广播式自动相关监视(ADS-B)的应用研究

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  第1章绪论

  1.1 ADS-B技术的研究背景

  ADS-B是一种ADS技术。它是目前监测设备中最精密的设备之一。它在冲突解决和间隔部署中起着重要的作用。它是确保飞行安全的一种新的安全手段。人们为了确保对飞机的交通管理,设立了专业的管理部门对其进行监控、识别、管理。所谓的独立监视,是指地面监视雷达的自我监控,而不是依靠飞机或机载设备或其他监控通道。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,因为美国很早就开始了对航空的研究,拥有世界一流的研究团队。与商用运输航空不同,通用航空飞机(特别是私人飞机)具有高度可操作性,主要在非控制空域中。就机载设备配置而言,通用飞机的适航要求远不如商业运输车队严格。政府对于民航客机的安全系统是由一定要求的,一般民航客机必须配备警报系统、追踪系统、雷达系统、自动导航系统,以及防撞系统。如果民航客机没有这些设备,或者说这些设备不完备,那么,就容易造成事故的发生。事实证明,单纯靠驾驶员的经验是很危险的。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。所以,美国比较重视对ADS-B技术的研究,一直以来,美国都在加紧对飞机避障的研究,参与飞机避障研究的机构多达三家,已经取得了丰硕的研究成果。自相关监测(ADS)是一种监测方法,将监视服务扩展到海洋领空、偏远陆地区域和雷达覆盖区域。自相关监测系统经常运用在空中和海面的飞机和舰船的监控,它通过相关的数据链与空中的飞机和海面的舰船进行信息的沟通与交流。同时,它也能够实现对飞机位置的判定,依靠的就是它的强大搜索能力,以及非常优化的算法设计。它是通过数据链从飞机导航和定位系统得到的数据的自动传输。这些数据至少包括飞机识别、四维定位和所需的加法。数据。因此,ADS向ATC部门提供相当于两个雷达(SSR)的飞机位置数据。广播自动相关监视(ADS-B)是由飞机定期自动发送的同一数据信息(识别码、位置、速度、时间等)和ADS报告。它主要用于空气对空气和空气对空气的相互传输。任何在空中和地面上装备有ADS-B能力的飞机将通过数据链周期性地广播机载导航定位系统提供的数据信息,而任何具有ADS-B的用户都可以选择接受和处理该范围内的信息。广播范围。

  1.2 ADS-B技术国外发展现状

  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。美国是导航中最发达的国家,单凭视觉回避的大量飞机的原理已经不能满足要求。为了解决空中-空中协同避碰问题,它已经成为ADS-B技术的第一个启动器,FAA计划确定ADS-B作为下一代空中交通系统(NGATS)的基石。对于ADS-B系统,美国的军方最先对其研制,在2008年的时候,美国军方已经完全掌握了ADS-B系统的所有原理和技术,在通过不断的测试后,美国军方决将其转化为民用,因为ADS-B系统可以带来巨大的经济利益。我国在很长一段时间都是靠花钱购买国外的先进客机,直到国家开始对民航客机立项后,我国才正式步入了新的民航轨道。在《海洋区域系统改进(0ASIS)报告》1983项研究中,收集了各种可行的方案,用于改进海洋大气管道系统,包括基于卫星通信的ADS。此外,我国还对卫星通信进行了研究,在国内的大学和相关的研究所设立了相关的研究团队,利用各种资源去进行系统的研发。后来,我国的科研机构开始转向了航空通信领域的研究。在1993年的时候,美国的研究机构在实验室进行了一场ADS-B测试,测试的效果非常好。美国联邦航空局已经在洛根机场附近建立了四个地面站,发送GPS差分校正信号,并从配备有ADS-B设备的三个载波接收位置信号,其中包括其中一个。CSENAL72,CSENA42L和地面车辆,测试取得了良好的效果。1999,美国联邦航空局与阿拉斯加的通用航空公司合作,在100架小型飞机上安装了一个UAT的ADS-B设备来测试飞行。但是,此次的测试却带来了很大的损失。我们都知道,飞机最担心的就是被撞机,如果遇到延绵不断的山脉,以及大雾天气时,出现事故的概率大大会大大增加。而此次测试的地点就是位于群山之中,这个地方堪称飞机的禁地,极其容易出现不好的事情。在这些通用飞机上安装ADS-B设备后,Ante Leitch(安克雷奇)空中控制中心的雷达屏幕可以看到这些小型飞机装备有ADS-B机载设备并提供它们的控制服务。驾驶员可以根据CDTI的地图显示山脉和周围山脉之间的距离。并且可以得到有关周围天气的相关情况,避免进入非常危险的环境中。飞机也可以相互监控。在许多不受控制的小型机场,飞行员可以使用ADS-B相互协作,以防止跑道上的冲突,大大提高飞行安全。2003,阿拉斯加飞行事故率下降86%,死亡率下降90%。
  在2000年10月,美国FAA进行了第二次操作评估[45],地点在肯塔基州的Louisvi11e机场,目标在发展并评估使用ADS-B的系统之后,对航电设备与空管程序进行修正,以满足使用ADS-B提升空管四各方面能力的要求:
  最后进近间隔(Final approach Spacing)
  离场间隔(Departure Spacing)
  机场场面监视(Airport Surface Situationa1 Awareness)
  最后进近与跑道占用警告(Runway and Fia1 Approach Awareness)
  试验表明,装有ADS-B机载设备的飞机,无论是在飞行中,还是在机场,都可以广播到四个侧面,报告其当前位置。在接收到来自飞机的信息后,地面上的ADS-B接收机可以实时地与地面控制器通信,并为他们提供机场场景的清晰画面。同时,机载的ADS-B也可监视机场场面的交通信息,,在2003和2004年,RTCA对ADS-B技术标注进行发展和改进之后,在2005年9月,FAA官方将ADS-B确定为未来空中交通管制的基础.同时,官方决定投入一定的资金对ADS-B进行升级工作,将卫星的数据链与ADS-B进行整合,对相关的雷达系统进行整修。目前,联邦航空局获得了1个。2007美元和2008美元的65亿美元预算用于启动国家空间中的ADS-B系统,包括支持和扩展目前在阿拉斯加(15 GBT)和东海岸(22 GBT)中使用的ADS-B信息进入当前空中交通系统。2007年5月31日,它宣布批准使用ADS-B在阿拉斯加地区的空气中。交通管制,5海里的ADS-B间隔在路线上实施,这为整个美国使用ADS-B铺平了道路。

