2022年8月2日，美国众议院议长佩洛西的专机SPAR19的航行路线成为了全球大众关注的焦点，一个名为Flightradar24的网站可实时显示佩洛西专机的位置，让原本小众的它直接“破圈”了。而最近一篇关于“北溪” 燃气管道爆炸真相的新闻，也再次提到了Flightradar24。行雷达网站是如何实现可以实时定位飞机位置的呢？本文将简单介绍下航班定位的技术原理以及应用场景。
一、简介
Flightradar24是一款全球领先的航班实时追踪应用程序，可让用户实时追踪航班的位置、高度、速度和其他相关信息。该应用程序通过自动相关监视广播（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，简称ADS-B）技术实现航班实时追踪，并使用多种数据源提供详细的航班信息[1]。
Flightradar24飞机实时位置监测页面
二、航班定位工作原理
Flightradar24结合了多个数据源的数据，包括ADS-B、MLAT和雷达数据等。并通过结合航空公司、机场的航班时刻表和航班状态对飞行的飞机进行实时跟踪。下面介绍其主要的数据获取方法。
- ADS-B
ADS-B是一种全球卫星导航系统，使用飞机上的GPS接收机定位飞机的位置、高度和速度，并将这些信息广播到地面的ADS-B接收器。
ADS-B系统由两部分组成：空中部分和地面部分[2]。
空中部分：包括飞机上的ADS-B发射机和GPS接收器。发射机将飞机的位置和速度信息广播到周围的接收器，以便其他飞行员和空管人员了解该飞机的位置和速度信息。
地面部分：由ADS-B接收器和处理器组成。接收器接收到广播的信息后，将其发送到处理器进行处理。处理器会解码该信息，将飞机的位置和速度信息显示在地面上的控制台上，以便空管人员和其他相关人员了解该飞机的位置和速度信息。
ADS-B技术有两种不同的类型：ADS-B Out和ADS-B In。ADS-B Out是指飞机向其他接收器广播自身位置和速度信息，而ADS-B In是指飞机接收其他飞机和地面接收器广播的信息。这两种类型的组合形成了ADS-B系统的完整功能，其原理如下图所示。
ADS-B技术原理示意图[3]
Flightradar24拥有全球超过20,000个ADS-B接收器，但是因为其使用的频率很高（1090 MHz），单个接收器的覆盖范围仅限于大约250-450公里，这种距离限制使得ADS-B很难覆盖海洋和无人区域。
- 多重定位（MLAT）
为了解决ADS-B覆盖盲区的问题，Flighradar24实现了在几个ADS-B接收机覆盖的地区，借助于多点定位（MLAT）预测没有装备ADS-B的飞机的位置。通过测量使用老版本的飞机应答机（ModeS-transponder）从飞机接收信号所需的时间，可以计算这些飞机的位置。需要至少4个ADS-B接收机，从同一架飞机接收信号。MLAT覆盖范围只能在大约3000-10000英尺以上实现，因为接收机可以接收转发器信号的概率随着海拔的增加而增加。
多重定位采用TDOA（Time Difference of Arrival）定位算法，是一种基于多个接收器接收到信号的时间差来估计信号源位置的定位算法。它广泛应用于无线通信、雷达测量和航空导航等领域。在TDOA定位算法中，至少需要三个接收器来接收来自信号源的信号，并记录下每个接收器接收到信号的时间。通过比较这些接收时间之间的差异，可以计算出信号到达不同接收器的时间差。由于信号在空气中传播的速度已知，因此可以根据这些时间差来计算出信号源到每个接收器的距离差。最后，通过三个或更多的接收器的距离差，可以确定信号源的位置。其技术原理如下图所示。
TDOA三维空间定位原理示意图
- 卫星探测
有一些卫星配备ADS-B接收器，可以用来做ADS-B网络覆盖区域以外的飞机收集数据。由于提供数据的卫星数量及其位置是动态的，卫星覆盖范围也会有所不同。基于卫星的ADS-B增加了对海洋上空飞行的覆盖，而对陆地地区的飞机进行跟踪却十分困难。此外，只有配备ADS-B转发器的飞机才能通过卫星进行跟踪。
- 海洋跟踪
除了ADS-B和MLAT，Flightradar24还集了一些开放飞机雷达的数据用来海洋追踪主要有 三个独立的有组织的轨道系统：北大西洋（NAT- OTS） ，太平洋（ PACOTS ）和澳大利亚（ AUS- OTS） 。在空中管制雷达覆盖范围有限的情况下， 海洋追踪可以高效安全地发挥作用。不仅能监测到配备ADS-B转发器的飞机，还可以追踪到美国和加拿大空域以及大西洋、太平洋地区的大部分商用飞机的轨迹。
