面向低空飛行安全監(jiān)視的ADS-B地面站空間布局規(guī)劃方法

覃 睿，史婭琪，王明科

(1.中國民航大學(xué) 通用航空學(xué)院，天津 300300； 2. 中國民航大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300300； 3. 民航重慶安全監(jiān)督管理局 機(jī)場處，重慶 401120)

0 引 言

防止通用航空器非法侵入禁/限飛區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)，提供高效可靠的告警與協(xié)助救援服務(wù)，是通用航空飛行服務(wù)體系的核心功能。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低空空域(報(bào)告、監(jiān)視、管制空域)合作目標(biāo)有效、可靠、靈活監(jiān)視的重要技術(shù)手段，能在空防安全、飛行安全能力等方面發(fā)揮重要作用，且投資成本較低,是軍民航管制部門大力推廣應(yīng)用的監(jiān)視新技術(shù)[1-2]。目前，區(qū)域性的ADS-B地面站布局建設(shè)尚處于探索階段，局部地區(qū)ADS-B地面設(shè)施布局主要依賴工程實(shí)施方實(shí)地考察，不僅建設(shè)成本較高、效率低，而且常因?qū)Φ匦蔚孛卜治霾粔驕?zhǔn)確而出現(xiàn)監(jiān)視信號(hào)覆蓋不能滿足需要的情況。

目前關(guān)于ADS-B地面站空間布局研究尚需深入，與之類似的研究是移動(dòng)通信基站空間布局研究，主要算法有集合覆蓋布局算法、禁忌搜索布局算法、基于聚類分解的分層算法等[3-4]，以及對特定區(qū)域移動(dòng)通信站址布局進(jìn)行合理性評估[5]。相較于移動(dòng)通信基站，ADS-B系統(tǒng)是集通信與監(jiān)視于一體的，主要實(shí)現(xiàn)沖突探測、避免和解決等功能。因此，建設(shè)飛行服務(wù)體系的ADS-B地面站空間布局要充分考慮地形及航空器最低飛行安全高度等。為區(qū)域ADS-B地面站空間布局提供可靠依據(jù)，降低布局規(guī)劃及建設(shè)成本，筆者提出一種區(qū)域性ADS-B空間布局規(guī)劃算法，并以重慶飛行服務(wù)體系建設(shè)中的ADS-B空間布局規(guī)劃為例進(jìn)行算法驗(yàn)證，以期為相關(guān)區(qū)域ADS-B地面站布局規(guī)劃提供參考。

1 ADS-B地面站布局的一般原理

ADS-B地面站空間布局規(guī)劃要綜合考慮ADS-B地面站信號(hào)覆蓋特征、低空空域劃設(shè)、規(guī)劃區(qū)域的地形地貌特征、現(xiàn)有監(jiān)視覆蓋以及軍民航機(jī)場、儀表航路、管制區(qū)、禁區(qū)、限制區(qū)和城市居民區(qū)的分布等因素。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，監(jiān)視信號(hào)應(yīng)當(dāng)覆蓋低空管制和監(jiān)視空域，因此低空空域劃設(shè)決定監(jiān)視需求。另外，由于飛行服務(wù)和空中交通管理是以管制(分)區(qū)為邊界，因而監(jiān)視的覆蓋分析與建設(shè)還應(yīng)當(dāng)考慮管制(分)區(qū)的邊界。至于軍航機(jī)場、民航運(yùn)輸機(jī)場、儀表航路、禁區(qū)、限制區(qū)和密集居民區(qū)，除緊急情況外，禁止通用航空飛行，因而這些區(qū)域也需要監(jiān)視。現(xiàn)實(shí)中，這些區(qū)域通常都是監(jiān)視良好的區(qū)域，因而無需再布設(shè)監(jiān)視設(shè)施。由此，ADS-B地面站的布局，主要根據(jù)規(guī)劃區(qū)域地形地貌分析ADS-B信號(hào)覆蓋情況來進(jìn)行布局規(guī)劃。

