星空地一體化航空安全監(jiān)控體制設(shè)計

葉紅軍，劉 亮，賈詩雨

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

近年來，世界民航業(yè)迅猛發(fā)展[1-2]，飛行流量呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，給民航空管系統(tǒng)的建設(shè)和服務(wù)提出了更高的要求，如馬航MH370等航空安全事件暴露了現(xiàn)有監(jiān)視手段的不足。目前，民航空管主要依靠甚高頻通信和雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)作為管制服務(wù)保障手段，但其在全球范圍通信和監(jiān)視設(shè)備數(shù)量不足，質(zhì)量缺失，尤其是洋區(qū)、沙漠等絕大部分地區(qū)無法有效覆蓋[1]，由于大面積深海、高山、高原、荒漠和極其艱苦的地理生存環(huán)境，傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)、維護、供電和供水成本很高甚至無法部署，并且需要有人值守，因此這些地區(qū)的航線很難實現(xiàn)多重雷達(dá)監(jiān)視覆蓋，空管部門只能使用程序管制方式進行管理。基于程序管制方式，管制員無法實時掌握飛行動態(tài)，無法高效地進行空中交通管制服務(wù)，無法實時確認(rèn)航空器的準(zhǔn)確位置，這些都是潛在的航空安全風(fēng)險[3-4]。為此，ICAO提出了“全球航空遇險與安全系統(tǒng)”運行規(guī)劃[5]，力圖全面提升航班連續(xù)位置監(jiān)視、追蹤與控制能力。文章概述了廣域星地一體化綜合監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和大批量監(jiān)視信息并行接收技術(shù)，并通過仿真試驗驗證了廣域綜合監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼案哽`敏度星基ADS-B接收性能。基于該體制的廣域航空監(jiān)視應(yīng)用可全面支持全球航班追蹤系統(tǒng)建設(shè)和運行，將顯著提高國際民航安全監(jiān)視技術(shù)水平。

1 航空監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前，主流的航班監(jiān)視手段有雷達(dá)、廣域多點相關(guān)系統(tǒng)(WAMLAT)和ADS-B三種手段，由被測物與基站距離與測量位置精度關(guān)系可知，ADS-B的測量精度不受距離限制，性能優(yōu)于其他手段[5]，如圖1所示。

圖1 被測物與基站距離與測量位置精度關(guān)系

針對傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視手段的不足，新一代航空運輸系統(tǒng)的核心技術(shù)——ADS-B技術(shù)被引入，衛(wèi)星系統(tǒng)、飛機機載電子系統(tǒng)以及地基裝置和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過高速數(shù)據(jù)鏈進行天空地一體化協(xié)同新一代綜合監(jiān)視[6-7]。ADS-B技術(shù)既可解決傳統(tǒng)地基雷達(dá)對基礎(chǔ)設(shè)施要求高、部署困難、價格昂貴、監(jiān)視范圍和精度有限等問題，也可為空中交通管理和服務(wù)提供全面、精確、實時的定位、監(jiān)視和飛行態(tài)勢的信息。

美國是最早研究和應(yīng)用ADS-B技術(shù)的國家之一，專門指定了NEXTGEN計劃用于推廣和應(yīng)用ADS-B技術(shù)，在這個計劃中，ADS-B被稱為二次雷達(dá)的替代品，成為主要的空域監(jiān)視方式。二次雷達(dá)降級為ADS-B的備份，只有在ADS-B失效時，才會使用二次雷達(dá)作為備份[8]。澳大利亞是運行ADS-B最為成功的國家，在其整個陸地上，部署了2個區(qū)域管制中心和98個地面接收站，實現(xiàn)了3 000英尺空域的ADS-B全覆蓋。通過運行，澳大利亞可以將航空器最小間隔標(biāo)由80海里降低到只有5海里，極大地提高了空域利用率[9]。早在1998年，我國就引進和應(yīng)用了ADS技術(shù)(當(dāng)時是ADS-C標(biāo)準(zhǔn))，用于探索空管新技術(shù)，并發(fā)展西部的航空業(yè)[10-11]。目前，ADS-B的建設(shè)和運行已經(jīng)在西部和西南地區(qū)蓬勃開展。云南和西藏的部分支線機場已經(jīng)實現(xiàn)了ADS-B航跡監(jiān)控，新疆地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了全空域的ADS-B監(jiān)控，甘肅地區(qū)，Z1航路ADS-B監(jiān)視工程已經(jīng)竣工，并通過了驗收。

