張鑫

摘要：民航業(yè)飛速發(fā)展，機(jī)場流量不斷增大，管制員監(jiān)視機(jī)場場面的技術(shù)也不斷更新?lián)Q代，本文討論了幾種最主流的機(jī)場場面監(jiān)視技術(shù)的原理和應(yīng)用，包括場面監(jiān)視雷達(dá)SMR、多點定位MLAT、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B。

關(guān)鍵詞：場面監(jiān)視技術(shù)、SMR、MLAT、ADS-B

1、 引言

航空運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，給交通出行物流運輸帶來便利的同時，也給空管系統(tǒng)帶來了考驗：日均航班屢創(chuàng)新高，機(jī)場運行日益復(fù)雜，場面飛機(jī)與飛機(jī)之間以及飛機(jī)與車輛之間的沖突越發(fā)嚴(yán)重。機(jī)場場面交通的高效通暢在很大程度上影響著空管系統(tǒng)的安全運行，更先進(jìn)智能化的監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用將在很大程度上減輕管制員們的指揮壓力。目前在各大機(jī)場廣泛使用的主要有SMR場面監(jiān)視雷達(dá)、MLAT多點定位以及ADS-B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)。

2、幾種場面監(jiān)視技術(shù)的工作原理及應(yīng)用

2.1、SMR場面監(jiān)視雷達(dá)

SMR是在我國多個大型機(jī)場應(yīng)用的一種技術(shù)，它是一種一次雷達(dá)，通常由高轉(zhuǎn)速天線、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、信號處理器、數(shù)據(jù)處理器、顯示終端組成。它的定位原理和其他一次雷達(dá)一樣，是通過使用雷達(dá)天線向外發(fā)射電磁波信號，并通過對目標(biāo)反射回來的電磁波信號進(jìn)行接收處理從而獲取目標(biāo)的距離和方位。其定位原理是基于目標(biāo)信號到達(dá)時間的TOA（Time of arrival）與基于目標(biāo)信號到達(dá)角度的AOA（Angle of arrival）的混合定位法。假設(shè)目標(biāo)T位置為（x，y），雷達(dá)位置為（xi，yi）測量AOA為θi，TOA為ti，則有：

x- xi=cticosθi

y- yi=ctisinθi

（i=1，2…m），c為電磁波傳播速度

如圖一：

SMR獲取到目標(biāo)位置信息后，送入數(shù)據(jù)處理器，與其他外部數(shù)據(jù)如二次雷達(dá)信息、飛行計劃信息、氣象信息、停機(jī)位信息等進(jìn)行相關(guān)處理，從而在管制席位的場面監(jiān)視終端上顯示出場面的電子地圖、飛機(jī)及車輛的標(biāo)牌信息、停機(jī)位編號信息、進(jìn)離港飛行計劃信息等，一個成熟的場面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾種功能：

（1） 監(jiān)視功能：提供管制員場面所有活動的飛機(jī)和車輛定位并結(jié)合外部數(shù)據(jù)相關(guān)掛牌，提供監(jiān)視目標(biāo)位置、速度、大小等信息，做到對場面的實時監(jiān)控。

（2） 告警功能：在機(jī)場電子地圖的沖突檢測區(qū)域根據(jù)目標(biāo)運動趨勢計算潛在沖突并告警，根據(jù)沖突預(yù)計發(fā)生時間可提供不同的告警級別，提高場面運行安全水平。

