龔少麟　沈昌力　朱　昊

(中國電子科技集團公司第二十八研究所　南京　210007)

基于ADS-B的沿海低空監(jiān)視系統(tǒng)的設計

龔少麟沈昌力朱昊

(中國電子科技集團公司第二十八研究所南京210007)

摘要面向低空、沿海、山區(qū)等雷達探測系統(tǒng)難以覆蓋的區(qū)域,提出了一種分布式ADS-B監(jiān)視服務解決方案。該方案采用自主研制的ADS-B傳感器靈活組建分布式傳感器網(wǎng)絡,并利用3G網(wǎng)絡構(gòu)建能夠覆蓋沿海區(qū)域的低空空域監(jiān)視服務系統(tǒng),為救助直升機的沿海飛行任務提供實時監(jiān)視。該方案具有低成本、易安裝、可靠性高、擴展性強等特點,具有較好的應用前景和推廣價值。

關(guān)鍵詞空域監(jiān)視; 傳感器網(wǎng)絡; ADS-B

Class NumberTP303

1引言

目前,國內(nèi)在沿海組建了多個飛行救助大隊,主要擔負中國水域發(fā)生的海上事故的應急反應、人命救助、船舶和財產(chǎn)救助的職責。東海第二飛行救助大隊地處廈門,擁有B-7310和B-7106共兩架救助直升機,主要承擔我國臺灣海峽及福建沿海范圍內(nèi)的海上救助工作。由于廈門地區(qū)山丘較多,地形復雜,而傳統(tǒng)的低空監(jiān)視系統(tǒng)容易受到高層建筑、地形遮擋的影響,無法對救助直升機的飛行活動進行全程監(jiān)視,因此急需采用先進的探測手段來解決救助直升機在沿海救助過程中,監(jiān)控中心能夠“看得見”的問題。

ADS-B[1～2]技術(shù)是新一代空管系統(tǒng)的重要監(jiān)視技術(shù)之一,相對雷達監(jiān)視技術(shù)具有精度高、實時性強、成本低等特點,ICAO、FAA都非常重視ADS-B技術(shù)的發(fā)展和應用。隨著航空事業(yè)的迅猛發(fā)展、低空空域管理改革的深化,ADS-B技術(shù)將在我國傳統(tǒng)空管領(lǐng)域、迅速發(fā)展的通航領(lǐng)域獲得廣泛的應用。

本方案基于自主研發(fā)的ADS-B傳感器,組建覆蓋福建沿海范圍內(nèi)的ADS-B傳感器網(wǎng)。該傳感器具有成本低、體積小、功耗低的特點,安置簡單方便,可借助現(xiàn)有的移動通信基站進行部署。同時,傳感器采用3G無線方式與監(jiān)控中心進行通信。監(jiān)控中心能夠?qū)Σ杉腁DS-B實時數(shù)據(jù)進行去冗余、報文解算等處理,形成航跡信息,提高了海上態(tài)勢感知能力,加強了指揮中心和救助直升機的溝通和協(xié)作,使救助飛行隊能夠更有效地完成各種海上救助任務。

2低空監(jiān)視技術(shù)比較

目前國內(nèi)現(xiàn)有的低空監(jiān)視系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)雷達探測系統(tǒng),一體化ADS-B地面站監(jiān)視系統(tǒng)以及多點定位(MLAT)等[3]。傳統(tǒng)的雷達探測系統(tǒng)由于本身的局限性,其安裝與維護成本很高,且一旦安裝后不易進行范圍擴展。現(xiàn)有的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)[4～5]一般是單天線系統(tǒng),天線接收機與數(shù)據(jù)處理設備一體式設計,系統(tǒng)建設成本較高,且安裝部署受地理位置影響較大,不利于擴展。多點定位[6]需要通過GDOP(幾何精度因子)來進行布站規(guī)劃和基站優(yōu)選,以此提高解算精度,受地形影響較大。