但是，目前發(fā)展的ADS-B大多是陸基監(jiān)視，陸基ADS-B技術(shù)存在監(jiān)視范圍受自然環(huán)境制約，監(jiān)測范圍有限的問題，需要探索新的能夠解決全球監(jiān)視特別是洋區(qū)監(jiān)視的問題。

2 新一代綜合航空監(jiān)視技術(shù)框架

全球航空飛行跟蹤系統(tǒng)需要滿足以下功能[12]：

(1)跟蹤內(nèi)容

① 位置跟蹤：需要進行航空飛行跟蹤最基本的跟蹤內(nèi)容；

② 狀態(tài)跟蹤：在位置跟蹤基礎(chǔ)上更豐富的跟蹤內(nèi)容，與位置不同，飛行狀態(tài)是判斷飛行中故障、操作等的重要依據(jù)。

(2)跟蹤要求

① 連續(xù)性：航空飛行跟蹤具有一定的特殊性，以目前最長的跨洋航班為例，其總時間長度也不會超過15 h，因此，小時級，甚至更高頻度的跟蹤是有必要的，目前ICAO規(guī)定的航班飛行跟蹤頻度約在15 min左右，針對特定需求，已經(jīng)有公司給出了分鐘級，甚至秒級的跟蹤方案；

② 全球性：要求被跟蹤的航空器具有一定的全球普適特征，也就意味著航空器上應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、強制安裝位置、狀態(tài)傳感器以及在海洋和陸地都提供跟蹤的手段。如表1所示，現(xiàn)存的不同航空監(jiān)視手段都有自身的優(yōu)勢和問題。

表1 航空監(jiān)視手段對比

分類監(jiān)視技術(shù)優(yōu)勢問題現(xiàn)狀地基監(jiān)視技術(shù)一次雷達(dá)照射源可控部署困難,成本較高技術(shù)成熟二次雷達(dá)地基ADS-B高精度監(jiān)視監(jiān)視范圍小技術(shù)成熟星基監(jiān)視技術(shù)ACARS大范圍監(jiān)視實時性低,存在盲區(qū)技術(shù)成熟新型監(jiān)視技術(shù)星基ADS-B全球監(jiān)視技術(shù)尚未完全成熟試驗驗證北斗系統(tǒng)全球監(jiān)視實時性及通信容量不足通航驗證

新一代綜合航空監(jiān)視技術(shù)的關(guān)鍵即對二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)和地基ADS-B接收站無法覆蓋地區(qū)的飛機監(jiān)視問題，比如山川、海洋和沙漠地區(qū)，這些地區(qū)占全球近2/3，星基ADS-B在地基ADS-B的基礎(chǔ)上利用覆蓋全球的數(shù)據(jù)鏈增強系統(tǒng)使處在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的飛機能夠得到實時的監(jiān)控[13-14]，該監(jiān)控技術(shù)能夠突破地理條件的限制，極大地提高了監(jiān)控范圍、監(jiān)控效率和對飛機的搜索救援效率，提高航空安全性和航空效率，此外還能優(yōu)化航線，減少能源消耗和碳排放，對民航業(yè)發(fā)展有著極為重要的意義。新一代綜合航空監(jiān)視技術(shù)的框架是建立以廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)為主的空域監(jiān)視系統(tǒng)，結(jié)合導(dǎo)航增強，北斗短報文服務(wù)及星間傳輸，建立空中交通態(tài)勢感知，保障空管對無雷達(dá)區(qū)空域的完好監(jiān)視。

由于ADS-B信號功率有限，同時考慮效費比，低軌星座適宜進行全球覆蓋的ADS-B信號偵收，同時可通過星座的快速幾何變化及大功率信號增強實現(xiàn)導(dǎo)航性能增強，并利用低軌道衛(wèi)星與北斗全球衛(wèi)星間的星間鏈路，通過可靠穩(wěn)定的北斗短報文形式完成對ADS-B接收信息的轉(zhuǎn)發(fā)下傳，從而提升對全球任意區(qū)域航空監(jiān)視的實時性。此外，為實現(xiàn)監(jiān)視信息的傳輸保證監(jiān)視目標(biāo)的實時性和有效性，需要具有衛(wèi)星通信能力。因此，整個系統(tǒng)框架以低軌星座為基礎(chǔ)構(gòu)建全球無縫覆蓋的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)形成星基增強和信息傳輸手段，實現(xiàn)全球?qū)崟r大容量監(jiān)視和傳輸，如圖2所示。