地形遮蔽始終存在，不可能做到低洼地帶無縫監(jiān)視，也沒有必要。為此，通過設(shè)置最低監(jiān)視高度來確保當(dāng)飛機(jī)到達(dá)最低監(jiān)視高度之上時(shí)能夠立即被探測到即可。此外，ADS-B地面站的設(shè)置，還應(yīng)該遵循最少數(shù)量、最大覆蓋原則，以節(jié)約成本；ADS-B監(jiān)視信號(hào)應(yīng)當(dāng)覆蓋儀表航路、運(yùn)輸機(jī)場、禁飛區(qū)、限飛區(qū)和密集居民區(qū)；基站應(yīng)當(dāng)選擇在交通便利、靠近電源的地方，或可以因地制宜安裝在現(xiàn)有塔臺(tái)或通信塔上；半徑450 m范圍內(nèi)，不應(yīng)當(dāng)有金屬建筑物、高壓線、密集居民樓[6-7]。鑒于ADS-B監(jiān)視距離與仰角及地形相關(guān)，因此設(shè)施布局是一個(gè)遞歸求精的過程。為此，下面重點(diǎn)闡述基于地形地貌布局ADS-B地面站的基本原理。

1.1 ADS-B信號(hào)覆蓋基本模型

ADS-B是基于視線信號(hào)傳遞的，易受高大山脈阻擋而致使信號(hào)遮蔽。圖1給出了信號(hào)覆蓋分析的方法。圖1中，rmax是ADS-B信號(hào)傳輸?shù)淖畲笏骄嚯x，hmin和hmax分別最低安全高度和通用航空器飛行上限，ho和hs分別為基站位置的標(biāo)高和基站天線的凈高，hc為控制障礙物的標(biāo)高，θ為遮蔽角，d為基站距離控制障礙物的距離。其中，rmax與ADS-B發(fā)射功率、天線仰角等因素有關(guān)，具體如式(1)：

(1)

式中：Pt為發(fā)射功率；Gt(α)為發(fā)射天線增益；α為天線仰角；Gr為接收天線增益；Pr為接收功率；LΣ為各項(xiàng)損耗之和。

圖1 監(jiān)視信號(hào)覆蓋分析Fig. 1 Monitoring signal coverage analysis

則遮蔽角θ為

(2)

如果dl=[hmin-(ho+hs)]/tanθ

1.2 ADS-B地面站布局原理

理論分析表明，不考慮地形影響時(shí)，ADS-B覆蓋距離隨仰角θ的變小呈震蕩式、負(fù)指數(shù)衰減。通用航空器飛行高度較低，仰角小，因而ADS-B站的覆蓋范圍主要受地形遮蔽影響。

為了增加覆蓋范圍，選擇地形至高點(diǎn)作為基站位置能夠得到最大覆蓋范圍。由于通用航空主要監(jiān)視范圍為低空空域，因此最低監(jiān)視高度hmin高于地形遮蔽高度ha時(shí)，滿足地形遮蔽需求，可以用ADS-B站在最低監(jiān)視高度上的最大輻射距離來估計(jì)其覆蓋范圍(圖2)。

圖2 最低監(jiān)視高度高于地形遮蔽的監(jiān)視信號(hào)覆蓋Fig. 2 Minimum monitoring height higher than monitoring signal coverage with terrain masking

當(dāng)最低監(jiān)視高度hmin低于地形遮蔽高度ha時(shí)，就需要在產(chǎn)生信號(hào)遮蔽區(qū)域的地形次高點(diǎn)增設(shè)ADS-B站，以消除地形遮蔽區(qū)(圖3)。通用航空器通常在真高1 000 m或標(biāo)高3 000 m以下飛行，因而地形遮蔽是監(jiān)視設(shè)施選址主要考慮的問題。值得注意的是，由于ADS-B監(jiān)視距離與仰角和地形均有關(guān)系，因此布局問題通常是一個(gè)遞歸求精的過程。

