空管設(shè)備信號(hào)覆蓋評估系統(tǒng)的研究和分析

張媛媛

摘 要

空管設(shè)備中的DME測距儀、ILS儀表著落系統(tǒng)（盲降）、甚高頻、雷達(dá)等設(shè)備都是利用視距傳播的電磁波來進(jìn)行工作，怎么才能確保設(shè)備信號(hào)覆蓋的高質(zhì)量，保障航空安全，是空管技術(shù)部門一直以來亟須解決的技術(shù)問題。針對空管各類設(shè)備信號(hào)覆蓋對空管安全的重要性，空管設(shè)備信號(hào)覆蓋評估系統(tǒng)基于DEM（Digital Elevation Model）高程數(shù)據(jù)構(gòu)建大地空間的三維模型，綜合考慮地形、地球曲面、信號(hào)在大氣傳播的折射以及臺(tái)站周邊障礙物遮蔽角等因素評估信號(hào)覆蓋情況。

關(guān)鍵詞

空管設(shè)備;DEM高程數(shù)據(jù);信號(hào)覆蓋評估;遮蔽角

中圖分類號(hào)： V355 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 67

0 背景

由于近年來民航行業(yè)的飛速發(fā)展，空管設(shè)備對于航空安全來說顯得更加重要?？展茉O(shè)備中的DME測距儀、ILS儀表著落系統(tǒng)（盲降）、甚高頻、雷達(dá)等設(shè)備都是利用視距傳播的電磁波來進(jìn)行工作。

安全是空管行業(yè)的首要目標(biāo)和基礎(chǔ)，因此所有空管設(shè)備均引用多重保障的運(yùn)行機(jī)制，每一類空管設(shè)備信號(hào)的好壞都關(guān)系著整個(gè)航空安全，對空管設(shè)備信號(hào)的準(zhǔn)確評估，從而確定在某一個(gè)區(qū)域采用某一個(gè)臺(tái)站的設(shè)備信號(hào)，以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)備資源配置，更好的保障空管行業(yè)的安全發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)

各種空管設(shè)備的信號(hào)覆蓋評估主要考慮到兩個(gè)因素，首先是信號(hào)的覆蓋范圍，主要是受地球球面和地形遮擋的影響;另外一個(gè)是空管設(shè)備的技術(shù)手冊中所規(guī)定的該設(shè)備正常運(yùn)行所應(yīng)滿足的信號(hào)范圍標(biāo)準(zhǔn)，例如區(qū)域?qū)Ш紻ME/DME的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和儀表著陸設(shè)備的最小信號(hào)范圍。

基于以上兩個(gè)因素，該系統(tǒng)首先在WGS84大地坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上通過DEM（Digital Elevation Model）高程數(shù)據(jù)構(gòu)建大地空間的三維模型，該模型是沒有經(jīng)過投影變形的大地三維空間，然后在該模型上分析地形、地面弧度、大氣折射對空管設(shè)備信號(hào)傳播的影響，計(jì)算空管設(shè)備信號(hào)的可達(dá)區(qū)和盲區(qū)。然后，在進(jìn)行區(qū)域?qū)Ш紻ME/DME評估的時(shí)候，根據(jù)ICAO《PBN Manual》中關(guān)于DME/DME RNAV的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出DME/DME RNAV區(qū)域?qū)Ш降男阅茉u估方法，包括區(qū)域DME/DME有效區(qū)分析、飛行程序評估以及優(yōu)選DME等;而在進(jìn)行儀表著陸系統(tǒng)評估的時(shí)候，根據(jù)《中國國家標(biāo)準(zhǔn)——儀表著陸系統(tǒng)（ILS）航向/下滑信標(biāo)性能要求和測試方法》中能滿足設(shè)備要求的最小信號(hào)覆蓋范圍的標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)分析設(shè)備信號(hào)的現(xiàn)實(shí)覆蓋范圍是否滿足所要求的覆蓋范圍，并得出分析結(jié)論。同時(shí)，系統(tǒng)也具備DME/DME現(xiàn)場發(fā)布功能，在校飛結(jié)果、停機(jī)計(jì)劃以及DME實(shí)時(shí)監(jiān)控信息的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)計(jì)算航路的DME/DME覆蓋情況。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究

2.1 計(jì)算模型的建立

信號(hào)的覆蓋分析評估先是需要構(gòu)建地球空間模型，構(gòu)建地球空間模型一般使用大地坐標(biāo)系和高程系統(tǒng)，利用大地坐標(biāo)系和高程系統(tǒng)就能夠經(jīng)緯度-高度（BLH）來表達(dá)具體地標(biāo)內(nèi)容。該系統(tǒng)利用WGS84坐標(biāo)系來做計(jì)算模型的坐標(biāo)系統(tǒng)。

