牛一波

（中國(guó)民用航空總局河南空中交通管理分局，鄭州 451162）

0 引言

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-broadcast)是中國(guó)空管近年大力推行的空中交通監(jiān)視技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)的二次雷達(dá)，ADS-B 具有投資小、數(shù)據(jù)豐富、更新率快等特點(diǎn)[1-3]，是未來空管監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主角。但是在實(shí)際工作中由于發(fā)射功率和工作方式等因素影響，ADS-B 的威力范圍卻不如二次雷達(dá)，因此一個(gè)特定的空域需要更多的ADS-B 地面站才能完成完整的信號(hào)覆蓋。信號(hào)覆蓋分析是ADS-B 地面站組網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵[4]，目前，ADS-B 信號(hào)的覆蓋仿真研究是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，但是多數(shù)研究只停留于理論研究，實(shí)際針對(duì)覆蓋分析的應(yīng)用研究較少[5]，無法大面推廣應(yīng)用。本文從實(shí)際出發(fā)，分析ADS-B 信號(hào)覆蓋影響的因素，設(shè)計(jì)一種基于GIS 的ADS-B 信號(hào)覆蓋分析計(jì)算軟件，該系統(tǒng)通過C#實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)锳DS-B 地面站的建設(shè)和ADS-B 應(yīng)用的數(shù)據(jù)故障分析提供技術(shù)支持。

1 ADS-B信號(hào)覆蓋影響因素

當(dāng)前主流的研究提出影響ADS-B信號(hào)覆蓋的因素主要有以下幾方面[6]。

（1）地空通信中地形的影響。目標(biāo)是否能被ADS-B地面站探測(cè)到取決于其與ADS-B地面站之間的直線范圍是否有障礙物遮擋，故要求軟件設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須考慮由地形遮蔽引起的視線截止距離。

（2）反射物反射造成的影響。由于ADS-B的發(fā)射頻率為超短波，繞射能力較弱，實(shí)際應(yīng)用中容易被反射物反射，造成信號(hào)干擾，這也是覆蓋計(jì)算必須考慮的問題。

（3）天線性能的影響。信號(hào)的接收和發(fā)射需要經(jīng)過饋線系統(tǒng)，天線的性能也會(huì)影響到信號(hào)的覆蓋范圍。

由于ADS-B地面站的天線性能主要取決于設(shè)備廠家的設(shè)計(jì)和工藝，因此此處只考慮前兩者的影響。

通常ADS-B的視線截止距離可以由下式得出：

式中：θ為遮蔽角，為天線中心點(diǎn)和該點(diǎn)所在水平面向上算起的點(diǎn)播信號(hào)被地形遮擋垂直張角，是某個(gè)方向上能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的最高低角。當(dāng)然，實(shí)際軟件設(shè)計(jì)中需要考慮電磁波繞射問題對(duì)遮蔽角進(jìn)行修正，將其繞射因素為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的電波射線的仰角作為修正后的遮蔽角，主要考慮ADS-B地面工作波長(zhǎng)和遮蔽角對(duì)應(yīng)的斜距。

對(duì)于反射問題，系統(tǒng)需要考慮地球曲率的影響推導(dǎo)接地點(diǎn)合成場(chǎng)強(qiáng)。航空器與地面站通信過程中，收發(fā)兩點(diǎn)在視距傳播范圍內(nèi)是在地面站接收信號(hào)和反射信號(hào)的合成，如圖1所示。

圖1 實(shí)際信號(hào)傳輸

圖中A為反射點(diǎn)；ht和hr分別是飛行高度和地面站天線高度；ht′和hr′分別為飛行高度和地面站天線高度；d1和d2分別為飛機(jī)和地面站投影點(diǎn)于反射點(diǎn)之間的距離。根據(jù)電磁波的工作原理，考慮地球曲率的影響，最大視距dmax為：

設(shè)地球半徑為R0，等效高度分別為：

則接收點(diǎn)的功率和場(chǎng)強(qiáng)分別為：

式中：Gt為機(jī)載天線增益；Pt為機(jī)載發(fā)射機(jī)的功率；Df為地球球面擴(kuò)展因子（由另外公式計(jì)算）；λ為ADS-B 工作波長(zhǎng)。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于上述原因分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)模塊：信息輸入模塊、地形分析模塊、地圖顯示模塊、可見分析模塊和覆蓋分析模塊。其中，信息輸入模塊主要用于通過USGS DEM/SRTM/等高線/機(jī)場(chǎng)分析工具地形等格式文件導(dǎo)入文件，該類文件可以標(biāo)注ADS-B 地面站的站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)類型、海拔高度以及大地經(jīng)緯度等信息；地形信息模塊則用于分析DEM 格式的矢量地圖，提取相應(yīng)的障礙物信息；地圖顯示模塊用于地圖顯示處理，提供了WGS-84坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，并有經(jīng)緯度網(wǎng)格可選；可見和覆蓋分析模塊主要根據(jù)上述的影響因素進(jìn)行軟件的計(jì)算并給出覆蓋圖。