圖3 最低監(jiān)視高度低于地形遮蔽高度的監(jiān)視信號(hào)覆蓋Fig. 3 Minimum monitoring height lower than monitoring signal coverage with terrain masking

2 ADS-B地面站空間布局規(guī)劃的算法實(shí)現(xiàn)

在特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行ADS-B空間布局規(guī)劃，首先應(yīng)在區(qū)域地形分析基礎(chǔ)上將規(guī)劃區(qū)域劃分為若干高度標(biāo)準(zhǔn)差較小的分區(qū)，并結(jié)合數(shù)字高程信息和每個(gè)分區(qū)情況，確定規(guī)劃區(qū)域的凸剖分，然后確定每個(gè)子規(guī)劃域的ADS-B設(shè)施布局方案，最后進(jìn)行完善。具體步驟如下：

步驟1：地形分區(qū)

根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的總體地形分布特征，按照地形至高點(diǎn)的高度差標(biāo)準(zhǔn)差較小原則，將規(guī)劃區(qū)域劃分若干分區(qū)。一般認(rèn)為，只有儀表安全高度之上才是需要監(jiān)視的區(qū)域，因而設(shè)置“地形至高點(diǎn)真高+300 m”為最低監(jiān)視高度。因此應(yīng)在每個(gè)分區(qū)按照該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出每一分區(qū)的儀表飛行最低安全高度，作為該分區(qū)的最低監(jiān)視高度。

步驟2：確定規(guī)劃區(qū)域的凸剖分

1)結(jié)合數(shù)字高程信息，對現(xiàn)有監(jiān)視設(shè)施進(jìn)行信號(hào)覆蓋分析，確定最低監(jiān)視高度上所有存在信號(hào)遮蔽或超出基站覆蓋范圍，且確有監(jiān)視需求的各多邊形子區(qū)域的凸包裹邊界Ω1，如圖4(a)。

圖4 監(jiān)視設(shè)施布局子規(guī)劃域確定Fig. 4 Determination of monitoring facilities distribution

步驟3：確定所有子規(guī)劃域ADS-B地面站布局方案

1)確定設(shè)施選址地點(diǎn)集合

式中：(φk,λk,hk,dk)表示pk的緯度、經(jīng)度、標(biāo)高和可視半徑；dk為在pk設(shè)置ADS-B站時(shí)的可視距離(當(dāng)dk≥rmax時(shí)，令dk=rmax，rmax為ADS-B站無遮蔽時(shí)的最大覆蓋范圍)。

(3)

(4)

s.t.：對于任意兩相鄰的基站位置pk和ps，有：

(5)

式中：目標(biāo)(3)表示設(shè)施數(shù)量最少，目標(biāo)(4)表示覆蓋范圍最大，約束(5)表示Ω內(nèi)全覆蓋。

步驟4：完善ADS-B設(shè)施方案

1)如果設(shè)施選址點(diǎn)距離通信塔較近，可以將ADS-B地面站天線安裝在通信塔上。

3 算例驗(yàn)證

重慶市是國家低空空域管理和通用航空綜合配套改革試點(diǎn)的省市，在積極探索通用航空飛行服務(wù)體系建設(shè)路徑，且其境內(nèi)有多種地形地貌，較為典型。為此，以重慶市飛行服務(wù)體系規(guī)劃建設(shè)中的ADS-B地面站空間布局為例來驗(yàn)證說明上述ADS-B空間布局規(guī)劃方法的有效性和可行性。