  1.3 ADS-B技术国内发展现状

  我国的地理状况是平原居多,山区交叉分布,很多山区的海拔特别高,有几千米高。由于环境险恶,再加上技术难度大,以及设备的相关费用高,所以,在很多地区无法建设雷达站,因此存在者很多的航迹盲区,例如新疆、西藏等地区。因此,中国近些年来十分重视ADS-B技术的引进、吸收和应用。但是,由于美国对我国实行技术封锁,我国无法引进美国的ADS-B技术。为了摆脱这种尴尬的局面,我国成立了相关的研究部门,并且投入了大量的人力和财力。美国和欧洲的一些国家对于ADS-B的研究非常早,投入了大量的人力和财力。所以现,现在他们的ADS-B技术非常先进,已经大规模投入应用了,特别是运用在交通管制。之前,西欧和澳洲都是采用UAT模型实施空中管制,但是,后来这种模式被美国不断应用与升级,取得了良好的效果。相对与那些发达国家,我国对于ADS-B的研究就比较缓慢了,还只是处于起步阶段,很多方面的研究都非常浅,并且研究的方面非常狭小。我国对于ADS-B的测试工作大多在水面舰艇中,因为最近一些年,我国的战略是重点发展海军和空军,而这两个方面都需要用到UAT模式,并且还会使用我们比较熟悉的ADS-B。去年,我国在重庆进行了ADS-B的测试,测试的内容是搜集飞机的飞行数据,另外,也检测搜索雷达的相关数据。在测试的过程中,我们重点分析选择ADS-B站的问题,以及雷达可靠性的问题。
  为了更加详细链接S型ADS-B的相关情况,本文搜集了几十家的航空机构的数据,样本客机总数约为900架对于支持S型ADS-B的飞机来说,将它们转换成具有ADS-B能力的飞机是非常便宜的。如果飞机不安装GPS接收机,成本会更高,这将达到几十万美元。

  第2章ADS-B技术的安装与应用

  2.1 ADS-B在空域中的发展

  随着ADS-B的不断发展与完善,这项技术已经渐渐被人们所接纳,成为了机载系统中不可替代的一部分。在美国新颁的航空法中,从2020年的一月份开始,在多数的管制空域里,航空器的机载设备中必须装有ADS-B这项技术。从一万八千英尺开始到六万英尺的A类空域中,飞行器必须装有ADS-B,同时被限制的空域还有从海平面到一万英尺的B类空域,海平面至四千英尺的C类空域和大多数的E类空域。

  2.2 ADS-B IN与ADS-B OUT

  由于各个国家都对ADS-B产生了浓厚的兴趣,无论是研究的深度么还是研究的广度都已经到了非常深入的地步,并且人们对于ADS-B的推广也比较快,所以,ADS-B名气很大,大家都知道。飞机将自身位置,高度以及速度的信息传送到飞机机载接收机当中,同时结合地面站设备所提供的空中交通状况,一并传到座舱综合信息显示器中。民用航空法规定,一个单独的ADS-B OUT输出传送器不足以满足飞行需求。为了满足ADS-B的使用规则,飞机必须装配一个ADS-B OUT发射机和可兼容的GPS定位源。飞机在非常的时候必须要获得飞行时的相关数据,比如天气情况、航速、风向、区域情况等等,因为这个非常重要,能够对飞机的安全性产生影响。安装在地面的设备通过接收ADS-B的各种信息,监视空中的交通情况,起到类似雷达监视又优于雷达监视的作用。对于ADS-B,我们需要有一个全面的了解,它应用在雷达方面的效果非常突出。在雷达区域中,和二次雷达联合监视,使得处于雷达边缘的飞机间隔也得到控制,减少所需地面雷达站的数量,进一步减少了投资成本,在机场地面,可以帮助飞行员和管制员更清楚的了解机场的地面情况。基于模式S应答机(1090 MHz)的ADS-B设备必须满足技术标准指令TSO-C166B的性能要求。对于在一万八千英尺以上或国际上运行的飞行器,必须配备一个基于S转换应答器的ADS-B发射机。对于低于18000英尺范围内的飞行器,必须配备一个带有扩展分叉器的模式S应答器。通用接入收发器(UAT)设备必须满足TSO-C154C的性能要求。UAT设备是一种能够提供信息和气象数据以接收ADS-B系统网络的设备。通常情况下,具有TSO-C145或TSO-C146能力的WAAS GPS是较为推荐的,因为它的综合性能非常好,深受人们的青睐。航空电子供应商提供独立的GPS接收机,并用ADS-B发射机或GPS导航器并将它们进行组合。不允许将GPS系统与现场的ADS-B发射机混合和匹配,除非设备配对是经过先前认证,并且有足够的兼容性,否则无法混合使用。

