UAT ADS-B系统在低空小型无人机上的监视性能
R. Michael Guterres1 , Stanley R. Jones2 , Gregory L. Orrell3 , Robert C. Strain4
麻省理工学院林肯实验室
1. 导航与无人飞行器系统首席专家，N670，高级成员
2. 高级首席专家，监视应用与航空电子设备，N560
3. 高级系统工程师，监视应用与航空电子设备，N560
4. 部门负责人，监视应用与航空电子设备，N560
背景
小型无人机（SUAS）在美国可预期的扩张，促使人们研究这些飞行器之间如何相互“看见和被看见”，以及它们与在国家空域(NAS)中运行的其他飞机之间的关系。其中一种建议是小型无人机SUAS使用ATM监视服务，比如ADS-B。在美国，UAT很可能是小型无人机使用时的首选，因为UAT的系统架构、所拥有的FAA指定操作环境，并且其独立于一些与安全相关的ATM监视系统（如交通警告与防撞系统）。
美国现在涌现出许多关于SUAS的新兴运行概念，越来越明确的是，在海拔400英尺以下运行的小型无人机将完成许多任务目标，并且在此空域中（远离机场）的交通流量较少。SUAS的未来使用将不断增加，并将不可避免地进入大城市的临近空域。图1显示了在预设海拔17000英尺以下的ADS-B实时交通更新的12小时密度图。该图片清晰地展示了在美国大陆当前的ADS-B相关使用密度情况。
图1. 12小时时间段内17000英尺以下空域ADS-B更新情况—2016年10月
直到2020年，飞行高度在10000英尺以上以及国家最繁忙机场（即B类和C类空域，包括mode-C Veil空域）的飞行器将需要使用ADS-B。与雷达应答机类似，有很多空域并不要求使用ADS-B，但建议使用以提高空中安全。下图（图2）显示了美国10000英尺以下必须使用ADS-B的区域。在美国某些地区，小型无人机的增长可能导致空域交通密度显著超过目前航空界所见。这可能会导致出现运行复杂的空域，其中有大量低于400英尺AGL（地面以上）且配备ADS-B的小型无人机，以及较少数量的高于400英尺AGL且配备ADS-B的飞行器。
图2. 10000英尺以下的ADS-B/应答机规则空域
SUAS的增长可能会在人口较高的地区发生，这些地区也将会有最大的ADS-B飞机密度。下图展示了这样的未来可能会是什么样，我们在虚拟环境中，创建了一个城市景观，并部署了大量的SUAS在城市区域内或附近执行多项不同任务。所有建筑物、飞机和距离都按比例绘制。该图仅显示到最高400英尺高度的小型无人机。为了方便可视化，所有SUAS都用直径为8英尺的球体突出显示，这大大超过它们的实际大小。
图3. 未来高密度SUAS运行模拟（每平方英里90架无人机）
（为方便可见，SUAS被包裹在直径为8英尺的黄色球体中）
过去及现在的研究
先前由MITRE CAASD进行的一项研究探索了在低空（500英尺以下）存在大规模SUAS与高空（500英尺以上）存在高密度通用航空飞机之间并存情况的挑战性。结果表明，ADS-B同信道干扰的增加可能会对通航飞机的ADS-B空对空性能产生负面影响。同时，在预计到2020年通航飞机配备UAT设备的情况下，各SUAS之间的ADS-B性能不受通航飞机的存在影响。该研究建议降低SUAS的发射功率以减少同信道干扰，同时保持SUAS之间在近距离下足够的空对空性能。此外，该研究并未探索空对地ADS-B在空中交通管理间隔保持中的性能。
MITRE CAASD将继续研究UAT ADS-B系统对引入配备ADS-B的SUAS的敏感性，并将更广泛地研究空对空和空对地的操作场景。
分析方法
