淺析北京大興國際機場多點監(jiān)視系統(tǒng)

閆峰

摘要：隨著我們民航業(yè)的快速發(fā)展，北京大興國際機場將成為我國京津冀地區(qū)發(fā)展的重要航空樞紐，機場場面運行的安全與高效變得尤為重要。因此，該文對北京大興國際機場運行的多點監(jiān)視系統(tǒng)（Multilateration Surveillance System-Airport，NEO-A）的工作原理和主要功能進行了介紹，希望通過該文能為相關(guān)領(lǐng)域的人員提供借鑒意義。

關(guān)鍵詞：多點監(jiān)視系統(tǒng);系統(tǒng)原理;系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）21-0136-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著北京大興國際機場的順利開航，不僅開啟了我國現(xiàn)代綜合交通一體化的新篇章，還進一步開啟了京津冀一體化發(fā)展的新引擎。未來幾年，大興國際機場將成為北京南部另一座重要的航空樞紐，首都機場和大興機場的同時運行，將開啟京津冀地區(qū)交通樞紐的新局面。未來幾年里，隨著大興國際機場的使用，機場的航班量會快速增長。機場要解決好的問題之一就是如何安全高效的調(diào)度場內(nèi)的航空器與車輛。為此，北京大興國際機場安裝了ERA公司的全新一代多點監(jiān)視系統(tǒng)（Multilateration Surveillance System-Airport，NEO-A）。

NEO-A專用于提供機場表面上所有配備S模式應(yīng)答器的飛機，車輛和其他目標(biāo)的監(jiān)視數(shù)據(jù)。當(dāng)能見度不佳情況下，該系統(tǒng)能有效提供給管制員機場航空器與車輛信息，確實掌握機場主要跑道、滑行道上航空器及各類勤務(wù)車輛之活動情形，以保障機場航空器和安全，提升飛行效率，并避免機場場內(nèi)不安全事件的發(fā)生。

本文首先對NEO-A系統(tǒng)的站點分布進行了闡述，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的工作原理進行了詳細(xì)的描述，并對該系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)軟件監(jiān)控及有關(guān)車輛跟蹤單元的使用進行了相應(yīng)描述。

1系統(tǒng)概述

NEO-A是一套主動互助型的偵測系統(tǒng)。兼具監(jiān)視及辨識航空器能力。系統(tǒng)使用差分多點定位技術(shù)，能為配備空管模式（A / C / S模式）應(yīng)答器的所有飛機，車輛和其他物體提供準(zhǔn)確，可靠的實時定位和標(biāo)識。系統(tǒng)還能對廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)ADS-B消息（1090 ES）進行解碼，并且能夠獨立進行滿足監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸交換協(xié)議的ASTERIX輸出。系統(tǒng)能滿足機場24小時連續(xù)監(jiān)視需求，運行維護成本低，可靠性高。

北京大興國際機場的NEO-A系統(tǒng)包含31個接收站臺和13個接收傳輸站臺。如圖1所示。系統(tǒng)信號是由設(shè)置在機場周邊的地面站臺接收處理裝置在飛機上的應(yīng)答機發(fā)送出來的訊號，因此地面站臺的選址非常重要，地面臺站信號質(zhì)量影響著系統(tǒng)的涵蓋范圍大小及范圍內(nèi)是否能得到最佳接收效果。在臺站選址廠商除了現(xiàn)場勘查外，還使用分析工具為機場臺站信號分布做前期的安裝準(zhǔn)備。通過軟件計算多站點主動和被動監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)視視線，系統(tǒng)覆蓋范圍，從而提升系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

地面站臺精確測量由答詢機送達訊號的時間差決定，不同的時間差代表著飛機與地面站臺的不同距離，地面站臺將時間差的信息傳送至中央處理站臺（Central Processing Station，CPS），中央處理站臺以此計算出目標(biāo)的位置。以下為本系統(tǒng)主要特點：（1）具備高精準(zhǔn)的位置偵測能力;（2）系統(tǒng)更新信息快;（3）可辨識航空器呼號及航空器高度;（4）獨特的訊號處理技術(shù)解決多路徑效應(yīng)的影響;（5）系統(tǒng)具有接收ADS-B數(shù)據(jù)的能力。

2系統(tǒng)原理

NEO-A主要基于到達時間差（TDOA）原理。目標(biāo)位置的計算最少需三個雙曲面，三個雙曲面相交得到的一個交叉點，該點即為目標(biāo)的位置。以目標(biāo)物到兩個地面站臺之間的距離差為一常數(shù)，將站臺與目標(biāo)之間的坐標(biāo)距離做等量數(shù)學(xué)計算，即形成一個雙曲面，利用另一對地面站臺可繪制出其他的雙曲面。不同的曲面相交可以形成三曲面，利用數(shù)學(xué)計算，飛機與機載應(yīng)答的三維位置可以計算出來。如圖 2所示。

NEO-A主要基于到達時間差工作原理如下：首先，讓我們在兩個分開的位置F1，F(xiàn)2上安裝兩個頻率為1090 MHz的接收機。假設(shè)兩個接收器同時接收了從機載應(yīng)答器發(fā)送的應(yīng)答信息。此時，假設(shè)有可用的設(shè)備能夠測量同一信號到達兩個接收器的時間差。當(dāng)與兩個特定點（接收者）的距離（d1–d2）具有相等差的點集是（在2D空間中）雙曲線，其焦點集中在這些點（F1，F(xiàn)2）?，F(xiàn)在，如果系統(tǒng)再增加一個接收器，則在兩對接收站上應(yīng)用上述原理將創(chuàng)建兩個雙曲線，在某個點具有相交點。所以，在現(xiàn)實中（3D空間），存在三維對象（超曲面）而不是雙曲線。目標(biāo)位置在兩個雙曲面與水平面的交點處。如果再增加一個接收站，則通過應(yīng)用相同的原理，我們可以得到在空域中具有相交點的三個雙曲面，系統(tǒng)形成一套三維定位系統(tǒng)。

以二維的形式說明如下：如圖 3所示，站臺 A 與航空器距離為 R1，R1=C*TOA1，TOA 代表由航空器發(fā)出訊號到達地面站臺所需時間（Time Of Arrival，TOA），C為光速，站臺 B 與航空器距離為R2 ，R2=C*TOA2，距離差的等式為R2-R1=C*（TOA2-TOA1），以距離差 R2-R1 的值為常數(shù)不變，分別改變R1、R2的值，可繪制出一條的雙曲線，航機處于該雙曲線任一點所得到的距離差都是相同的，表示當(dāng)只有兩個站臺接收到航空器訊號時，并無法明確測出航空器位置。再加入站臺C，得另兩等式 R1-R3=C*（TOA1-TOA3）、R2-R3=C*（TOA2-TOA3），可再繪制出兩條雙曲線，三雙曲線交叉點即指出目標(biāo)物位置所在。有如幾何學(xué)用圓弧相交求交叉點，在平面上，兩個圓弧相交于兩點，要知道是哪一點正確就要度量與第三個點的距離 （即第三個圓弧）。所以平面上，用三個站臺可明確標(biāo)示出二維（2D）的目標(biāo)物位置。在立體的情形下，多了高度，便要利用第四個站臺。所以，要明確標(biāo)示出三維中（3D）目標(biāo)物的位置，最少需要四個站臺才能完成。利用數(shù)學(xué)計算，飛機與機載應(yīng)答的三維位置可以計算出來。如圖4所示。