【无人机】初识 GNSS/ADS-B/北斗短报文

ADS-B

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，自动相关监视广播）是一种基于卫星导航和数据链通信的航空监视技术，通过航空器自动广播位置、速度、高度等信息，实现空管系统与飞机之间的实时数据交互。

一、技术原理与核心功能

ADS-B 通过全球卫星导航系统（如 GPS、北斗）获取航空器位置，并通过 1090 MHz（1090 ES）或 978 MHz（UAT）频段广播数据Federal Aviation Administration。其核心分为两部分：

• ADS-B Out：航空器每秒发送一次自身状态，包括经纬度、高度、速度、呼号等，为空管和其他飞机提供实时位置信息Federal Aviation Administration。
• ADS-B In：接收其他飞机的位置数据及地面站发送的天气、空域限制等信息，提升驾驶舱态势感知能力Federal Aviation Administration。

与传统雷达相比，ADS-B 的优势显著：

• 精度更高：位置更新频率达每秒一次，精度可达 10 米以内，远超雷达的 5-12 秒更新周期和数百米误差Federal Aviation Administration。
• 覆盖更广：地面站部署灵活，可覆盖山区、海洋等雷达盲区，例如澳大利亚通过 ADS-B 实现全境无缝监视Federal Aviation Administration。
• 成本更低：建设成本仅为雷达的十分之一，且维护费用低，例如中国 ADS-B 国产化率已达 100%，显著降低了全行业成本。

二、全球实施进展与法规

（一）主要国家 / 地区的强制要求

• 美国：自 2020 年起，所有在管制空域飞行的飞机必须配备 ADS-B Out（1090 ES 或 UAT），并在 2025 年进一步整合 ADS-B 与 UTM（无人机交通管理），支持超视距（BVLOS）无人机运行Federal Aviation Administration。
• 欧洲：2020 年起对起飞重量超 5.7 吨或巡航速度超 250 节的飞机强制要求 ADS-B Out，并计划通过 SESAR 项目实现空域容量提升 40%中国民用航空局。
• 中国：2022 年底前完成商用飞机 ADS-B Out 改装，国产化率达 100%，并在无雷达区域（如青藏高原、南海）实现有效监视中国民用航空局。
• 其他地区：澳大利亚（2013 年）、加拿大（2028 年全面实施）等均已制定明确的 ADS-B 推广路线图。

（二）数据链标准与兼容性

• 1090 ES：国际主流标准，用于商用航空和国际飞行，支持与 TCAS（空中防撞系统）集成中国民用航空局。
• UAT：美国通用航空主要使用，可接收免费天气和交通信息，但国际兼容性有限。
• VDL Mode 4：欧洲研发的甚高频数据链，未来可能用于区域协同监视中国民用航空局。

三、应用场景与实际效益

（一）空管与安全提升

• 空域容量优化：北大西洋采用星基 ADS-B 后，航空器间隔从 80 海里缩减至 15-20 海里，每年减少 45,000 吨二氧化碳排放，节省 1900 万英镑燃油成本。
• 安全辅助功能：中国空管系统利用 ADS-B 实现选择高度一致性告警、跑道入侵预警等，将事故风险降低 30%。
• 应急响应：星基 ADS-B 可实时追踪全球航班，例如北航技术验证星实现 2500 公里外航空器的探测，为搜救提供关键数据。

（二）航空效率与环保

• 航线优化：ADS-B 支持连续下降进近（CDO）和所需导航性能（RNP）程序，单次航班燃油消耗降低 5%-10%。
• 机场地面管理：结合 4G 和 HUD 技术，ADS-B 提升机场车辆态势感知，减少地面冲突。

（三）新兴领域整合

• 无人机管理：美国通过 ADS-B 与 UTM、DAA（检测与避让）技术结合，实现无人机超视距运行的安全监控。
• 军事应用：星基 ADS-B 可实时追踪外军航空器，例如中国在南海和中印边界的监视能力显著增强。

四、安全挑战与应对措施

（一）主要风险

• 数据篡改与欺骗：ADS-B 信号未加密，攻击者可伪造位置信息，例如 2024 年某实验显示，低成本设备可干扰 10 公里内的信号。
• GPS 依赖风险：若卫星导航失效，ADS-B 将无法提供位置数据，需冗余导航系统支持。
• 设备性能差异：美国 FAA 统计显示，约 9% 的通用航空器存在 ADS-B 发射异常（NPE），需定期检测和维护。

