機(jī)場場面監(jiān)視技術(shù)研究

1 引言

2015年，全行業(yè)完成運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量851.65億噸公里，比上年增長13.8%，完成旅客周轉(zhuǎn)量7282.55億人公里，比上年增長15.0%；完成貨郵周轉(zhuǎn)量208.07億噸公里，比上年增長10.8%。國內(nèi)航線完成運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量559.04億噸公里，比上年增長10.0%，其中港澳臺(tái)航線完成16.22億噸公里，比上年增長0.3%；國際航線完成運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量292.61億噸公里，比上年增長21.9%。全行業(yè)完成旅客運(yùn)輸量43618萬人次，比上年增長11.3%。國內(nèi)航線完成旅客運(yùn)輸量39411萬人次，比上年增長9.4%，其中港澳臺(tái)航線完成1020萬人次，比上年增長1.4%；國際航線完成旅客運(yùn)輸量4207萬人次，比上年增長33.3%。

隨著民用航空運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)場的飛機(jī)和車輛數(shù)量迅速增加，場面的運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜，安全問題日益突出。在日常運(yùn)行中不可避免地存在飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)與車輛以及車輛之間的碰撞沖突，跑道入侵事件也經(jīng)常發(fā)生。在歷史上發(fā)生過多起跑道入侵事故。1977年3月27日，非洲西北大西洋中西班牙加納利群島的特內(nèi)里費(fèi)島上的洛司羅迪歐機(jī)場跑道上，兩架波音747客機(jī)相撞，乘客和機(jī)組人員583人死亡，僅54人幸免于難。這是民航史上最大的空難事件。如何在有限的空間、多變的天氣條件下管理好越來越多的飛機(jī)及相應(yīng)增加的地服車輛，成為各國機(jī)場當(dāng)局必須考慮的問題。

2 機(jī)場場面引導(dǎo)和控制系統(tǒng)

在大霧、夜視等低能見度氣象條件下這種情況更為嚴(yán)重。由此導(dǎo)致了機(jī)場容量緊張、航班延誤，嚴(yán)重降低了運(yùn)行效率和安全水平。傳統(tǒng)的機(jī)場場面監(jiān)視是依靠塔臺(tái)管制員目視指揮，安全性不高，且容量受限。機(jī)場場面引導(dǎo)和控制系統(tǒng)（SMGCS，Surface movement guidance and control system）依靠場面監(jiān)視雷達(dá)，能夠在一定程度上解決這些問題，但成本較高，存在覆蓋盲區(qū)，并且在天氣惡劣條件下，雷達(dá)信號(hào)嚴(yán)重衰減，制約了其可用性，無法實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)視。目前我國只有少數(shù)幾個(gè)樞紐機(jī)場配備了場面監(jiān)視雷達(dá)，出于系統(tǒng)成本和維護(hù)費(fèi)用考慮并未大量采用，因此我國很大一部分機(jī)場還在采用目視方法對(duì)場面進(jìn)行監(jiān)視。單獨(dú)依靠管制員在塔臺(tái)目視指揮或是利用場面監(jiān)視雷達(dá)都不能滿足未來場面監(jiān)視的需要。車輛和飛機(jī)駕駛員希望在自己的車輛或飛機(jī)上看到自身所處的位置以及周圍的交通狀況，并希望及時(shí)得到報(bào)警信息。為此，國際民航組織（ICAO）建議機(jī)場使用先進(jìn)場面活動(dòng)目標(biāo)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)（A-SMGCS，Advanced SMGCS）為各活動(dòng)目標(biāo)配備顯示終端，以提供視覺和程序輔助，同時(shí)提供安全告警，并于2004年發(fā)布了Doc.9830文件《A-SMGCS Manual》作為提高機(jī)場運(yùn)行效率的指導(dǎo)文件。A-SMGCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四大基本功能：監(jiān)視、路徑規(guī)劃、引導(dǎo)和控制，其中監(jiān)視功能是核心。

3 新機(jī)場場面監(jiān)視技術(shù)

（1） ADS-B場面監(jiān)視系統(tǒng)