航洋上空飞机航线跟踪
- 开放的滑翔伞服务
滑翔机和其他轻型飞机的跟踪数据来自开放滑翔机网络OGN（Open Glider Network）。该项目的目标是为滑翔机、无人机和其他小型飞机提供统一的跟踪平台。目前专注于跟踪配备FLARM（防碰撞系统）和OGN（开放式滑翔机网络）跟踪器的飞机，但也接受其他数据源，如SPOT、FANET、PilotAware等。
- 利用其他信息估计
当飞机飞出覆盖范围时，如果通过外部的数据源知道航班的目的地，Flightradar24将在最多2小时内继续估算飞机的位置。对于没有已知目的地的飞机，位置会被估算最多10分钟。这个位置是基于许多不同的参数计算出来的，在大多数情况下相当准确，最坏的情况下，误差也会在100公里以内。
三、其他航班跟踪服务
除了 Flightradar24 之外，还有许多类似的航班跟踪服务。以下是一些比较知名的航班跟踪服务：FlightAware[4]、FlightStats[5]、Plane Finder[6]、RadarBox[7]、FlightView[8]、飞常准[9]…这些服务大多数都提供免费和付费版本，付费版本通常提供更多的功能和数据，如航班历史数据、天气信息、航班延误警报等。
四、应用场景
- 航班跟踪
通过航班定位服务可以实时跟踪你感兴趣的航班。在佩洛西的乘坐的SPAR19航行路线曝光的事件中我们得知，我们可以通过此类服务跟踪专机，比如，2022年10月11日，乌克兰的 安-124 运输机从乌干达恩德培起飞，降落在波兰的热舒夫，这里是军事装备的主要航空枢纽，并供应给乌克兰。乌军鲁斯兰运输机如此奇怪地从拥有大量苏联武器储备的国家乌干达飞往波兰机场，适应该是美国协调乌干达的结果[11]。
乌军运输机航线信息
- 管制监控
通过航班跟踪数据的分析可以了解到航空区域管制的相关信息。比如，此前由于中国长征五号B遥四火箭（CZ-5B）的一个21吨重的部分重新进入地球，西班牙北部的空域被清空。火箭在世界标准时间 10:01 飞越西班牙重新进入墨西哥海岸西南的太平洋赤道上空。
航班地图显示西班牙北部空域被清空
- 战场还原
在战争中可以还原战场前线信息。比如，2022年9月发生的“北溪”天然气管道遇袭的事件，根据飞行雷达网站提供航班飞行情况的数据，美国和德国军方飞机于2022年6月在举行“波罗的海行动-2022”演习期间，定期在“北溪”管道的爆炸位置上空盘旋。2022年6月8日至16日，美德两国的P-3“猎户座”和P-8“海神”海上巡逻机定期飞越爆炸地点上空。这些飞机还下降到低空，几乎每次飞行都关闭应答器，因此部分轨迹没有记录在该网站的航迹数据中[11]。
五、总结
航班信息的跟踪是低空设施测绘的一个方面，不仅可以跟踪关注的航班飞机的轨迹，对跟踪数据进行合理分析追溯，有助于还原依一些军事活动事件。此外，作为研究人员数据的安全问题也应该考虑，很多境外机构以免费提供设备、共享航空信息数据为诱饵，面向国内的航空、无线电、摄影爱好者招募志愿者，收集国内各种飞机的航空数据，这属于间谍行为，有关部门会依法追究法律责任 ，研究需谨慎 。
参考文献：
- https://www.flightradar24.com/
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/31663678
- https://www.xuefeiji.org/cms/show-562.html
- https://ja.flightaware.com/
- https://www.flightstats.com/v2
- https://planefinder.net/
- https://www.radarbox.com/
- https://www.flightview.com/
- http://www.variflight.com/
- https://weibo.com/3197759105/M9VHAq53g
- http://www.myzaker.com/article/63eca1438e9f09779375a201
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