李春雷

【摘 要】近年來，隨著民航強國戰(zhàn)略的實施，我國民航業(yè)發(fā)展迅速，急需進一步提升空域監(jiān)視能力。廣播自動相關監(jiān)視（ADS-B）和多點定位（MLAT）等新技術相較于傳統(tǒng)雷達，在臺站建設、精度、數(shù)據(jù)更新速率及系統(tǒng)功能上都有很大改善，未來將廣泛應用于航路、進近及場面監(jiān)視，進一步提升新監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性，提供更高質(zhì)量的監(jiān)視服務能力，也是科研人員需要繼續(xù)探索的問題。

【關鍵詞】監(jiān)視；自動相關監(jiān)視；多點定位系統(tǒng)；應用分析

0 引言

監(jiān)視（Surveillance）作為空中交通管理的基礎，為空中交通管理系統(tǒng)提供航空器的實時動態(tài)信息，管制員利用監(jiān)視信息判斷、跟蹤空中航空器和機場場面動目標位置，獲取監(jiān)視目標識別信息，掌握航空器飛行軌跡和意圖、航空器間隔等。近年來，中國民航事業(yè)發(fā)展迅猛，整體水平不斷提升，特別國內(nèi)低空空域的逐漸開放意味著通用航空即將迎來快速發(fā)展的時期，屆時低空飛行活動的數(shù)量將會大量增加，空管監(jiān)視的保障能力急需適應發(fā)展需求，加強對全國各航路（線）及終端監(jiān)視覆蓋，進一步減少盲區(qū)，增強空管保障能力是當前空管監(jiān)視工作的重點。

1 我國空域監(jiān)視現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀概述

我國東部沿海地區(qū)的空域特點為空中交通流量大，飛行密度高，空域結(jié)構復雜，目前雷達系統(tǒng)的在航跡更新頻率和監(jiān)視精度方面的表現(xiàn)有待提高。隨著航路數(shù)量的增加，空域越來越密集，雷達監(jiān)視管制的壓力越來越大，便迫切需要能夠提供更優(yōu)秀監(jiān)視性能的航管監(jiān)視技術。我國西部部分地區(qū)雖然空域充足，但相應的地域遼闊、地形多樣，而雷達設備體積龐大、部署難度大、投入成本高，雷達站設備的運輸以及后續(xù)的設備維護和人員保障都存在很大的困難。而且在許多山區(qū)和偏遠地區(qū)，不僅，很難滿足雷達臺站建設的環(huán)境要求，也無法提供人員保障、電力供給，這些問題是雷達系統(tǒng)設備建設的客觀困難。同時，許多支線機場航空運輸均將保持快速增長，并且可能新增航路，而現(xiàn)有雷達系統(tǒng)覆蓋率不足，且受選址條件嚴格，建設周期較長等因素影響，迫切需要監(jiān)視新技術提供監(jiān)視補盲與備份，提升監(jiān)視覆蓋及冗余備份能力。

1.2 監(jiān)視技術比較

目前應用于空中交通管制服務的監(jiān)視技術主要有雷達（PSR、SSR）、自動相關監(jiān)視（ADS）和多點定位系統(tǒng)（MLAT）。

1）空管監(jiān)視雷達為傳統(tǒng)監(jiān)視技術，受限于視距傳播，易受到周邊地理位置、電磁環(huán)境等因素的影響，覆蓋范圍相對較小，且造價昂貴，臺站一般需要有人值守，建設、維護成本高。

2）自動相關監(jiān)視（ADS）利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）提供監(jiān)視目標信息，定位精度高，數(shù)據(jù)更新率快，建設、運行維護成本低，但由于其依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）對目標進行定位，本身不具備對目標位置的驗證功能，如果航空器給出的位置信息有誤，自動相關監(jiān)視地面站設備（系統(tǒng)）無法辨別；當全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)無法提供正常的定位導航服務時，廣播式自動相關監(jiān)視（ADS）系統(tǒng)由于收不到導航定位信息，ADS系統(tǒng)無法正常提供飛機的定位信息。