（3） 路線引導(dǎo)控制功能：可以自動或手動調(diào)整滑行道分配，提高滑行道利用效率進(jìn)一步提高運行效率。

SMR在國內(nèi)外各大機(jī)場有著廣泛的應(yīng)用，主要優(yōu)點有定位精度高、數(shù)據(jù)刷新速率快，融合多個雷達(dá)信號相關(guān)處理后可以完成沖突告警、滑行道管理、飛機(jī)標(biāo)牌管理等一系列功能，但其缺點也比較明顯，首先因為場監(jiān)雷達(dá)屬于一次雷達(dá)，對目標(biāo)的標(biāo)識能力主要依賴于其他系統(tǒng)，其次場監(jiān)雷達(dá)由于多徑干擾和地面物體的反射會機(jī)場產(chǎn)生一些假目標(biāo)，從而對依賴場監(jiān)系統(tǒng)完成場面監(jiān)視的管制員造成影響，同時雷達(dá)下方一定范圍屬于盲區(qū)，做不到完整覆蓋式監(jiān)視，然后是在較嚴(yán)重降雨天氣下，由于雨滴的球面反射會造成大量雜波干擾，在暴雨時有些時候會超出系統(tǒng)自帶雨濾處理功能從而產(chǎn)生大量假目標(biāo)，失去場面監(jiān)視功能。最后是場監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)造價昂貴，要在各中小機(jī)場推廣使用需要大筆投入。

2.2、MLAT多點定位技術(shù)

MLAT系統(tǒng)通常由多個遠(yuǎn)端接收站、詢問發(fā)射站、中心處理站、參考基準(zhǔn)站、顯示終端組成。多點定位技術(shù)是近些年快速發(fā)展應(yīng)用的一種較新的技術(shù)，由詢問發(fā)射站向飛機(jī)發(fā)射詢問信號，得到飛機(jī)應(yīng)答機(jī)A/C模式、S模式應(yīng)答信號、ADS-B信號、機(jī)載TACS信號以及其他機(jī)載信號的應(yīng)答信號，通過覆蓋范圍內(nèi)的多個接收站，同時接收飛機(jī)的應(yīng)答信號，測量應(yīng)答信號到達(dá)各站的時間差（TDOA定位），中心站通過雙曲線定位解算，得到飛機(jī)的精確位置，通過對應(yīng)答信號進(jìn)行解碼，從而完成對飛機(jī)的識別，最終在顯示終端上顯示目標(biāo)位置信息。

MLAT定位原理是基于雙曲線的特性，即雙曲線是到兩點距離差為常數(shù)的點的集合，通過測量應(yīng)答信號到達(dá)兩個接收站時間差，乘以電磁波信號傳播的速度得到一個常數(shù)，從而能確定出一條雙曲線；若接收站為三個就可以確定三條雙曲線，其交點即為目標(biāo)位置。

假設(shè)目標(biāo)T位置為（x，y），接收基站位置為（xi，yi），測量TDOA為ti，1，則有：

（i=2，3…m）

如下圖二：

MLAT按覆蓋范圍和定位精度的不同可以分為場面多點定位和廣域多點定位，目前已在國內(nèi)外已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，在美國，從2000年開始部署多點定位系統(tǒng)，現(xiàn)已有35個機(jī)場完成了布設(shè)；捷克全境已經(jīng)實現(xiàn)了廣域多點定位覆蓋。在我國，北京、重慶、武漢等城市機(jī)場的多點定位系統(tǒng)相繼建設(shè)完成投入使用。

多點定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用跟其與其他監(jiān)視技術(shù)相比明顯的優(yōu)勢密不可分，有以下優(yōu)點：

（1） 可以兼容二次雷達(dá)和ADS-B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，可以利用飛機(jī)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答機(jī)獲取應(yīng)答信號，通過解碼應(yīng)答信號即可以獲取飛機(jī)信息進(jìn)行識別，不需要與二次雷達(dá)相關(guān)，不需要額外加裝機(jī)載設(shè)備。

（2） 更新速率高，定位精度高，場面定位精度小于7.5米，廣域空中定位精度20米以內(nèi)，優(yōu)于傳統(tǒng)的二次雷達(dá)。

（3） 布站靈活、安裝簡單，可以通過優(yōu)化選點達(dá)到消除盲區(qū)，理論上可以達(dá)到100%全覆蓋。低廉的建設(shè)成本可以更好地適應(yīng)機(jī)場的改擴(kuò)建，升級方便。

（4） 提供了對車輛的監(jiān)控手段，只需要在場面車輛上安裝相應(yīng)的應(yīng)答機(jī)，即可實現(xiàn)對場面車輛的實時監(jiān)控。