本方案可以根據(jù)地形需要,分布式架設多個ADS-B接收傳感器,并通過3G網(wǎng)絡將接收的ADS-B信號實時傳送至監(jiān)控中心,監(jiān)控中心對采集的ADS-B數(shù)據(jù)進行處理、融合,構(gòu)成覆蓋低空空域的綜合態(tài)勢。表1列出了幾種低空監(jiān)視方案的優(yōu)缺點比較。

表1　低空監(jiān)視方案比較

3系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體組成如圖1所示,主要包括機載設備、ADS-B傳感器網(wǎng)、監(jiān)控中心三大組成部分。機載設備安裝在飛機上,包括傳統(tǒng)的二次雷達應答機以及ADS-B機載設備兩種。ADS-B傳感器負責實現(xiàn)原始信息的采集,可以通過有線或者無線方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由數(shù)據(jù)處理單元與監(jiān)控維護單元兩部分組成。數(shù)據(jù)處理單元將采集到的原始數(shù)據(jù),經(jīng)過匯聚、處理、融合,生成ADS-B航跡信息,并以標準格式上報給指揮控制系統(tǒng)。同時,監(jiān)控維護單元負責監(jiān)視空域綜合態(tài)勢的實時顯示以及對系統(tǒng)設備狀態(tài)的監(jiān)控和維護。

圖1　系統(tǒng)總體組成圖

3.2ADS-B傳感器設計

3.2.1ADS-B傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。射頻天線用于接收1090MHz頻段的ADS-B與二次雷達信號,通過中頻處理模塊進行混頻、濾波、放大后輸出到下級模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊進行采樣。采樣后的數(shù)字基帶信號由FPGA中的基帶處理模塊進行解調(diào)。GPS模塊用于提供傳感器的位置信息,網(wǎng)絡模塊用于傳感器與后臺之間的通信,而FPGA中的NIOS處理器則起到核心控制單元的作用。

圖2　傳感器總體結(jié)構(gòu)

無線網(wǎng)絡接入采用3G APN+Internet接入技術(shù),各傳感器利用加裝的3G卡與當?shù)貭I運商連接,利用營運商組建的APN網(wǎng)絡與監(jiān)控中心互聯(lián)。

3.2.2ADS-B傳感器關(guān)鍵技術(shù)

1) 超外差接收機

超外差接收機是利用本地產(chǎn)生的振蕩載波與輸入信號混頻,將輸入信號頻率變換為某個預先確定的頻率的方法。這種接收方式的性能優(yōu)于高頻(直接)放大式接收,所以至今仍廣泛應用于遠程信號的接收,并且已推廣應用到測量技術(shù)等方面[7]。

超外差的結(jié)構(gòu)如圖3。本地振蕩器產(chǎn)生頻率為f1的等幅正弦信號,輸入信號是一中心頻率為fc的已調(diào)制頻帶有限信號,通常f1>fc。這兩個信號在混頻器中變頻,輸出為差頻分量,稱為中頻信號,f0=f1-fc為中頻頻率。

圖3　超外差接收機原理框圖

2) 基于NIOS的SOPC技術(shù)

可編程片上系統(tǒng)(System-on-a-Programmable-Chip,SOPC)[8],用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊芯片上,是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。SOPC結(jié)合了SOC和PLD、FPGA的優(yōu)點,具有靈活的設計方式,低成本,低功耗,可裁減、可擴充、可升級,滿足了ADS-B傳感器的設計需求。

本方案采用Altera公司推出的基于其公司旗下FPGA的Nios[9]嵌入式處理器,屬于FPGA嵌入式IP軟核的應用。開發(fā)硬件平臺采用Altera Stratix Ⅲ系列,軟件平臺采用Quartus Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。

3.3監(jiān)控中心的設計

ADS-B監(jiān)控中心負責接收多路ADS-B實時數(shù)據(jù),經(jīng)過匯聚、融合處理后形成航跡信息,以標準格式輸出給外部系統(tǒng)。ADS-B監(jiān)控中心邏輯組成圖4所示。

圖4　監(jiān)控中心邏輯組成圖

ADS-B監(jiān)控中心軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、多點定位、態(tài)勢顯示、記錄回放、監(jiān)控維護、數(shù)據(jù)服務七個功能模塊(見圖5)。

