4.1.2 ADS-B设备发展趋势
4.1.2.1 支持ADS-B的航空器监视应用
基于ADS-B优质的监视数据链，航空器可以接收其他航空器发送的ADS-B OUT信息或地面服务设施发送的信息，为驾驶员提供运行支持。其中，最典型的应用是机组通过驾驶舱交通信息显示设备（CDTI）获知其他航空器的运行状况，从而提高驾驶员的空中交通情景意识。支持ADS-B的航空器监视应用仍在进一步发展中，现阶段主要包括基本型状态感知类、增强型状态感知类和驾驶舱间隔管理类等。其主要类型如下所述：
（1）基本型状态感知类。包括空中态势感知（air-borne situational awareness，ATSAAIRB）、目视间隔进近（visual separation on approach，ATSA-VSA）、CDTI辅助目视间隔（CDTIassisted visual separation，CAVS）、航迹中程序（in-trail procedure，ATSA-ITP）、机场场面态势感知（situational awareness on airport surface，ATSA-SURF）。
（2）增强型状态感知类。包括支持告警交通情景意识（traffic situation awareness with alerts，TSAA）、支持指引和告警的机场场面态势感知（enhanced traffic situational awareness on the airport surface with indications and alerts，SURFIA）。
（3）间隔管理类。包括空中间距（airborne spacing，ASPA-FIM）、指定间隔（delegated separation）、自主间隔（self-separation）。
ADS-B作为下一代监视的基石，部分应用独立于地面系统和空管系统，但大部分应用还是基于或与空管有着密切的联系。未来的发展方向是监视、导航和通信综合的新航行系统。因此，将来更多的应用需要结合通信、导航才能发挥最大效益。ADS-B应用需要确保不影响空域的运行安全，故都应建立在大量试验和实际运行的基础上。支持ADS-B的航空器监视应用仍在发展中，随着制度和标准的不断完善，其应用范围将会更加广泛。
4.1.2.2 ADS-B 安全性提升
1）ADS-B面临问题
由于历史与现实多方面原因，ADS-B采用开放、共享和广播式架构，其协议也是公开的，这些特点虽然极大地促进了商业应用，但也带来了一些问题［20］。这些问题不仅是地面单方面的问题，机载ADS-B系统作为空-空和空-地监视数据链最关键的一方，也对机载系统提出了极大的挑战，具体问题见表4-1。
表4-1 ADS-B面临问题分析
（1）易被蓄意接收监听。由于ADS-B协议是公开的，信息也没有加密，采用简单的无线电设备就可以接收到飞机的身份、位置与速度等信息，这些信息可能会被非法用于后续恶意攻击，带来很大的安全隐患。
（2）易被人为电子干扰。人为电子干扰是指在特定区域，通过辐射大功率同频段干扰信号，导致ADS-B接收前端饱和、ADS-B报头脉冲提取困难、ADS-B信息解码错误等一系列问题，造成地面或机载ADS-B接收功能下降或丧失，严重影响空-空、空-地监视链路的正常运行［21］。
（3）易被恶意欺骗篡改。信息欺骗篡改是指通过发射与ADS-B消息类似的虚假消息、接收篡改飞机ADS-B消息相关字段等手段，致使空管人员或者机载接收方接收到虚假或错误信息，造成决策错误，这将对航空安全带来非常严重的威胁［22］。
2）ADS-B安全性提升途径
针对以上信息安全问题，总体而言，可以采用以下三个途径提升ADS-B系统信息安全：
（1）基于外部系统的ADS-B信息验证。指采用一次雷达、二次雷达、多点定位等外部系统获得目标信息来对ADS-B信息进行验证，可以在很大程度上剔除虚假的ADSB目标［23］。
（2）ADS-B数据真实性独立校验。指接收端对接收到的ADS-B信息进行完好性与真实性校验，剔除非法的虚假信息。此方法可以不依赖外部系统，实现代价低，具有很高的工程实用价值。当前，主要技术手段包括：基于Kalman滤波的航迹突变检测［24］；意图校验，即验证ADS-B消息中意图字段是否与目标的滤波航迹相关匹配；ADS-B消息中导航不确定类别参数校验；另外，还可以通过验校回波信号幅度、多普勒频移、时延等参数与发射机位置及速度的符合性来确认发射机的合法性［25］。