因?yàn)殡娔X的運(yùn)算一般采用空間直角坐標(biāo)系，所以必須采用大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系的互相轉(zhuǎn)換;再者系統(tǒng)是以平面的數(shù)據(jù)反饋給用戶，所以也必須采用大地坐標(biāo)系和平面地圖之間的轉(zhuǎn)換，就是地圖投影。

2.1.1 大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

2.1.2 大地坐標(biāo)系和平面地圖的轉(zhuǎn)換

由于需要把地球空間信息和運(yùn)算結(jié)果更直觀展示出來，所以要把大地坐標(biāo)系投影到平面地圖，本系統(tǒng)采用墨卡托的投影方法，又稱正軸等角圓柱投影，這是地圖投影方法中使用范圍最廣的方法之一。投影采用等角投影，投影出來的經(jīng)線和緯線互相垂直，如圖1所示。

假設(shè)一個(gè)垂直方向圓柱體切于或割于球體，根據(jù)同角的前提把經(jīng)緯網(wǎng)投影到圓柱體，然后把它鋪成二維面，就是二維面經(jīng)緯線網(wǎng)。處理后經(jīng)線是一條條南北向的相同間隔的平行直線，緯線則是一條條東西向的平行直線，并且每條緯線距離由中間向兩邊擴(kuò)大。一點(diǎn)上所有方位的距離比都相同，就是說不存在角度變化，但是面積變化十分明顯，跟著離開基準(zhǔn)緯線中心而變大。

2.1.3 不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

為了看齊國際的標(biāo)準(zhǔn)，我國民航使用WGS84坐標(biāo)系來做區(qū)域?qū)Ш降拇蟮刈鴺?biāo)系統(tǒng)，它的精度較高、使用范圍廣，是GPS測量使用的坐標(biāo)系。不過，不一樣國家地區(qū)不一樣的年代使用的大地坐標(biāo)系都不同，不一樣的坐標(biāo)系統(tǒng)使用不一樣的橢球體參數(shù)，如表1所示。我們常用的有北京54、國家80等坐標(biāo)系，所以對于以北京54或者國家80坐標(biāo)系表示的地理信息，必須把它轉(zhuǎn)換成WGS84坐標(biāo)系，通常方法有4參數(shù)法和7參數(shù)法。

2.2 DEM高程數(shù)據(jù)的處理

本系統(tǒng)采用的高程數(shù)據(jù)為DEM，DEM是數(shù)字高程模型的簡稱，它是地形曲面的數(shù)字化表達(dá)，是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)上真實(shí)描述和模擬的地形曲面實(shí)體，使用DEM數(shù)據(jù)有利于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和計(jì)算。

本系統(tǒng)使用DEM數(shù)據(jù)是SRTM3，SRTM為一類DEM數(shù)據(jù)，全稱是Shuttle Radar Topography Mission，是經(jīng)美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）一起測量的，SRTM數(shù)據(jù)里每經(jīng)緯度方格形成一個(gè)文件，精度有一秒和三秒兩類，所以叫SRTM1與SRTM3?，F(xiàn)在可以免費(fèi)獲得我國領(lǐng)土的 SRTM3文件，格式是ASCII編碼。SRTM3數(shù)據(jù)的組織為5度×5度作為一個(gè)高程文件，每個(gè)文件中以3秒為間隔對5度×5度的區(qū)域進(jìn)行劃分，形成一個(gè)6001×6001的矩陣，矩陣中的每一個(gè)格子中的值即表示該格子的平均高程。SRTM3高程數(shù)據(jù)使用的高程基準(zhǔn)為EGM96，是海拔高程基準(zhǔn)的一種。目的讓系統(tǒng)可以自動(dòng)拿到高程數(shù)據(jù)，所以要對它的格式進(jìn)行解釋和存儲(chǔ)。

中國疆土遼闊，所以高程數(shù)據(jù)量非常大，目的是提高運(yùn)算的速度和減少存儲(chǔ)空間，所以要對高程數(shù)據(jù)做更進(jìn)的處理和壓縮，利用二進(jìn)制對高度值進(jìn)行重新編碼，達(dá)到減少數(shù)據(jù)占用空間的目的。

2.3 覆蓋算法設(shè)計(jì)

以大地空間模型為基準(zhǔn)，全部信號(hào)覆蓋運(yùn)算均是在模擬真實(shí)環(huán)境的空間中運(yùn)行的，不是在投影地圖上運(yùn)算，所以沒有投影帶來的失真問題。同時(shí)，由于大氣在不同的海拔高度密度不同，全部電磁波射線在大氣的傳播都存在折射的問題，把射線的軌跡變成曲線，因此要是直接采用直線視線來考慮地形的遮蔽就有部分的誤差，所以要對覆蓋范圍來做修正[1]。

