劉 旭 謝來陽
(民航中南空管局,廣東 廣州 510403)
ERA ADS-B系統(tǒng)在西沙群島的應(yīng)用
劉 旭 謝來陽
(民航中南空管局,廣東 廣州 510403)
文章介紹了ADS-B的原理特點,并與傳統(tǒng)的的航管雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了比較,闡述了在西沙群島設(shè)置ADS-B系統(tǒng)的必要性,同時介紹了引進(jìn)的美國ERA公司生產(chǎn)的ADS-B系統(tǒng)框架,對系統(tǒng)如何進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置和對系統(tǒng)接口部分如何進(jìn)行改進(jìn),最后對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)分析。
ADS-B;一次雷達(dá);二次雷達(dá);GPS;以太網(wǎng)
民航廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)是一種新興的空管監(jiān)視技術(shù),即航空器通過廣播模式的數(shù)據(jù)鏈,自動提供由機載導(dǎo)航設(shè)備和定位系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù),包括航空器識別、四維定位以及其他相關(guān)的附加數(shù)據(jù)。通常每500毫秒ADS-B設(shè)備廣播一次位置信息。本文介紹了ADS-B的原理特點,并與傳統(tǒng)的的航管雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了比較,闡述了在西沙群島設(shè)置ADS-B系統(tǒng)的必要性,同時介紹了引進(jìn)的美國ERA公司生產(chǎn)的ADS-B系統(tǒng)框架及相關(guān)的設(shè)置和改進(jìn)。
2.1原理
如圖1所示,ADS-B使用機載導(dǎo)航系統(tǒng),得到飛機精確的位置和速度信息,通過機載的電子設(shè)備自動廣播飛機的呼號、位置、高度、飛行速度、航向、告警特殊識別和其它一些參數(shù)。地面接收機和其他航空器可以接收此數(shù)據(jù),并用于各種用途,如在無雷達(dá)覆蓋地區(qū)提供ATC監(jiān)視,機場場面監(jiān)視以及未來空-空監(jiān)視等應(yīng)用服務(wù)。
圖1 ADS-B監(jiān)視示意圖
2.2技術(shù)特征
ADS-B具備以下技術(shù)特征:
Automatic自動:數(shù)據(jù)信息自動發(fā)射,不需要人工的操作,不需要地面的詢問。
D-Dependent相關(guān):信息全部基于機載數(shù)據(jù)。
S-Surveillance監(jiān)視:提供呼號、位置、高度、速度和其它用于監(jiān)視的數(shù)據(jù)。
B-Broadcast廣播:數(shù)據(jù)不是針對某個特殊的用戶,而是周期性的廣播給任何一個有合適裝備的用戶。
ADS-B是下一代空中交通系統(tǒng)(NextGen)的重要組成部分。在未來20年,ADS-B系統(tǒng)的實現(xiàn)將會使下一代空中交通系統(tǒng)變成現(xiàn)實。在美國,經(jīng)過多年的研究和開發(fā),并且通過在阿拉斯加通用航空領(lǐng)域和在愛荷華河谷航空運輸?shù)氖褂茫現(xiàn)AA決定在 2005年在全國航空系統(tǒng)投入使用 ADS-B技術(shù)。通過ADS-B,飛行員和管制員都可以看到由衛(wèi)星提供的更加精確的類似雷達(dá)目標(biāo)顯示的空中交通數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以實時更新,并且不會由于距離和覆蓋范圍的因素而失效。同時該系統(tǒng)還可以給飛行員提供氣象,覆蓋圖和飛行信息服務(wù)。有了這些強有力的數(shù)據(jù),飛行員可以駕駛飛機安全飛行到更遠(yuǎn)的一些缺少空中交通管制幫助的地方。
2.3與航管雷達(dá)監(jiān)視手段的比較