3）多點定位（MLAT）系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)刷新時間短，不增加額外的機載設備即可提供高精度的定位導航服務，建設、運行維護成本低。但MLAT系統(tǒng)的缺點是定位數(shù)據(jù)精度取決于地面基站的位置精度、基站的幾何分布以及時間同步等因素。根據(jù)國際民航組織對亞太地區(qū)監(jiān)視戰(zhàn)略的建議，在航路（線）、終端區(qū)域和機場場面，多點定位系統(tǒng)可替代其他監(jiān)視系統(tǒng)或作為其他監(jiān)視系統(tǒng)的補充。

2 監(jiān)視新技術介紹

2.1 自動相關監(jiān)視

廣播式自動相關監(jiān)視ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）技術的基本原理是飛機將機載導航設備確定的飛機位置信息及其他相關信息按照標準組成 ADS-B 報文，通過1090ES數(shù)據(jù)鏈或者其他數(shù)據(jù)鏈，按照一定的時間間隔進行廣播式發(fā)送，ADS-B地面站接收到 ADS-B 報文后，對報文進行分析和解碼，利用ADS-B系統(tǒng)的連接網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到 ADS-B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基站，在數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)進行后期的處理，數(shù)據(jù)經(jīng)處理傳送到相關用戶的顯示和提示系統(tǒng)中。

ADS-B系統(tǒng)包括飛機的機載ADS-B系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及地面ADS-B系統(tǒng)，如圖1所示。

飛機的機載ADS-B系統(tǒng)主要由兩部分組成：收發(fā)裝置和飛機運行參數(shù)測量計算裝置，根據(jù)功能可分為發(fā)送（OUT）和接收（IN），IN和OUT功能都是基于數(shù)據(jù)鏈通信技術。飛機運行參數(shù)測量計算裝置主要為飛機自身裝載的傳感設備和控制單元，測量參數(shù)包括飛機運行的航行方向、速度、高度、氣象信息（如溫度、濕度）等信息。接收和發(fā)送裝置包括信息接收設備和信息廣播設備。信息接收裝置，一方面，接收導航衛(wèi)星傳送的信息，另一方面，接收地面站以及其他飛機傳送的ADS-B信息。

地面ADS-B系統(tǒng)向航空器提供兩種廣播服務，一種是空中交通信息服務廣播（Traffic Information Service Broadcast，TIS-B），另一種廣播服務是飛行信息服務廣播（Flight Information Service Broadcast，F(xiàn)IS-B）。如圖2所示，TIS-B廣播服務中，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B位置數(shù)據(jù)鏈報文）、地面雷達監(jiān)視系統(tǒng)和其他監(jiān)視設備的數(shù)據(jù)，并將采集的原始數(shù)據(jù)傳送到空中交通信息服務廣播服務器。TIS-B服務器接收并將SDPS的數(shù)據(jù)融合生成空中交通信息，發(fā)送到空域中的各航空器并展示在駕駛艙交通信息顯示CDTI（Cockpit Display of Traffic Information），為飛行員提供空域附近的交通信息。

如圖3所示，F(xiàn)IS-B廣播服務中，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)鏈報文），并將采集的原始數(shù)據(jù)傳送到飛行信息服務廣播（FIS-B）服務器。FIS-B服務器接收并將SDPS的數(shù)據(jù)融合生成飛行氣象信息，發(fā)送到空域中的各航空器。

ADS-B數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括實際系統(tǒng)的物理連接設備和通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)中采用的通信協(xié)議必須能夠解決數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)送方與接收方的數(shù)據(jù)兼容性和通用性問題。目前，有三種主流ADS-B數(shù)據(jù)鏈路：分別為甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4（VDL Mode 4），通用訪問收發(fā)機（UAT）和S模式1090兆擴展電文譜。從技術層面上來說，三種數(shù)據(jù)鏈均可實現(xiàn)對ADS-B系統(tǒng)的支持，其中UAT的空對空性能在高密度和低密度的情況下的表現(xiàn)要優(yōu)于其他兩種；VDL-4模式在機場地面方面的監(jiān)視性能更加優(yōu)異；而1090ES的最大優(yōu)點是原有的S模式應答機可以升級為支持ADS-B系統(tǒng)的載體。而且1090ES模式是目前唯一實現(xiàn)標準化的ICAO鏈路技術，是三種模式中唯一獲得了全球無線電頻譜批準的鏈路模式。

