干浩亮,吳世桂,陳 龍,宋 凱,王盈君遙,韓澤宇
(重慶機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司,重慶 401120)
中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)促進(jìn)了中國(guó)民航業(yè)的快速發(fā)展,各地機(jī)場(chǎng)起降航班流量迅猛增加。航班流量的增加使航空運(yùn)輸保障部門承受了很大的壓力,而民航運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)作為整個(gè)航空運(yùn)輸鏈條的重要環(huán)節(jié),其場(chǎng)面的運(yùn)行保障水平直接影響著飛行安全和效率。目前我國(guó)大型樞紐機(jī)場(chǎng)已形成了多條跑道和多座航站樓同時(shí)運(yùn)行的復(fù)雜格局。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)內(nèi)跑道、滑行道和聯(lián)絡(luò)道布局也日趨復(fù)雜,此外機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面內(nèi)飛行器和作業(yè)車輛的活動(dòng)也日益頻繁,地面運(yùn)行十分繁忙,如何有效提升管制人員對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)視能力,降低安全隱患,成為機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視亟待解決的問題。
目前,在低能見度、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面布局復(fù)雜和交通密度大情況下,為了實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面自動(dòng)化管理,增大機(jī)場(chǎng)地面容量,一種新型的具有劃時(shí)代意義的系統(tǒng)——高級(jí)地面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)(Advanced Surface Movement Guidance Control System ,A-SMGCS)已經(jīng)在世界各國(guó)機(jī)場(chǎng)廣泛應(yīng)用[1]。A-SMGCS 通過對(duì)多點(diǎn)定位(Multilateration,MLAT)、場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)(Surface Movement Radar,SMR)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)等信息進(jìn)行融合及識(shí)別,為管制員提供全面的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面態(tài)勢(shì)感知能力。同時(shí),系統(tǒng)提供跑道入侵、場(chǎng)面目標(biāo)危險(xiǎn)接近、禁區(qū)闖入、違反管制指令等危險(xiǎn)交通活動(dòng)的及時(shí)預(yù)警,為管制員做出正確、高效管制決策服務(wù),從而在不降低機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全性前提下,顯著地增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率和機(jī)場(chǎng)容量[2]。
現(xiàn)在使用的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)主要有SMR、ADS-B和MLAT 系統(tǒng)。
SMR由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、終端設(shè)備以及天線等部分組成。SMR 連續(xù)不斷地發(fā)射脈沖信號(hào),接收機(jī)在間隔時(shí)間接收到脈沖信號(hào),并利用發(fā)射脈沖與回波信號(hào)之間的間隔時(shí)間,達(dá)到測(cè)定目標(biāo)距離和方位的目的。使用SMR對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面上的航空器和保障車輛進(jìn)行監(jiān)視,一定程度上緩解了管制員、飛行員和車輛駕駛員的安全壓力,但是SMR是一次雷達(dá),在使用中存在幾個(gè)問題:
(1)不能直接確定飛機(jī)識(shí)別代碼;
(2)由于信號(hào)傳播多徑效應(yīng),產(chǎn)生的假目標(biāo)較多;
(3)由于機(jī)場(chǎng)建筑物遮擋,存在盲區(qū);
(4)工程造價(jià)高,維護(hù)成本高。