3.1 重慶市ADS-B地面站布局方案

重慶地處四川盆地東南丘陵山地區(qū)，地形狀態(tài)組合的地區(qū)分異明顯：華瑩山—巴岳山以西為丘陵地貌，華瑩山至方斗山之間為平行嶺谷區(qū)，北部為大巴山中山地形，東部、東南部和南部屬巫山大婁山山區(qū)[8]。由于重慶東北部城口、巫溪、巫山、奉節(jié)部分地區(qū)、石柱、彭水以及萬盛與南川南部部分地區(qū)地形分布較為均勻，西部平行嶺谷地帶地形分布較為均勻，中部東北西南走向的山脈地勢有別于其他區(qū)域，西南部屬于地勢較高的平行嶺谷地形，因此根據(jù)每一分區(qū)的地形起伏較小原則，將重慶地區(qū)劃分為5個(gè)設(shè)施布局區(qū)域(圖5)。

圖5 重慶地形劃分Fig. 5 Terrain division in Chongqing

目前，重慶市行政區(qū)劃內(nèi)已布局6套ADS-B地面站(表1)。

表1 重慶現(xiàn)有ADS-B地面站相關(guān)信息Table 1 Information about existing ADS-B station in Chongqing

考慮現(xiàn)有空管監(jiān)視系統(tǒng)，將重慶低空空域主要分為3類：①具備完整的雷達(dá)和ADS-B信號(hào)1 000 m雙重覆蓋，低空通信與保障能力較好的低空空域，主要覆蓋重慶主城區(qū)、永川、梁平、萬州、長壽、忠縣、銅梁縣、涪陵、長壽、江津、璧山、墊江等；②具備局部的雷達(dá)或ADS-B信號(hào)1 000 m覆蓋，低空通信與保障能力一般的低空空域，主要覆蓋開縣、萬盛經(jīng)開區(qū)、南川區(qū)、潼南縣、云陽縣、彭水縣、合川區(qū)、榮昌區(qū)、豐都縣、綦江區(qū)等；③目前不具備雷達(dá)或ADS-B信號(hào)1 000 m 覆蓋，低空監(jiān)視與保障能力基本沒有的低空空域，主要涵蓋酉陽縣、城口縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、石柱縣、秀山縣等。

結(jié)合數(shù)字高程信息以及現(xiàn)有ADS-B地面站信號(hào)覆蓋，在重慶行政區(qū)劃范圍內(nèi)確定出5個(gè)子規(guī)劃域(表2)。其中，奉節(jié)縣城所在地以西和以東分屬于子規(guī)劃域3和4；武隆仙女山和黔江千灰梁子由于距離較近、高程差僅100 m，且黔江千灰梁子以西5 000 m即跨越了重慶飛行管制分區(qū)，以及對規(guī)劃域1北部地區(qū)的覆蓋，因此予以重點(diǎn)考慮(具體略)。

表2 重慶有關(guān)區(qū)縣及其最高海拔處Table 2 Highest altitude of relevant counties in Chongqing

應(yīng)用步驟3)中方法，對每個(gè)子規(guī)劃域進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，重慶行政區(qū)劃范圍內(nèi)應(yīng)在現(xiàn)有6個(gè)ADS-B地面站基礎(chǔ)上至少要新增6個(gè)ADS-B地面站(表3)。其中，每個(gè)子規(guī)劃域至少布設(shè)1個(gè)，總共需要新增布局5個(gè)，方能實(shí)現(xiàn)各子規(guī)劃在最低飛行安全高度以上實(shí)現(xiàn)全覆蓋。另外，由上述分析可知，由于黔江千灰梁子的特殊地理位置，尤其黔江現(xiàn)有ADS-B海拔高度(671 m)所限，以及黔江城區(qū)以東的ADS-B信號(hào)覆蓋問題，需要在黔江的千灰梁子主峰上新布設(shè)ADS-B,以實(shí)現(xiàn)黔江地區(qū)全覆蓋。

表3 重慶行政區(qū)劃范圍內(nèi)需新建ADS-B選址Table 3 Location of new ADS-B station within Chongqing administrative division