（二）防御机制

• 加密技术：DeFli 项目采用区块链和格式保留加密（FPE）保护数据完整性，防止恶意篡改。
• 多源融合：结合雷达、多点定位（MLAT）等传统技术，形成冗余监视体系中国民用航空局。
• 国际协作：北约国家建立跨境无人机事故联合调查机制，共享 ADS-B 数据以提升安全性。

五、未来趋势与技术创新

1. 星基 ADS-B 全球化：Aireon 的 66 颗铱星星座已实现全球覆盖，中国北航技术验证星可接收百万级 ADS-B 报文 / 小时，推动空管系统向 “天基 - 地基” 融合发展。
2. 5G 与区块链整合：试点项目探索利用 5G 低时延特性传输 ADS-B 数据，并通过区块链实现数据溯源和防篡改。
3. 人工智能应用：基于 ADS-B 的海量数据训练流量预测模型，优化空域资源分配，例如欧洲 SESAR 项目已实现冲突解脱算法的初步应用中国民用航空局。
4. 国际标准协同：ICAO 计划 2025 年后更新 Doc 9871，推动全球统一的 ADS-B 安全标准，尤其是在无人机和 eVTOL（电动垂直起降飞行器）领域。

GNSS

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）是指利用卫星星座、地面控制设施和用户终端，为全球范围内的用户提供全天候、实时、高精度位置、速度和时间（PVT）信息的无线电导航系统。它并非单一系统，而是对全球各类卫星导航系统的统称（如美国 GPS、中国北斗、欧洲伽利略等），是现代定位、导航与授时（PNT）服务的核心基础设施。

一、核心构成

任何 GNSS 都由 “空间段、地面段、用户段” 三部分组成，三者协同工作实现定位功能，具体分工如下：

1. 空间段（卫星星座）

• 功能：作为 “空中信号发射台”，持续向地面广播包含卫星位置、时间、轨道参数的导航信号。

• 关键设计：

  • 星座布局：通常采用多轨道、多卫星的分布式布局（如北斗三号由 24 颗中圆地球轨道卫星 + 3 颗地球静止轨道卫星 + 3 颗倾斜地球同步轨道卫星组成），确保全球任何地点、任何时间至少能接收到 4 颗卫星的信号（定位需 4 颗卫星解算三维坐标：经度、纬度、高度）。
  • 信号类型：分为 “民用信号”（如 GPS 的 L1 C/A 码、北斗的 B1I 码，精度约 1-10 米）和 “军用 / 高精度民用信号”（如 GPS 的 L2C/L5 码、北斗的 B2a/B3I 码，精度可达厘米级，需授权或差分技术辅助）。

2. 地面段（控制与监测网络）

• 功能：监控卫星运行状态、修正轨道偏差、维护系统时间同步，确保卫星广播信号的准确性。

• 核心设施：

  • 主控站：系统 “大脑”，汇总所有监测数据，计算卫星轨道修正量和时钟偏差，生成导航电文并发送给卫星。
  • 监测站：全球分布的地面站点（如北斗的国内监测站 + 海外监测站），实时接收卫星信号，采集卫星位置、信号强度、时钟误差等数据，传输至主控站。
  • 注入站：将主控站生成的导航电文 “注入” 到卫星（通常通过无线电链路），让卫星更新自身广播的信号内容。

3. 用户段（终端设备）

• 功能：接收卫星广播的导航信号，解析信号中的时间和轨道信息，通过定位算法计算自身的 PVT 数据。

• 常见形态：

  • 专业设备：航空级 GNSS 接收机（如 ADS-B 使用的 DO-229D 标准接收机）、测绘用 GNSS 接收机（支持差分定位，精度达厘米级）；
  • 消费级设备：手机 GNSS 芯片（集成 GPS / 北斗 / 伽利略多模接收）、汽车导航仪、智能手表等。

二、全球主要 GNSS 系统对比

目前全球已建成并投入使用的主流 GNSS 系统有 4 个，另有部分区域系统（如日本 QZSS、印度 IRNSS），核心参数对比如下：

系统名称	所属国家 / 组织	运行状态	卫星数量（在轨）	核心特点	主要应用场景
GPS	美国	完全运行（1995 年）	31 颗（设计 24 颗）	全球最早成熟的 GNSS，民用信号覆盖广，军用精度高	全球航空、航海、消费电子、军事
北斗系统（BDS）	中国	全球组网（2020 年）	35 颗（设计 35 颗）	唯一包含地球静止轨道卫星的 GNSS，支持短报文通信	中国及周边地区的航空、交通、救灾，全球 PVT 服务
伽利略（Galileo）	欧盟	全球运行（2016 年）	24 颗（设计 30 颗）	民用精度高（免费信号精度 1 米内），多信号频段	欧洲及全球民用导航、高精度测绘
格洛纳斯（GLONASS）	俄罗斯	全球运行（1995 年）	24 颗（设计 24 颗）	轨道倾角大（64.8°），高纬度地区信号更强	俄罗斯及独联体国家的军事、交通