  2.3正确使用方式

  在对ADS-B设备进行相关的操作时,一定要熟悉ADS-B的各个部分,避免造成一些麻烦。如果已经安装了设备,则需要检查ADS-B系统是否可以正常工作。如果已经准备好进行安装,那么在选择一个供应商来进行安装工作时,应该了解一些应该了解的东西,了解安装过程中可能出现的一些常见问题,并在接受安装在这个ADS-B GR中之前知道会发生什么。在ADS-B安装后,测试装置可以验证所有参数是否正确。一些航空公司会与运营商、制造商和安装人员进行合作测试,消除常见的ADS-B安装错误。与ADS-B安装相关的最常见的问题是:丢失大气压高度;在用雷达进行监控时容易丢失目标;在进行科技型号信息识别时容易出现问题等等问题。每一架飞机都有其专门的标识码,这个是实行空中管制的基础。
  此外,ADS-B能够进行数据的连接与数据共享,并且能够显示飞行路线的相关情况。
  ADS-B系统采用的航空器位置信息理论上可以来自飞行管理系统(FMS)、惯性基准系统(INS/IRS)和GNSS(全球卫星导航系统),现在,这一方面的研究已经非常深入了。所以GNSS是ADS-B机载设备的一个重要组成部分。GNSS直接关系着ADS-B定位准确性和可信性。如果GNSS失效,ADS-B将无法提供航空器位置。前基本使用美国的GPS系统。ADS-B对GNSS的完好性提出了明确要求,所有接收机都要求具有接收机自出完好监视功能,在新的技术规范中要求在电文报告中包含GNSS完好性参数。
  对于ADS-B系统,前面已经进行了比较详细的了解,下面本文将会介绍ADS-B信息的情况。ADS-B信息针对的对象是管制员,客机在飞行的过程中会不断发送相关的信息,而地面的相关设备会检测到发送的信号,并接收信号,对其进行识别,这样就是空中管制的大概过程。地面工作站的主要任务就是对天上飞的客机进行识别和梳理航道,及时对客机的飞行数据进行分析,了解客机的飞行状态和地理位置。ADS-B信息的处理是基于现代化的高科技设备,以及非常先进的程序算法,能够及时了解客机周围的情况,便于对客机的管理。

  2.4 ADS-B数据链技术

  ADS-B的信息传输是通过空气-空气和空对地数据链路广播的绝热形式进行的。ADS-B数据链路通常分为三类,1090MHZE(扩展分路器)、UAT(通用接入收发器)和VDL4(VHF数据链路)。现在,由于很多国家都对UAT进行了大量的研究,无论是深度和广度都到了一个很成熟的境界,所以,大家都喜欢用它,因为它的可靠性好,能够带来很大的收益。在欧洲的部分国家中,采用VDL-4。1090ES数据链路的频率为1090MHz,以PPM模式编码,并通过报头和数据块的组合随机访问,这种访问的速度是非常快的,UAT的频率为98MHz,采用CP-FSK模式编码,时隙在帧内传输,接入方式为固定时隙和随机接入。数据传输速率通常为1Mb/s。VDL-4的工作频率为108-136.975MHz,多信道工作。这种信道的工作频率是非常高的,并且使用了全新的模式。传输速率为19.2kb/s。简单的比较分析了三条数据链,1090条ES宽范围的应用,全球通用,但通信能力在三数据链技术中到底,国际民用航空组织(ICAO)标准,仍然是强制性装备。同时空-空的监视范围也只有40-50海里。UAT作为一种新型系统,并无国际民用航空组织的硬性规定,属于测试设备。但其通信容量在三种技术中排到了第一位,空-空的监视范围也最广,为125海里。VDL-4是三种技术中唯一一个多通道数据链,和UAT一样是一种新系统的数据链模式,没有国际民用航空组织的规定,属于测试设备。VDL—4的探测距离非常远,性能可靠。

  第3章ADS-B技术功能

  3.1情景意识与ADS-B的识别功能

  配备了ADS-B系统,驾驶员可以从驾驶舱显示器上看到周围飞机的位置和图形天气。飞行员所看到的飞机位置与图像天气,基本与地面管制员看到的相同,这样便创造了一个可以共享情境意识的环境,同时曾强了可视度,降低了飞机在恶劣天气下因能见度低导致相撞的可能性。人们对于ADS-B OUT的研究好事比较深入的,已经确定了2种带宽比较稳定的链路,便于数据的发送。自动相关监视转播(ADS-R)将数据从一个频率重新传输到另一个频率上,从而提供飞机在两个ADS-B链上运行,这样便可以让飞机在舱内显示器当中互相看到彼此。ADS-B同时还可以发送重要飞行信息的通告,例如临时飞行限制区域或封闭跑道等信息。因为地形地图可以很容易地添加到驾驶舱显示器,所以ADS-B系统还可以帮助飞行员在能见度低的情况下避免与障碍物相撞,在山地地区飞行时,ADS-B系统所提供的地形信息可以帮助飞行员更安全,更有效的进行飞行任务。
  如果要实现对每一架客机良好的管控,就必须拥有这架客机的标识码,利用地面的监测雷达,以及ADS-B对客机进行管控。
  如果要对客机进行服务,那么,就应该了解客机时刻所处的状态,然后,地面与空中进行数据连接与数据共享。控制中心通过查看显示的大屏幕就可以通知相关工作人员对客机进行服务。失去识别时,应当立即通知该航空器,并重新识别或终止ADS-B服务

