程延松,孫清清,祝 亮,李 建,王 洪

(1.中國民用航空局第二研究所,四川成都610041;2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,四川成都611731)

0 引言

空管監(jiān)視設(shè)備的科學(xué)選址具有重要意義,正確的選址可以充分發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)良特性和性能。選址范圍是指在滿足一定空域覆蓋條件和站址設(shè)置場地規(guī)范下的站點(diǎn)可選擇區(qū)域。理論上來說,選址的復(fù)雜度和選址區(qū)域面積是成正比的,選址范圍越大則尋找最優(yōu)站點(diǎn)位置的難度越高,因此減小選址范圍可以很好地提高選址的效率。

傳統(tǒng)的選址方法大多依據(jù)規(guī)劃人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),效率低而且不能系統(tǒng)地考慮所有影響因素[1-2]。為了改進(jìn)傳統(tǒng)選址方法,近年來國內(nèi)外的一些研究單位都在積極探索新的技術(shù),目的是使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)選址代替人工選址來提高選址的效率和科學(xué)性,并公開了相應(yīng)文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[3-5]提出了基于遺傳算法進(jìn)行組網(wǎng)布站,選出的站點(diǎn)基本滿足了指定空域的覆蓋要求,但是選址區(qū)域范圍一般很大,導(dǎo)致算法的實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜,如果綜合考慮設(shè)備選址的各類影響因素,減小選址范圍,算法的效率可以得到大大提升。文獻(xiàn)[6]提出了一種對(duì)空管ADS-B(廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)選址的方法,主要思想是:先找到一個(gè)合理的選址范圍,再對(duì)范圍內(nèi)的所有可選站點(diǎn)進(jìn)行一一篩選,直到找出最優(yōu)的站點(diǎn)位置。該方法預(yù)先對(duì)選址范圍作了分析和界定,使得選址更加靈活高效,但是無法保證對(duì)重要空域的覆蓋能力,而且對(duì)于一般的監(jiān)視設(shè)備也并不通用。

為了提高監(jiān)視設(shè)備的選址效率,本文提出了一種減小選址范圍的分析方法,首先結(jié)合地形因素和設(shè)備覆蓋特性通過反向視域分析方法得到選址范圍的邊界,再分析頂空盲區(qū)的影響,排除頂空盲區(qū)影響下不合理的選址區(qū)域,最后對(duì)其他選址的影響因素分別進(jìn)行分析,逐步排除不合理的選址區(qū)域,最終可確定一個(gè)范圍較小的選址區(qū)域。

1 反向視域分析方法

監(jiān)視臺(tái)站選址的空域覆蓋目標(biāo)是保證終端區(qū)內(nèi)主要定位點(diǎn)(Air Fix Point,為保證航空器的正常航行而規(guī)定的空中位置點(diǎn))和航線的連續(xù)覆蓋,這要求站點(diǎn)位置具有盡可能低的屏蔽角,而地形或者高大建筑物等障礙物將直接影響到設(shè)備的覆蓋特性,因此需要先對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行覆蓋范圍分析,即可視域分析。常規(guī)的選址方法一般是對(duì)區(qū)域內(nèi)所有可能的站點(diǎn)作覆蓋分析,結(jié)合GIS地形數(shù)據(jù)可得到各個(gè)站點(diǎn)的三維可視區(qū)域[7-8],最后選擇滿足空域覆蓋要求的最優(yōu)站址。但在實(shí)際選址過程中,選址區(qū)域的范圍往往很大,對(duì)每個(gè)可能的站點(diǎn)都作覆蓋分析會(huì)造成計(jì)算量很大,因此很難施行。