本研究考察了在引入不同数量的小型无人机并在UAT数据链以选定功率水平每秒传输时，对UAT ADS-B服务在国家空域系统中支持空对空和空对地空中交通管理应用的影响。我们采用基于模型的方法来衡量这种影响，同时考虑了当前ATM应用的ADS-B监视要求。所考虑的ATM应用包括基于通航飞行器的终端排序和间隔区域（TSAA），以及在三英里和五英里范围内的空中交通分隔服务。第一步是在引入SUAS之前对UAT系统性能进行基准测试。这项工作已在参考文献1中进行了描述，并在本研究中相对于ATM应用进行了重新验证。第二步是对共用UAT性能进行建模，并确定不会影响ATM应用的SUAS密度和传输功率水平的组合。
传输功率决定了ADS-B监视消息被接收器解码的距离。本研究测试了四种SUAS的传输功率级别：1瓦、0.1瓦、0.05瓦和0.01瓦。之前的MITRE CAASD研究使用了1瓦作为基准功率级别，并在本研究中作为对照组。0.1瓦、0.01瓦和0.05瓦的传输功率被考虑，是因为它们可能为SUAS之间的通信提供足够的范围，并可能减少对其他交通运行的影响。
交通密度结合传输功率一起决定了目标接收器在视线范围内观察到的共信道干扰水平。一共测试了四种SUAS交通密度水平：每平方公里5个SUAS（总共14000个SUAS）、每平方公里3个SUAS（总共8500个SUAS）、每平方公里1个SUAS（总共2000个SUAS）和每平方公里0.5个SUAS（总共1400个SUAS）。假设每组SUAS都在执行TSAA应用的通航飞行器的正下方运行。
表1.空域条件和飞机密度示意表
使用完全因子试验运行模型来检查四种SUAS交通密度级别和四种传输功率级别。对于空中TSAA和地面ATM分隔两种应用情况，运行了UAT系统性能模型。实际上，我们只进行了部分测试，因为一些情况下的UAT系统建模结果显示不支持更高的功率或更高密度而无法运行所有测试。上表显示了使用的场景组合。如上所述，之前的MITRE CAASD研究了场景1。在这里囊括它是为了实验完整性，作为基准，并确保对UAT性能模型的改进不会无意间改变之前的发现。
关键发现
该研究的主要发现总结如下：
一般情况下：
大多数UAT的干扰来自于非UAT ADS-B设备的飞机的地面ADS-R（ADS-Rebroadcast）。（此项研究假设在建模环境中的所有飞机均配备ADS-B）
UAT支持当前的空中交通管理(ATM)的空对空和空对地应用。
ATM遗留的通用航空交通流量对共享UAT性能影响较小。
小型无人机SUAS的密度对共享UAT性能有主要影响。
UAT空对空ATM应用支持：
在高密度/非常低功率的SUAS条件下（5 SUAS/km2，ERP = 0.01 W），UAT很可能能够支持高密度的ATM交通（也支持2倍的高密度ATM交通）下通航ATM空对空应用的要求。
在低密度/低功率的SUAS条件下（1 SUAS/km2，ERP = 0.05 W），UAT很可能能够支持任何ATM交通密度下的通航 ATM空对空应用的要求。
在低密度/中等功率的SUAS条件下（1 SUAS/km2，ERP = 0.1 W），UAT很可能能够支持高密度ATM交通下的通航 ATM空对空应用要求。
将通航飞机接收器相对于SUAS分布水平偏移，可以减少SUAS对空对空UAT性能的影响。
UAT空对地ATM应用支持：
在中等密度/极低功率的SUAS条件下（3 SUAS/km2，ERP = 0.01 W），UAT很可能能够支持无线电站多样性接收和高密度ATM交通下空对地ATM应用要求。
一些由ADS-R产生的UAT共信道干扰位于ADS-B地面无线电站的视线以下，因此不会对空对地接收性能产生与SUAS传输相同程度的影响。
将SUAS交通相对于ADS-B地面无线电站的位置进行偏移有效地降低了SUAS对空对地应用性能的影响，这是因为受到视线限制。