  3.2 ADS-B识别的方法

  本文对于此模块比较慎重,因为此模块非常重要。但是,此模块容易出现问题。为了安全起见,本文阅读了大量的参考文献,很多部分本文都是按照参考文献来写的。同时,本文也进行了大量的测试工作。在确定可行后,本文才作了以下的一些写作。使用ADS-B监视时,可以通过下列程序识别航空器。从ADS-B标牌上认出航空器的识别标志。观察到ADS-B显示有航空器按指示调定的应答识别编码。在ADS-B地面控制座椅前使用的飞机识别标志可以通过选择飞机标志的形状、颜色和飞机尾号来区分,因为机载设备是一个全球统一代码,对应于当时飞机的数量。F安装。只要系统识别飞机,它就会显示飞机的号码。由于应答器的编码功能尚未启用,所以飞行员调整应答器代码的要求只是一个预留项目。通过ADS-B识别移交。然后,将相关的数据移到大屏幕上显示。观察某一指定编码的机动指令的遵守情况。遵守指令以打开应答器识别标记(缩进)。为了飞机的安全,一定要处理好飞机的飞行路线和飞行高度,尽量使飞机处在地面能够监测的范围,另外,飞机不要做一些危险的动作。

  3.3 ADS-B技术的益处

  随着ADS-B系统的发展,世界上的多个国家基本都配备了这一项技术。装配有ADS-B系统的飞机,飞行员可以更有效的执行飞行任务,航行安全也上升到了一个新的水平。配备ADS-B OUT的飞机将会在非雷达环境中享有更有效的飞行间隔和最佳航线路径,在世界范围内,例如在美国地区的墨西哥湾和科罗拉多山区以及阿拉斯加低海拔地区这样的繁忙的空域中,ADS-B系统的出现使得飞行员更方便有效的解决了空域流量这一问题。ADS-B飞机的组装也提高了空中交通管制员对领空的认识。目前使用的雷达通常是在5-12秒的时间内更新飞机的位置信息,ADS-B系统几乎每秒都提供给空中交通管制(ATC)飞行信息并且更新飞机的当前位置。这使得管制人员能够快速有效的识别和解决潜在的危险情况。在美国的许多地区,由于联邦航空局对ADS-B服务的要求,ADS-B系统所覆盖的范围要比空中交通管制(ATC)的水平海拔低。
  人们都比较喜欢提通用航空,但是,很多人根本就不了解它,这个在国内是指能容纳的乘客不超过20个,不低于15个飞机。这样的飞机无论是在军事上,还是在民用上,这种飞机都能发挥极大的作用。当用在军事上时,可以进行兵力的运输,以及作为侦察机、武装直升机和预警机等;在民用上,可以作为森林灭火,海上救援等任务。另外,有一些商务人士由于工作的需要配备这样的专属机可以更加快捷进行工作。我国现在对于航空管制存在的问题是很大的,首先,我国的空域非常辽阔,现在还不能做到各个空域时时刻刻监控,另外,对于飞机的飞行路线存在一定的问题,还有就是地面的雷达监测存在很大的盲区。有很多的富豪买了很多的专属飞机进行飞行,由于我国没有对这方面的管理,雷达对于低高度的飞机探测能力有限,所以,对于这种私人飞机管控就非常不好。这样的飞机有时候会对我国的其他客机的飞行造成安全隐患。此外,我国的飞行员的训练强度没有西方和美国国家那样强,飞行的时间都有限,所以,这也容易造成飞机的监管出现问问题。
  通过对上面的分析,我们知道了现在飞机管控存在的问题,所以,非常需要采用ADS-B设备进行相关的管理。对于私人飞机,ADS-B设备可以连接到飞机电源系统。只要飞机开始广播自己的位置,飞机就停在地面上,并且空气管单元可以接收监视和控制。对于学校的培训飞行,它也可以监控整个过程。
  现在的ADS-B已经做得很完美了,有的安装了接收GPS和北斗导航的接收器和相关的软件。由于使用了大量和复合材料,以及良好的工艺,所以,设备的功能已经非常完备了,重量也非常轻,还不占地方。无论是大型客机,还是小型客机都安装了ADS-B,能够实时下载地图资源,获得准确的导航路线和地图环境,所以,安全指数迅速提升了。
  在安装ADS-B机载设备后,小型飞机可以通过CDTI获得导航信息、地形警告信息、天气雷达信息、交通信息服务和相邻飞机广播信息。这些是目前小型飞机无法获得的飞行信息,在空中交通管制单元的综合监控指导下,安全性将大大提高。
  3.3.1 ADS-B技术的安全保障
  配备ADS-B系统的飞机可以获得飞行信息服务广播(FIS-B),飞行信息服务广播可以通过广播的形式向驾驶舱发送重要的天气现象和导航通知。但这些仅可以使用一个通用接入收发器(UAT)。ADS-B还为飞行员提供交通信息服务(TIS-B)。交通信息在雷达控制的15海里以内。飞机可以接收超过3500英尺或更多,所有这些都可以接收飞行信息,如飞行高度、飞行路线、飞行速度等。所有的这些飞行信息都大大提高了飞行员的安全性。
