基础设施过去、现在和未来案例集/自动相关监视广播 (ADS-B)

ADS-B 系统通信

此案例集是 Vinny Gaskin 和 Ian Bednarek 关于自动相关监视广播 (ADS-B) 的案例研究，作为基础设施过去、现在和未来：GOVT 490-003 （政策与政府综合研讨会）/CEIE 499-002（土木工程专业主题）2023 年春季课程的一部分，在 乔治·梅森大学的 沙尔政策与政府学院 和 沃尔格瑙工程学院 的西德和瑞娃·德贝里土木、环境和基础设施工程系。以 新干线高速铁路案例集 为模型。在 Jonathan Gifford 教授的指导下。

摘要

自动相关监视广播 (ADS-B) 是一项先进的技术，它将飞机的定位源、飞机航电设备和地面基础设施结合起来，在飞机和空中交通管制 (ATC) 之间创建准确的监视接口。 ADS-B 允许空中交通管制和空对空通信，这使得飞行员和 ATC 之间以及飞行员与飞行员之间能够进行单向通信。 ADS-B 是一种基于性能的监视技术，比雷达更精确，由两种不同的服务组成：ADS-B Out 和 ADS-B In。 ADS-B Out 允许飞机将识别信息、当前高度、位置和速度等信息中继给其他车辆和空中交通管制中心。ADS-B In 为飞机提供了接收这些信息的能力。

ADS-B 是“自动”的，因为它不需要飞行员或任何其他外部询问的输入。它是“相关的”，因为它依赖于飞机导航系统的精度，包括位置和速度数据。ADS-B 的“监视”是指提供给需要这些数据的设施的飞机位置、高度、速度和其他数据。最后，名称中的“广播”部分指的是每半秒以 1090MHz 的频率广播的信息，以便由指定的 ATC 地面站和其他飞机适当地监控。

截至 2023 年 4 月，在美**国**的 B 类和 C 类空域飞行时，ADS-B 是强制性的。航空中空域分为五类，这些类别按其高度和与主要机场的距离来区分。A 类空域是指海拔 18,000 到 60,000 英尺之间的任何地方。B 类空域在靠近交通繁忙的机场时从海平面延伸到 10,000 英尺。C 类空域与 B 类空域类似，但它们仅从海平面延伸到靠近繁忙机场时地面以上 4,000 英尺。D 类空域从海平面延伸到地面以上 2,500 英尺，环绕着较不拥挤的较小机场。E 类空域是受控的，位于联邦航道或其他重要的进场路线附近。飞行员在 A 类和 B 类空域飞行之前需要获得空中交通管制塔台的许可。在 C 类和 D 类空域，他们需要与空中交通管制塔台建立双向通信。

事件时间线

1990 - 飞机拥有者和飞行员协会 (AOPA) 接受了“全球定位系统”(GPS) 技术。

2003 年 3 月 - AOPA 向民航巡逻队 (CAP) 展示了 ADS-B 的功能。这些演示是为了激发将该技术整合到 CAP 活动中的可能性。

2006 - 瑞典开始使用 12 个地面站安装其全国 ADS-B 网络。于 2007 年完成安装。

2007 - 联邦航空管理局 (FAA) 开始实施 ADS-B 基础设施和强制性飞机配备。

2008 年 12 月 - FAA 管理员批准在美国安装第一个功能齐全的 ADS-B 系统。安装地点位于佛罗里达州南部。

2009 - 加拿大加入其他国家，通过委托 ADS-B 的运营使用来提供以前没有覆盖的地区的覆盖范围，从而推动航空技术的进步。

2010 年 5 月 - FAA 发布了一项规则，要求所有飞机所有者在 2020 年 1 月 1 日之前在 A 类、B 类、C 类空域以及地面以上 2500 英尺的 E 类空域飞行时，为其车辆配备 ADS-B Out 系统。该指令于 2010 年 8 月生效。

2012 年 6 月 - 雪佛龙公司和 FreeFlight Systems 获得了 FAA 颁发的补充型号合格证 (STC)，用于为墨西哥湾 (GOMEX) 直升机配备 ADS-B。这很特别，因为墨西哥湾是一个交通拥挤的地区，每天有成千上万的航班起降。

2019 年 9 月/10 月 - FAA 成功完成了 ADS-B 实施的最后里程碑。最后两个机场，均位于俄亥俄州，接收了 ADS-B 并于 2019 年 9 月投入使用。这是意义重大的，因为所有机场都配备了 ADS-B，并在 2020 年 1 月 1 日的截止日期之前在全国范围内投入运行，同时保持在预算范围内。

2023 年 4 月/现在 - 在美国，当飞机在 48 个相连州上空飞行时，在飞行高度 (FL) 100 或地面以上 10,000 英尺飞行时，ADS-B 目前是强制性的。在 FL 100 或低于此高度飞行时，只有在 B 类或 C 类空域飞行，或在墨西哥湾沿岸 12 英里（海里）内飞行，同时在地面以上 3000 英尺飞行时，ADS-B 仍然是强制性的。阿拉斯加州、夏威夷州、波多黎各州和其他美国领地的要求有所不同，因为它们有自己独特的规定。