結(jié)合我國現(xiàn)狀，對1090ES和UAT鏈路進行對比。UAT模式鏈路的應用有較大的困難和不確定性，主要原因如下：一是，UAT所采用的頻段在頻譜規(guī)劃中存在沖突；二是，采用雙模式數(shù)據(jù)鏈將使系統(tǒng)構成復雜，數(shù)據(jù)處理量大，延時較高，難以實現(xiàn)預定功能；三是，建設與運行成本相對較高。雖然1090ES目前存在速率較低、信息量小、上行鏈路涌塞等技術難點，需要在技術上進一步完善，但1090ES作為國際民航組織在亞太地區(qū)推薦的單一數(shù)據(jù)鏈模式，相對于UAT模式，在今后的實施和運行使用等方面仍有較大優(yōu)勢。中國國民航在下一步的ADS-B地面站建設中已明確采用1090ES模式鏈路，基于1090ES鏈路模式的地面站是現(xiàn)階段ADS-B系統(tǒng)建設的不二之選，但并不排除在以后的發(fā)展中需要采用其他的鏈路形式的可能性。

2.2 多點定位系統(tǒng)

MLAT（Multilateration）系統(tǒng)利用多個地面接收機接收飛機的機載應答信號的時間差確定飛機的具體位置并對目標進行跟蹤。MLAT系統(tǒng)包括遠端基站、校標系統(tǒng)、地面中心站和飛行動態(tài)顯示系統(tǒng)組成，如圖4所示，遠端基站根據(jù)工作模式由接收機或接收機和發(fā)射機組成。

遠端基站主要用于接收飛機發(fā)送的信號，對飛機信號進行解碼處理，記錄信號到達時間。MLAT系統(tǒng)分為主動式和被動式，兩者的區(qū)別在于：被動式MLAT系統(tǒng)僅僅由接收機組成，而主動式MLAT系統(tǒng)包括一個或多個發(fā)射天線，發(fā)射天線向飛機的二次應答機發(fā)射詢問信號，飛機詢問不依賴于其他進行詢問的發(fā)射源，實現(xiàn)目標無應答區(qū)域的詢問補充，達到目標更新率的提高。

地面中心站綜合各遠端基站的信息，在服務器中對接收數(shù)據(jù)進行多徑處理，計算飛機的目標位置并對目標進行跟蹤、產(chǎn)出輸出數(shù)據(jù)包括點跡和航跡、發(fā)射輸出數(shù)據(jù)、根據(jù)交通狀況估計詢問、產(chǎn)生詢問請求、向為特定的發(fā)射站發(fā)射詢問請求以及刪除內(nèi)存中處理過的共享數(shù)據(jù)等。

校標系統(tǒng)通過將遠端基站與校標系統(tǒng)的時間同步，達到將多個遠端基站之間的同步目的，校標系統(tǒng)提供了高準確度、精度和高可靠性的系統(tǒng)同步和系統(tǒng)內(nèi)部測試功能。

飛行動態(tài)顯示系統(tǒng)用于在顯示終端設備中對飛機的動態(tài)進行顯示，與此同時，飛機動態(tài)顯示系統(tǒng)還具有監(jiān)控飛行動態(tài)、記錄和存儲數(shù)據(jù)、顯示飛機航跡以及系統(tǒng)啟動，同時可以遠程監(jiān)視地面站的狀態(tài)信息并實現(xiàn)遠程參數(shù)設置、故障診斷、軟硬件升級維護等控制功能。

