基于ADS-B的沿海低空監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龔少麟　沈昌力　朱　昊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所　南京　210007)

基于ADS-B的沿海低空監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龔少麟沈昌力朱昊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所南京210007)

摘要面向低空、沿海、山區(qū)等雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)難以覆蓋的區(qū)域,提出了一種分布式ADS-B監(jiān)視服務(wù)解決方案。該方案采用自主研制的ADS-B傳感器靈活組建分布式傳感器網(wǎng)絡(luò),并利用3G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建能夠覆蓋沿海區(qū)域的低空空域監(jiān)視服務(wù)系統(tǒng),為救助直升機(jī)的沿海飛行任務(wù)提供實(shí)時(shí)監(jiān)視。該方案具有低成本、易安裝、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞空域監(jiān)視; 傳感器網(wǎng)絡(luò); ADS-B

Class NumberTP303

1引言

目前,國(guó)內(nèi)在沿海組建了多個(gè)飛行救助大隊(duì),主要擔(dān)負(fù)中國(guó)水域發(fā)生的海上事故的應(yīng)急反應(yīng)、人命救助、船舶和財(cái)產(chǎn)救助的職責(zé)。東海第二飛行救助大隊(duì)地處廈門,擁有B-7310和B-7106共兩架救助直升機(jī),主要承擔(dān)我國(guó)臺(tái)灣海峽及福建沿海范圍內(nèi)的海上救助工作。由于廈門地區(qū)山丘較多,地形復(fù)雜,而傳統(tǒng)的低空監(jiān)視系統(tǒng)容易受到高層建筑、地形遮擋的影響,無(wú)法對(duì)救助直升機(jī)的飛行活動(dòng)進(jìn)行全程監(jiān)視,因此急需采用先進(jìn)的探測(cè)手段來(lái)解決救助直升機(jī)在沿海救助過(guò)程中,監(jiān)控中心能夠“看得見”的問(wèn)題。

ADS-B[1～2]技術(shù)是新一代空管系統(tǒng)的重要監(jiān)視技術(shù)之一,相對(duì)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)具有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn),ICAO、FAA都非常重視ADS-B技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著航空事業(yè)的迅猛發(fā)展、低空空域管理改革的深化,ADS-B技術(shù)將在我國(guó)傳統(tǒng)空管領(lǐng)域、迅速發(fā)展的通航領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

本方案基于自主研發(fā)的ADS-B傳感器,組建覆蓋福建沿海范圍內(nèi)的ADS-B傳感器網(wǎng)。該傳感器具有成本低、體積小、功耗低的特點(diǎn),安置簡(jiǎn)單方便,可借助現(xiàn)有的移動(dòng)通信基站進(jìn)行部署。同時(shí),傳感器采用3G無(wú)線方式與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。監(jiān)控中心能夠?qū)Σ杉腁DS-B實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余、報(bào)文解算等處理,形成航跡信息,提高了海上態(tài)勢(shì)感知能力,加強(qiáng)了指揮中心和救助直升機(jī)的溝通和協(xié)作,使救助飛行隊(duì)能夠更有效地完成各種海上救助任務(wù)。

2低空監(jiān)視技術(shù)比較

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的低空監(jiān)視系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng),一體化ADS-B地面站監(jiān)視系統(tǒng)以及多點(diǎn)定位(MLAT)等[3]。傳統(tǒng)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)由于本身的局限性,其安裝與維護(hù)成本很高,且一旦安裝后不易進(jìn)行范圍擴(kuò)展。現(xiàn)有的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)[4～5]一般是單天線系統(tǒng),天線接收機(jī)與數(shù)據(jù)處理設(shè)備一體式設(shè)計(jì),系統(tǒng)建設(shè)成本較高,且安裝部署受地理位置影響較大,不利于擴(kuò)展。多點(diǎn)定位[6]需要通過(guò)GDOP(幾何精度因子)來(lái)進(jìn)行布站規(guī)劃和基站優(yōu)選,以此提高解算精度,受地形影響較大。

