湖北ADS-B地面站組網(wǎng)效果評估研究

肖仁勝

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局湖北分局，武漢430000）

1 引 言

為加快推進(jìn)我國航行新技術(shù)應(yīng)用和通用航空發(fā)展，提高東部地區(qū)空管監(jiān)視保障能力，并同時提升民航安全運(yùn)行水平，2016 年1 月26 日，民航湖北空管分局獲得《關(guān)于東部地區(qū)民航廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）工程立項（代可研）的批復(fù)》。2017 年，民航湖北空管分局配合中南空管局，在湖北區(qū)域內(nèi)設(shè)置武漢柏泉雷達(dá)站、襄陽雷達(dá)站、恩施雷達(dá)站、恩施許家坪機(jī)場、神農(nóng)架機(jī)場、十堰武當(dāng)山機(jī)場在內(nèi)的6 個廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）臺點。

目前，“東部地區(qū)民航廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）工程中南地區(qū)項目”已完成自驗收。按照民航局和空管局的有關(guān)要求，需在2018 年12 月完成ADS-B 接入自動化系統(tǒng)試運(yùn)行，在2019 年7 月完成ADS-B 正式運(yùn)行工作。因此，對湖北區(qū)域內(nèi)ADS-B 地面站組網(wǎng)效果的評估將為該系統(tǒng)的正式投產(chǎn)、試運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

2 ADS-B系統(tǒng)基本原理與功能

2.1 基本原理

ADS－B 全稱Automatic dependent surveillancebroadcast，即廣播式自動相關(guān)監(jiān)視，是國際民航組織確定的未來主要監(jiān)視技術(shù)之一[1]。ADS-B系統(tǒng)以衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信為基礎(chǔ)，能提供更加安全、高效的空中交通監(jiān)視手段，同時又可有效提高管制員和飛行員的運(yùn)行態(tài)勢感知能力，擴(kuò)大監(jiān)視覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運(yùn)行效率。ADS－B 系統(tǒng)以導(dǎo)航設(shè)備和其他機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的信息為數(shù)據(jù)源，以地空/空空數(shù)據(jù)鏈為通信手段，通過對外自動廣播自身的相關(guān)狀態(tài)信息，實現(xiàn)地面對載機(jī)的實時監(jiān)視；它同時也會接收其他飛機(jī)的廣播信息，實現(xiàn)本機(jī)對周邊空域交通態(tài)勢的感知[2]。ADSB 系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

圖1 ADS-B 工作原理示意圖

2.2 ADS－B 系統(tǒng)功能

目前，ADS－B 系統(tǒng)所具備的基本功能一般分為兩類[3]：

第一類是基于ADS-B OUT 設(shè)備，機(jī)載電子設(shè)備自動向外廣播自身狀態(tài)矢量信息（位置、高度、速度、航向等）和其他信息的。其功能主要是以地面站接收飛機(jī)信息數(shù)據(jù)匯總后對飛機(jī)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視。地面站系統(tǒng)完成對航路、終端區(qū)或機(jī)場的空域監(jiān)視，通過航空通信網(wǎng)向各級數(shù)據(jù)站、數(shù)據(jù)中心、管制中心、本地/遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)終端或其他用戶終端上報目標(biāo)報告、設(shè)備狀態(tài)和服務(wù)報告等。

第二類則是基于ADS-B IN 系統(tǒng)，機(jī)載電子設(shè)備中的ADS-B系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)對外發(fā)送本機(jī)的各類航行數(shù)據(jù)，同時也接收其他飛行器或地面站發(fā)送的ADS-B 信息報文。相對于功能單一的ADS-B OUT系統(tǒng)的監(jiān)視功能，ADS-B IN 系統(tǒng)的意義在于其能夠使飛行員更加清楚其本機(jī)及附近各種飛行器的實時信息。實施這一類地面?zhèn)鬏斝畔⒎?wù)功能主要依靠的是地面交通服務(wù)信息廣播（Traffic Information Service-Broadcast, TIS-B），這是一種由地面站系統(tǒng)提供的信息服務(wù)。由于地面站連接著更為全面的空中交通管制中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，地面站有能力向空中發(fā)送更全面的空域全景信息，在這種情形下，地面站的數(shù)據(jù)鏈路會鏈接雷達(dá)、多點定位等監(jiān)視系統(tǒng)，對空域內(nèi)所有的飛行目標(biāo)進(jìn)行無差別監(jiān)視和探測，并通過TIS-B 向空中廣播。因此安裝有ADS-B IN 系統(tǒng)的飛機(jī)能通過地面站獲得監(jiān)視空域內(nèi)更加全面的交通情報報文[4]。