MLAT系統(tǒng)的關鍵技術之一是TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）定位技術。目標信號到兩個天線間的時間差形成一條能夠確定飛機位置的雙曲面（三維空間）。當四個天線發(fā)現(xiàn)飛機信號后，可以通過計算雙曲面的交叉點得出飛機的三維位置。當僅有三個天線可用時，不能直接判斷出三維位置，但如果可以通過其它信息獲知高度，也能夠計算出目標位置，即變成了二維的問題。在使用大氣壓高度（模式C）時，由于氣壓高度在不同地理位置存在一定差別，不能精確估計出目標的位置。當多于4個天線時，多余信息既可用于校準其它測量的正確性又可以從所有測量中計算出一個平均位置，這將可以全面減小誤差。

2.3 監(jiān)視新技術應用分析

為了適應發(fā)展需求，我國民航積極推進監(jiān)視新技術的研究與應用，并進行了大量的前期試驗。

我國民航在西南、中南等地建設完一系列ADS-B臺站并投入試運行，實踐證明，ADS-B新技術的應用增加了空域容量，加速了飛行流量，減少了航班延誤，在ADS-B、二次雷達混合覆蓋區(qū)域，實驗中出現(xiàn)過ADS-B信號分裂時雷達信號正常顯示，雷達信號丟失時ADS-B信號正常顯示的情況，驗證了雷達系統(tǒng)和ADS-B系統(tǒng)互為備份監(jiān)視手段的重要性和可行性。

MLAT作為監(jiān)視新技術，系統(tǒng)具有工作原理與雷達和ADS-B完全不同，設備占用空間小、投資少的優(yōu)點，我國目前已經(jīng)在部分地區(qū)開展了MLAT系統(tǒng)試驗研究。MLAT系統(tǒng)利用現(xiàn)有機載標準應答機，無需加裝其它機載導航設備即完成定位監(jiān)視，MLAT系統(tǒng)能夠適用各種環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)對低海拔區(qū)域復雜環(huán)境的覆蓋，能夠與使用標準協(xié)議和通信設備的各種系統(tǒng)連接，并能夠處理飛行計劃系統(tǒng)（FPS）數(shù)據(jù)，送至塔臺顯示、A-SMGCS、TIS-B服務器、交通管理單元、航線運行、機場運行的數(shù)據(jù)和送至用戶支持中心監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

廣播自動相關監(jiān)視（ADS-B）和多點定位（MLAT）等新技術相較于傳統(tǒng)雷達，在臺站建設、精度、數(shù)據(jù)更新速率及系統(tǒng)功能上都有很大改善，隨著技術的逐漸成熟，未來將廣泛應用于航路、進近及場面監(jiān)視。

3 結(jié)語

我國地域遼闊，地形多樣，空域復雜，必須承認實現(xiàn)空域監(jiān)視全覆蓋困難是客觀存在的，特別是通用航空對于低空監(jiān)視要求較高，因山區(qū)等地形因素的影響，傳統(tǒng)監(jiān)視雷達很難實現(xiàn)全區(qū)域監(jiān)視信號的連續(xù)覆蓋。ADS-B地面基站的對飛行器的定位信息是基于衛(wèi)星系統(tǒng)，對周邊環(huán)境的要求低，設備小巧易安置，相對雷達受地形因素影響較小，但由于其本身不具備對目標位置的驗證功能，系統(tǒng)易受外部影響，同時其定位依賴美國GPS系統(tǒng)，在GPS系統(tǒng)失效或有人為干擾的情況下，該系統(tǒng)將不能提供有效精度的定位信息，ADS-B系統(tǒng)一旦我國大面積投產(chǎn)使用，運行安全風險不容忽視。多點定位（MLAT）不增加額外的機載設備即可提供高精度的定位服務，建設、運行維護成本低，但MLAT系統(tǒng)的缺點是定位數(shù)據(jù)精度取決于地面基站的位置精度、基站的幾何分布等因素影響。因此，未來綜合各監(jiān)視技術的優(yōu)勢，促進全面監(jiān)視體系的形成是監(jiān)視技術的發(fā)展趨勢。

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[責任編輯：田吉捷]