為了避免在一個(gè)大區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)所有可能的站點(diǎn)都作覆蓋分析,本文提出一種反向視域分析(Reverse Line-of-Sight,RLOS)技術(shù),在滿足空域覆蓋要求的前提下縮小了站址選擇區(qū)域的范圍。反向視域分析與常規(guī)視域分析方法相反,不直接對(duì)每個(gè)可能的站點(diǎn)作可視分析,而是以管制空域內(nèi)主要定位點(diǎn)為“視點(diǎn)”,設(shè)備作用距離為視距對(duì)各個(gè)方位分別作可視分析得到定位點(diǎn)的可視區(qū)域;在某個(gè)定位點(diǎn)的可視區(qū)域內(nèi)設(shè)置站點(diǎn)能夠確保設(shè)備對(duì)該定位點(diǎn)的絕對(duì)覆蓋,在所有定位點(diǎn)可視域的交集區(qū)域內(nèi)設(shè)置站點(diǎn)則可以確保設(shè)備均勻地覆蓋這些定位點(diǎn),即保證了設(shè)備的覆蓋性能。下面給出反向可視域分析的數(shù)學(xué)描述方法。

對(duì)于判斷空間內(nèi)的任意兩點(diǎn)P和Q是否可視引入變量ω(P,Q),定義如下:

可視性是相對(duì)的,如果Q代表空中的某個(gè)點(diǎn)對(duì)P代表的地面設(shè)備安裝位置點(diǎn)可視,那么相反地面設(shè)備安裝P點(diǎn)則能夠覆蓋空中的Q點(diǎn)。

對(duì)于描述管制空域內(nèi)定位點(diǎn){Pi,i=1,2,…,M}的可視區(qū)域引入可視點(diǎn)集合V(Pi),定義如下:

式中,VS為管制的空域,Qj為管制空域內(nèi)的任意一個(gè)點(diǎn)。

反向視域分析方法將得到的各定位點(diǎn)可視區(qū)域的交集作為站址選擇區(qū)域的范圍:

實(shí)際進(jìn)行反向視域分析時(shí)還可確定設(shè)備所需的塔臺(tái)(天線)高度,如圖1所示,對(duì)定位點(diǎn)C的一個(gè)方位作可視分析,在一個(gè)方位上就是二維可視性的分析問題,由圖可知在A,B,C位置布站所需的天線高度分別為hA,hB,hC。如果在相同位置的不同定位點(diǎn)確定的塔臺(tái)高度不同,則取最大值作為最終確定的天線高度參考值。實(shí)際在選擇站點(diǎn)時(shí)天線的設(shè)置有高度限制,如果反向視域分析方法確定的某位置的天線高度參考值超過了限制高度則可說明該位置不適合設(shè)置站點(diǎn),并在站址選擇區(qū)域范圍內(nèi)剔除該位置。

圖1 一個(gè)方位上的反向可視域分析

對(duì)圖1作進(jìn)一步說明,以A點(diǎn)分析為例,在確定了塔臺(tái)高度hA后,還需要判斷A′點(diǎn)和C點(diǎn)的可視性,這里的可視性與一般性的可直視(Line-of-Sight)不同,需要同時(shí)考慮設(shè)備的作用距離,換言之,如果設(shè)備在A′點(diǎn)對(duì)C點(diǎn)可視就是設(shè)備能夠覆蓋到C點(diǎn)?？梢曅缘呐袛鄦栴}將會(huì)在下一節(jié)展開討論。

反向視域分析最終得到的是一個(gè)范圍較小的選址區(qū)域,以及在該范圍內(nèi)設(shè)置站點(diǎn)所需要的天線高度。下面給出一個(gè)簡化的反向視域分析的例子,如圖2所示,假設(shè)終端管制空域的地面投影是一個(gè)圓形區(qū)域,空域內(nèi)6個(gè)定位點(diǎn)的地面投影分別為點(diǎn)1,2,3,4,5,6,不考慮地形因素(忽略天線高度的影響)下以定位點(diǎn)在地面投影為圓心、設(shè)備最大作用距離為半徑畫圓作為簡化的反向視域分析,得到的各個(gè)圓的共同覆蓋區(qū)域可作為選址的區(qū)域。

圖2 反向視域分析方法確定選址區(qū)域

2 可視性分析

反向視域分析是一個(gè)三維的問題,但在不同方位的分析則轉(zhuǎn)化為多個(gè)二維的問題。每個(gè)方位上進(jìn)行反向視域分析都需要判斷可視性,換言之,需要判斷定位點(diǎn)是否能夠被設(shè)備所覆蓋。影響設(shè)備覆蓋范圍的因素主要涉及兩個(gè)方面,即設(shè)備天線的垂直方向圖和站點(diǎn)附近的地形或者建筑物等遮蔽物。本節(jié)將從這兩個(gè)方面的影響因素出發(fā)推導(dǎo)出空間內(nèi)任意點(diǎn)設(shè)備可視的條件。