3 湖北地區(qū)ADS-B系統(tǒng)組網(wǎng)覆蓋分析

3.1 組網(wǎng)情況

截止至2018 年12 月，湖北地區(qū)已經(jīng)建設(shè)并即將投入使用的地面站點包括：武漢柏泉雷達(dá)站、襄陽雷達(dá)站、恩施雷達(dá)站、恩施許家坪機(jī)場、神農(nóng)架機(jī)場、十堰武當(dāng)山機(jī)場，共計6 個；已建成并已投入使用的地面站點有兩個：宜昌三峽機(jī)場和襄陽劉集機(jī)場。以這8 個地面站實現(xiàn)對湖北區(qū)域內(nèi)所屬地機(jī)場終端區(qū)進(jìn)近和主要航路段的監(jiān)視覆蓋。

湖北地區(qū)目前建設(shè)的ADS-B 地面站主要分布在各屬地機(jī)場終端區(qū)和主要航路經(jīng)過地區(qū)。這些地面站的布點主要以當(dāng)?shù)乩走_(dá)站和機(jī)場為依托，在方便進(jìn)行人員管理維護(hù)的基礎(chǔ)上，充分考慮不同地面站之間的數(shù)據(jù)交換互通，進(jìn)行關(guān)于ADS-B 地面站布設(shè)效果和技術(shù)成本的綜合評估。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮侠碓O(shè)計，以及相應(yīng)管制中心自動化系統(tǒng)的設(shè)計，會在一定程度上影響地面站組網(wǎng)監(jiān)視的效果及數(shù)據(jù)傳輸鏈路的成本，是實際布站評估中需要考慮的重要因素。由于數(shù)據(jù)傳輸涉及到數(shù)據(jù)評估的完好性及通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計的合理性，關(guān)于ADS-B 地面站的組網(wǎng)監(jiān)視評估，其重點主要在于電磁信號覆蓋方面的研究。

當(dāng)ADS-B系統(tǒng)多個地面站組網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視覆蓋區(qū)域時，其主要是通過空域飛行器自動廣播的報文信號被地面站接收，并將處理后的報文信息經(jīng)傳輸鏈路傳輸，將ADS-B 數(shù)據(jù)站與其他地面站或監(jiān)視源數(shù)據(jù)融合，最后送至管制中心。ADS-B系統(tǒng)多地面站組網(wǎng)流程如圖2 所示。

圖2 ADS-B 組網(wǎng)示意圖

3.2 組網(wǎng)原則及評估指標(biāo)

ADS-B系統(tǒng)在區(qū)域確定、地面站站點數(shù)量及位置確定，監(jiān)視系統(tǒng)性能參數(shù)確定的前提下，布站方案應(yīng)盡可能使監(jiān)視空中站點組網(wǎng)信號覆蓋范圍最大化，具備多重覆蓋條件，且組網(wǎng)各站點彼此互補(bǔ)盲區(qū)，同時避免相互間的電磁干擾。因此，針對ADS-B系統(tǒng)特點，其組網(wǎng)應(yīng)滿足以下基本原則[5]：

1)覆蓋范圍最大化。ADS-B 站點組網(wǎng)對所在空域的覆蓋范圍要盡可能大，覆蓋層數(shù)多，從而保證監(jiān)視效果最優(yōu)。

1.進(jìn)一步規(guī)范學(xué)校辦學(xué)。加強(qiáng)對農(nóng)村小學(xué)藝術(shù)課程教學(xué)的重要性的認(rèn)識，加大對學(xué)校辦學(xué)的督導(dǎo)檢查力度，開齊學(xué)科，開足課時，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣。

2)信號覆蓋具備適當(dāng)?shù)娜哂喽?。適當(dāng)?shù)娜哂喔采w能提高目標(biāo)定位精準(zhǔn)度，針對ADS-B系統(tǒng)輸出的目標(biāo)報文存在誤碼、缺漏、欺騙的可能性，多的站點覆蓋能有效降低甚至避免單個地面站輸出錯誤數(shù)據(jù)報文。