叙述

2012 年，一位研究人员声称 ADS-B 技术没有防御“欺骗”的机制，即通过识别发送错误消息，这种风险是由于 ADS-B 的数据既未经过身份验证也未加密。 ADS-B 传输的消息缺乏加密，使任何人能够读取它们，这造成了安全风险。

FAA 对这些担忧的回应是，他们目前正在解决这些问题，但无法披露他们正在使用的方法，因为他们采用的方法是机密的。

仅配备应答器或根本没有配备应答器的飞机不会出现在 ADS-B 雷达上。这意味着，过度自信或过度依赖 ADS-B 功能的飞行员可能无法识别缺乏出现在其雷达上的技术能力的飞机，这对所有参与的飞行员和飞机来说都是巨大的安全隐患。

另一个经常在美国和其他国家使用的系统是 FLARM。FLARM 是飞行和警报的组合词，在大多数滑翔机上使用，这带来了问题，因为 FLARM 技术与 ADS-B 不兼容。

ADS-B 授权也存在争议，该授权要求所有飞机在 2020 年 1 月 1 日之前实施 ADS-B。许多飞行员对此感到愤怒，因为他们被迫为自己的飞机配备像 ADS-B 这样昂贵的技术。许多飞行员预计 FAA 会撤销该授权，希望他们不会被迫为自己的飞机配备 ADS-B。这一授权让一些飞行员声称 ADS-B 是一个不必要的附加装置，它将许多休闲飞行员赶出了航空业。

主要组织和机构

参与 ADS-B 技术开发的主要组织和机构包括

美国联邦航空管理局印章

联邦航空管理局 (FAA)

美国交通运输机构，于 1967 年成为交通运输部的一部分。FAA 监管美国商业太空运输以及美国及其周边水域的所有民用航空，以促进安全。FAA 还为民用和军用飞机开发和运营空中交通管制和导航系统。

全国商务航空协会 (NBAA)

为依赖通用航空飞机来提高效率、生产力和成功的企业提供服务的领先组织。 NBAA 支持现代化美国领空的努力，例如为监控空中和地面飞机配备基于卫星的 ADS-B 功能。

美国机主和飞行员协会 (AOPA)

美国机主和飞行员协会成立于 1939 年，是一个致力于通用航空的非营利组织。 AOPA 支持 ADS-B 的理念，并了解近乎普遍参与的重要性。但是，AOPA 对 FAA 的实施策略提出了意见。AOPA 建议了一些可以使 ADS-B 系统更实惠的技术变革，还建议允许飞机在从雷达和应答器过渡到 ADS-B 时移除其应答器。

货运航空协会 (CAA)

货运航空协会最初成立于空运货运代理协会，是一个代表空运货运代理（间接航空承运人）和货运行业五个全货运航空公司成员的组织。 当 FAA 可能会将基于空间的 ADS-B 的海洋空中交通管制操作推迟 6 到 7 年（从 2022 年到 2028/2029 年）的消息传出时，CAA 加入了感兴趣的航空利益相关者，致函 FAA 管理员史蒂夫·迪克森。这封信的内容表明利益相关者迫切要求领导层确保采取一切必要的措施在美国海洋空域实施基于空间的 ADS-B，以便尽可能地满足最初的开始日期。

安布里-里德尔航空大学 (ERAU)

安布里-里德尔航空大学是世界上最大的、完全获得认可的专门从事航空和航天领域的大学。2003 年 5 月，安布里-里德尔航空大学开始在其位于亚利桑那州和佛罗里达州的两个主要校区使用 ADS-B 作为安全保证。2006 年，ERAU 成为第一家将 ADS-B 与玻璃驾驶舱结合在一起的飞机。

北达科他大学

北达科他大学是世界上最全面的航空航天大学之一。2006 年，来自 UND 约翰·D·奥德加德航空航天科学学院的航空航天研究人员从 FAA 获得了 300,000 美元的拨款来研究 ADS-B 技术。该大学的飞机自此已配备了 ADS-B 套件。

资金与融资

很难确定当今安装 ADS-B 的确切成本，因为影响成本的因素有很多。决定 ADS-B 价格的一些因素包括：正在安装的设备类型、认证流程以及安装所需的劳动力成本。2019 年一个主题帖子的飞行员群组声称，他们为将 ADS-B 安装到自己的飞机上支付的费用从 1000 美元到 7000 美元不等。

ADS-B 的主要资助机构是 FAA。ADS-B 由 FAA 等组织批量购买，或由个人飞行员为个人使用购买。

2011 年 4 月，通过美国联邦立法，通过 FAA 重新授权法案的众议院法案，允许为通用航空飞机设立一个装备基金。

2016 年的一篇文章声称，为了满足 FAA 的要求，ADS-B 安装的最低成本约为 4000 美元至 6000 美元，而更复杂的系统将更加昂贵。

2020 年，一家总部位于德克萨斯州的航空航天公司 FreeFlight Systems 声称他们将交付符合 FAA 要求的 ADS-B 系统，而成本不超过 2000 美元。