  ADS-B还可以与TCAS(交通警报CO11ISE回避系统)集成。由TCASI I得到的当前飞机位置信息由定向天线和响应时间确定,位置信息中存在较大误差。在一个决定性的咨询警告(RA)的情况下,目前的TCAS只能提供垂直方向避免引导。目前我国已开始实施RVSM。这种垂直方向的回避很可能导致两架飞机之间的冲突,避免了对方和其他飞机的碰撞。使用ADS-B系统,飞机可以通过机载高精度GPS接收机计算飞机的精确位置,然后将速度和压力高度加到其他飞机和地面空气管系统的无线电发射机上,ADS-B也连续接收BR。其他飞机的播客信息。机载防撞系统可以根据周围飞机的位置、高度、速度、方向等信息实时计算出潜在的冲突,并发出警告和避让措施。一方面,由于ADS-B系统的有效空气距离可达200nm,当两架飞机接近500nM/h时,飞行员可以提供约12分钟的预警,以便飞行员适当的时间。
  根据美国联邦航空局的研究,使用ADS-B来提高航空意识可以有效地减少飞行安全事故的30%。另一方面,在RA的情况下,由于飞行器围绕地面的位置和方向的精确性,飞机之间的冲突不仅可以在垂直方向上避免,而且避免水平方向,即四维AI。碰撞警告(4D)Conflict Probe)。
  为了确保飞机的飞行安全,我们必须了解一个全新的概念,即四维空间。对于它的相关情况我们需要注意以下几点:
  空中交通管理计划确认(Tria1 Planning):
  计划确认功能允许控制器在飞行计划批准前将整个应用飞行过程置于整个空中交通飞行计划中,并在四维空间中执行碰撞冲突的预览确认。它节省了时间和燃料消耗,使飞机按照最佳路线飞行,没有或尽可能少的冲突。
  四维空问碰撞预警(4D Conflict Probe):
  四维空问碰撞预警是为每架飞机建立一空中交通管理保护范围(Protected Area),以进行自由飞行的飞机间隔。及时了解飞机的飞行环境和飞行状态,采用,提高飞机的飞行安全。
  3.3.2搜寻与救援
  由ADS-B系统所提供的高精度GPS监测也提高了执行地面营救和搜索任务的能力。ADS-B OUT的功能可以帮助空中交通管制获取更精确的救援方位,并且可以准确地获取信息之前所报告的位置,可以帮助搜索任务和营救任务的更快,更有效的进行。ADS-B型航空电子装置每秒大约发射一次数据,与当前雷达扫描速率的3-15秒相比,能够更精确地跟踪飞机。ADS-B系统地面无线电具有较小的占地面积,所以使得它们能够放置在雷达站点不便通行的地区,例如山区地形。空中交通管制员对飞机的最后位置有更快更准确的信息,所以减少了搜索和救援行动开始进行的时间窗。

  第4章ADS-B技术的未来发展

  4.1两种技术的结合-TIS-B与FIS-B

  空中交通情报服务广播(TIS-B)技术的主要功能体现在,可以将二次雷达获得的但没有安装ADS-B设备飞机的数据通过GBT传送给具有ADS-B设备的飞机。这一技术的好处就在不管周围空域的飞机是否具有ADS-B设备,飞机都可以监视周围空域上的所有飞机。当地面装有气象雷达设施的时候,可以通过相对应的转换设备,再利用飞行信息服务广播(FIS-B)的功能,将气象数据以及飞行情报多项数据通过GBT传到飞机上,这样一来,飞行员就可以随时获取天气的各种信息,空中交通信息以及空域其他信息,从而使得机组可以主动调节与其他飞机的距离,避免冲突事件的发生。

  4.2二次雷达与ADS-B系统对比

  ADS-B系统作为监视系统未来发展的主要方向,与二次雷达技术相对比具有很多的优点。
  ADS-B的IN和OUT两种功能,增强了地面管制与飞行员的情景意识,完善了飞行信息的共享。
  加强对机场区域和机场滑行道和跑道的监控,避免监测盲点。
  二次雷达对于飞行器的定位精度,通常来说信息会在4~10秒更新,而ADS-B系统所提供的定位精度可以达到10m或者更高,每1s都会进行信息更新。
  ADS-B系统的所需成本较小,维护费用低,使用时间长。
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  地面控制人员可以通过ADS-B系统对飞机的速度,高度以及航向进行良好的监控管理,给予飞行员准确的信息,调配飞行间隔,保障了飞行安全。
  增加了空域容量,缩小管制间隔,促进了运行效率。
  以上六点都是对比与二次雷达所体现出的好处,但ADS-B同时也存在自身的不足,就是十分依赖GPS系统。当GPS系统的信号传输受到干扰时,将导致ADS-B系统无法使用,因此有必要开发数据融合技术来融合从两个雷达获得的飞行数据,然后结合ADS-B系统来提供更完美的飞行DA。TA,飞行安全性也将进一步提高。

