基礎設施過去、現在和未來案例集/自動相關監視廣播 (ADS-B)

ADS-B 系統通訊

此案例集是 Vinny Gaskin 和 Ian Bednarek 關於自動相關監視廣播 (ADS-B) 的案例研究，作為基礎設施過去、現在和未來：GOVT 490-003 （政策與政府綜合研討會）/CEIE 499-002（土木工程專業主題）2023 年春季課程的一部分，在 喬治·梅森大學的 沙爾政策與政府學院 和 沃爾格瑙工程學院 的西德和瑞娃·德貝里土木、環境和基礎設施工程系。以 新幹線高速鐵路案例集 為模型。在 Jonathan Gifford 教授的指導下。

摘要

自動相關監視廣播 (ADS-B) 是一項先進的技術，它將飛機的定位源、飛機航電裝置和地面基礎設施結合起來，在飛機和空中交通管制 (ATC) 之間建立準確的監視介面。 ADS-B 允許空中交通管制和空對空通訊，這使得飛行員和 ATC 之間以及飛行員與飛行員之間能夠進行單向通訊。 ADS-B 是一種基於效能的監視技術，比雷達更精確，由兩種不同的服務組成：ADS-B Out 和 ADS-B In。 ADS-B Out 允許飛機將識別資訊、當前高度、位置和速度等資訊中繼給其他車輛和空中交通管制中心。ADS-B In 為飛機提供了接收這些資訊的能力。

ADS-B 是“自動”的，因為它不需要飛行員或任何其他外部詢問的輸入。它是“相關的”，因為它依賴於飛機導航系統的精度，包括位置和速度資料。ADS-B 的“監視”是指提供給需要這些資料的設施的飛機位置、高度、速度和其他資料。最後，名稱中的“廣播”部分指的是每半秒以 1090MHz 的頻率廣播的資訊，以便由指定的 ATC 地面站和其他飛機適當地監控。

截至 2023 年 4 月，在美**國**的 B 類和 C 類空域飛行時，ADS-B 是強制性的。航空中空域分為五類，這些類別按其高度和與主要機場的距離來區分。A 類空域是指海拔 18,000 到 60,000 英尺之間的任何地方。B 類空域在靠近交通繁忙的機場時從海平面延伸到 10,000 英尺。C 類空域與 B 類空域類似，但它們僅從海平面延伸到靠近繁忙機場時地面以上 4,000 英尺。D 類空域從海平面延伸到地面以上 2,500 英尺，環繞著較不擁擠的較小機場。E 類空域是受控的，位於聯邦航道或其他重要的進場路線附近。飛行員在 A 類和 B 類空域飛行之前需要獲得空中交通管制塔臺的許可。在 C 類和 D 類空域，他們需要與空中交通管制塔臺建立雙向通訊。

事件時間線

1990 - 飛機擁有者和飛行員協會 (AOPA) 接受了“全球定位系統”(GPS) 技術。

2003 年 3 月 - AOPA 向民航巡邏隊 (CAP) 展示了 ADS-B 的功能。這些演示是為了激發將該技術整合到 CAP 活動中的可能性。

2006 - 瑞典開始使用 12 個地面站安裝其全國 ADS-B 網路。於 2007 年完成安裝。

2007 - 聯邦航空管理局 (FAA) 開始實施 ADS-B 基礎設施和強制性飛機配備。

2008 年 12 月 - FAA 管理員批准在美國安裝第一個功能齊全的 ADS-B 系統。安裝地點位於佛羅里達州南部。

2009 - 加拿大加入其他國家，透過委託 ADS-B 的運營使用來提供以前沒有覆蓋的地區的覆蓋範圍，從而推動航空技術的進步。

2010 年 5 月 - FAA 釋出了一項規則，要求所有飛機所有者在 2020 年 1 月 1 日之前在 A 類、B 類、C 類空域以及地面以上 2500 英尺的 E 類空域飛行時，為其車輛配備 ADS-B Out 系統。該指令於 2010 年 8 月生效。