與民航現(xiàn)使用的一、二次雷達(dá)比較而言,ADS-B是相關(guān)的、合作式監(jiān)視系統(tǒng)。一次雷達(dá)是獨立的、非合作式監(jiān)視系統(tǒng),其可自主獲取目標(biāo)的監(jiān)視信息,被監(jiān)視目標(biāo)不需要安裝任何相關(guān)的設(shè)備。而二次雷達(dá)是獨立的、合作式監(jiān)視系統(tǒng)。二次雷達(dá)通過詢問和機載設(shè)備的應(yīng)答計算目標(biāo)的距離和方位角。S模式二次雷達(dá)則增強了飛機尋址和雙向數(shù)據(jù)鏈路功能。與一次雷達(dá)相比,二次雷達(dá)能夠提供更詳細(xì)的信息,但二次雷達(dá)無法監(jiān)視沒有安裝應(yīng)答機或應(yīng)答機失效的飛機。與二次雷達(dá)類似,ADS-B系統(tǒng)也需要航空器安裝相應(yīng)的機載設(shè)備。除位置信息外,ADS-B還提供速度和航向等信息。與雷達(dá)系統(tǒng)不同的是ADS-B的信息直接從機載設(shè)備中得到。
對于傳統(tǒng)的監(jiān)視系統(tǒng),如一次雷達(dá)和二次雷達(dá)網(wǎng)絡(luò),其自身的某些特點,造成了一些局限性:
(1)配置、維護和運營成本高:每臺設(shè)備一兩百萬到壹千萬美元,據(jù)FAA數(shù)據(jù),每年可高達(dá)2萬美元的維護成本。同時需要建設(shè)專門臺站,并且配置專線電力電纜和相應(yīng)配套的UPS和柴油發(fā)電機設(shè)備。系統(tǒng)安裝復(fù)雜,需要專業(yè)安裝機具,如站點設(shè)在邊遠(yuǎn)臺站,安裝條件相當(dāng)惡劣。
(2)性能的局限性:精確度和有效性受外部條件影響,由于系統(tǒng)特性,距離目標(biāo)越遠(yuǎn),特別是在雷達(dá)覆蓋范圍邊緣,精確度不高。
(3)如果有山脈或大型建筑物遮擋,造成某些區(qū)域無法完全覆蓋。
相比之下,ADS-B就具有以下優(yōu)點:
(1)低成本接收器;全方位覆蓋和系統(tǒng)冗余,價格不再昂貴;監(jiān)視范圍擴展到250海里范圍;采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)1090Mhz頻率。由于系統(tǒng)較簡單,安裝相當(dāng)簡便,有電源和一定容量的UPS即可,可安裝于邊遠(yuǎn)臺站,如遙控VHF臺,或移動通信基站等處。
(2)高精確度:精確度不受限于距離;數(shù)據(jù)每秒更新。
(3)可提供更多的信息:航空器的識別碼,可提供航向、速度,可作為預(yù)警處理的輸入信號。
正是由于以上特點和ADS-B技術(shù)的發(fā)展,澳大利亞基于對中西部地區(qū)飛行流量的預(yù)期和投資成本的核算,放棄了以航管雷達(dá)覆蓋澳洲大陸的意圖。取而代之的是,僅投資1000萬美元在中西部地區(qū)建設(shè)ADS-B監(jiān)視系統(tǒng),與現(xiàn)有航管雷達(dá)設(shè)施,組合成一個覆蓋澳洲全境高空的空中交通服務(wù)監(jiān)視系統(tǒng)。
2.4傳輸技術(shù)
目前ADS-B可選的數(shù)據(jù)鏈傳輸技術(shù)有Mode S 1090 ES、VDL MODE 4、UAT三種,對于機載設(shè)備,VDL MODE 4和UAT都需要加裝新的機載設(shè)備,而目前所有的商業(yè)運輸飛機的機載應(yīng)答機均裝備了S模式應(yīng)答機,若采用S模式1090 ES技術(shù),需要做的工作僅僅是升級應(yīng)答機軟件及加裝一條 GPS連線,不僅工作量小、簡單易行,而且從經(jīng)濟效益角度來講也有很大優(yōu)勢。鑒于國際民航組織亞太區(qū)的建議和在全球范圍內(nèi)的互操作性,我國在西部地區(qū)已安裝的ADS-B系統(tǒng)都使用了1090 ES作為ADS-B數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)。
21世紀(jì)初,民航空管單位為實現(xiàn)南中國海西沙群島周邊空域的雷達(dá)覆蓋,于西沙群島的某島嶼設(shè)立了由美國TELEPHONICS公司生產(chǎn)的一套小型單脈沖二次雷達(dá),但由于種種原因,雷達(dá)建設(shè)后在 150公里以外的空域覆蓋不太理想,出現(xiàn)了目標(biāo)丟失,目標(biāo)分裂及航跡擺動等現(xiàn)象。而ADS-B系統(tǒng)由于具有價格較低,使用維護成本不高的特點,只要地面沒有大型阻擋物,監(jiān)視范圍可達(dá)到 250海里。同時其系統(tǒng)簡單,安裝維護簡便。ADS-B系統(tǒng)天線采用鞭狀天線,不需要象航管二次雷達(dá)那樣的大型天線塔,因此安裝起來不會受到島上有關(guān)部門對建筑障礙物相關(guān)規(guī)定的影響。