3)優(yōu)化各地面站電磁環(huán)境。中國民用航空監(jiān)視設(shè)備大多使用1030/1090MHz 頻帶作為設(shè)備工作頻率。距離相近的無線電系統(tǒng)使用共享頻率時，容易產(chǎn)生電磁干擾而使系統(tǒng)無法正常工作。因此在選址布站時一定要排除可能存在的電磁干擾源[6]。

4)盲區(qū)范圍最小化。無論是何種監(jiān)視源，因其遵循電磁信號傳播原理，信號覆蓋存在站點頂空盲區(qū)和受外部環(huán)境影響的空域覆蓋盲區(qū)。站點的選址應(yīng)盡可能減少其頂空盲區(qū)和重要航路上的盲區(qū)，并考慮相應(yīng)的盲區(qū)補(bǔ)盲方法。

ADS-B 組網(wǎng)系統(tǒng)的最終目的是實現(xiàn)主要航路和重要管制空域的信號覆蓋，并盡可能使覆蓋空域最大、減少信號盲區(qū)。所以監(jiān)控區(qū)域信號覆蓋的連續(xù)性與嚴(yán)密性是評價站點組網(wǎng)性能的首要技術(shù)指標(biāo)[7]。評價方法采用如下量化方法：

a)信號覆蓋的連續(xù)性和嚴(yán)密性[8]：

覆蓋連續(xù)性用盲區(qū)系數(shù)表示如下：

b)評價組網(wǎng)目標(biāo)容量受站點數(shù)據(jù)接收能力、數(shù)據(jù)傳輸帶寬和信息處理顯控設(shè)備等影響。

c)重疊系數(shù)：

重疊系數(shù)是指能夠同時監(jiān)控某一指定空域飛行目標(biāo)的站點數(shù)量，如下式：

式中，n 為組網(wǎng)內(nèi)站點的數(shù)量，Rh為組網(wǎng)在規(guī)定的下限高度上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離。

4 湖北地區(qū)ADS-B 地面站組網(wǎng)仿真

ADS-B 信號覆蓋仿真圖形采用自主研發(fā)的信號覆蓋評估系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)界面顯示功能通過識別和引用軟件內(nèi)置的函數(shù)算法完成仿真覆蓋效果圖。在仿真界面中，需要輸入待計算的地面站坐標(biāo)位置、地面站天線高度、飛行高度及功率等，用戶使用界面可以直接仿真湖北地區(qū)組網(wǎng)系統(tǒng)的信號覆蓋，計算單重和冗余覆蓋率情況。圖3 給出了各地面站在不同高度層上的覆蓋情況。

圖3 不同高度層覆蓋情況仿真圖

可以看出，在湖北區(qū)域內(nèi)，信號覆蓋情況主要為：

3300米時，如圖3(a)，西部地區(qū)特別是神農(nóng)架機(jī)場附近因高山影響，有部分區(qū)域無法進(jìn)行有效覆蓋；宜昌以東區(qū)域可以做到一層以上覆蓋。

6600米時，如圖3(b)，西南方向的一段航線無有效覆蓋，但考慮到有湖南張家界等站點，全區(qū)域可以做到至少一層覆蓋。

7800米時，如圖3(c)，全區(qū)域絕大部分可以做到二層以上覆蓋。

因武漢及以東區(qū)域僅在武漢設(shè)臺點，所以武漢及以東區(qū)域僅有一層覆蓋；因地形平坦，武漢及以東區(qū)域在各高度層覆蓋較好。

因此，通過信號覆蓋圖來看，為滿足湖北區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)二層及以上覆蓋要求，應(yīng)該在省內(nèi)西南部、東部地區(qū)增加ADS-B 地面臺站點。

5 結(jié)束語

通過對湖北地區(qū)ADS-B系統(tǒng)地面站組網(wǎng)評估效果的研究，結(jié)合ADS-B系統(tǒng)特點，分析了影響ADS-B 地面站信號覆蓋的因素。通過自主研發(fā)的信號覆蓋評估系統(tǒng)計算界面的編譯功能實現(xiàn)了信號覆蓋的模擬和仿真，得出了湖北區(qū)域布站覆蓋效果和航線航路監(jiān)視覆蓋效果評估，并給出了補(bǔ)盲的相關(guān)建議，具有一定的實際參考意義。