我國(guó)空域監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王杏歌，楊慶祥

（安陽工學(xué)院飛行學(xué)院，河南安陽455000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，民航運(yùn)輸、通航運(yùn)輸和無人機(jī)產(chǎn)業(yè)都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。2019年全國(guó)民航工作會(huì)議上，民航局負(fù)責(zé)人透露，2018年航空運(yùn)輸“全行業(yè)完成運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量1206.4億噸公里、旅客運(yùn)輸量6.1億人次、貨郵運(yùn)輸量738.5萬噸……全國(guó)229座機(jī)場(chǎng)全面開通‘航信通’……無人機(jī)經(jīng)營(yíng)性飛行活動(dòng)達(dá)37萬小時(shí)”［1］。新應(yīng)用的崛起帶來了更多的新產(chǎn)品和新服務(wù)，但日益增長(zhǎng)的飛行器數(shù)量和航空安全新要求，給傳統(tǒng)的航空監(jiān)管帶來了巨大挑戰(zhàn)。

在空域監(jiān)視方面，我國(guó)民航空管監(jiān)管系統(tǒng)主要依靠雷達(dá)和ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視）系統(tǒng)[2]，低空輕小型無人機(jī)主要通過通信網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等云系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管，大中型固定翼無人機(jī)主要通過ADS-B、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航等無線電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管。對(duì)非合作飛行目標(biāo)，國(guó)際上主要通過無線電頻譜監(jiān)測(cè)、低空雷達(dá)探測(cè)、聲光監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)視手段進(jìn)行無人機(jī)探測(cè)。目前，各種監(jiān)視技術(shù)相對(duì)獨(dú)立，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文最后探討的多源信息融合一體化空域監(jiān)視技術(shù)，在不增加新設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)算法，可以解決立體化空域的全方位監(jiān)視，與單一監(jiān)視方式相比具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1 空域監(jiān)視系統(tǒng)

當(dāng)前，我國(guó)針對(duì)民航飛機(jī)的空域監(jiān)視主要有ADS-B系統(tǒng)、雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；而對(duì)低空空域飛行的無人機(jī)等航空器主要通過專用監(jiān)視系統(tǒng)、低空雷達(dá)探測(cè)、聲光監(jiān)測(cè)、圖像檢測(cè)等手段來實(shí)現(xiàn)監(jiān)視，保證飛行安全。

1.1 ADS-B系統(tǒng)

ADS-B是國(guó)際民用航空組織（ICAO）推薦的新一代航空監(jiān)視技術(shù)，已全面應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的運(yùn)輸航空，目前在各個(gè)國(guó)家民航管理部門的推動(dòng)下，ADS-B技術(shù)正向通用航空延伸［3］。

ADS-B系統(tǒng)集通信、監(jiān)視于一體，依靠機(jī)載ADS-B設(shè)備和ADS-B地面站完成信息采集、信息傳輸、信息處理與顯示等工作。ADS-B的主要信息是飛機(jī)的空中位置信息（經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間）、附加信息（沖突告警信息），以及飛機(jī)的識(shí)別代碼和類別，此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、空速、風(fēng)速、風(fēng)向和飛機(jī)外界溫度等[4-5]。

ADS-B所廣播的信息，由飛機(jī)上的航空電子設(shè)備得到，通過ARINC429總線傳輸給機(jī)載計(jì)算機(jī)，例如飛機(jī)的位置信息可以通過機(jī)載GPS（全球定位系統(tǒng)）或BDS（中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）準(zhǔn)確獲取，然后通過ADS-B系統(tǒng)主動(dòng)廣播出去。因此該系統(tǒng)具有占用空管資源少等優(yōu)點(diǎn)，然而位置信息由飛機(jī)自身的機(jī)載設(shè)備提供，一旦設(shè)備出現(xiàn)異常，飛機(jī)所廣播的信息將會(huì)是錯(cuò)誤的位置信息[6]。