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），作為空管領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)，在A-SMGCS系統(tǒng)中顯示出優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。它以地空/空空數(shù)據(jù)鏈為通信手段，使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其他機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的信息作為數(shù)據(jù)源，通過向外界發(fā)送自身的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)接收其他飛機(jī)的廣播信息，達(dá)到飛機(jī)車輛間的相互感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍交通狀況的詳細(xì)了解，從而可以使場面上活動(dòng)的飛機(jī)車輛之間保持安全間隔，起到場面監(jiān)視作用。改變過去以塔臺(tái)管制員為中心的集中指揮，實(shí)現(xiàn)管制分擔(dān)。與雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)相比，ADS-B的數(shù)據(jù)更新率快，數(shù)據(jù)精度高，傳輸?shù)男畔⒇S富，安裝和使用成本遠(yuǎn)低于雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)。將ADS-B應(yīng)用于場面監(jiān)視，可以有效保障機(jī)場交通的安全、高效運(yùn)行。

（2）Multilateration場面監(jiān)視系統(tǒng)

Multilateration是基于應(yīng)答機(jī)的多基站定位系統(tǒng)。系統(tǒng)利用地面雷達(dá)接收機(jī)接收被監(jiān)視飛機(jī)的機(jī)載A/C模式或S模式應(yīng)答，通過信號(hào)到達(dá)不同地面接收站的時(shí)間差計(jì)算被檢測(cè)飛機(jī)的準(zhǔn)確位置。同時(shí)可以通過A/C模式中SSR代碼或S模式唯一的地址碼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

Multilateration技術(shù)系統(tǒng)完全兼容SSR和ADS-B，可以充分利用機(jī)載現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答機(jī)，不需要加載機(jī)載電子設(shè)備，定位精度高，在地面定位精度可達(dá)9米以內(nèi)，本身具有目標(biāo)識(shí)別能力，采用無源接收站在減小成本的同時(shí)可以降低對(duì)其它系統(tǒng)的干擾，同時(shí)Multilater-ation具有較小的室外機(jī)箱和非旋轉(zhuǎn)天線，可以很容易安裝在現(xiàn)有通信塔、跑道及其它建筑物上。

（3）場面監(jiān)視雷達(dá)

場面監(jiān)視雷達(dá)是一次雷達(dá)，通過雷達(dá)天線發(fā)射電磁波，其中一部分能量被目標(biāo)所吸收，并且在各個(gè)方向上產(chǎn)生二次散射。雷達(dá)天線收集散射回來的能量并送至接收機(jī)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的存在，并提取目標(biāo)的距離、方位等信息。場面監(jiān)視雷達(dá)與傳統(tǒng)一次雷達(dá)不同之處在于它的作用距離比較短，一般僅限于機(jī)場附近近地范圍。

場面監(jiān)視雷達(dá)一般安裝于機(jī)場塔臺(tái)，監(jiān)視近地范圍內(nèi)的目標(biāo)。由于它是一次雷達(dá)，在雷達(dá)顯示器上用光斑提供飛機(jī)的方位和距離，其觀測(cè)數(shù)據(jù)僅僅是一個(gè)個(gè)目標(biāo)塊，而我們需要的是最終在管制席位的顯示終端上顯示機(jī)場的電子地圖、站坪內(nèi)的飛機(jī)和車輛的掛牌信息等，這就需要進(jìn)行多雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合處理工作。

4 場面監(jiān)視技術(shù)的比較

場面監(jiān)視雷達(dá)目前已經(jīng)在世界繁忙的機(jī)場廣泛使用。它的主要優(yōu)點(diǎn)有定位精度較高，數(shù)據(jù)刷新速率快，采用多雷達(dá)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理后可以完成如氣象觀測(cè)、機(jī)場滑行道燈光管理、飛機(jī)降落燈光引導(dǎo)、飛機(jī)及地面車輛沖突告警等一系列功能。其缺點(diǎn)是：

（1）一次雷達(dá)固有的無標(biāo)識(shí)能力，無法獨(dú)立對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)跟蹤，在某種程度上對(duì)其它系統(tǒng)的依賴性較大。

（2）場面監(jiān)視雷達(dá)的覆蓋能力比較小，由于多徑效應(yīng)和地物反射而產(chǎn)生的假目標(biāo)較多，同時(shí)也存在盲區(qū)。