三、核心技术指标

GNSS 的性能直接决定了依赖其的应用（如 ADS-B）的可靠性，核心指标包括：

1. 定位精度：

   • 基础精度（无辅助）：民用信号约 1-10 米（水平）、5-15 米（垂直），满足 ADS-B 对 “位置精度≤10 米” 的要求；
   • 增强精度（差分技术）：通过地面差分站（如 SBAS 卫星增强系统）修正误差，精度可达 0.5-1 米（水平），用于精密进近、无人机精准作业。

2. 可用性：指全球任意地点、任意时间能接收到足够卫星信号的概率，主流 GNSS 可用性≥99.9%（除极地部分区域），确保 ADS-B 不会因信号中断丢失位置。

3. 连续性：指在定位过程中不出现信号中断的能力，航空级 GNSS 接收机（如 ADS-B 用）通过多星座接收（同时收 GPS + 北斗）进一步提升连续性，避免单一星座故障导致定位失效。

4. 完好性：指系统对自身故障的监测和告警能力（关键指标！），例如卫星信号异常时，GNSS 能在几秒内触发 “信号不可靠” 告警，确保 ADS-B 不会广播错误位置（符合航空安全要求）。

四、典型应用场景

GNSS 的应用已渗透到多个领域，远超普通用户认知的 “手机导航”，核心场景包括：

• 航空领域：

  • 作为ADS-B 的唯一位置数据源，为航空器提供实时经纬度、高度、地速；
  • 支持飞机 “区域导航（RNAV）”“所需导航性能（RNP）”，实现更灵活的航路规划；
  • 辅助精密进近（如北斗 + SBAS 支持的 I 类盲降），提升机场运行效率。

• 交通领域：

  • 车联网（V2X）：为自动驾驶车辆提供厘米级定位，确保车道级导航和碰撞预警；
  • 智能交通：货运车辆跟踪、公交车调度，结合 GIS 实现实时路况分析。

• 测绘与地理信息：

  • 大地测量、地籍测绘（厘米级精度）；
  • 无人机航测、遥感，生成高精度地形图。

• 其他领域：

  • 农业：精准播种、施肥（基于 GNSS 的变量作业）；
  • 救灾：地震后通过 GNSS 监测地表形变，评估灾害损失；
  • 金融：作为时间基准，同步全球金融交易系统的时钟（避免时间差导致的交易风险）。

五、GNSS 与 GPS 的区别

很多人会将 “GNSS” 与 “GPS” 混淆，核心区别在于：

• GPS：是美国研发的单一卫星导航系统，是 GNSS 的 “成员之一”；
• GNSS：是全球所有卫星导航系统的统称，包含 GPS、北斗、伽利略、格洛纳斯等。

北斗短报文

北斗短报文是中国北斗卫星导航系统特有的双向卫星通信功能，允许用户通过卫星发送和接收短消息，无需依赖地面网络。其核心价值在于无通信盲区覆盖和应急通信保障，尤其适用于偏远地区、灾害现场等场景。

一、技术原理

1. 通信机制

北斗短报文通过GEO（地球静止轨道）卫星中转信息，用户终端通过 S 频段（2491.75MHz）接收卫星出站信号，通过 L 频段（1614.26MHz）发送入站信号。通信流程如下：

• 发送方：终端将报文编码为二进制数据，通过 L 频段发射至卫星；
• 卫星转发：GEO 卫星将数据中继至地面控制中心；
• 地面处理：中心站解析数据后，通过卫星或地面网络转发至接收方。

2. 服务类型

• 区域短报文：覆盖中国及周边地区（东经 75°-135°，北纬 10°-55°），单次最大 1000 汉字，通信成功率≥99.6%；
• 全球短报文：利用 MEO（中圆轨道）卫星实现全球覆盖，单次最大 40 汉字，通信成功率≥96.46%。

