小了冲突预测的提前量，降低了安全性，或由于必须采取紧急规避措施而增大消耗，提高了成本；而利用意图信息实现的冲突预测算法，则具有很高的预测准确性，能够显著提高预测的提前量，确保安全性。
由于航路发生改变而避免冲突的情况，如图2-71所示，直线航路算法仍计算得到很高的冲突概率值，并将依此触发不必要的避免冲突措施；而利用ADS-B的意图信息，则避免了虚假的冲突告警和因不必要的规避措施而增加的油耗，提高了经济性。
图2-70 两算法结果对比（场景1）
图2-71 两算法结果对比（场景2）
由此可见，ADS-B提供的更多种类、更加及时的监视信息，将使飞行人员和空管部门得以进行更加准确、全面、完善的空域状况评估，进而利用相关技术的实施更有效地预测和避免冲突，保证并提高飞行的安全性，从而更有力地支持自由飞行的实现。因此，ADS-B是未来航行理念和规则实现的不可或缺的保障。