2012 年 6 月 - 雪佛龍公司和 FreeFlight Systems 獲得了 FAA 頒發的補充型號合格證 (STC)，用於為墨西哥灣 (GOMEX) 直升機配備 ADS-B。這很特別，因為墨西哥灣是一個交通擁擠的地區，每天有成千上萬的航班起降。

2019 年 9 月/10 月 - FAA 成功完成了 ADS-B 實施的最後里程碑。最後兩個機場，均位於俄亥俄州，接收了 ADS-B 並於 2019 年 9 月投入使用。這是意義重大的，因為所有機場都配備了 ADS-B，並在 2020 年 1 月 1 日的截止日期之前在全國範圍內投入執行，同時保持在預算範圍內。

2023 年 4 月/現在 - 在美國，當飛機在 48 個相連州上空飛行時，在飛行高度 (FL) 100 或地面以上 10,000 英尺飛行時，ADS-B 目前是強制性的。在 FL 100 或低於此高度飛行時，只有在 B 類或 C 類空域飛行，或在墨西哥灣沿岸 12 英里（海里）內飛行，同時在地面以上 3000 英尺飛行時，ADS-B 仍然是強制性的。阿拉斯加州、夏威夷州、波多黎各州和其他美國領地的要求有所不同，因為它們有自己獨特的規定。

敘述

2012 年，一位研究人員聲稱 ADS-B 技術沒有防禦“欺騙”的機制，即透過識別傳送錯誤訊息，這種風險是由於 ADS-B 的資料既未經過身份驗證也未加密。 ADS-B 傳輸的訊息缺乏加密，使任何人能夠讀取它們，這造成了安全風險。

FAA 對這些擔憂的回應是，他們目前正在解決這些問題，但無法披露他們正在使用的方法，因為他們採用的方法是機密的。

僅配備應答器或根本沒有配備應答器的飛機不會出現在 ADS-B 雷達上。這意味著，過度自信或過度依賴 ADS-B 功能的飛行員可能無法識別缺乏出現在其雷達上的技術能力的飛機，這對所有參與的飛行員和飛機來說都是巨大的安全隱患。

另一個經常在美國和其他國家使用的系統是 FLARM。FLARM 是飛行和警報的組合詞，在大多數滑翔機上使用，這帶來了問題，因為 FLARM 技術與 ADS-B 不相容。

ADS-B 授權也存在爭議，該授權要求所有飛機在 2020 年 1 月 1 日之前實施 ADS-B。許多飛行員對此感到憤怒，因為他們被迫為自己的飛機配備像 ADS-B 這樣昂貴的技術。許多飛行員預計 FAA 會撤銷該授權，希望他們不會被迫為自己的飛機配備 ADS-B。這一授權讓一些飛行員聲稱 ADS-B 是一個不必要的附加裝置，它將許多休閒飛行員趕出了航空業。

主要組織和機構

參與 ADS-B 技術開發的主要組織和機構包括

美國聯邦航空管理局印章

聯邦航空管理局 (FAA)

美國交通運輸機構，於 1967 年成為交通運輸部的一部分。FAA 監管美國商業太空運輸以及美國及其周邊水域的所有民用航空，以促進安全。FAA 還為民用和軍用飛機開發和運營空中交通管制和導航系統。

全國商務航空協會 (NBAA)

為依賴通用航空飛機來提高效率、生產力和成功的企業提供服務的領先組織。 NBAA 支援現代化美國領空的努力，例如為監控空中和地面飛機配備基於衛星的 ADS-B 功能。

美國機主和飛行員協會 (AOPA)

美國機主和飛行員協會成立於 1939 年，是一個致力於通用航空的非營利組織。 AOPA 支援 ADS-B 的理念，並瞭解近乎普遍參與的重要性。但是，AOPA 對 FAA 的實施策略提出了意見。AOPA 建議了一些可以使 ADS-B 系統更實惠的技術變革，還建議允許飛機在從雷達和應答器過渡到 ADS-B 時移除其應答器。