（3）場面監(jiān)視雷達(dá)對(duì)天氣比較敏感，大風(fēng)和下雨時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量雜波，同時(shí)作為一次雷達(dá)，對(duì)機(jī)場范圍內(nèi)不關(guān)心的目標(biāo)也會(huì)被顯示出來，如廣州新白云機(jī)場東西跑道間的連接橋，在橋下過往的是機(jī)場外的普通車輛，但是這些車輛也會(huì)出現(xiàn)在管制席位上，于是需要對(duì)橋下的車輛進(jìn)行屏蔽，加大了維護(hù)的復(fù)雜度。

（4）場面監(jiān)視雷達(dá)造價(jià)昂貴，要在我國的大量中小型機(jī)場安裝使用，其所需的巨額投入也受到制約。

ADS-B在澳大利亞的成功應(yīng)用指明了該技術(shù)的可應(yīng)用性。ADS-B主要應(yīng)用于空域內(nèi)的飛機(jī)定位，可以取代SSR，數(shù)據(jù)更新速率比SSR高。由于其自身的廣播信息中就含有航班信息，因此具有標(biāo)識(shí)能力。覆蓋范圍比較大，一般可達(dá)到100海里以上，特別是它本身無需安裝地面設(shè)備就可以在飛機(jī)上監(jiān)視到周圍飛機(jī)的位置，因此在跨越海洋飛行時(shí)顯示出它較高的使用價(jià)值。ADS-B其缺點(diǎn)在于它的定位信息來自GPS全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前僅能提供精度為30米的位置信息，無法滿足國際民航組織要求的地面定位精度。

Multilateration作為新的場面監(jiān)視技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有自身識(shí)別能力，可以不依賴于航管二次雷達(dá)的數(shù)據(jù)單獨(dú)工作為目標(biāo)提供標(biāo)識(shí)。

（2）與ADS-B聯(lián)合使用可以完全脫離航管二次雷達(dá)，做到停機(jī)位至停機(jī)位全程雷達(dá)管制。

（3）場面監(jiān)視雷達(dá)的刷新速率一般是1次/秒（1Hz），這取決于天線的轉(zhuǎn)速，而Multilateration沒有旋轉(zhuǎn)的天線，掃描速度可以人工設(shè)置，在重點(diǎn)區(qū)域可以提供更高的刷新速率。

（4）由于本場SSR不能接收地面飛機(jī)的應(yīng)答，因此場面監(jiān)視雷達(dá)目前還需要手動(dòng)掛牌，而Multilateration可以接收到飛機(jī)的ID，把飛機(jī)目標(biāo)與飛行計(jì)劃相關(guān)，完成自動(dòng)掛牌。

（5）提供了對(duì)車輛監(jiān)視的手段，可以把汽車當(dāng)作目標(biāo)進(jìn)行雷達(dá)處理，并掛上標(biāo)牌，實(shí)現(xiàn)同樣的告警能力。

5 總結(jié)

ADS-B與Multilateration有機(jī)的結(jié)合起來在空域范圍內(nèi)可以替代航管二次雷達(dá)，在近地范圍和地面可以替代場面監(jiān)視雷達(dá)，同時(shí)它的成本低廉，已經(jīng)成為未來民航導(dǎo)航的主要發(fā)展趨勢(shì)。

場面監(jiān)視雷達(dá)在北京、上海、廣州的成功應(yīng)用說明了其在機(jī)場面監(jiān)視方面的重要作用，能夠有力支援站坪指揮中心的管制功能，保證該管制中心的工作能夠不受盲區(qū)、天氣變化的影響，確保站坪內(nèi)飛機(jī)、車輛交通的暢通、高效，提高機(jī)位、滑行道的利用率，降低營運(yùn)成本。

ADS-B已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢(shì)，我國也將確立西部地區(qū)以ADS-B監(jiān)視為主，雷達(dá)監(jiān)視為輔的管制策略，東部雷達(dá)管制地區(qū)建立基于ADS-B技術(shù)的應(yīng)急備份系統(tǒng)?；贛ultilateration/ADS-B的新一代場面監(jiān)視技術(shù)將在北京應(yīng)用說明完整的ADS-B工作平臺(tái)將在首都機(jī)場進(jìn)行全面測(cè)試，也意味著Multilateration技術(shù)將進(jìn)入中國并帶來場面監(jiān)視與導(dǎo)航的一場革新。

作者簡介

苗剛（1975-），男，內(nèi)蒙古包頭市二里半機(jī)場航務(wù)部。