3.3.1數(shù)據(jù)采集

監(jiān)控中心可以同時接收數(shù)十路接收機采集的數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)信息包括ADS-B報文、SSR報文以及傳感器狀態(tài)報文等。同時,ADS-B傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息是進行加密處理的,因此監(jiān)控中心需要對接收到的報文信息進行相應的解密處理。

圖5　ADS-B監(jiān)控中心軟件組成圖

3.3.2數(shù)據(jù)融合

監(jiān)控中心能夠?qū)邮盏降腁DS-B原始數(shù)據(jù)進行報文解析的處理工作。同時,多路ADS-B原始數(shù)據(jù)存在大量冗余信息,因此需要進行去冗余處理,并進行航跡平滑處理,最終形成航跡信息。

3.3.3態(tài)勢顯示

能夠?qū)崟r顯示附近空域的飛機目標的位置以及移動軌跡。能夠顯示二維全國地圖,地圖具有放大、縮小、漫游、測距、位置標繪、區(qū)域標繪功能。目標具有標牌顯示、標牌拖動功能。標牌內(nèi)容包括航班號、高度、速度等基本信息。可以通過飛行高度層,距離范圍信息對目標進行過濾。

3.3.4記錄回放

監(jiān)控中心可以記錄所有輸入報文數(shù)據(jù)、輸出報文數(shù)據(jù)、設備的狀態(tài)報告以及系統(tǒng)故障報告日志。可以選擇時間段將記錄的數(shù)據(jù)進行回放,從而便于監(jiān)控人員進行飛行器歷史航跡分析。

3.3.5監(jiān)控維護

監(jiān)控維護包括傳感器監(jiān)控和系統(tǒng)監(jiān)控兩部分。傳感器監(jiān)控可以對傳感器的工作狀態(tài)、時延、流量等參數(shù)進行遠程實時監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)故障可以及時安排人員進行更換。系統(tǒng)監(jiān)控可以對服務器、交換機等設備的運行狀態(tài)、系統(tǒng)軟件的運行狀態(tài)以及鏈路狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

3.3.6數(shù)據(jù)服務

監(jiān)控中心可以將處理后的航跡數(shù)據(jù)以標準格式實時輸出給指揮中心,輸出格式和內(nèi)容符合EUROCONTROL ASTERIX Category021標準,并具有擴展能力,支持TCP/IP和HDLC兩種方式傳輸協(xié)議。

4系統(tǒng)功能特點

盡管新一代的飛機都安裝了ADS-B天線,但還有相當數(shù)量服役多年的飛機未安裝ADS-B天線。因此,系統(tǒng)接收機能夠完全兼容SSR和ADS-B下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路,可以接收和解碼飛機的SSR代碼和ADS-B代碼。系統(tǒng)使用的ADS-B接收傳感器網(wǎng)絡,具有低成本、易安裝、可擴展性強、可靠性強等特點。

4.1低成本易安裝

ADS-B傳感器采用高度集成的嵌入式系統(tǒng),相比傳統(tǒng)雷達具備絕對的成本優(yōu)勢。傳感器體積較小,實物如圖6所示,可以很容易地安裝在現(xiàn)有的通信塔上、跑道附近或其他高層建筑物上。此外,傳感器網(wǎng)絡采用防雨防雷設計,配置靈活,易于擴展,耐用性高,可以適用于大多數(shù)戶外環(huán)境。

圖6　ADS-B傳感器實物圖

4.2可擴展性強

傳統(tǒng)的雷達探測系統(tǒng)由于本身的局限性,其安裝與維護成本很高,且一旦安裝后不易進行范圍擴展。現(xiàn)有的ADSB監(jiān)視系統(tǒng)一般是單天線系統(tǒng),天線接收機與數(shù)據(jù)處理設備為一體化設計,系統(tǒng)建設成本較高,且安裝部署受地理位置影響較大,不利于擴展。而分布式多天線ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)采用5db內(nèi)置天線與接收機組合在一起并前移為室外部件,采用3G無線方式與監(jiān)控中心進行通信,傳感器安置靈活簡單,可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)擴展。