在ADS-B地空通信收發(fā)信機等設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)都已確定的前提下,ADS-B地面站覆蓋范圍的計算很大程度上取決于地球表面上的阻擋物,即地形的影響。只要將天線安裝于島上臺站的高點處,周邊無其他障礙物遮擋,則可基本滿足覆蓋要求。鑒于上述原因,空管單位基于西沙雷達(dá)建設(shè)難度大,成本投入高及維護難度大等方面的考慮,于前幾年在西沙群島某島設(shè)立ADS-B系統(tǒng),作為現(xiàn)有二次雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)的補充手段。
4.1系統(tǒng)框架
西沙ADS-B系統(tǒng)采用美國ERA公司生產(chǎn)的ADS-B系統(tǒng),系統(tǒng)框架圖如圖2所示。
圖2 Era ADS-B系統(tǒng)框架圖
西沙ADS-B系統(tǒng)由兩獨立冗余的ADS-B通道組成,即各個ADS-B單元單獨連接各自的ADS-B全向接收天線,GPS天線和SITE MONITOR天線(SQB天線),這兩個通道各自獨立,同時工作,互為備分。每個通道ADS-B單元由SSR接收機、GPS及診斷單元(GPSD)、測量單元、信號處理、控制單元、供電單元組成。
其中信號處理單元核心為一采用WINDOWS操作系統(tǒng)的微型計算機(RPU),其通過以太網(wǎng)把處理好的數(shù)據(jù)傳輸出去以及和監(jiān)控計算機進(jìn)行通信。本地監(jiān)控電腦(LCMS)放置于臺站現(xiàn)場,用于對 ADS-B設(shè)備和 GPS狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和對ADS-B目標(biāo)查看;遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦(RCMS),放置于三亞遠(yuǎn)端監(jiān)控站,用于對 ADS-B設(shè)備和 GPS狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和對ADS-B目標(biāo)查看。
4.2系統(tǒng)設(shè)置
系統(tǒng)所有硬件安裝完畢后,需要對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行一些必要的設(shè)置。系統(tǒng)開機各設(shè)備正常后,通過監(jiān)控終端LCMS或RCMS登陸到信號處理單元核心計算機 RPU,系統(tǒng)配置的CMS計算機上裝有遠(yuǎn)程登陸軟件,同時為了在CMS上能正常顯示目標(biāo)和監(jiān)控數(shù)據(jù),安裝調(diào)試時也必須對CMS進(jìn)行設(shè)置:
(1)RPU設(shè)置
在\Gua-rpu01ArchDir目錄下存放有系統(tǒng)保存的 ADS-B目標(biāo)ASTERIX CAT21類數(shù)據(jù);而在\Gua-rpu01DataRec目錄下存放了原始記錄數(shù)據(jù);在\Gua-rpu01ERARPUCFG目錄下打開mss.cfg文件,為確保安全,必須將原文件進(jìn)行備份,而且先將文件下載到本地電腦進(jìn)行設(shè)置,修改完后再上傳,主要修改的是文件中的reference point中的經(jīng)度(Latitude)、緯度(Longtitude)和高度(Height)信息,經(jīng)緯度以度為單位,高度以米為單位。將上述數(shù)據(jù)修改為安裝ADS-B的臺站GPS位置信息。
同時,如圖3所示,如果因為網(wǎng)絡(luò)原因需要更改RPU的計算機IP地址,則更改\Gua-rpu01ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-adsb”對應(yīng)的內(nèi)容,同時相應(yīng)更改RPU系統(tǒng)的IP地址,系統(tǒng)的信號輸出是通過以太網(wǎng)以廣播的的方式輸出,要更改信號輸出 IP地址和端口號的話,則更改\Gua-rpu01 ERARPUCFGmss.cfg文件“ip-out-ch01”對應(yīng)的內(nèi)容,“ip-out-ch01”地址為廣播的地址,一般沒有特殊要求不用更改。
圖3 RPU地址更改示意圖