貨運航空協會 (CAA)

貨運航空協會最初成立於空運貨運代理協會，是一個代表空運貨運代理（間接航空承運人）和貨執行業五個全貨運航空公司成員的組織。 當 FAA 可能會將基於空間的 ADS-B 的海洋空中交通管制操作推遲 6 到 7 年（從 2022 年到 2028/2029 年）的訊息傳出時，CAA 加入了感興趣的航空利益相關者，致函 FAA 管理員史蒂夫·迪克森。這封信的內容表明利益相關者迫切要求領導層確保採取一切必要的措施在美國海洋空域實施基於空間的 ADS-B，以便儘可能地滿足最初的開始日期。

安布里-裡德爾航空大學 (ERAU)

安布里-裡德爾航空大學是世界上最大的、完全獲得認可的專門從事航空和航天領域的大學。2003 年 5 月，安布里-裡德爾航空大學開始在其位於亞利桑那州和佛羅里達州的兩個主要校區使用 ADS-B 作為安全保證。2006 年，ERAU 成為第一家將 ADS-B 與玻璃駕駛艙結合在一起的飛機。

北達科他大學

北達科他大學是世界上最全面的航空航天大學之一。2006 年，來自 UND 約翰·D·奧德加德航空航天科學學院的航空航天研究人員從 FAA 獲得了 300,000 美元的撥款來研究 ADS-B 技術。該大學的飛機自此已配備了 ADS-B 套件。

資金與融資

很難確定當今安裝 ADS-B 的確切成本，因為影響成本的因素有很多。決定 ADS-B 價格的一些因素包括：正在安裝的裝置型別、認證流程以及安裝所需的勞動力成本。2019 年一個主題帖子的飛行員群組聲稱，他們為將 ADS-B 安裝到自己的飛機上支付的費用從 1000 美元到 7000 美元不等。

ADS-B 的主要資助機構是 FAA。ADS-B 由 FAA 等組織批次購買，或由個人飛行員為個人使用購買。

2011 年 4 月，透過美國聯邦立法，透過 FAA 重新授權法案的眾議院法案，允許為通用航空飛機設立一個裝備基金。

2016 年的一篇文章聲稱，為了滿足 FAA 的要求，ADS-B 安裝的最低成本約為 4000 美元至 6000 美元，而更復雜的系統將更加昂貴。

2020 年，一家總部位於德克薩斯州的航空航天公司 FreeFlight Systems 聲稱他們將交付符合 FAA 要求的 ADS-B 系統，而成本不超過 2000 美元。

Garmin 和其他支援 GPS 的技術公司目前在其網站上銷售 ADS-B 和應答器系統。最便宜的系統包括 ADS-in 和 ADS-out，價格約為 2500 美元。這是一個關於當今市場上一個功能齊全的 ADS-B 系統價格的良好估計。

體制安排

豁免 12555：位置和導航完整性類別豁免的導航精度類別

• “不豁免在 ADS-B 規則空域飛行的飛機上安裝和執行符合要求的 ADS-B Out 裝置的要求。”
• “允許擴充套件使用已安裝在某些飛機上的舊型 GPS 導航接收器。所有其他 ADS-B Out 裝置要求必須仍然滿足並正常執行。”
• “之所以被授予，是因為直到 2020 年左右，滿足 ADS-B Out 規則要求的適合運輸類飛機的多頻/多星座 GPS 導航接收器才無法購買或安裝。”
• “對運營商施加某些條件、限制和額外的飛行前責任。”

ADS-B 支援飛行員計劃：FAA 提出的計劃，允許機場接收 AIP 撥款資金以補充其他 FAA 資金來源用於 ADS-B 地面裝置。

2010 年 5 月 - FAA 釋出了最終規則，規定了在 2020 年 1 月 1 日之後在特定空域執行的飛機上的 ADS-B Out 航空電子裝置的裝備要求和效能標準。