（5） 通過軟件，可以實現(xiàn)沖突告警、跑道入侵告警等告警功能。

2.3、ADS-B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視endprint

ADS-B技術(shù)的特點體現(xiàn)在以下幾點：

自動（Automatic）：無需人工操作，無需地面站詢問。

相關(guān)（Dependent）：數(shù)據(jù)依賴于機(jī)載設(shè)備。

監(jiān)視（Surveillence）：提供飛機(jī)的位置、高度、速度、二次代碼、航向信息等。

廣播（Broadcast）：使用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，所有用戶都能接收數(shù)據(jù)。

簡單來說ADS-B技術(shù)使得飛機(jī)通過衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備獲取自身位置并通過地空數(shù)據(jù)鏈或者空空數(shù)據(jù)鏈把自身的呼號、位置、高度、速度等飛行信息廣播出去供其他飛機(jī)或者地面接收站接收。

ADS-B技術(shù)數(shù)據(jù)更新速率快、信息種類豐富、位置精度高、建設(shè)和使用成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的航管二次雷達(dá)。其應(yīng)用按照飛行信息的接收發(fā)射方不同可以分為ADS-B IN和ADS-B OUT。

ADS-B IN使得飛行器通過地空或者空空數(shù)據(jù)鏈接收地面站和其他飛行器發(fā)送的信息，可以使飛行員接收交通信息服務(wù)廣播以及飛行信息服務(wù)廣播，并可以通過地面站匯聚數(shù)據(jù)再發(fā)送的形式實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)鏈之間的監(jiān)視服務(wù)，方便飛行員實時掌握其他飛行器的位置從而可以在無須地面空管部門過多介入的情況下實施航路選擇、避免飛行沖突。增強(qiáng)場面交通狀態(tài)以及飛行進(jìn)程狀態(tài)的獲取、加快飛行器的排隊和匯聚時間，以及改進(jìn)飛行高度層的相關(guān)程序增大容量。由此可見，ADS-B技術(shù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用勢必影響到空域管理的模式，是由集中式管理到分布式管理的一個重要技術(shù)支持。

ADS-B OUT使得飛行器把從衛(wèi)星等導(dǎo)航設(shè)備獲取到的位置信息結(jié)合飛行員輸入的其他飛行信息經(jīng)由機(jī)載設(shè)備廣播給地面站和其他飛行器，使地面管制人員可以準(zhǔn)確獲得飛機(jī)的精確位置和飛行信息，經(jīng)由多路數(shù)據(jù)融合處理，顯示在顯示終端上，從而實現(xiàn)對飛行器的監(jiān)視功能。該技術(shù)可以在無雷達(dá)空域、中低流量地區(qū)和無雷達(dá)地區(qū)提供空管監(jiān)視的盲區(qū)填補；在中高流量雷達(dá)空域提供空管監(jiān)視，作為航管雷達(dá)的補充手段使用，或者在一些地區(qū)取代雷達(dá)成為主要監(jiān)視方式；在機(jī)場場面監(jiān)視領(lǐng)域可以作為高級場面監(jiān)視與引導(dǎo)系統(tǒng)的信息源，并且可以直接應(yīng)用于一些小型機(jī)場，作為場面監(jiān)視的主要手段。

在歐美和澳洲，ADS-B技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，國內(nèi)在成都等地也獲得了成功的應(yīng)用。該技術(shù)對于空域監(jiān)視和場面監(jiān)視都是一個有效的選擇。

3、 結(jié)語

傳統(tǒng)單一的場面監(jiān)視手段已無法滿足復(fù)雜的場面交通情況。在我國普遍使用場面監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)之后發(fā)展起來的ADS-B和MLAT技術(shù)以其在定位精度和數(shù)據(jù)更新率等方面各自具有的優(yōu)勢必將獲得廣泛應(yīng)用，在未來，多種場面監(jiān)視技術(shù)將充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢，互為主備取長補短，實現(xiàn)對機(jī)場場面高精度高智能化的全面監(jiān)視，為管制運行提供強(qiáng)有力的幫助，為機(jī)場場面的安全運行提供有效保障。

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