（3）ADS-B身份认证。包括指纹特征认证［26］与基于密钥的身份认证。指纹特征认证利用发射机在辐射电磁指纹、时钟偏移等方面特征差异辨识非法发射机［27］。
4.1.2.3 密集干扰环境下的接收增强
由于ADS-B与二次雷达、TCAS、多点定位、敌我识别等多个系统共用1090ES链路，该频段非常拥挤，容易受到同频干扰；同时，随着航空器数目持续增长，各种应答信号、ADS-B信号密度会进一步增加，地面及空中ADS-B接收机将面临密集的异步虚假应答信号（false replies unsynchronized with interrogator transmissions，FRUIT）以及窜扰［28］。FRUIT是指其他询问机触发的非期望应答信号，包括A/C模式FRUIT与S模FRUIT，ADS-B接收机需要应对的FRUIT密度可达到40 000次/s。窜扰是指一个询问机触发的多个目标应答信号交叠；不同目标的ADS-B信号也会时域交叠窜扰，彼此难以分离。由于独立于应答机的ADS-B发射机被限制，数目相对很少，ADS-B信号彼此窜扰的情形也可以归类到S模式FRUIT类别中。影响ADS-B接收性能的主要因素是密集FRUIT干扰信号。对空中ADS-B接收机而言，由于空间体积等代价约束，基本上都是单通道接收体制，因此主要通过对传统方法进行优化升级来实现接收增强［29］。主要的优化手段有：基于匹配滤波的信噪比增强技术，通过自相关接收提高回波信噪比；同步脉冲回波强度一致性检验技术，通过检验四个同步脉冲强度是否一致来判决是否被干扰；基于多采样点分析的数据位及其置信度提取技术；全信息误差检测与纠错技术，提升多个异步干扰条件下的纠错能力［30］。
4.1.2.4 1090ES链路扩容
随着ADS-B应用进一步发展与成熟，不仅需要传输位置、速度、识别与意图等信息，还有传输飞行情报、实时气象等多种信息的需求，这对1090ES链路容量提出了很高的要求。因此，提升1090ES链路容量的研究备受关注［31］。目前，提升1090ES链路容量的主要途径如下：
1）增加广播频次
当前ADS-B的信号发送频率要求不超过每秒6.2次，每帧信息为112 bit，对应的传输速率不超过694 bit/s。虽然增加广播频次，传输速率会成倍提升，但是会带来比较严重的信号重叠干扰，特别是当空中目标较多时，不同飞机ADS-B信号重叠概率也会急剧增大，导致后续报头检测、信息解码等处理困难。
2）信号中增加相位调制
当前，1090ES链路采用相对简单的脉冲位置调制与脉冲幅度调制，载波相位连续，没有携带任何信息，传输效率不高。可以通过增加相位调制的方式，如二相调制、四相调制和八相调制等，提高信息传送速率。如果采用八相调制，每个比特位将增加3 bit信息，每一帧将增加336 bit信息，传输速率将最大提升2.083 kbit/s。通过相位调制可以在不增加信号重叠干扰的条件下扩充链路容量，但是也带来了一些新问题，例如相位突变导致的谱频扩展抑制、接收端载频同步、链路扩容后信息编码与校验、传输位数增加后字段定义等，这些还有待进一步研究与验证。
4.1.2.5 未来发展趋势
美国联邦航空局已于2020年1月强制要求相应的航空器具备ADS-B发射功能；欧洲与中国航空局也陆续推行了ADS-B OUT的运行。在此背景下，ADS-B产品研制将迎来非常好的发展机遇。
在技术发展方面，随着支持ADS-B的航空器监视应用不断地开发和完善，ADS-B信息安全将会受到越来越多的关注。ADS-B数据独立校验技术、身份认证技术可以不依赖雷达、多点定位等相对昂贵的外部系统，是比较有前景的解决方案。针对密集FRUIT环境下接收增强问题，一方面可以通过精细化处理算法提升接收性能；另一方面，可进一步研究低成本、多通道接收架构，通过自适应阵列处理提升抗干扰能力。针对1090ES链路扩容，在信号中增加相位编码提高传送速率是一种比较有前景的方法，但需要进一步解决链路扩容后信息编码与校验、传输位数增加后字段定义等新问题。