Garmin 和其他支持 GPS 的技术公司目前在其网站上销售 ADS-B 和应答器系统。最便宜的系统包括 ADS-in 和 ADS-out，价格约为 2500 美元。这是一个关于当今市场上一个功能齐全的 ADS-B 系统价格的良好估计。

体制安排

豁免 12555：位置和导航完整性类别豁免的导航精度类别

• “不豁免在 ADS-B 规则空域飞行的飞机上安装和运行符合要求的 ADS-B Out 设备的要求。”
• “允许扩展使用已安装在某些飞机上的旧型 GPS 导航接收器。所有其他 ADS-B Out 设备要求必须仍然满足并正常运行。”
• “之所以被授予，是因为直到 2020 年左右，满足 ADS-B Out 规则要求的适合运输类飞机的多频/多星座 GPS 导航接收器才无法购买或安装。”
• “对运营商施加某些条件、限制和额外的飞行前责任。”

ADS-B 支持飞行员计划：FAA 提出的计划，允许机场接收 AIP 拨款资金以补充其他 FAA 资金来源用于 ADS-B 地面设备。

2010 年 5 月 - FAA 发布了最终规则，规定了在 2020 年 1 月 1 日之后在特定空域运行的飞机上的 ADS-B Out 航空电子设备的装备要求和性能标准。

2019 年 - 运营商需要确认计划的飞行路线将符合 ADS-B 性能要求。

ADS-B 接收器

经验教训/要点

奥斯特罗姆基础设施性能标准

效率：ADS-B 是一项非常高效的技术，它彻底改变了航空业，使其变得更好。ADS-B 通过更有效的间距和优化的航线，改善了空中交通流量，无论遇到什么样的环境条件，都能高效地将飞行员送达目的地。这种优化的航线可以缩短飞行时间，从而减少燃油消耗和污染，有利于环境，并为飞行员和乘客节省时间。ADS-B 系统几乎每秒都会向空中交通管制提供有关其位置的最新信息，这比平均每 5 到 12 秒更新一次的雷达效率高得多。这些持续的更新使飞行员能够快速识别威胁并做出相应的反应，从而提高飞行过程中的安全性。 不过，它并不是一个完美的系统，因为缺乏加密和身份验证会使其很容易被怀有恶意的人侵入。

财政等效性：安装 ADS-B 设备的成本对飞行员来说可能在 1000 美元到 7000 美元之间，具体取决于一些变量。在决定是否安装 ADS-B 是一个财政等效的过程时，有很多因素需要考虑。它是一次性购买，给飞行员带来极大的好处，让他们可以进入大多数空域，但对于一些不常飞行或只在未分类空域内操作的飞行员来说，它可能不值得。

财富再分配：ADS-B 在财富再分配方面没有贡献，因为它只影响特定人群。ADS-B 只直接影响飞行员和那些有足够的财富经常乘坐飞机的人。安装 ADS-B 的成本对飞行员来说可能是相当大的负担，这意味着偶尔的飞机飞行员如果负担不起所需的设备技术，可能会处于不利地位。ADS-B 似乎不是从富人手中拿走并返还给穷人，而是从中等收入公民手中拿走并返还给富人。用更笼统的术语来说，ADS-B，尤其是 2020 年的强制执行令，有利于 FAA 和 ATC，而对个体飞行员不利。

问责制：当潜在的安全风险被提出到 FAA 时，他们回应了这些担忧，声称这些问题正在得到处理，但不能透露处理这些问题的具体方法，因为他们采用的方法是保密的。这表明问责制存疑，因为如果公众不知道你是如何处理这些安全问题的，就无法知道这些问题是否真的正在得到处理。

适应性：ADS-B 还比较新，所以很难说它到底有多适应。这项技术自问世以来没有发展或进行过多少改变，它仍然完成着它在 21 世纪初所完成的目标。此外，除了 ADS-B 的实施和制定的关于何时需要使用 ADS-B 的规定外，从 2010 年到现在，关于 ADS-B 的重大新闻很少。

总的来说，随着 2020 年的强制执行令的生效，ADS-B 现在在大多数空域内飞行时都需要使用，这项技术是全国各地飞行员必须适应的东西。这个新系统推动了美国航空业向前发展，转向现代的卫星系统，这在飞行时带来诸多好处。优化航线、提高安全性、减少污染和增加空域容量只是其中一部分好处。然而，它也有一些争议，例如潜在的安全风险、飞行员对 2020 年强制执行令的愤怒以及为休闲飞行员安装 ADS-B 的高昂成本。总的来说，优点似乎远远超过缺点，ADS-B 是航空业需要的技术突破，使其能够顺利过渡到现代世界。

讨论问题

您是否认为 ADS-B 或具有类似功能和特性的技术在未来可以在飞机以外的其他基础设施中使用？

您认为 ADS-B 的实施应该成为一项普遍要求吗？

您是否同意 FAA 针对所有飞机强制执行 ADS-B 的决定？

现在 ADS-B 已全面实施，航空业的下一步是什么？