  4.3 ADS-B技术在机载系统的应用

  目前,ADS-B系统所获取的飞行位置数据是由地面管理的基站接收处理后再进行显示。但空中与地面之间通常为视距传输,地面基站接受到的飞行数据有效距离通常为200千米以内,更具体的距离还要看飞机的飞行高度以及基站的安装高度。然而,一些基站(UAT)建在山区,环境条件恶劣,维护不方便,地面基站通过无线电和电缆进行通信。这样,增加了ADS-B系统的维护成本。随着科学技术的不断发展和完善,空中通信卫星可以用来传输飞机的数据。地面卫星接收设备可以接收由卫星发射的飞机的位置数据,从而实现对飞机的监视。此外,飞机可以安装相关的信号发射器和信号接收器,接收器可以接收来自地面的数据信号,以及卫星的相关信息。发射器主要是为了让地面知道飞机时刻所处的状态。这样一来,ADS-B统运行更为可靠,并且降低了维护费用,增加了覆盖范围。国内多数的小型飞机使用的数据转发设备是由美国Garmin公司生产的GDL90,例如塞斯纳型号的飞机。它的液晶显示器做得非常好,并且安装了非常多的设备,非常便于地面进行空中管制。

  第5章结论

  总结全部内容,大体来看这篇文章对飞机的导航系统,以及ADS-B进行了简单的研究与分析,重点是分析ADS-B技术,功能与其未来的发展。
  现在的情形是老旧的明航监控设备已经不堪重用了,需要换新的设备,采用更加先进的技术,实现对民用飞机的监控和管理。本文在第三章和第四章对民航的飞机进行了很详细的分析,以及提出了换装ADS-B的紧迫性。本文研究的目的就是通过采用ADS-B新技术,加强我国民用飞机的航空管制,摆脱之前的管理混乱的局面,为我国的民航飞行安全作出贡献。
  随着航空工业的发展,我国的各种模式,特别是S和UAT模式ADS-B,已被自主研究,并产生了具有自主知识产权的产品。另一方面,注重对新设备,以及新技术的应用,另外,加强对航空管制的管理工作。然而,本文只研究飞行研究所ADS-B操作的标准程序和规范。它还需要一系列的研究来将设备应用于国家飞行控制服务。
  ADS-B与雷达资料的对比分析。应该说,国外制造商和国外民航部门已经做了一些测试,但我国仍需要自己的验证。
  对ADS-B和雷达数据融合的研究,两种雷达在我国得到了广泛的应用。新一代监控系统的发展必须从雷达向ADS-B过渡,在这一过程中,ADS-B与雷达共存。因此,研究二者的数据融合使得新技术的透明化成为必然,不影响控制器的指挥和控制是非常必要的。
  S模式ADS-B与UAT模式ADS-B技术融合的研究,UAT模式是发展ADS-B的最好模式,但是由于成本的原因,航空公司希望利用已经有的S模式应答机来进行ADS-B应用建设,通用航空因为有后发优势所以可以使用uAT模式ADS-B。为了加快我国新一代导航系统的监测,促进我国ADS-B的发展和应用,仍有许多工作要做。下面是一些建议和措施。今后,我国还将努力融入中国民航新导航系统的建设,为我国民航的发展和建设做出努力。

  参考文献

  [1]FAA instrument flying handbook
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  [3]白松浩.2014年全美使用ADS-B系统民航安全科学
  [4]中国民航飞行学院运行手册
  [5]王党卫.广播式自动相关监视(ADS-B)系统及其发展趋势分析
 