ADS-B是未來民航空管監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向,已成為國(guó)內(nèi)空中交通管制運(yùn)行中的重要監(jiān)視設(shè)備。ADS-B已經(jīng)被證明是傳統(tǒng)雷達(dá)的低成本替代品,它可以讓飛行員和空中交通管制員以更高的精度“看到”和控制飛機(jī)。與雷達(dá)不同的是,具有ADS-B功能的飛機(jī)使用一個(gè)普通的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器從全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座獲得其精確位置,然后將該位置與航班信息相結(jié)合,例如速度、航向、高度和航班號(hào)。這些信息隨后被同時(shí)廣播到其他具備ADS-B功能的飛機(jī)、ADS-B地面站或衛(wèi)星通信收發(fā)器,然后這些收發(fā)器將飛機(jī)的位置和附加信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給空中交通管制中心,ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。另外,與雷達(dá)不同的是,ADS-B的精度不會(huì)隨距離、大氣條件或目標(biāo)高度而嚴(yán)重降低,更新間隔也不取決于機(jī)械天線的轉(zhuǎn)速或可靠性。ADS-B系統(tǒng)在使用中存在以下缺點(diǎn):
(1)當(dāng)前不是所有飛機(jī)都配備ADS-B應(yīng)答機(jī);
(2)由于其依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,所以ADS-B本身不具備對(duì)目標(biāo)位置的驗(yàn)證功能,如果航空器給出的位置信息有誤,地面站設(shè)備(系統(tǒng))無(wú)法辨別;
(3)ADS-B信號(hào)容易受到干擾欺騙。
MLAT 技術(shù)是一項(xiàng)已經(jīng)應(yīng)用了幾十年的成熟技術(shù)。它最初是為軍事目的而開發(fā)的,目的是通過一種稱為到達(dá)時(shí)差(TimeDifferenceof Arrival,TDOA)的方法精確定位飛機(jī),因?yàn)樵S多軍事飛機(jī)并不希望被監(jiān)視到。MLAT系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)區(qū)域布設(shè)多個(gè)遠(yuǎn)端接收站,這些遠(yuǎn)端接收站監(jiān)聽飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的“應(yīng)答”信號(hào),由于各飛機(jī)與各地面接收站的距離不同,各地面站在不同的時(shí)間收到它們的“應(yīng)答”信號(hào)。采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理技術(shù),利用這些到達(dá)時(shí)間差可以精確計(jì)算飛機(jī)的位置。MLAT系統(tǒng)不需要額外的機(jī)載航空電子設(shè)備,因?yàn)樗褂媚J紸/C和S應(yīng)答機(jī)以及軍用敵我識(shí)別和ADS-B應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答,其監(jiān)視原理如圖2所示。但是MLAT 系統(tǒng)也面臨一些待解決的問題:依賴機(jī)載電子設(shè)備,對(duì)傳輸依賴較大,需要大量的站點(diǎn)。
隨著SMR、ADS-B和MLAT系統(tǒng)逐漸在世界各地機(jī)場(chǎng)推廣使用,這些技術(shù)手段有效提升了管制人員對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)視能力,但是單一的監(jiān)視手段在實(shí)際應(yīng)用總是存在一些不足之處,未來的場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)應(yīng)該具備以下能力:
(1)能在低能見度條件下提供連續(xù)、完整的場(chǎng)面目標(biāo)監(jiān)視;
(2)能提供豐富的監(jiān)視信息;
(3)能提供沖突預(yù)警和告警;
(4)具有更高的精度和安全性。
為解決該問題,A-SMGCS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。A-SMGCS系統(tǒng)能夠接入ADS-B、MLAT、SMR等多種傳感器監(jiān)視數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合、識(shí)別處理;能夠?qū)ε艿廊肭?、滑行道沖突、禁區(qū)闖入等典型沖突場(chǎng)景進(jìn)行沖突檢測(cè)與告警;系統(tǒng)提供友好的人機(jī)交互接口方便管制員對(duì)場(chǎng)面態(tài)勢(shì)的查看、限制區(qū)域的編輯、飛行進(jìn)程單的操作,使管制員得到翔實(shí)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面態(tài)勢(shì)信息,從而輔助管制員快速地做出管制決策。系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)流如圖3所示。