3.2 ADS-B信號(hào)覆蓋仿真結(jié)果

利用WirelessMon軟件對新增布局后的ADS-B地面站信號(hào)覆蓋仿真表明，新建6個(gè)ADS-B之后，重慶行政區(qū)劃范圍的12個(gè)ADS-B在海拔1 500 m(平均海拔高度)以上基本實(shí)現(xiàn)全境覆蓋(圖6)。海拔600 m時(shí)，重慶主城區(qū)(平均海拔300～400 m)及其周邊平行嶺谷地帶(平均海拔400～600 m)90%地區(qū)完全覆蓋。其中，平行嶺谷的北部地區(qū)由于其海拔大多在500 m以上，飛機(jī)最低安全高度通常在800 m以上，因而可以認(rèn)為已經(jīng)全部覆蓋。在海拔900 m時(shí)，中西部平原地區(qū)、平行嶺谷地帶全部覆蓋。

圖6 重慶ADS-B布局在不同高度層的信號(hào)覆蓋情況Fig. 6 Signal coverage at different heights based on Chongqing ADS-B distribution

海拔1 200～1 500 m之間，覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，南部山區(qū)地形超過1 300 m的區(qū)域未能全部覆蓋，主要受到地形遮蔽，但由于覆蓋高度低于最低安全高度，因此實(shí)現(xiàn)了全覆蓋；當(dāng)海拔2 100 m，除了北部山區(qū)極小部分區(qū)域受海拔超過2 300 m的地形遮蔽外，重慶地區(qū)實(shí)現(xiàn)了全部ADS-B信號(hào)覆蓋。因此，在3 000 m以下、飛機(jī)能夠有效飛行的區(qū)域，可以認(rèn)為當(dāng)前ADS-B布局下重慶地區(qū)全部實(shí)現(xiàn)ADS-B信號(hào)覆蓋。

需要說明的是，上述仿真結(jié)果是在包含現(xiàn)有6個(gè)ADS-B基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但由于現(xiàn)有ADS-B布設(shè)點(diǎn)所處海拔都較低，因此新增的6個(gè)ADS-B主要針對因地形遮蔽所致信號(hào)不能覆蓋的地區(qū)。由仿真結(jié)果可知，新增6個(gè)ADS-B不僅實(shí)現(xiàn)了重慶全域覆蓋，而且由于在各子規(guī)劃域僅增加一個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)了新增數(shù)量最少，使得設(shè)備設(shè)施投資實(shí)現(xiàn)了最少的目標(biāo)。另外，通過算法仿真模擬作業(yè)，免去了現(xiàn)場考察的繁重工作，進(jìn)而降低了規(guī)劃工作的前期成本。

4 結(jié) 語

對ADS-B地面站進(jìn)行區(qū)域性布局是區(qū)域通用航空飛行服務(wù)體系建設(shè)重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)飛行服務(wù)體系監(jiān)視告警和協(xié)助救援服務(wù)的設(shè)施基礎(chǔ)。目前區(qū)域性ADS-B布局處于探索階段，現(xiàn)有工程實(shí)施中采用的方法不僅成本高，而且難以滿足通用航空運(yùn)行需要。筆者在構(gòu)建出ADS-B信號(hào)覆蓋模型基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)劃建設(shè)區(qū)域內(nèi)地形地貌和最低飛行安全高度，提出了ADS-B地面站布局規(guī)劃算法，具體分為地形分區(qū)、子規(guī)劃域凸剖分、確定子規(guī)劃域布局方案和最終改善完善4個(gè)步驟。

筆者以重慶行政區(qū)為例，通過地形分析確定子規(guī)劃域，并以此為基礎(chǔ)確定和優(yōu)化ADS-B布局方案，確定了重慶需新增6個(gè)ADS-B，方能實(shí)現(xiàn)全域覆蓋且投資建設(shè)成本最低的ADS-B布局方案。算例驗(yàn)證表明，基于該算法及其仿真的布局方案，不僅能減少規(guī)劃建設(shè)前期工作，降低前期工作成本，而且能為降低布局?jǐn)?shù)量，減少投資提供了有價(jià)值的參考。

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