  Article Source:Instrument Flying Handbook FAA-H-8083-15B
  General Flight Instrument System
  Federal aviation administrator
  Introduction
  Aircraft became a practical means of transportation when accurate flight instruments freed the pilot from the necessity of maintaining visual contact with the ground.Flight instruments are crucial to conducting safe flight operations and it is important that the pilot have a basic understanding of their operation.The basic flight instruments required for operation under visual flight rules(VFR)are airspeed indicator(ASI),altimeter,and magnetic direction indicator.In addition to these,operation under instrument flight rules(IFR)requires a gyroscopic rate-of-turn indicator,slip-skid indicator,sensitive altimeter adjustable for barometric pressure,clock displaying hours,minutes,and seconds with a sweep-second pointer or digital presentation,gyroscopic pitch-and-bank indicator(artificial horizon),and gyroscopic direction indicator(directional gyro or equivalent)
  Pitot/Static SystemsPitot pressure,or impact air pressure,is sensed through an open-end tube pointed directly into the relative wind flowing around the aircraft.The pitot tube connects to the ASI or an air data computer depending on your aircraft's configuration.Static Pressure
  Static pressure is also used by the ASI as well as the other pitot static instruments for determining altitude and vertical speed.Static pressure may be sensed at one or more locations on an aircraft.Some may be flush mounted on the fuselage or integrated into the electrically heated pitot tube.These ports are in locations proven by flight tests to be in undisturbed air,and they may be paired,one on either side of the aircraft.This dual location prevents lateral movement of the aircraft from giving erroneous static pressure indications.The areas around the static ports may be heated with electric heater elements to prevent ice forming over the port and blocking the entry of the static air.
  Three basic pressure-operated instruments are found in aircraft instrument panels flown under IFR.These are the ASI,sensitive altimeter,and vertical speed indicator(VSI).All three instruments receive static air pressure for operation with only the ASI receiving both pitot and static pressure.Blockage of the Pitot-Static System Errors in the ASI and VSI almost always indicate a blockage of the pitot tube,the static port(s),or both.Moisture(including ice),dirt,or even insects can cause a blockage in both systems.During preflight,it is very important to make sure the pitot tube cover is removed and that static port openings are checked for blockage and damage.
  Blocked Pitot System
  If the pitot tube drain hole becomes obstructed,the pitot system can become partially or completely blocked.When dynamic pressure cannot enter the pitot tube opening,the ASI no longer operates.If the drain hole is open,static pressure equalizes on both sides of the diaphram in the ASI and theindicated airspeed slowly drops to zero.If the pitot tube ram pressure hole and drain hole become obstructed,the ASI operates like an altimeter as the aircraft climbs and descends.Refer to the Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25A)for more in depth information on blocked pitot systems along with different scenarios and how they effect the ASI.
  Blocked Static System
  When a static system becomes blocked but the pitot tube remains clear the ASI continues to operate but is inaccurate.When the aircraft is operated above the altitude where the static ports became blocked the airspeed indicates lower than the actual airspeed because the trapped static pressure is higher than normal for that altitude.The opposite holds true for operations at lower altitudes;a faster than actual airspeed is displayed due to the relatively low static pressure trapped in the system.A blockage of the static system can also affect the altimeter and VSI.Trapped static pressure causes the altimeter to freeze at the altitude where the blockage occurred.In the case of the VSI,a blocked static system produces a continuous zero indication.
  An alternate static source is provided in some aircraft to provide static pressure should the primary static source become blocked.The alternate static source is normally found inside of the flight deck.Due to the venturi effect of the air flowing around the fuselage,the air pressure inside the flight deck is lower than the exterior pressure.When the alternate static source pressure is used,the following instrument indications are observed:
  The altimeter indicates a slightly higher altitude than actual.
  The ASI indicates an airspeed greater than the actual airspeed.
  The VSI shows a momentary climb and then stabilizes if the altitude is held constant.