本方案可以根據(jù)地形需要,分布式架設(shè)多個(gè)ADS-B接收傳感器,并通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將接收的ADS-B信號(hào)實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控中心,監(jiān)控中心對(duì)采集的ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合,構(gòu)成覆蓋低空空域的綜合態(tài)勢(shì)。表1列出了幾種低空監(jiān)視方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1　低空監(jiān)視方案比較

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體組成如圖1所示,主要包括機(jī)載設(shè)備、ADS-B傳感器網(wǎng)、監(jiān)控中心三大組成部分。機(jī)載設(shè)備安裝在飛機(jī)上,包括傳統(tǒng)的二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)以及ADS-B機(jī)載設(shè)備兩種。ADS-B傳感器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)原始信息的采集,可以通過(guò)有線或者無(wú)線方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由數(shù)據(jù)處理單元與監(jiān)控維護(hù)單元兩部分組成。數(shù)據(jù)處理單元將采集到的原始數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)匯聚、處理、融合,生成ADS-B航跡信息,并以標(biāo)準(zhǔn)格式上報(bào)給指揮控制系統(tǒng)。同時(shí),監(jiān)控維護(hù)單元負(fù)責(zé)監(jiān)視空域綜合態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)顯示以及對(duì)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控和維護(hù)。

圖1　系統(tǒng)總體組成圖

3.2ADS-B傳感器設(shè)計(jì)

3.2.1ADS-B傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。射頻天線用于接收1090MHz頻段的ADS-B與二次雷達(dá)信號(hào),通過(guò)中頻處理模塊進(jìn)行混頻、濾波、放大后輸出到下級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊進(jìn)行采樣。采樣后的數(shù)字基帶信號(hào)由FPGA中的基帶處理模塊進(jìn)行解調(diào)。GPS模塊用于提供傳感器的位置信息,網(wǎng)絡(luò)模塊用于傳感器與后臺(tái)之間的通信,而FPGA中的NIOS處理器則起到核心控制單元的作用。

圖2　傳感器總體結(jié)構(gòu)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入采用3G APN+Internet接入技術(shù),各傳感器利用加裝的3G卡與當(dāng)?shù)貭I(yíng)運(yùn)商連接,利用營(yíng)運(yùn)商組建的APN網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心互聯(lián)。

3.2.2ADS-B傳感器關(guān)鍵技術(shù)

1) 超外差接收機(jī)

超外差接收機(jī)是利用本地產(chǎn)生的振蕩載波與輸入信號(hào)混頻,將輸入信號(hào)頻率變換為某個(gè)預(yù)先確定的頻率的方法。這種接收方式的性能優(yōu)于高頻(直接)放大式接收,所以至今仍廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程信號(hào)的接收,并且已推廣應(yīng)用到測(cè)量技術(shù)等方面[7]。

超外差的結(jié)構(gòu)如圖3。本地振蕩器產(chǎn)生頻率為f1的等幅正弦信號(hào),輸入信號(hào)是一中心頻率為fc的已調(diào)制頻帶有限信號(hào),通常f1>fc。這兩個(gè)信號(hào)在混頻器中變頻,輸出為差頻分量,稱為中頻信號(hào),f0=f1-fc為中頻頻率。

圖3　超外差接收機(jī)原理框圖

2) 基于NIOS的SOPC技術(shù)

可編程片上系統(tǒng)(System-on-a-Programmable-Chip,SOPC)[8],用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊芯片上,是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。SOPC結(jié)合了SOC和PLD、FPGA的優(yōu)點(diǎn),具有靈活的設(shè)計(jì)方式,低成本,低功耗,可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí),滿足了ADS-B傳感器的設(shè)計(jì)需求。

本方案采用Altera公司推出的基于其公司旗下FPGA的Nios[9]嵌入式處理器,屬于FPGA嵌入式IP軟核的應(yīng)用。開發(fā)硬件平臺(tái)采用Altera Stratix Ⅲ系列,軟件平臺(tái)采用Quartus Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。

3.3監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)

