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        基于平流層飛艇的ADS—B通航監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用研究

        2015-05-30 10:48:04朱訓(xùn)寧
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年16期
        關(guān)鍵詞:通用航空

        朱訓(xùn)寧

        摘 要:隨著我國(guó)通用航空的快速發(fā)展,低空空域監(jiān)視能力不足的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻,文章提出了基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)作為解決問(wèn)題的方法。介紹了ADS-B技術(shù),設(shè)計(jì)了基于平流層飛艇的ADS-B通航監(jiān)視系統(tǒng)方案。

        關(guān)鍵詞:平流層飛艇;ADS-B;通用航空;低空空域

        前言

        根據(jù)中國(guó)航空學(xué)會(huì)和中國(guó)通用航空專(zhuān)家委員會(huì)預(yù)測(cè),未來(lái)5年,我國(guó)通用航空飛機(jī)需求量將逐年增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2020年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1500億元。隨著通用航空的快速發(fā)展,通用航空器活動(dòng)量將逐漸增加,對(duì)低空空域的監(jiān)視將變得越來(lái)越重要,但是由于監(jiān)視技術(shù)的限制,低空空域一直是我國(guó)空中交通管理的薄弱之處。目前,空域監(jiān)視技術(shù)主要有一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、多點(diǎn)定位、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)等,其中,ADS-B技術(shù)是民航組織確定的未來(lái)監(jiān)視技術(shù)的主要發(fā)展方向。平流層飛艇能在海拔20km左右的平流層高空長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)月)定點(diǎn)懸?;虻退贆C(jī)動(dòng)飛行,將ADS-B接收系統(tǒng)集成到平流層飛艇平臺(tái),將可充分發(fā)揮平流層飛艇平臺(tái)的高度優(yōu)勢(shì),滿(mǎn)足空中管制部門(mén)對(duì)低空空域的監(jiān)視需求。

        1 ADS-B技術(shù)

        1.1 ADS-B技術(shù)簡(jiǎn)介

        ADS-B是一種協(xié)作相關(guān)的監(jiān)視系統(tǒng),它采用機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)獲得飛機(jī)精確的位置和速度等信息,利用機(jī)載ADS-B設(shè)備廣播飛機(jī)的位置信息和其他一些參數(shù)。通過(guò)空-地?cái)?shù)據(jù)鏈,ADS-B地面站接收這些信息,并借助航空電信網(wǎng)相關(guān)信息到空中交通管制中心,可以實(shí)現(xiàn)管制中心對(duì)飛機(jī)位置的監(jiān)視。

        1.2 ADS-B低空覆蓋分析

        ADS-B信號(hào)在空中的傳播是以視距方式傳播,地球存在曲率,無(wú)線(xiàn)電波的傳輸有一個(gè)最大傳輸距離,該距離由天線(xiàn)的高度、地球曲率和大氣層相對(duì)無(wú)線(xiàn)電波的折射效應(yīng)因素決定,如圖1所示。

        圖1 ADS-B傳輸距離

        ADS-B電磁波的發(fā)射距離為:

        式中h1為地面ADS-B基站的天線(xiàn)高度;h2為飛機(jī)的飛行高度;ae為地球曲率半徑,在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下,ae=8490km。

        對(duì)于ADS-B地面站的覆蓋,Melissen JB和Schuur PC研究了一種利用圓對(duì)一個(gè)矩形區(qū)域進(jìn)行覆蓋的方法。

        根據(jù)ADS-B單重覆蓋的地面站配置模型,四個(gè)地面站能實(shí)施單重覆蓋的區(qū)域如圖2所示。四個(gè)地面站覆蓋的區(qū)域是邊長(zhǎng)為D1的正方形,Dl=2D,其中D=■d0。其覆蓋面積S=D1×D1。如果所需覆蓋區(qū)域形狀近似長(zhǎng)方形,邊長(zhǎng)為D1和D2,根據(jù)該模型,可以粗略計(jì)算地面面積區(qū)域內(nèi)需要的地面站數(shù)量。

        N=■×■

        2012年,程掣以我國(guó)東部區(qū)域(主要包括北京、上海、武漢、廣州飛行情報(bào)區(qū)和部分蘭州、昆明飛行情報(bào)區(qū),東西長(zhǎng)約1850km,南北約2100km,假設(shè)其平均海拔高度400m,地面站天線(xiàn)高度15m,)為例,針對(duì)不同監(jiān)視高度所需ADS-B地面站數(shù)量進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)3中結(jié)果。