4.3可靠性高

受高山、建筑物和地形影響,傳統(tǒng)雷達監(jiān)視系統(tǒng)無法實現(xiàn)探測區(qū)域的全覆蓋。例如,機場盲區(qū)主要出現(xiàn)在候機樓附近和被高大建筑/山體遮擋的區(qū)域,要覆蓋上述盲區(qū),需要在適當?shù)奈恢迷僭鼋ㄐ碌睦走_塔,并安裝一次場面監(jiān)視雷達以解決盲區(qū)問題,但是價格將成倍增加。而ADS-B接收傳感器成本遠低于傳統(tǒng)雷達,只要在盲區(qū)附近增加ADS-B傳感器就可以解決該盲區(qū)的覆蓋,可以有效地進行補盲。單站和多站的效果對比如圖7所示。

ADS-B傳感器網(wǎng)絡的可靠程度也是單個雷達所不具備的,多個ADS-B傳感器互為冗余,在有站點發(fā)生故障或者遇到遮擋而無法接收到目標信號時,通過其他傳感器獲得的信號進行補盲。各個站點可以通過多種通訊手段與監(jiān)控中心通信,因此監(jiān)控中心可以放在安全系數(shù)相對高的位置。這樣的性能優(yōu)勢使其不易受惡劣天氣的影響,即使有大規(guī)模自然災害發(fā)生,分布式ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)要比傳統(tǒng)雷達更可靠。

圖7　單站和多站效果對比圖

5應用效果

本系統(tǒng)在廈門東海第二救助大隊進行了安裝部署、功能驗證,取得滿意效果(見圖8)。由于廈門沿海山丘較多,地形復雜,當救撈直升機在沿海低空作業(yè)時,傳統(tǒng)的監(jiān)視方式無法滿足對救助直升機實時監(jiān)視的需求。而本系統(tǒng)利用在海岸線移動通信基站部署數(shù)個ADS-B傳感器,通過3G方式將救助直升機發(fā)送的ADS-B數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心,監(jiān)控中心將接收到的ADS-B原始數(shù)據(jù)處理后得到的航跡信息上報給指揮中心,可以有效對救助直升機進行實時監(jiān)控和指揮。

圖8　救助直升機飛行航跡

6結(jié)語

傳統(tǒng)雷達探測系統(tǒng)難以覆蓋低空、機場、山區(qū)等區(qū)域,基于分布式多天線ADS-B監(jiān)視服務系統(tǒng)能夠有效解決這個問題。本方案具備低成本、易安裝、可擴展性強、可靠性強等特點,可以滿足復雜地形下對空中目標實時監(jiān)視的需求。目前,系統(tǒng)已經(jīng)研制完成,并已安裝部署,試運行效果良好。在今后的研究中,將引入軟件無線電技術(shù)[10]來進一步增強ADS-B傳感器的性能,提高集成度,縮小體積同時降低成本。

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Coastal Low Altitude Surveillance System Based on ADS-B

GONG ShaolinSHEN ChangliZHU Hao

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing210007)

AbstractA surveillance service solution based on ADS-B distributed sensor is proposed for low altitude, airports and mountain area which radar detection system are difficult to cover. The proposed scheme is based on the ADS-B sensor, which is used to construct a distributed sensor network, and the 3G network can be used to construct the low altitude airspace surveillance system, which can provide real-time monitoring for the rescue helicopter. The scheme has the characteristics of low cost, easy installation, high reliability and strong expansibility, so it has good application prospect and popularization value.

Key Wordsairspace monitoring, sensor network, ADS-B

收稿日期:2015年12月10日,修回日期:2016年1月16日

作者簡介:龔少麟,男,碩士,高級工程師,研究方向:系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和傳感器網(wǎng)絡。沈昌力,男,碩士,工程師,研究方向:圖像處理技術(shù)和計算機網(wǎng)絡。朱昊,男,碩士,助理工程師,研究方向:傳感器網(wǎng)絡。

中圖分類號TP303

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.043