ADS-B監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收多路ADS-B實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)匯聚、融合處理后形成航跡信息,以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出給外部系統(tǒng)。ADS-B監(jiān)控中心邏輯組成圖4所示。

圖4　監(jiān)控中心邏輯組成圖

ADS-B監(jiān)控中心軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、多點(diǎn)定位、態(tài)勢(shì)顯示、記錄回放、監(jiān)控維護(hù)、數(shù)據(jù)服務(wù)七個(gè)功能模塊(見圖5)。

3.3.1數(shù)據(jù)采集

監(jiān)控中心可以同時(shí)接收數(shù)十路接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)信息包括ADS-B報(bào)文、SSR報(bào)文以及傳感器狀態(tài)報(bào)文等。同時(shí),ADS-B傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息是進(jìn)行加密處理的,因此監(jiān)控中心需要對(duì)接收到的報(bào)文信息進(jìn)行相應(yīng)的解密處理。

圖5　ADS-B監(jiān)控中心軟件組成圖

3.3.2數(shù)據(jù)融合

監(jiān)控中心能夠?qū)邮盏降腁DS-B原始數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)文解析的處理工作。同時(shí),多路ADS-B原始數(shù)據(jù)存在大量冗余信息,因此需要進(jìn)行去冗余處理,并進(jìn)行航跡平滑處理,最終形成航跡信息。

3.3.3態(tài)勢(shì)顯示

能夠?qū)崟r(shí)顯示附近空域的飛機(jī)目標(biāo)的位置以及移動(dòng)軌跡。能夠顯示二維全國(guó)地圖,地圖具有放大、縮小、漫游、測(cè)距、位置標(biāo)繪、區(qū)域標(biāo)繪功能。目標(biāo)具有標(biāo)牌顯示、標(biāo)牌拖動(dòng)功能。標(biāo)牌內(nèi)容包括航班號(hào)、高度、速度等基本信息?？梢酝ㄟ^(guò)飛行高度層,距離范圍信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行過(guò)濾。

3.3.4記錄回放

監(jiān)控中心可以記錄所有輸入報(bào)文數(shù)據(jù)、輸出報(bào)文數(shù)據(jù)、設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告以及系統(tǒng)故障報(bào)告日志。可以選擇時(shí)間段將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放,從而便于監(jiān)控人員進(jìn)行飛行器歷史航跡分析。

3.3.5監(jiān)控維護(hù)

監(jiān)控維護(hù)包括傳感器監(jiān)控和系統(tǒng)監(jiān)控兩部分。傳感器監(jiān)控可以對(duì)傳感器的工作狀態(tài)、時(shí)延、流量等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)故障可以及時(shí)安排人員進(jìn)行更換。系統(tǒng)監(jiān)控可以對(duì)服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)軟件的運(yùn)行狀態(tài)以及鏈路狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3.6數(shù)據(jù)服務(wù)

監(jiān)控中心可以將處理后的航跡數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)格式實(shí)時(shí)輸出給指揮中心,輸出格式和內(nèi)容符合EUROCONTROL ASTERIX Category021標(biāo)準(zhǔn),并具有擴(kuò)展能力,支持TCP/IP和HDLC兩種方式傳輸協(xié)議。

4系統(tǒng)功能特點(diǎn)

盡管新一代的飛機(jī)都安裝了ADS-B天線,但還有相當(dāng)數(shù)量服役多年的飛機(jī)未安裝ADS-B天線。因此,系統(tǒng)接收機(jī)能夠完全兼容SSR和ADS-B下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路,可以接收和解碼飛機(jī)的SSR代碼和ADS-B代碼。系統(tǒng)使用的ADS-B接收傳感器網(wǎng)絡(luò),具有低成本、易安裝、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4.1低成本易安裝

ADS-B傳感器采用高度集成的嵌入式系統(tǒng),相比傳統(tǒng)雷達(dá)具備絕對(duì)的成本優(yōu)勢(shì)。傳感器體積較小,實(shí)物如圖6所示,可以很容易地安裝在現(xiàn)有的通信塔上、跑道附近或其他高層建筑物上。此外,傳感器網(wǎng)絡(luò)采用防雨防雷設(shè)計(jì),配置靈活,易于擴(kuò)展,耐用性高,可以適用于大多數(shù)戶外環(huán)境。