3. 技术优势

• 抗干扰性：采用 S/L 双频段传输，可穿透极端天气（如暴雨、沙尘），汶川地震中首次用于应急通信；
• 低功耗：手机直连模式下发射功率仅 0.5W，待机功耗≤1.2W，支持连续工作 10 小时以上；
• 定位通信一体化：报文自动携带 GNSS 定位信息，定位精度达 10 米（民用）至厘米级（差分增强）。

二、应用场景

1. 应急救援

• 灾害响应：西藏地震中，用户通过北斗短报文发送含定位的求救信息，救援队伍 10 分钟内锁定位置；
• 野外作业：科考队在南极通过北斗终端实时回传气象数据，成功率达 98%。

2. 行业监管

• 渔业安全：超过 30 万艘渔船安装北斗终端，定时上报位置并接收台风预警，事故率下降 70%国家标准化管理委员会；
• 电力巡检：甘肃武威电力系统通过 “北斗 + 无人机” 在无网络区域传输光缆监测数据，故障处理效率提升 50%北斗卫星导航系统。

3. 大众消费

• 手机直连卫星：华为 Mate50、vivo X100 等机型支持北斗短报文，用户无需额外设备即可发送求救信息，用户规模已超 3000 万；
• 智能穿戴：北斗短报文手表可在山区发送位置轨迹，支持户外探险者实时与家人共享行程。

4. 低空经济

• 无人机监管：IEEE 国际标准《基于短报文的无人机飞行数据传输协议》规定北斗短报文为核心通信手段，实现飞行数据实时回传；
• 多网融合：北斗短报文与 ADS-B、5G 结合，构建 “空 - 天 - 地” 一体化导航监视系统，提升空域管理效率。

三、硬件集成

1. 核心模块

• 北斗 RDSS 模块：如司南导航 RD02、金维 DM227，支持 TTL/RS232 接口，兼容 NMEA-0183 协议，可直接与飞控（如 Pixhawk）连接上海司南导航技术股份有限公司；
• 多模融合终端：HS205 模块集成北斗短报文、GNSS 定位和 4G 通信，自动切换网络模式，功耗降低 30%。

2. 无人机集成

• 接口适配：通过 TTL 串口与飞控连接，飞控通过 MAVLink 协议解析报文并触发应急指令（如返航、悬停）；
• 协议兼容：遵循 IEEE Std 1937.3™-2024 标准，无人机飞行数据（如高度、速度）可通过北斗短报文加密传输。

3. 手机集成

• 无外设设计：华为 Mate50 通过内置天线实现短报文功能，发射功率 0.5W，通信延迟≤5 秒；
• SIM 卡绑定：手机号即北斗号，用户无需额外注册，通信费用与普通短信相当（0.1-0.3 元 / 条）。

四、行业标准与法规要求

1. 国内标准

• 技术规范：《北斗三号区域短报文通信用户终端技术要求与测试方法》规定终端需通过电磁兼容、抗干扰等测试，抽检合格率提升至 92%国家标准化管理委员会；
• 监管要求：无人机使用短报文需符合《无人机遥感测绘飞行管理信息要求》，飞行数据需实时回传至监管平台。

2. 国际认可

• IEEE 标准：IEEE Std 1937.3™-2024 将北斗短报文纳入无人机飞行数据传输协议，推动其国际化应用；
• 民航适配：北斗短报文与 ADS-B 结合，可满足国际民航组织（ICAO）对通用航空的监视要求。

3. 许可申请

• 设备认证：终端需通过《电信设备进网许可证》测试，提交电磁兼容性、通信成功率等报告；
• 用户资质：部分行业（如渔业、电力）需向主管部门申请专用北斗卡，支持高优先级通信。

五、未来趋势：从通信工具到智能中枢

1. 技术升级

• 容量提升：北斗三号全球短报文容量计划从 40 汉字增至 100 汉字，支持图片、语音等多媒体传输；
• AI 融合：结合机器学习预测通信盲区，动态调整报文传输策略，提升复杂环境下的通信成功率。

2. 应用拓展

• 车联网：北斗短报文与 V2X 结合，在隧道、山区等无网络区域实现车辆间实时通信；
• 元宇宙：北斗短报文为低空无人机集群提供时空基准，支撑城市级数字孪生体构建。

3. 生态构建

• 开源支持：国防科技大学开放短报文通信协议库，降低开发者接入门槛；
• 产业联盟：中国时空信息集团牵头成立创新联合体，推动短报文模块成本降至 50 元以下。