在考慮設(shè)備天線方向圖和遮蔽物條件下,目標(biāo)能否被設(shè)備覆蓋取決于目標(biāo)與設(shè)備之間是否存在遮擋和設(shè)備的作用距離能否超過到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)距離。如圖3所示,1,2,3分別表示3個(gè)不同的空中定位點(diǎn),定位點(diǎn)1受到遮蔽物的影響設(shè)備無法覆蓋到,定位點(diǎn)2和3不受到地形的遮擋,但設(shè)備的作用距離小于設(shè)備到定位點(diǎn)2的直線距離,定位點(diǎn)2設(shè)備也無法覆蓋到,而定位點(diǎn)3同時(shí)滿足了兩個(gè)條件則設(shè)備可覆蓋[9]。

圖3 設(shè)備垂直剖面的“視線”

2.1 仰角和遮蔽角計(jì)算

判斷目標(biāo)是否被遮蔽需要比較障礙物遮蔽角與目標(biāo)仰角之間的關(guān)系,本節(jié)內(nèi)容將推導(dǎo)出仰角和遮蔽角的計(jì)算方法。

如圖4所示,假設(shè)站點(diǎn)A天線高度為hA,定位點(diǎn)C高度為h,以天線位置E點(diǎn)為視點(diǎn)看定位點(diǎn)C的仰角為θ,地球等效半徑為ka,O為地心位置,OA和OC的夾角為β,過C點(diǎn)作垂線交OA的延長線于D點(diǎn),則有

由式(4)、(5)可得

圖4 定位點(diǎn)仰角示意圖

因?yàn)棣?d/ka,d?ka,則sinβ≈β,cosβ≈1-β2/2,代入式(6)可得

同理如圖5所示,在站點(diǎn)位置某方位存在距離為ds、高度為hs的障礙物時(shí),可求得遮蔽角為θs,計(jì)算方法如下:

圖5 遮蔽角示意圖

為確保設(shè)備能夠覆蓋到目標(biāo),目標(biāo)至少不能被遮蔽物遮擋,換言之需要滿足目標(biāo)仰角大于該方位上的所有遮蔽角,即可得到設(shè)備可視的第一個(gè)條件:θ＞θs。

2.2 可視性條件

判斷目標(biāo)的可視問題還需要考慮站點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)的視在距離與設(shè)備天線的作用距離之間的大小關(guān)系。如圖4中天線在仰角為θ下,到達(dá)定位點(diǎn)C的直線距離EC即天線到達(dá)定位點(diǎn)C的視在距離為

為簡化模型不考慮天線增益、發(fā)射功率、電磁波,以及繞射特性等有關(guān)因素。典型二次雷達(dá)的最大作用距離約為360 km;雷達(dá)天線的歸一化垂直方向圖G(θ),如圖6所示,高度角θ為4°時(shí)G(θ)為0 dB,高度角θ到50°時(shí)G(θ)下降到-20 dB[10]。

圖6 天線垂直方向圖

在仰角θ下,設(shè)備天線的實(shí)際作用距離為

式中,Rmax為設(shè)備的最大作用距離。為確保目標(biāo)可視則需要滿足第二個(gè)條件:Rs(θ)≤Rr(θ),即設(shè)備天線的作用距離應(yīng)大于站點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)的視在距離。

結(jié)合第一和第二條件可知,空中定位點(diǎn)對(duì)于地面監(jiān)視設(shè)備可視的條件是

3 站址選擇影響因素分析

通過反向視域分析方法在保證了站點(diǎn)具有理想的覆蓋效果,能夠均勻地覆蓋管制區(qū)域內(nèi)的各個(gè)定位點(diǎn)和航線的前提下,縮小了選址的區(qū)域范圍。為了進(jìn)一步縮小預(yù)選區(qū)域,本節(jié)將對(duì)站址選擇的其他各類影響因素進(jìn)行分析。