圖6　ADS-B傳感器實(shí)物圖

4.2可擴(kuò)展性強(qiáng)

傳統(tǒng)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)由于本身的局限性,其安裝與維護(hù)成本很高,且一旦安裝后不易進(jìn)行范圍擴(kuò)展?，F(xiàn)有的ADSB監(jiān)視系統(tǒng)一般是單天線系統(tǒng),天線接收機(jī)與數(shù)據(jù)處理設(shè)備為一體化設(shè)計(jì),系統(tǒng)建設(shè)成本較高,且安裝部署受地理位置影響較大,不利于擴(kuò)展。而分布式多天線ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)采用5db內(nèi)置天線與接收機(jī)組合在一起并前移為室外部件,采用3G無(wú)線方式與監(jiān)控中心進(jìn)行通信,傳感器安置靈活簡(jiǎn)單,可以根據(jù)需要方便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

4.3可靠性高

受高山、建筑物和地形影響,傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)探測(cè)區(qū)域的全覆蓋。例如,機(jī)場(chǎng)盲區(qū)主要出現(xiàn)在候機(jī)樓附近和被高大建筑/山體遮擋的區(qū)域,要覆蓋上述盲區(qū),需要在適當(dāng)?shù)奈恢迷僭鼋ㄐ碌睦走_(dá)塔,并安裝一次場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)以解決盲區(qū)問(wèn)題,但是價(jià)格將成倍增加。而ADS-B接收傳感器成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)雷達(dá),只要在盲區(qū)附近增加ADS-B傳感器就可以解決該盲區(qū)的覆蓋,可以有效地進(jìn)行補(bǔ)盲。單站和多站的效果對(duì)比如圖7所示。

ADS-B傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠程度也是單個(gè)雷達(dá)所不具備的,多個(gè)ADS-B傳感器互為冗余,在有站點(diǎn)發(fā)生故障或者遇到遮擋而無(wú)法接收到目標(biāo)信號(hào)時(shí),通過(guò)其他傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)盲。各個(gè)站點(diǎn)可以通過(guò)多種通訊手段與監(jiān)控中心通信,因此監(jiān)控中心可以放在安全系數(shù)相對(duì)高的位置。這樣的性能優(yōu)勢(shì)使其不易受惡劣天氣的影響,即使有大規(guī)模自然災(zāi)害發(fā)生,分布式ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)要比傳統(tǒng)雷達(dá)更可靠。

圖7　單站和多站效果對(duì)比圖

5應(yīng)用效果

本系統(tǒng)在廈門東海第二救助大隊(duì)進(jìn)行了安裝部署、功能驗(yàn)證,取得滿意效果(見圖8)。由于廈門沿海山丘較多,地形復(fù)雜,當(dāng)救撈直升機(jī)在沿海低空作業(yè)時(shí),傳統(tǒng)的監(jiān)視方式無(wú)法滿足對(duì)救助直升機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視的需求。而本系統(tǒng)利用在海岸線移動(dòng)通信基站部署數(shù)個(gè)ADS-B傳感器,通過(guò)3G方式將救助直升機(jī)發(fā)送的ADS-B數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心,監(jiān)控中心將接收到的ADS-B原始數(shù)據(jù)處理后得到的航跡信息上報(bào)給指揮中心,可以有效對(duì)救助直升機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和指揮。

圖8　救助直升機(jī)飛行航跡

6結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)難以覆蓋低空、機(jī)場(chǎng)、山區(qū)等區(qū)域,基于分布式多天線ADS-B監(jiān)視服務(wù)系統(tǒng)能夠有效解決這個(gè)問(wèn)題。本方案具備低成本、易安裝、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn),可以滿足復(fù)雜地形下對(duì)空中目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)視的需求。目前,系統(tǒng)已經(jīng)研制完成,并已安裝部署,試運(yùn)行效果良好。在今后的研究中,將引入軟件無(wú)線電技術(shù)[10]來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)ADS-B傳感器的性能,提高集成度,縮小體積同時(shí)降低成本。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 顧春平.空中交通管制監(jiān)視新技術(shù)簡(jiǎn)介[J].現(xiàn)代雷達(dá),2010,32(9):1-5.