監(jiān)視數(shù)據(jù)處理是A-SMGCS 系統(tǒng)一個(gè)基本功能,通過對(duì)監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)(SMR、MLAT、ADS-B等)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)或車輛的定位和識(shí)別,讓管制人員能夠獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)信息,包括監(jiān)視數(shù)據(jù)預(yù)處理和融合處理[3]。
2.1.1 監(jiān)視數(shù)據(jù)預(yù)處理
(1)監(jiān)視數(shù)據(jù)的接入和解析。A-SMGCS系統(tǒng)能夠接入并處理SMR、二次雷達(dá)、ADS-B、MLAT等點(diǎn)跡、航跡數(shù)據(jù)以及點(diǎn)航跡混合數(shù)據(jù),可以處理的數(shù)據(jù)格式包括ASTERIX協(xié)議的CAT10、CAT21、CAT34等和MH/T-4008的001、002、003等。系統(tǒng)解碼程序能根據(jù)報(bào)文協(xié)議格式,將報(bào)文數(shù)據(jù)解碼成為目標(biāo)對(duì)象。處理后的目標(biāo)對(duì)象包含數(shù)據(jù)源識(shí)別信息、目標(biāo)識(shí)別信息、時(shí)間信息、位置信息、位置精度信息、狀態(tài)信息和錯(cuò)誤/告警信息等。
(2)異常數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)具有處理異常數(shù)據(jù)的功能,單個(gè)傳感器輸入的異常數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)航跡不產(chǎn)生影響。系統(tǒng)檢查輸入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度編碼、區(qū)域和系統(tǒng)識(shí)別碼,對(duì)編碼錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)和非法數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾;檢查數(shù)據(jù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng),如位置、C模式高度、速度、雷達(dá)二次應(yīng)答機(jī)編碼有效性等,對(duì)于不合格數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理;對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)關(guān)鍵項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查時(shí)參考飛行器性能以及ICAO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)項(xiàng)值超過上述范圍后,系統(tǒng)會(huì)將該項(xiàng)數(shù)據(jù)置為無(wú)效。
(3)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于各個(gè)監(jiān)視傳感器沒有統(tǒng)一的坐標(biāo)系基準(zhǔn),不同監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)測(cè)得的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)都在各自坐標(biāo)系中。場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)采用的是以雷達(dá)自身為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系下的斜距、方位角和仰角。ADS-B 目標(biāo)位置采用WGS-84 坐標(biāo)系的經(jīng)緯度,MLAT 目標(biāo)位置采用該系統(tǒng)參考點(diǎn)為原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系。為了對(duì)各路監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,系統(tǒng)會(huì)將各傳感器得到的目標(biāo)位置信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到WGS-84 大地直角參考坐標(biāo)系中,以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)融合處理。監(jiān)視數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖4 所示。
2.1.2 監(jiān)視數(shù)據(jù)融合
監(jiān)視數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)包括對(duì)監(jiān)視數(shù)據(jù)預(yù)處理后的各類數(shù)據(jù)(SMR 數(shù)據(jù)、ADS-B 數(shù)據(jù)、MLAT 數(shù)據(jù))的融合處理、航跡動(dòng)態(tài)跟蹤、初始航跡抑制、目標(biāo)識(shí)別等功能。