圖2 新一代綜合航空監(jiān)視技術(shù)框架

3 低軌星座航空安全監(jiān)視體制關(guān)鍵技術(shù)

對于低軌星座航空安全監(jiān)視體制而言，涉及星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、星上大容量監(jiān)視信息并發(fā)接收等方面，對于星間信息傳輸則利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。

3.1 機星地一體化綜合監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

對衛(wèi)星系統(tǒng)而言，要實現(xiàn)對一定區(qū)域或者全球的覆蓋和服務(wù)能力，往往需要由數(shù)顆或者數(shù)十顆衛(wèi)星構(gòu)成衛(wèi)星星座。低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)建模確定星座布局和路由拓?fù)?，確保覆蓋的有效性、傳輸?shù)臅r效性和降低衛(wèi)星數(shù)量，除此之外，還可以利用低軌衛(wèi)星與北斗三號衛(wèi)星間的星間鏈路，利用北斗短報文完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將高軌道導(dǎo)航衛(wèi)星也作為監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。

將星座衛(wèi)星編號為XYY，其中X代表軌道號，YY代表軌道內(nèi)衛(wèi)星編號。衛(wèi)星具有星上處理與路由交換能力，可以完成路由器的功能，按照特定規(guī)則將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相鄰衛(wèi)星。對于近極軌星座，在兩極附近衛(wèi)星比較密集，相鄰軌道面間的衛(wèi)星相對運動角速度也較高，跨越極區(qū)時還會發(fā)生左右關(guān)系互換，天線指向跟蹤困難；另一方面，兩極區(qū)域業(yè)務(wù)量很低，因此，在衛(wèi)星緯度高于門限時將關(guān)閉軌道面間星間鏈路。

由于星間/星地鏈路所承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)遠(yuǎn)小于所能提供的星間鏈路數(shù)傳速率，因此在星間傳輸時，鏈路傳輸阻塞概率極小，在路由規(guī)劃中可以實現(xiàn)以最小轉(zhuǎn)發(fā)傳輸時延為主的優(yōu)先目標(biāo)。綜合考慮信號空間傳播時延和信號轉(zhuǎn)發(fā)處理時延，在信號轉(zhuǎn)發(fā)中，信號處理時延將是主要的延遲項，因此在具體的路由規(guī)劃中，采用最小跳數(shù)算法。

所采用的最小跳數(shù)算法，基于最短路徑算法進行設(shè)計，即將鏈路代價歸一化，可以在實現(xiàn)相同路由性能的條件下，降低路由規(guī)劃的運算處理復(fù)雜度。路由規(guī)劃中通過逐步標(biāo)定到達(dá)節(jié)點路徑長度的方法來求解最短路徑[15]。

設(shè)每個節(jié)點i到達(dá)目節(jié)點1的最小路徑代價估計為Di。如果在迭代過程中，Di已變成一個固定的值，稱節(jié)點i為永久標(biāo)定的節(jié)點，永久標(biāo)定節(jié)點的集合用P表示。在算法的每一步中，在P以外的節(jié)點中，選擇與目的節(jié)點1最近的節(jié)點加入集合P。具體算法如下：

① 初始化：即P={1}，D1=0，Dj=dj1，j≠1。

② 尋找下一個與目的節(jié)點最近的節(jié)點，即求i，i?P使下式成立。如果P包含了所有的節(jié)點，則算法結(jié)束，

3.2 星基ADS-B大容量監(jiān)視信息并發(fā)接收技術(shù)

對于低軌道衛(wèi)星的距離空間飛行器最近的距離約為500 km(假定)，此外，為了擴大覆蓋范圍，還需要監(jiān)測距離約為1 500 km左右的飛行器，此時自由空間路徑傳輸損耗約為：

loss=32.45+10lg(1 500)+10lg(1 090)=156 dB。

因此可得，ADS-B信號到達(dá)衛(wèi)星天線接收口面的電平約為：23+30-156=-103 dBm。在DO-260B對A類ADS-B接收機的靈敏度要求中，靈敏度最高的A3類接收機的靈敏度也僅僅為-84 dBm，所以現(xiàn)有的ADS-B地面接收處理算法不能滿足星載低信噪比環(huán)境的要求。針對星載ADS-B小信號及并發(fā)大容量的特性，需要進行新的方法研究，適用于大容量高靈敏度監(jiān)視信號接收[16-17]。