我國(guó)規(guī)定所有在FL290或以上運(yùn)營(yíng)的航空器以及在三亞飛行情報(bào)區(qū)內(nèi)飛行的航空器必須使用ADS-B[7]。2005年7月在中國(guó)民航飛行學(xué)院完成ADS-B的首次應(yīng)用測(cè)試，開啟了ADS-B技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用[8]。2017年我國(guó)率先在新疆地區(qū)完成了30個(gè)ADS-B地面基站建設(shè)，然后又在大連機(jī)場(chǎng)建成2個(gè)地面基站[9]。

1.2 雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)

雷達(dá)監(jiān)視是應(yīng)用最早的監(jiān)視系統(tǒng)，從20世紀(jì)50年代初開始雷達(dá)應(yīng)用于空管監(jiān)視系統(tǒng)，到1953年的以機(jī)載應(yīng)答機(jī)和二次雷達(dá)配合實(shí)現(xiàn)監(jiān)視，再到20世紀(jì)90年代的對(duì)雷達(dá)航跡融合監(jiān)視技術(shù)，它也是應(yīng)用最為廣泛的監(jiān)視系統(tǒng)。世界上大部分重要的獨(dú)立國(guó)家?guī)缀醵加凶约旱膰?guó)家防空系統(tǒng)，監(jiān)視雷達(dá)是防空系統(tǒng)中的主要裝備[6]。針對(duì)非合作飛行目標(biāo)，雷達(dá)監(jiān)視是最有效的手段。

雷達(dá)系統(tǒng)由天線、收發(fā)、數(shù)字信號(hào)處理、顯示終端、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源等組成，可實(shí)現(xiàn)空中目標(biāo)搜索、TWS跟蹤，具有實(shí)時(shí)解算目標(biāo)諸元以及顯示、輸出等功能。

雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)需要向指定空域發(fā)射電磁波，飛機(jī)被動(dòng)地接收來自地面的電磁信號(hào)，并反射回波信號(hào)，但由于電磁波的傳播受到天線距離、天氣、地形、目標(biāo)大小等影響，存在可能無法識(shí)別目標(biāo)身份的問題[10-12]。

1.3 衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的新一代監(jiān)控系統(tǒng)是我國(guó)自行研制開發(fā)的有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是除美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[13]。

利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成飛機(jī)機(jī)載多元數(shù)據(jù)（飛行參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等）的接收，并對(duì)其開展安全性分析，同時(shí)還可完成數(shù)據(jù)處理、特征提取、狀態(tài)評(píng)估和故障診斷，對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)和部件進(jìn)行故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)。具體來說，地面在獲取飛機(jī)實(shí)時(shí)的位置、姿態(tài)、速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵信息后，可掌握空中所有飛機(jī)的飛行狀況，這些信息經(jīng)處理分析后可以提供飛行空域優(yōu)化、飛行空中防撞、飛機(jī)地面防撞、飛機(jī)規(guī)避惡劣天氣、飛機(jī)改航返航、輔助飛機(jī)起飛和降落、失事飛機(jī)搜尋和事故調(diào)查等[14]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有兩大功能：定位導(dǎo)航和短報(bào)文，充分利用北斗衛(wèi)星的報(bào)文功能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)（如飛機(jī)位置信息、姿態(tài)信息、運(yùn)行信息等）在飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)與地面之間的傳輸。受衛(wèi)星星歷、電離層和對(duì)流層延遲以及其他噪聲的影響，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)生的定位誤差可能超出空域監(jiān)視的容許范圍[15]。

1.4 “優(yōu)云（U-Cloud）”系統(tǒng)

“優(yōu)云（U-Cloud）”系統(tǒng)是由全國(guó)航空器擁有者、駕駛員為主體的行業(yè)性社會(huì)團(tuán)體——中國(guó)航空器擁有者及駕駛員協(xié)會(huì)（AOPA-China）于2016年4月通過的針對(duì)小型無人機(jī)的監(jiān)管系統(tǒng)，旨在解決無人機(jī)“黑飛”普遍、申報(bào)飛行計(jì)劃不暢、空中監(jiān)管難的問題。