2.1 系統(tǒng)控件設(shè)計(jì)及操縱

系統(tǒng)基于GIS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，通過GPS獲取精確坐標(biāo)位置、高程點(diǎn)和障礙物高度進(jìn)行地形分析，最終生成DEM地形數(shù)據(jù)[7-8]。為了后續(xù)分析的需要，系統(tǒng)將突出分為機(jī)場(chǎng)空域和航路空域兩類。在機(jī)場(chǎng)區(qū)域范圍數(shù)據(jù)的處理精度可以小于1 m，航路區(qū)域范圍數(shù)據(jù)的處理精度可以小于100 m。地圖功能包含放大、縮小、移動(dòng)和測(cè)距等基本操作。本系統(tǒng)開發(fā)主要采用C#和ArcEngine 結(jié)合進(jìn)行，ArcEngine 可以提供GIS嵌入式軟件應(yīng)用開發(fā)功能，為GIS的開發(fā)提供了便捷。通過控件的拉入及屬性設(shè)置可以快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，在窗體中依次添加以下控件：（1）ArcGIS Windows Forms 的ToolbarControl；（2）菜單和工具欄的StatusStrip；（3）容器的SplitContainer；（4） TabControl 中的SplitContainer 和TabPages；（5） DataGrid-View 和地圖的 MapControl；（6） 圖層的 TOCControl 等。以上控件設(shè)置相應(yīng)的控件屬性，如Dock 設(shè)置為Fill 或Top，Aligment屬性設(shè)置為Bottom等。

以上步驟添加的控件還只是單獨(dú)存在，而程序需要各控件間協(xié)同工作，因此要進(jìn)行控件綁定，分別設(shè)置ToolbarControl、TOCControl 控件的 Buddy 屬性設(shè)置為 axMapControl1，實(shí)現(xiàn)工具條和圖層控件與地圖控件的關(guān)聯(lián)。地圖處理方面可以采用ArcGIS 的鷹眼控件。程序?qū)⑺械貓D圖層添加到鷹眼控件中。

for(int i ＝ 1;i ＜＝ this.axMapControlATC1.LayerCount;i++)

{

this.axMapControlATC.AddLayer(this.axMapControlATC1.get_Layer(this.axMapControlATC1.LayerCount-i));

}

設(shè)置MapControl 顯示范圍至數(shù)據(jù)的全局范圍并刷新鷹眼控件地圖，為鷹眼控件MapControl1 添加OnExtentUpdated 事件，此事件是在主Map 控件的顯示范圍改變時(shí)響應(yīng)，從而相應(yīng)更新鷹眼控件中的矩形框。最后，為鷹眼控件添加相應(yīng)的鼠標(biāo)事件函數(shù)，實(shí)現(xiàn)鷹眼與主Map 控件互動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)的覆蓋分析

GIS 生成的DEM 文件是系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為了降低系統(tǒng)的運(yùn)行開銷，系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算范圍為空管自動(dòng)化系統(tǒng)（ADS-B信號(hào)接入的主要應(yīng)用系統(tǒng)）的管制范圍外擴(kuò)50 km的范圍，并且提供用戶接口針對(duì)當(dāng)前管制單位關(guān)注的具體機(jī)場(chǎng)、航路進(jìn)行設(shè)置，在航路左右40 km內(nèi)和機(jī)場(chǎng)半徑50 km內(nèi)考慮系統(tǒng)分析。如此而來，針對(duì)當(dāng)?shù)氐墓苤艫DS-B信號(hào)覆蓋分析可以降低系統(tǒng)計(jì)算量。DEM提供了計(jì)算范圍內(nèi)的所有地形數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶輸入的ADS-B地面站經(jīng)緯度，系統(tǒng)可以直接生成ADS-B地面站的具體高程，按照ADS-B地面站廠家給出的地面站威力范圍和計(jì)算范圍的結(jié)合計(jì)算系統(tǒng)將得出具體的信號(hào)覆蓋計(jì)算范圍。

考慮覆蓋范圍內(nèi)的障礙物影響，應(yīng)用式（1）～（5），系統(tǒng)將得出當(dāng)前ADS-B地面站的具體覆蓋范圍數(shù)據(jù)集。針對(duì)數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)通過圖形繪制將信號(hào)覆蓋分析顯示在MAP 控件中。對(duì)于多個(gè)地面站的組網(wǎng)，系統(tǒng)提供了ADS-B地面站群的自動(dòng)選址功能?；谏鲜鲇?jì)算數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)將在選擇范圍內(nèi)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)集列表，只需要計(jì)算列表內(nèi)部數(shù)據(jù)集重復(fù)最小的組合即可，該組合將直接給出具體的ADS-B地面站部署方案。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)分析性能，系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的ADS-B數(shù)據(jù)站中接入ADS-B 數(shù)據(jù)，并提供ADS-B 信號(hào)解析顯示功能。ADS-B 數(shù)據(jù)是基于UDP 組播的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過C#實(shí)現(xiàn)UDP 數(shù)據(jù)接收并根據(jù)ADS-B CAT021 數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析，所有ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)將被加入具體站點(diǎn)標(biāo)識(shí)，在C#中通過數(shù)據(jù)列表加入，顯示只需要遍歷列表,并根據(jù)不同站點(diǎn)標(biāo)識(shí)采用不同顏色顯示（與該站點(diǎn)的信號(hào)覆蓋顯示顏色一致）即可。實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)覆蓋分析的計(jì)算與實(shí)際ADS-B數(shù)據(jù)接收基本一致，重疊率高達(dá)95%。

3 結(jié)束語

本文從實(shí)際出發(fā)，提出一種基于C#和ArcEngine 的ADS-B 信號(hào)覆蓋分析系統(tǒng)，系統(tǒng)通過操縱C#和GIS 控件實(shí)現(xiàn)對(duì)地形分析和數(shù)據(jù)處理，最終系統(tǒng)基于論文分析的ADS-B信號(hào)影響原因?qū)崿F(xiàn)了對(duì)ADS-B信號(hào)覆蓋的分析功能。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效，目前已為相關(guān)ADS-B地面站建設(shè)提供服務(wù)，能夠提高ADS-B組網(wǎng)建設(shè)的準(zhǔn)確性和可行性。