利用射頻前端的輸出進行對數(shù)檢波和窄帶濾波處理，針對尖銳的ADS-B脈沖信號進行邊沿檢測的計數(shù)方法，綜合考慮上升下降沿的整體趨勢，完成對報頭的捕獲，并利用報頭脈沖間的噪聲信號強度完成對信號報頭的篩選，最后利用三階系數(shù)加權(quán)的方法完成對尖銳脈沖信號的加權(quán)判決，從而達(dá)到降低解調(diào)誤碼率的目的，如圖3所示。

圖3 星載ADS-B信號接收方法

具體流程如下：

(1)對數(shù)檢波器檢波和AD器件量化

利用射頻前端完成的1 090 MHz射頻信號的射頻前端濾波和放大后的信號進行對數(shù)檢波器的檢波和AD量化，利用對數(shù)檢波器可以保證ADS-B接收機具備較好的動態(tài)范圍，保證不同電平范圍的信號在進入AD器件前保持一定范圍的電平值，最終在AD器件量化輸出后，保證信號數(shù)字化的幅值保持一定的數(shù)值范圍。

(2)疑似報頭判決

取上升沿寄存器的相應(yīng)位置的上升沿計數(shù)值進行加和，得到報頭上升沿計數(shù)和，選取的寄存器索引位置ai為：

a1=「0.25fsampleTchip?，

a2=「1.25fsampleTchip?，

a3=「3.75fsampleTchip?，

a4=「4.75fsampleTchip?，

a5=「8.25fsampleTchip?，

a6=「9.75fsampleTchip?，

a7=「10.75fsampleTchip?，

a8=「11.75fsampleTchip?。

其中，以最早進入上升沿計數(shù)移位寄存器的數(shù)據(jù)索引值為1，依次遞增，fsample為輸入信號采樣率，Tchip為ADS-B碼片長度，為1 μs。

取下降沿寄存器的相應(yīng)位置的下降沿計數(shù)值進行加和，得到報頭下降沿計數(shù)和，選取的寄存器索引位置bi為：

b1=「0.75fsampleTchip? ，

b2=「1.75fsampleTchip?，

b3=「4.25fsampleTchip?，

b4=「5.25fsampleTchip?，

b5=「8.75fsampleTchip?，

b6=「10.25fsampleTchip?，

b7=「11.25fsampleTchip?，

b8=「12.75fsampleTchip?。

其中，以最早進入下降沿計數(shù)移位寄存器的數(shù)據(jù)索引值為1，依次遞增，fsample為輸入信號采樣率，Tchip為ADS-B碼片長度，為1 μs。

將報頭上升沿計數(shù)和與報頭下降沿計數(shù)和相加，并與相應(yīng)門限進行判決，高于門限值則被判定為疑似報頭。

(3)三階加權(quán)差分解調(diào)

根據(jù)報頭的位置確定信號的起始位，對每一個報文位前半個碼片的所有采樣點進行加權(quán)求和，加權(quán)系數(shù)λi為：

對每一個報文位后半個碼片的所有采樣點進行加權(quán)求和，加權(quán)系數(shù)與前半個碼片一致。

4 仿真試驗驗證

4.1 機星地一體化綜合監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潋炞C

基于Matlab對所獲取的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)進行處理，采用路由算法實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)路由性能進行仿真實驗。根據(jù)建鏈規(guī)則進行建鏈。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量為79，包含了77顆衛(wèi)星以及2個地面站，如圖4所示。

圖4 航空安全監(jiān)視星間鏈路仿真平臺設(shè)計

按照一定頻度進行星間鏈路可視性報告的獲取，形成星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的可視性矩陣序列。矩陣元素代表對應(yīng)節(jié)點間的可視性情況和傳輸距離，若為零則表示兩節(jié)點間不可視，否則表示節(jié)點間的傳輸距離。

根據(jù)可視性矩陣序列，基于建鏈規(guī)則形成79×79的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煺站仃囆蛄?。矩陣元素代表對?yīng)節(jié)點間的建鏈情況，若為零則表示兩節(jié)點間不建鏈；若為1則表示建鏈。

基于星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的快照矩陣序列進行路由規(guī)劃，模擬77顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳回地面站的業(yè)務(wù)過程，假設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)時延為200 ms。由于星間鏈路速率相比較傳輸業(yè)務(wù)具有較大冗余，可以不考慮阻塞或者丟包問題。