  For more information on static system blockages and how to best react to such situations,refer to the Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25A).
  Gyroscopic Systems
  Flight without reference to a visible horizon can be safely accomplished by the use of gyroscopic instrument systems and the two characteristics of gyroscopes,which are rigidity and precession.These systems include attitude,heading,and rate instruments,along with their power sources.These instruments include a gyroscope(or gyro)that is a small wheel with its weight concentrated around its periphery.When this wheel is spun at high speed,it becomes rigid and resists tilting or turning in any direction other than around its spin axis.
  Attitude and heading instruments operate on the principle of rigidity.For these instruments,the gyro remains rigid in its case and the aircraft rotates about it.Rate indicators,such as turn indicators and turn coordinators,operate on the principle of precession.In this case,the gyro precesses(or rolls over)proportionate to the rate the aircraft rotates about one or more of its axes
  Power Sources
  Aircraft and instrument manufacturers have designed redundancy in the flight instruments so that any single failure does not deprive the pilot of the ability to safely conclude the flight.Gyroscopic instruments are crucial for instrument flight;therefore,they are powered by separate electrical or pneumatic sources.
  Pneumatic Systems
  Pneumatic gyros are driven by a jet of air impinging on buckets cut into the periphery of the wheel.On many aircraft this stream of air is obtained by evacuating the instrument case with a vacuum source and allowing filtered air to flow into the case through a nozzle to spin the wheel.
  Venturi Tube Systems
  Aircraft that do not have a pneumatic pump to evacuate the instrument case can use venturi tubes mounted on the outside of the aircraft,similar to the system shown in Figure 5-27.Air flowing through the venturi tube speeds up in the narrowest part and,according to Bernoulli’s principle,the pressure drops.This location is connected to the instrument case by a piece of tubing.The two attitude instruments operate on approximately 4"Hg of suction;the turn-and-slip indicator needs only 2"Hg,so a pressure-reducing needle valve is used to decrease the suction.Air flows into the instruments through filters built into the instrument cases.In this system,ice can clog the venturi tube and stop the instruments when they are most needed.
  外文翻译资料译文部分
  文章出处:仪表飞行手册FAA-H-8083-15B
  通用飞行仪表系统
  FAA(美国联邦航空管理局)
  简介
  精确飞行仪器的出现使得飞行员不再需要时刻保持注意地面情况,进而使飞机成为了一个更加实用的交通工具。飞行仪表对于进行安全飞行操作至关重要,飞行员对其操作有基本的了解是非常重要的。在视觉飞行规则(VFR)下运行所需的基本飞行仪器包括空速指示器(ASI),高度表和磁罗盘。除此之外,仪表飞行规则(IFR)下的操作还需要陀螺仪转速指示器,转弯侧滑仪,可调节大气压力的敏感高度表,用长秒针或者是数字显示时,分,秒的时钟,可以展示俯仰转弯的陀螺仪(人造水平仪)和陀螺仪方向指示器(等同于定向陀螺仪)
  皮托管以及静态系统的组成,是通过一个直接指向与飞机周围相对风的开口端管,从而感测偏压或者是气流冲击压力。皮托管可以连接到空速指示器或者是大气数据计算机,这取决于飞机的机型以及种类。空速指示器还使用静压以及其他皮托静压仪来确定高度和垂直速度。可以在飞机上的一个或多个位置处感测静压。一些可以直接安装在机身上或是以集成的方式安装到电加热皮托管中。这些组成部分在飞行测试中证明,其位置处于未受干扰的空气中,并且它们可以配对,飞机两侧各有一个。这个双重位置可以防止飞机的横向运动产生错误的静压指示,静压端口周围的区域可以用电加热器元件加热以防止在端口上形成结冰从而造成静气压开口的堵塞。
  在仪表飞行规则下飞行的飞机仪表面板中会有三种基本的压力操作仪表。这些仪表分别是空速指示仪表,高度表和垂直速度指示器(VSI垂直速度表或是VVI)。所有这三种仪表均获得静态空气压力,只有空速指示仪表同时可以接收到皮托管和静态压力。皮托管静压系统的堵塞,会造成空速指示器以及垂直速度指示器产生误差,这种误差产生的原因通常是由于皮托管的堵塞,或者是静压口的堵塞,还有可能为水汽(包括结冰),灰尘,甚至是昆虫都可以造成皮托管静压系统的堵塞。所以在飞行前,确保将覆盖在皮托管上的皮托管保护袋拆除,并检查静压口是否发生堵塞和损坏是非常重要的。
  被阻塞的皮托管系统
  如果皮托管的排水孔被堵塞,皮托管系统可能会部分堵塞或者完全堵塞。当动态压力不能进入皮托管开口时,空速指示器将不再运行。如果排水孔打开,空速指示器膜片两侧的静压均匀,指示空速缓慢下降至零。如果皮托管柱塞压力孔和排水孔堵塞,空速指示器在飞机爬升和下降时会像高度计一样。参考飞行员驾驶舱航空知识手册(FAA-H-8083-25A)获取更多关于阻塞皮托管系统的深入信息,以及不同的场景以及它们如何影响ASI。
  被阻止的静态系统
  当静态系统堵塞但皮托管保持畅通时,空速指示器继续运行但不并不准确。当飞机在高于静态端口堵塞的高度上运行时,空速指示低于实际空速,因为在该高度捕获的静态压力高于正常值。对于低海拔地区的情况来说,情况正好相反;由于系统中静态压力相对较低,显示的实际空速会比实际空速更快。静态系统的堵塞也会影响高度表和垂直速度表。堵塞的静气压强导致高度表在发生阻塞的高度处冻结。对于垂直速度表来说,堵塞的静压系统会导致指示的垂直速度持续为零。
  在一些飞机上会提供备用静压源,以便在主静压源被阻塞时提供静压。备用静态源通常位于驾驶舱内。由于机身周围空气的文丘里效应,飞行甲板内的空气压力低于外部压力。当使用交替的静压源压力时,便会观察到以下仪器指示:
  高度表指示比实际的高度略高。
  空速指示仪表指示空速大于实际空速。
  如果海拔高度保持不变,垂直速度表会立即增值并稳定下来。
  有关静态系统堵塞以及如何对这些情况作出最佳反应的更多信息,请参阅飞行员的航空知识手册(FAA-H-8083-25A)。
  陀螺系统
  通过使用陀螺仪器系统和陀螺仪的两个刚性和进动特性的基本原理,可以完成没有参考可视地平线并且保证安全的飞行。陀螺系统包括姿态表,航向表和速率表,以及它们的能源。这些仪器包括一个陀螺仪(或陀螺),它是一个小轮子,其重量集中在其周围。当这个轮子高速旋转时,它会变成刚性的,并且抵抗绕其旋转轴线以外的任何方向的倾斜或旋转。姿态和航向仪器是根据刚性原理工作。对于这些仪器,陀螺仪在其情况下保持刚性并且飞机绕其旋转。速率指示器,如转弯指示器以及转弯协调仪,按照岁差原则运作。在这种情况下,陀螺仪的进动(或翻转)与飞机围绕一个或多个轴旋转的速率成比例。
  能量来源
  飞机和仪表制造商已经设计了飞行仪表的冗余,以便任何单一故障不会掠夺走飞行员以及飞机的生命安全。陀螺仪器对仪器飞行至关重要;因此,它们由独立的电源或气源提供能量来源。
  气动系统
  气动陀螺由撞击在轮毂周围的铲斗上的空气喷射驱动。在许多飞机上,这种空气通过真空源抽空仪表壳体,并使过滤后的空气通过喷嘴流入壳体,从而使旋轮子进行旋转在获得流通的空气。
  文丘里管系统
  一些飞机在没有气动泵来排空仪表箱的情况下可以使用安装在飞机外部的文丘里管。根据伯努利原理,由不可压、理想流体沿流管作定常流动时的伯努利定理知,流动速度增加,流体的静压将减小;反之,流动速度减小,流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和,称为总压始终保持不变。该位置通过一根管连接到仪器外壳。两台姿态仪器的吸气压力约为4“Hg,转弯和滑动指示器只需要2”Hg,因此使用减压针阀来减少吸力。空气通过内置于仪器箱内的过滤器流入仪器。在这个系统中,冰可能会堵塞文丘里管并在我们最需要这些仪表的时候使仪器停止工作。

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