(1)航跡關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)通過對(duì)各傳感器航跡數(shù)據(jù)的識(shí)別信息、位置、速度、加速度、目標(biāo)大小等特征信息的處理,實(shí)現(xiàn)場(chǎng)面近距離目標(biāo)間航跡關(guān) 聯(lián)[4]。協(xié)作式監(jiān)視源(如ADS-B 和MLAT)航跡關(guān)聯(lián)首先依據(jù)目標(biāo)監(jiān)視信息中的識(shí)別信息判斷是否為同一目標(biāo)。識(shí)別信息包括目標(biāo)24 位地址碼、二次代碼、呼號(hào)、目標(biāo)類型等,若識(shí)別信息不同則判斷為不同航跡,若識(shí)別信息一致,則計(jì)算航跡間一定時(shí)間內(nèi)的間距,若距離小于設(shè)定的閾值,則判斷為同一航跡。非協(xié)作式監(jiān)視源(如SMR)關(guān)聯(lián)主要依據(jù)目標(biāo)的位置、速度、加速度等信息判斷是否為同一目標(biāo)的航跡。
(2)航跡融合。在A-SMGCS 系統(tǒng)中,航跡融合作為一個(gè)非常有力的多源數(shù)據(jù)處理工具,將來自SMR、ADS-B 和MLAT 等多個(gè)監(jiān)視傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,獲得比單一監(jiān)視傳感器更精確和完整的目標(biāo)監(jiān)視信息,從而提供管制人員機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的全面交通態(tài)勢(shì)信息。航跡融合通過構(gòu)建目標(biāo)狀態(tài)矢量的動(dòng)力學(xué)模型和觀測(cè)模型,采用多種數(shù)據(jù)濾波算法,對(duì)多路監(jiān)視傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,生成系統(tǒng)綜合航跡信息[5]。綜合航跡充分利用了各個(gè)監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性和冗余性,較單一傳感器的航跡更為精確和穩(wěn)定。
飛行數(shù)據(jù)處理功能主要實(shí)現(xiàn)了接收和處理AFTN 電報(bào)、同步ATC 計(jì)劃、人工創(chuàng)建計(jì)劃、維護(hù)計(jì)劃的整個(gè)生命周期,飛機(jī)計(jì)劃與航跡相關(guān)、管制的移交和協(xié)調(diào)、管制扇區(qū)的管理等。
2.2.1 民航電報(bào)處理
系統(tǒng)自動(dòng)接收電報(bào)后,首先對(duì)報(bào)文進(jìn)行驗(yàn)證,過濾重復(fù)或過期的報(bào)文,避免系統(tǒng)負(fù)荷加大。然后將有效電報(bào)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并可以供實(shí)時(shí)顯示、查詢。系統(tǒng)在對(duì)報(bào)文類型進(jìn)行識(shí)別后,按照行業(yè)固定電報(bào)格式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)文的解析,提取出航班狀態(tài)、起飛機(jī)場(chǎng)、落地機(jī)場(chǎng)、航班號(hào)等重要信息,以此來創(chuàng)建或更新飛行計(jì)劃。在對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析時(shí),如果發(fā)現(xiàn)報(bào)文的格式錯(cuò)誤或缺少對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)信息,則會(huì)給出相應(yīng)的錯(cuò)誤告警提示,對(duì)錯(cuò)誤報(bào)文或不完整報(bào)文,用戶可以進(jìn)行修改,并將處理正確的報(bào)文按標(biāo)準(zhǔn)格式對(duì)外輸出并保存。
2.2.2 飛行計(jì)劃處理
系統(tǒng)將依據(jù)重復(fù)性飛行計(jì)劃和接收到的實(shí)時(shí)飛行電報(bào),自動(dòng)生成系統(tǒng)飛行計(jì)劃。飛行計(jì)劃生成后,系統(tǒng)根據(jù)接收到的報(bào)文或人工修改的數(shù)據(jù)以及飛行所處的階段自動(dòng)管理飛行計(jì)劃狀態(tài)。飛行計(jì)劃狀態(tài)包括將來、準(zhǔn)備、激活、結(jié)束、取消等。飛行計(jì)劃處理功能主要處理重復(fù)性飛行計(jì)劃、次日飛行計(jì)劃、當(dāng)日飛行計(jì)劃以及執(zhí)行的飛行計(jì)劃,并接收監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)過來的綜合航跡自動(dòng)更新飛行計(jì)劃的狀態(tài)和飛行計(jì)劃內(nèi)的機(jī)型、預(yù)計(jì)起飛時(shí)間、飛行規(guī)則等信息。系統(tǒng)將處理過的飛行計(jì)劃信息分發(fā)給有關(guān)用戶席位進(jìn)行飛行計(jì)劃列表顯示、飛行計(jì)劃航跡顯示、電子進(jìn)程單顯示、紙質(zhì)進(jìn)程單打印,進(jìn)行飛行沖突探測(cè)以及進(jìn)行管制中心和扇區(qū)之間的管制移交。