目前主要對傳輸時延進行了仿真實驗。為了衡量星間路徑的路由性能，令所有衛(wèi)星節(jié)點每1 s產(chǎn)生一個模擬業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，目的地址為地面站。在一個軌道周期內(nèi)對所有數(shù)據(jù)包統(tǒng)計平均跳數(shù)和平均延時，時間片長度分別選為10，60，120，180 s。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同快照頻度傳輸延時仿真結(jié)果

拓?fù)淇煺疹l度/s平均跳數(shù)平均延時/ms104.8141 027.193604.8281 029.6671204.8571 037.6671804.9061 048.575

實驗結(jié)果表明，星間鏈路業(yè)務(wù)傳輸平均轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為4～5次，傳輸時延在毫秒級，通過提高拓?fù)渚仃嚳煺疹l度可以實現(xiàn)傳輸時延的降低，但是會大幅度提高路由表的更新頻率，帶來一定的傳輸負(fù)荷。采用180 s的快照頻度，可以滿足航空監(jiān)視要求。

4.2 星基ADS-B接收性能仿真驗證

通過對設(shè)計的基于相應(yīng)邊沿檢測的星載ADS-B星基接收算法的仿真分析，與通用地面處理算法相比在信號的檢測概率和誤碼率上都具備一定優(yōu)勢。如圖5所示，同樣接收鏈路下，在-95 dBm的信號接收場景下，檢測概率提升35%左右。對于星載暴力糾錯的5/112誤碼容限下，本文提出算法的誤碼率使同樣條件下的誤碼率接收靈敏度降低3 dB。如圖6所示，同樣接收鏈路下，星載算法的誤碼率明顯小于地面通用算法。

圖5 算法檢測概率與靈敏度電平仿真

圖6 算法誤碼率與靈敏度電平仿真

5 應(yīng)用前景展望

低軌星座航空安全監(jiān)視技術(shù)，由于具有全覆蓋、實時感知的能力，能夠大大提升航空安全監(jiān)視水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。潛在用戶劃為4個領(lǐng)域，分別是空中導(dǎo)航服務(wù)供應(yīng)商、航空公司、通用航空和國土安全部門。其商業(yè)價值包括節(jié)省燃油、節(jié)省飛行時間和減少等候時間。根據(jù)分析通過優(yōu)化航班爬升過程、提升航路利用率、根據(jù)風(fēng)和氣候變化優(yōu)化航路三項服務(wù)能夠在2017-2030年為北大西洋和太平洋的美國航空公司節(jié)省30 億美元[18]。從其前景來看，ADS-B的全球大數(shù)據(jù)價值前景非?？捎^。

其中不可忽視的一個關(guān)鍵角色，就是衛(wèi)星與航空業(yè)務(wù)結(jié)合，這種結(jié)合型應(yīng)用可使從事空中導(dǎo)航服務(wù)的運營商，擁有獲取全球(特別是海洋區(qū)域)飛行跟蹤數(shù)據(jù)的能力，使上述各種商業(yè)模式得以實現(xiàn)。通過與北斗導(dǎo)航及其低軌星導(dǎo)航增強技術(shù)的結(jié)合，未來可以達(dá)到對全空域飛行器的定位精度優(yōu)于1 m，完好性告警時間優(yōu)于10 s，與星間鏈路、北斗短報文服務(wù)相關(guān)技術(shù)結(jié)合，航空信息的傳輸響應(yīng)時間，在不考慮網(wǎng)絡(luò)時延和外部系統(tǒng)處理時延的前提下：強實時數(shù)據(jù)優(yōu)于2 s，弱實時數(shù)據(jù)優(yōu)于10 s，非實時數(shù)據(jù)優(yōu)于15 s。新一代綜合航空監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用前景展望如圖7所示。

圖7 新一代綜合航空監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用前景展望

6 結(jié)束語

以低軌星座航空安全監(jiān)視技術(shù)面臨的問題為出發(fā)點，通過對現(xiàn)有空管監(jiān)視技術(shù)進行全面的整理分析，提出了基于低軌星座航空安全監(jiān)視技術(shù)的新一代綜合航空監(jiān)視技術(shù)框架，通過對廣域綜合監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和星基高靈敏度ADS-B監(jiān)視信息并行接收技術(shù)2項關(guān)鍵技術(shù)理論的分析和對原理樣機的性能測試，驗證了低軌星座航空安全監(jiān)視技術(shù)在工程實踐中具有高可行性。