2019 年 - 運營商需要確認計劃的飛行路線將符合 ADS-B 效能要求。

ADS-B 接收器

經驗教訓/要點

奧斯特羅姆基礎設施效能標準

效率：ADS-B 是一項非常高效的技術，它徹底改變了航空業，使其變得更好。ADS-B 透過更有效的間距和最佳化的航線，改善了空中交通流量，無論遇到什麼樣的環境條件，都能高效地將飛行員送達目的地。這種最佳化的航線可以縮短飛行時間，從而減少燃油消耗和汙染，有利於環境，併為飛行員和乘客節省時間。ADS-B 系統幾乎每秒都會向空中交通管制提供有關其位置的最新資訊，這比平均每 5 到 12 秒更新一次的雷達效率高得多。這些持續的更新使飛行員能夠快速識別威脅並做出相應的反應，從而提高飛行過程中的安全性。 不過，它並不是一個完美的系統，因為缺乏加密和身份驗證會使其很容易被懷有惡意的人侵入。

財政等效性：安裝 ADS-B 裝置的成本對飛行員來說可能在 1000 美元到 7000 美元之間，具體取決於一些變數。在決定是否安裝 ADS-B 是一個財政等效的過程時，有很多因素需要考慮。它是一次性購買，給飛行員帶來極大的好處，讓他們可以進入大多數空域，但對於一些不常飛行或只在未分類空域內操作的飛行員來說，它可能不值得。

財富再分配：ADS-B 在財富再分配方面沒有貢獻，因為它隻影響特定人群。ADS-B 只直接影響飛行員和那些有足夠的財富經常乘坐飛機的人。安裝 ADS-B 的成本對飛行員來說可能是相當大的負擔，這意味著偶爾的飛機飛行員如果負擔不起所需的裝置技術，可能會處於不利地位。ADS-B 似乎不是從富人手中拿走並返還給窮人，而是從中等收入公民手中拿走並返還給富人。用更籠統的術語來說，ADS-B，尤其是 2020 年的強制執行令，有利於 FAA 和 ATC，而對個體飛行員不利。

問責制：當潛在的安全風險被提出到 FAA 時，他們回應了這些擔憂，聲稱這些問題正在得到處理，但不能透露處理這些問題的具體方法，因為他們採用的方法是保密的。這表明問責制存疑，因為如果公眾不知道你是如何處理這些安全問題的，就無法知道這些問題是否真的正在得到處理。

適應性：ADS-B 還比較新，所以很難說它到底有多適應。這項技術自問世以來沒有發展或進行過多少改變，它仍然完成著它在 21 世紀初所完成的目標。此外，除了 ADS-B 的實施和制定的關於何時需要使用 ADS-B 的規定外，從 2010 年到現在，關於 ADS-B 的重大新聞很少。

總的來說，隨著 2020 年的強制執行令的生效，ADS-B 現在在大多數空域內飛行時都需要使用，這項技術是全國各地飛行員必須適應的東西。這個新系統推動了美國航空業向前發展，轉向現代的衛星系統，這在飛行時帶來諸多好處。最佳化航線、提高安全性、減少汙染和增加空域容量只是其中一部分好處。然而，它也有一些爭議，例如潛在的安全風險、飛行員對 2020 年強制執行令的憤怒以及為休閒飛行員安裝 ADS-B 的高昂成本。總的來說，優點似乎遠遠超過缺點，ADS-B 是航空業需要的技術突破，使其能夠順利過渡到現代世界。

討論問題

您是否認為 ADS-B 或具有類似功能和特性的技術在未來可以在飛機以外的其他基礎設施中使用？

您認為 ADS-B 的實施應該成為一項普遍要求嗎？

您是否同意 FAA 針對所有飛機強制執行 ADS-B 的決定？

現在 ADS-B 已全面實施，航空業的下一步是什麼？