U-Cloud類似于SIM卡追蹤管理，所有的無人機(jī)上都需要裝一個(gè)SIM卡或者類似的裝置。飛機(jī)飛行時(shí)實(shí)時(shí)納入的云數(shù)據(jù)，可以定位到無人機(jī)的“一舉一動(dòng)”，公安、民航、空管及空軍等方面，可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)升空的無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和執(zhí)法。缺點(diǎn)是只能對(duì)加入系統(tǒng)的無人機(jī)實(shí)施監(jiān)控，對(duì)于非合作飛行目標(biāo)依舊沒有辦法監(jiān)管。

1.5 圖像監(jiān)控

利用圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)低空飛行器的追蹤，是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)。通過電荷耦合元件（CCD）或低耗電存儲(chǔ)器（CMOS）芯片實(shí)時(shí)采集圖像信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)視野范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和跟蹤，并對(duì)目標(biāo)的行為和動(dòng)作進(jìn)行跟蹤，從而對(duì)發(fā)生的異常現(xiàn)象做出必要的反應(yīng)。圖像監(jiān)控也是目前空域監(jiān)視系統(tǒng)不可缺少的一部分[16]。

圖像監(jiān)控系統(tǒng)由控制電路、云臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路、云臺(tái)、圖像采集裝置組成。系統(tǒng)工作原理為：CCD圖像采集傳感器采集圖像數(shù)據(jù)并傳給視頻解碼芯片，解碼芯片完成圖像數(shù)據(jù)解碼并將解碼數(shù)據(jù)傳給控制器，控制器對(duì)解碼后的圖像數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，包括目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)形心位置計(jì)算，并根據(jù)形心計(jì)算結(jié)果輸出云臺(tái)控制信號(hào)，控制云臺(tái)上、下、左、右運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤目標(biāo)[17-18]。

圖像監(jiān)控可以清晰地觀測(cè)到目標(biāo)的形態(tài)，但由于技術(shù)發(fā)展的限制，圖像監(jiān)控適用范圍比較窄，只能監(jiān)視短距離的目標(biāo)。

2 空域監(jiān)視技術(shù)的研究趨勢(shì)

2.1 多源信息航跡融合

目前，針對(duì)民航運(yùn)輸可采用的監(jiān)視技術(shù)主要為ADS-B、雷達(dá)等，由于不同監(jiān)視手段所采用的技術(shù)不同，因而都有不同的適用范圍。為了使每種監(jiān)視系統(tǒng)都發(fā)揮其最優(yōu)的性能，需要通過預(yù)處理、人工智能、路徑優(yōu)化等多項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)視系統(tǒng)間的信息共享和優(yōu)化。這種技術(shù)即為多源融合監(jiān)視技術(shù)。目前研究最多的為ADS-B與雷達(dá)航跡融合技術(shù)、雷達(dá)與雷達(dá)航跡融合技術(shù)、ADS-B與ACARS（飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)）融合技術(shù)[19-22]。

2.2 低空空域綜合利用技術(shù)

隨著我國(guó)低空空域的逐步開放，低空空域?qū)⒊霈F(xiàn)越來越多的各式各樣的無人機(jī)和通用航空飛行器，而針對(duì)不同類型的航空器所采用的監(jiān)視技術(shù)幾乎涵蓋了所有的監(jiān)視手段。綜合利用多種監(jiān)視手段和融合處理技術(shù)，并利用航空器周圍環(huán)境的感知能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低空空域的安全態(tài)勢(shì)評(píng)估[23-25]。

3 結(jié)束語

對(duì)我國(guó)目前采用的空域監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，討論了空域監(jiān)視技術(shù)中出現(xiàn)的新技術(shù)。隨著空域監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的多重空域監(jiān)視和可視化態(tài)勢(shì)評(píng)估需求的日益增多，可以預(yù)見未來空域監(jiān)視技術(shù)研究的重點(diǎn)依舊是多源數(shù)據(jù)的信息融合。