3.1 設(shè)備天線頂空盲區(qū)影響分析

頂空盲區(qū)是由于監(jiān)視設(shè)備采用方向性天線造成,天線正上方空域被信號(hào)無法覆蓋到,形成一個(gè)錐狀空域信號(hào)覆蓋盲區(qū),也稱為錐間盲區(qū)。圖6是典型的空管二次雷達(dá)天線垂直方向圖,在大于20°以后呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢,作用距離也逐漸減小,到50°仰角位置天線增益衰減到-20 dB,作用距離減少為原來的1/10,形成的頂空盲區(qū)如圖7所示。選擇空管遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備站點(diǎn)的配置位置時(shí),應(yīng)使設(shè)備的頂空盲區(qū)避開其所保障的主要航線以及主要的定位點(diǎn)。

圖7 設(shè)備頂空盲區(qū)

為使頂空盲區(qū)避開定位點(diǎn),站點(diǎn)位置與定位點(diǎn)的水平距離不能太小,也就是在定位點(diǎn)正下方一個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)設(shè)置站點(diǎn)將使頂空盲區(qū)覆蓋到定位點(diǎn);對(duì)航線而言,航路兩側(cè)一定寬度內(nèi)也不能設(shè)置站點(diǎn)。為此引入兩個(gè)參數(shù):定位點(diǎn)的不合理選址半徑Rf和航線不合理選址寬度Wr,即航路兩側(cè)寬度為Wr的區(qū)域和定位點(diǎn)在地面投影為中心半徑為rh的區(qū)域是不合理的選址區(qū)域。下面給出參數(shù)Rf和Wr的具體計(jì)算方法。

假設(shè)監(jiān)視設(shè)備天線的垂直方向可視角度范圍是0°到20°。如圖7所示,C點(diǎn)為定位點(diǎn)或者航線上的某個(gè)點(diǎn),高度為h,D點(diǎn)是C在地面上的投影,A是站點(diǎn)位置,A和D的地面距離為d,仰角θ取20°,O是地心位置,OA和OC的夾角為β。

由式(11)可以計(jì)算站點(diǎn)A到達(dá)定位點(diǎn)C的視在距離為

根據(jù)余弦定理可知:

當(dāng)站點(diǎn)A到D點(diǎn)的距離小于d時(shí)定位點(diǎn)C點(diǎn)將落在頂空盲區(qū)內(nèi)。對(duì)于定位點(diǎn)可相應(yīng)計(jì)算出不合理選址半徑Rf=d,對(duì)于航線可計(jì)算出不合理選址寬度Wr=d,進(jìn)而可以得到定位點(diǎn)和航路的不合理選址區(qū)域如圖8、圖9陰影部分所示。

圖8 定位點(diǎn)不合理選址區(qū)域

圖9 航線單側(cè)不合理選址區(qū)域

3.2 其他因素分析

空管監(jiān)視設(shè)備站點(diǎn)選址還有一些其他方面的場地設(shè)置規(guī)范。如對(duì)于一次雷達(dá)和二次雷達(dá)要求:450 m范圍內(nèi)不能有高壓輸電線、密集居民樓和金屬建筑物等;800 m范圍內(nèi)不能有氣象雷達(dá)和高頻爐等有源干擾的設(shè)施;遠(yuǎn)離高速公路鐵路等[1]。對(duì)于這些因素的考慮需要在選址前收集大量的數(shù)據(jù),在已知這些干擾源的位置前提下,一一剔除這些不合理的選址區(qū)域,從而達(dá)到縮小選址區(qū)域范圍的目的。

4 結(jié)束語

本文深入分析了空管監(jiān)視設(shè)備站址預(yù)選問題,提出反向視域分析方法確定選址范圍的邊界,并針對(duì)選址的各方面影響因素對(duì)不合理的選址區(qū)域分別進(jìn)行剔除,最終達(dá)到減小選址范圍的目的。該方法可結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)確定選址區(qū)域范圍,進(jìn)而可在選址區(qū)域內(nèi)選擇最佳的幾個(gè)位置作為候選站點(diǎn),相比傳統(tǒng)人工選址方法更加科學(xué)高效。

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