計(jì)算結(jié)果經(jīng)過投影顯示在平面地圖上，可以采用不同的投影滿足不同需求，但不影響信號(hào)覆蓋的分析結(jié)果。

如圖2所示，計(jì)算覆蓋的過程首先把臺(tái)站當(dāng)作圓心，沿360度方位角，每間隔5度角取一個(gè)垂直面，利用高程數(shù)據(jù)計(jì)算該截面的地形圖，接著模擬不一樣仰角的電波射線在這個(gè)平面中的傳播軌跡，和受地形遮擋的問題，就能夠知道該垂直面的信號(hào)覆蓋情況。在確定每一個(gè)垂直面的覆蓋范圍后，就能夠知道每一個(gè)高度層的水平面的覆蓋范圍，如果有確定的高度層，則要求出每個(gè)垂直面在該高度的最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)，把這些點(diǎn)連接起來就能夠知道該高度的水平覆蓋范圍[2]。

2.3.1 截取垂直截面

把臺(tái)站的坐標(biāo)當(dāng)作中心點(diǎn)，正北方向是零度方位角，每經(jīng)過一定的角度，取該方位角的垂直截面，隨后再計(jì)算出這個(gè)垂直截面的地形曲線圖。

如圖3所示，設(shè)臺(tái)站位置為P0（X0，Y0，Z0），取正北方向上的一點(diǎn)P1n（X1n，Y1n，Z1n），連接這兩點(diǎn)，以一定的間隔在取該線段取點(diǎn)，組成點(diǎn)的集合{P1m（X1m，Y1m，Z1m）|1≤m≤n}，這些點(diǎn)即為截面點(diǎn)。

對于這些點(diǎn)，先求出其經(jīng)緯度BL，再通過高程數(shù)據(jù)即可得出該點(diǎn)的高程H，確定了BLH后再根據(jù)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)化為XYZ，這就是地形的曲線{Tim（x，y，z）|1≤m≤n}。

如圖4所示，以直線P0（X0，Y0，Z0）-O為轉(zhuǎn)軸，P1n（X1n，Y1n，Z1n）為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)一定的方位角，得到，利用上面的方法就可以計(jì)算出在此方位角上的截面。計(jì)算出垂直截面就可以算出該截面的遮蔽角。

2.3.2 最大遮蔽角的計(jì)算

要計(jì)算設(shè)備天線頂端坐標(biāo)P0到某個(gè)點(diǎn)Px的遮蔽角，設(shè)地球球心原點(diǎn)為O（0，0，0），R1=P0到O的距離，R2=Px到O的距離，R3=P0到Px的距離，使用正弦定理，可得出夾角Px-P0-O的值a。a-90即為遮蔽角的值。

在垂直截面上所有點(diǎn)都算一次，求出在某個(gè)高度層最大的遮蔽角。

2.3.3 大氣折射修正及垂直覆蓋范圍

2.3.4 水平覆蓋范圍計(jì)算

確定某一高度的水平面，算出每個(gè)垂直面在這個(gè)高度的最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)，把這部分點(diǎn)投影到二維地圖，然后連接起來就能算出該高度的水平面覆蓋范圍[5-6]。

3 未來展望

目前系統(tǒng)基于DEM（Digital Elevation Model）高程數(shù)據(jù)構(gòu)建大地空間的三維模型，綜合考慮地形、地球曲面、信號(hào)在大氣傳播的折射以及臺(tái)站周邊障礙物遮蔽角等因素評估信號(hào)覆蓋情況。

不過本系統(tǒng)還未考慮電磁波傳播過程中繞射、散射以及不同材質(zhì)物體對電磁波的影響等復(fù)雜特性，因此系統(tǒng)計(jì)算的設(shè)備信號(hào)覆蓋范圍與實(shí)際情況存在一定的誤差，接下來將進(jìn)一步研究電磁波的不同特性，嘗試將這些特性納入系統(tǒng)的計(jì)算方法中。并且目前系統(tǒng)使用的數(shù)字高程是90米×90米精度的，精度方面還可以繼續(xù)提高為30米×30米的;系統(tǒng)對經(jīng)緯度的描述是精確到秒的個(gè)位，在提高數(shù)字高程精度的基礎(chǔ)上，可考慮將經(jīng)緯度描述的精度提升到秒的小數(shù)點(diǎn)后一位或兩位。

參考文獻(xiàn)

[1]田傳江，劉繼軍.地形遮蔽的雷達(dá)低空探測效能研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（26）：208-209.

[2]施東煒.基于地球球面和折射分析地形對雷達(dá)的遮擋[J]. 電子測量技術(shù)，2011，（07）：40-42.

[3]張瑜，赤娜，胡笑君.光學(xué)雷達(dá)大氣折射誤差修正方法研究[J].電火與控制，2009，16（5）：16-18.

[4]劉子孺，陳加清.龍格-庫塔方法在雷達(dá)射線描跡中的應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2009，34（8）：175-177.

[5]王彬虎，景振毅，徐杰，等.分布式頻域電磁散射特性測量系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2009，32（5）：138-140.

[6]李國清，楊井勝，王勇.基于LabVIEW的雷達(dá)自動(dòng)測試系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2009，28（2）：31-34.