(2)CMS計算機設(shè)置
CMS計算機同樣也是采用WINDOWS XP操作系統(tǒng),其與ADS-B設(shè)備的連接也是通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接,而其監(jiān)控軟件是通過WEB界面對ADS-B系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,因此該計算機的網(wǎng)絡(luò)IP也必須設(shè)為與RPU同一網(wǎng)段。通過WEB頁面監(jiān)控系統(tǒng)時,在IE瀏覽器上直接鍵入RPU地址即可,輸入RPU地址/4003端口則為顯示GPS診斷頁面,輸入RPU地址/8003端口則為顯示GPS狀態(tài)頁面。另外為保證能正常顯示目標(biāo),在 CMS的顯示軟件參數(shù)也必須設(shè)置中心點坐標(biāo),打開C:Program FilesERAMTdisplay目錄下的display.ini文件(進(jìn)行更改前必須對原文件進(jìn)行備份),對[center]、[station1]或[station2]的經(jīng)度、緯度進(jìn)行更改,經(jīng)緯度設(shè)置格式為度:分:秒。同時,為能顯示實時目標(biāo)或重放目標(biāo),在顯示程序的COMMUNICATION項目里的通道,通信方式、UDP端口和廣播地址設(shè)置要正確設(shè)置,如圖 4所示,需要注意的是這里的端口設(shè)置是16進(jìn)制數(shù),而在之前所述的RPU里參數(shù)文件設(shè)置的端口設(shè)置為10進(jìn)制數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)安裝和參數(shù)設(shè)置完畢后,系統(tǒng)需要重起使參數(shù)生效。
圖4 顯示程序Communication項參數(shù)設(shè)置圖
4.3系統(tǒng)改進(jìn)
在系統(tǒng)安裝設(shè)置完畢后,筆者發(fā)現(xiàn)與系統(tǒng)XC-5接口連接的SITE MONITOR(以下簡稱SQB)工作不正常,沒有信號,經(jīng)檢查,在SQB設(shè)備端測量輸入電壓為零,而斷開設(shè)備,在系統(tǒng)的接口XC-5處測量電壓正常,在排除了設(shè)備電纜及SQB本身設(shè)備故障的原因后,懷疑系統(tǒng)接口是否故障,但在系統(tǒng)的監(jiān)控單元上觀察,各模塊工作正常。于是,我們詳細(xì)查閱了廠家的技術(shù)資料和分析系統(tǒng)的電路圖,電路圖如圖5所示,發(fā)現(xiàn)了原廠家提供的安裝資料上注明SQB接在ADS-B主機框單元的XC-5接口,但其實內(nèi)部XC-5接口接線是接至電源模塊的電池接口,是不能用于接入負(fù)載的。于是,現(xiàn)場就對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行改裝,將機框內(nèi)部XC-5接線連接至內(nèi)部直流電源模塊輸出接線端,如圖 5所示。經(jīng)現(xiàn)場對系統(tǒng)內(nèi)部接線進(jìn)行改進(jìn)后,測量電壓正常,在原設(shè)計的 XC-5接口重新接回SQB設(shè)備電源線,此時設(shè)備工作正常,改進(jìn)試驗成功。
圖5 XC-5接口電路圖
據(jù)ERA廠家資料內(nèi)容,當(dāng)前2002年后生產(chǎn)的民用客機基本都安裝了ADS-B設(shè)備,而在越洋航班中,70%的航班都具備了ADS-B設(shè)備。在西沙ADS-B系統(tǒng)建成后,筆者在島上比較了西沙雷達(dá)和ADS-B顯示的航路飛行目標(biāo)數(shù),統(tǒng)計方法是在某個時間點上,在雷達(dá)系統(tǒng)和ADS-B系統(tǒng)的有效覆蓋范圍內(nèi),觀察比較雷達(dá)顯示和ADS-B系統(tǒng)顯示的航空器目標(biāo)數(shù),計算ADS-B系統(tǒng)顯示的目標(biāo)占雷達(dá)顯示目標(biāo)的百分比,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示,從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上可以看到在ADS-B上顯示的目標(biāo)數(shù)基本都達(dá)到雷達(dá)顯示目標(biāo)數(shù)的 60%以上,平均為63.62%。