        1.3 現(xiàn)有ADS-B技術(shù)的主要問(wèn)題

        (1)由于ADS-B地面站易受周邊地形和建筑物的影響。2011年,張智強(qiáng)對(duì)南京地區(qū)某ADS-B地面站系統(tǒng)覆蓋的試驗(yàn)結(jié)果表明,在西北方向,信號(hào)覆蓋范圍受到嚴(yán)重消弱,為最大值的1/3左右。(2)由于我國(guó)地形復(fù)雜多變,造成很多地區(qū)不便于建設(shè)地面站以及建成后維護(hù)困難;對(duì)于海上空域監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)更是受島嶼位置以及海上氣象條件的限制,存在地面站位置受限和維護(hù)困難的問(wèn)題。

        2 基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)

        2.1 平流層飛艇簡(jiǎn)介

        平流層飛艇主要是指輕于空氣、依靠靜升力駐空、可通過(guò)搖控控制進(jìn)行定位,并能夠依靠自身動(dòng)力進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行的平流層飛行器。它可以在平流層高空長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)年)定點(diǎn)懸?;虻退贆C(jī)動(dòng)飛行,并可搭載數(shù)噸以上的載荷執(zhí)行各種任務(wù)。由于平流層飛艇在沒(méi)有云雨等氣象條件的高空運(yùn)行,其運(yùn)行不受天氣和自然災(zāi)害的影響。而且,平流層飛艇大多使用太陽(yáng)能等清潔能源,可以減少環(huán)境污染以及能源消耗。

        2.2 基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)方案

        在現(xiàn)有技術(shù)體系下,需要借助大量的ADS-B地面站接收數(shù)據(jù)并通過(guò)航空電信網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)。如果用載有ADS-B設(shè)備的平流層飛艇替代ADS-B地面站履行接收和傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)的任務(wù),則大大簡(jiǎn)化了地面站和航空電信網(wǎng)的建設(shè),可以解決地面站和航空電信網(wǎng)建設(shè)困難的問(wèn)題。

        2.3 基于平流層飛艇ADS-B低空覆蓋分析

        基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)科覆蓋0高度以上的所有空域,其電磁波覆蓋范圍半徑為:

        =580km

        根據(jù)ADS-B單重覆蓋的計(jì)算模型,對(duì)于東部地區(qū)所需平流層飛艇ADS-B平臺(tái)數(shù)目為:

        3 結(jié)束語(yǔ)

        (1)為了達(dá)到同樣覆蓋,基于地面站的ADS-B子系統(tǒng)數(shù)目為平流層平臺(tái)數(shù)目的幾十倍(1000m高度覆蓋)甚至上千倍(覆蓋至地面),導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)難度大。(2)使用平流層平臺(tái)可大大減少信號(hào)延遲。(3)平流層ADS-B平臺(tái)覆蓋范圍不隨地面復(fù)雜地形和覆蓋的飛行高度的影響。(4)基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)可以減少輻射傷害和土地的使用。(5)對(duì)覆蓋海洋、偏遠(yuǎn)山區(qū)以及環(huán)境惡劣不便于布置地面站的地區(qū),且系統(tǒng)可以不受自然災(zāi)害的影響,可靠性高。(6)由于平流層飛艇普遍使用太陽(yáng)能等清潔、可再生能源,可以減少環(huán)境污染以及能源消耗。

        參考文獻(xiàn)

        [1]齊雁楠,王興隆,張召悅.基于北斗的ADS-B技術(shù)在我國(guó)通用航空中的應(yīng)用[J].航空計(jì)算技術(shù),2013,43(5):20-22.

        [2]程掣,朱代武.新一代空中交通管理系統(tǒng)[M].四川:西南交通大學(xué)出版社,2013.

        [3]程掣.中國(guó)實(shí)施ADS-B監(jiān)視的地面站部署分析[J].電訊技術(shù),2012,52(8);1227-1231.

        [4]張智強(qiáng).ADS-B地面站的規(guī)劃與建設(shè)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2011,2(4):27-30.

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