GU Chunping. Introduction of new air traffic control surveillance technology[J]. Modern Radar,2010,32(9):1-5.

[2] 陳亞青,李士剛.中美ADS-B發(fā)展應(yīng)用對(duì)比分析[J].交通企業(yè)管理,2010,25(5):68-70.

CHEN Yaqing, LI Shigang. Comparison and analysis of ADS-B development in China and the United States[J]. Transportation Enterprise Management,2010,25(5):68-70.

[3] 李自俊.ADS-B廣播式自動(dòng)關(guān)監(jiān)視原理及未來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用[J].中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2008(5):11-14.

LI Zijun. The principle and future development and application of ADS-B radio automatic monitoring[J]. Journal of Civil Aviation Flight College of China,2008(5):11-14.

[4] 王黨衛(wèi).廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢(shì)分析[J].導(dǎo)航,2002(11):13-15.

WANG Dangwei. ADS-B (ADS-B) analysis system and its development trend[J]. Navigation,2002(11):13-15.

[5] 劉燕,樂(lè)園園.廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)信息在空管系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].信息化研究,2014,6:37-40,45.

LIU Yan, LE Yuanyuan. Application of automatic radio monitoring (ADS-B) information in air traffic control system[J]. Information Research,2014,6:37-40,45.

[6] 陳明福,戴琳琳.無(wú)源定位系統(tǒng)在航管中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),2009,31(7):32-36.

CHEN Mingfu, DAI Linlin. Application of passive positioning system in air tube[J]. Modern Radar,2009,31(7):32-36.

[7] 廖奎旭,楊自強(qiáng),楊濤.L波段超外差接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用,2012(10):58-61.

LIAO Kuixu, YANG Ziqiang, YANG Tao. The design and implementation of L band super heterodyne receiver[J]. Electronic Components,2012(10):58-61.

[8] 孫佳帝.基于SOPC的圖像采集及傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件,2014,6:1116-1120.

SUN Jiadi. Image acquisition and transmission system design based on SOPC[J]. Electronic Device,2014,6:1116-1120.

[9] 赫建國(guó),倪德克,鄭燕.基于NIOS Ⅱ內(nèi)核的FPGA電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版,2010:31-33.

HAO Jianguo, NI Deke, ZHENG Yan. Design of FPGA circuit system based on Ⅱ NIOS kerne[M]. Beijing: Electronic Industry Press,2010:31-33.

[10] 劉興舉.基于FPGA的軟件無(wú)線電上下變頻技術(shù)的設(shè)計(jì)研究[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2015,5:16-17.

LIU Xingju. Design and research of the software radio frequency conversion technology based on FPGA[J]. Wireless Internet Technology,2015,5:16-17.

Coastal Low Altitude Surveillance System Based on ADS-B

GONG ShaolinSHEN ChangliZHU Hao

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing210007)

AbstractA surveillance service solution based on ADS-B distributed sensor is proposed for low altitude, airports and mountain area which radar detection system are difficult to cover. The proposed scheme is based on the ADS-B sensor, which is used to construct a distributed sensor network, and the 3G network can be used to construct the low altitude airspace surveillance system, which can provide real-time monitoring for the rescue helicopter. The scheme has the characteristics of low cost, easy installation, high reliability and strong expansibility, so it has good application prospect and popularization value.

Key Wordsairspace monitoring, sensor network, ADS-B

收稿日期:2015年12月10日,修回日期:2016年1月16日

作者簡(jiǎn)介:龔少麟,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和傳感器網(wǎng)絡(luò)。沈昌力,男,碩士,工程師,研究方向:圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。朱昊,男,碩士,助理工程師,研究方向:傳感器網(wǎng)絡(luò)。

中圖分類號(hào)TP303

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.043