表1 西沙ADS-B與雷達(dá)顯示目標(biāo)數(shù)統(tǒng)計表
同時,筆者也對雷達(dá)與ADS-B系統(tǒng)顯示的同一目標(biāo)進(jìn)行了跟蹤,在有效覆蓋范圍內(nèi)對接收回來的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,相同類型的參數(shù)數(shù)據(jù)基本一致,而在某些原雷達(dá)覆蓋性能不良區(qū)域,雷達(dá)顯示目標(biāo)丟失,而ADS-B系統(tǒng)仍然可以持續(xù)跟蹤目標(biāo)。
通過航班跟蹤統(tǒng)計得到西沙ADS-B信號能比較穩(wěn)定地覆蓋到330 km以內(nèi)的目標(biāo),350 km以外覆蓋稍差,最遠(yuǎn)覆蓋范圍可達(dá)420 km。
通過以上的數(shù)據(jù)比較分析,表明西沙設(shè)立ADS-B系統(tǒng)能基本滿足民航管制的要求,今后可以把兩種監(jiān)視系統(tǒng)在同一顯示器上顯示,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互補, 如飛機的ADS-B設(shè)備或應(yīng)答機故障,地面的顯示器也能監(jiān)控,這樣極大地提高了監(jiān)控系統(tǒng)的能力,也進(jìn)一步整合了二次雷達(dá)和ADS-B 監(jiān)控系統(tǒng)的資源同時也對原二次雷達(dá)系統(tǒng)做了強有力的補充。
西沙 ERA ADS-B系統(tǒng)安裝至今整體運行平穩(wěn)、安全可靠,彌補了三亞管制區(qū)在南海區(qū)域的監(jiān)視盲區(qū),為管制服務(wù)提供了極為有力的技術(shù)支撐和保障,同時也為ADS-B監(jiān)視技術(shù)的應(yīng)用和推廣積累了極為珍貴的技術(shù)資料和寶貴的經(jīng)驗。ADS-B新技術(shù)的在三亞管制區(qū)的成功應(yīng)用,將對航空器提供更小的間隔,擴大海南地區(qū)空域容量,提高安全運行水平發(fā)揮積極作用。
近幾年,隨著科技和經(jīng)濟的發(fā)展,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也日益完善,民用航空器的ADS-B設(shè)備已成為必備設(shè)備。相信隨著ADS-B技術(shù)的發(fā)展,將會有越來越多的航班裝備ADS-B設(shè)備,作為現(xiàn)有二次雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)的補充手段的西沙ADS-B系統(tǒng)將會扮演更加重要的角色。
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ERA ADS-B system application in Xisha islands
This paper introduced the theory & characteristic of ADS-B system and compared with normal radar system. And also the necessity of ADS-B system in Xisha islands is discussed. After that we give the details about the system frame diagram, configuration and adjustment of ERA ADS-B system installed in Xisha islands. In the end we discussed about the target quality of ERA ADS-B system by analysing the data from the comparison with the radar targets.
ADS-B; PSR; SSR; GPS; ethernet
V37
A
1008-1151(2015)09-0007-04
2015-08-13
劉旭(1972-),男,民航中南空管局工程師,從事民航空管通信、導(dǎo)航及監(jiān)視系統(tǒng)安裝、維修及研究工作;謝來陽(1975-),男,民航中南空管局高級工程師,從事民航空管通信、導(dǎo)航及監(jiān)視系統(tǒng)安裝、維修及研究工作。