2.2.3 飛行計(jì)劃與航跡相關(guān)
飛行計(jì)劃與航跡相關(guān)即為航跡掛標(biāo)牌,系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收綜合航跡,并查找匹配的飛行計(jì)劃,一旦航跡與飛行計(jì)劃相關(guān),則飛行計(jì)劃信息就會(huì)顯示在綜合航跡上,管制人員就可以直觀查看所管制航跡的飛行計(jì)劃。飛行計(jì)劃與航跡相關(guān)按照如下順序和優(yōu)先級(jí)進(jìn)行計(jì)算:
(1)S 模式雷達(dá)或ADS-B 信息中24 位地址碼;
(2)相同的二次代碼。如果航跡中不存在呼號(hào)信息,二次代碼將被用于相關(guān);
(3)相同的航班號(hào)。如果航跡中存在航班號(hào)信息,該信息將與飛行計(jì)劃中的航班號(hào)信息進(jìn)行比較,通過航跡與飛行計(jì)劃中的航班號(hào)相關(guān)。
為了保證自動(dòng)相關(guān)不發(fā)生錯(cuò)誤,并在此條件下盡量提高系統(tǒng)的自動(dòng)相關(guān)率,系統(tǒng)主要考慮了以下四種因素:
(1)計(jì)劃航跡與真實(shí)航跡的時(shí)間偏差;
(2)計(jì)劃航跡與真實(shí)航跡的速度偏差;
(3)計(jì)劃航跡與真實(shí)航跡位置誤差;
(4)計(jì)劃航跡與真實(shí)航跡的方向偏差。
目前重慶機(jī)場(chǎng)有T1、T2 和T3A 三座航站樓和三條跑道,成為國(guó)內(nèi)第四家具有三條跑道同時(shí)運(yùn)行機(jī)場(chǎng)。飛行區(qū)內(nèi)有停機(jī)位174 個(gè),其中近機(jī)位92個(gè),遠(yuǎn)機(jī)位92 個(gè);平行滑行道9 條,東西區(qū)垂直聯(lián)絡(luò)滑行道9 條,垂直跑道穿越道22 條,快速脫離道23 條,場(chǎng)面布局十分復(fù)雜。此外重慶機(jī)場(chǎng)特有的跑道布局,使機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行更加復(fù)雜,即第一跑道、第二跑道間隔較小,兩條跑道同時(shí)運(yùn)行時(shí)只能一條負(fù)責(zé)起飛,另一條負(fù)責(zé)降落;第三跑道與第二跑道(第一跑道)為獨(dú)立平行運(yùn)行跑道,可以同時(shí)負(fù)責(zé)飛機(jī)的起降。T3A 航站樓U 型機(jī)坪增加了場(chǎng)面運(yùn)行的復(fù)雜性且高大建筑物遮擋管制視線,這些都對(duì)重慶機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面運(yùn)行效率、安全水平、容量造成極大的壓力。
A-SMGCS 系統(tǒng)在重慶機(jī)場(chǎng)建成投用后,通過引接多種場(chǎng)面監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù),處理并融合可得到高精度的目標(biāo)定位,通過自動(dòng)/人工識(shí)別,可將目標(biāo)與飛行計(jì)劃相關(guān),使管制員得到翔實(shí)的機(jī)場(chǎng)交通態(tài)勢(shì)信息,而有效地避免場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)沖突的發(fā)生,顯著地增強(qiáng)管制員對(duì)場(chǎng)面交通態(tài)勢(shì)的感知能力。同時(shí),重慶機(jī)場(chǎng)A-SMGCS 系統(tǒng)不是一個(gè)孤立的系統(tǒng),該系統(tǒng)可作為重慶機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)手段的有效補(bǔ)充,可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)面運(yùn)行狀態(tài)展示、數(shù)據(jù)分析及報(bào)警,重慶機(jī)場(chǎng)各運(yùn)行保障單位使用“一張圖”共同構(gòu)建統(tǒng)一機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)與調(diào)度系統(tǒng),從而全面提升重慶機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的運(yùn)行效率和安全管理水平,降低航班延誤,減少飛機(jī)滑行時(shí)間。
目前,民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)被認(rèn)為是空中交通管制自動(dòng)化管理的薄弱環(huán)節(jié),機(jī)場(chǎng)航班延誤造成空中交通管制的總體延誤。民航業(yè)的迅猛發(fā)展,巨大航班量對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行造成機(jī)場(chǎng)擁堵、航班延誤,場(chǎng)面交通安全風(fēng)險(xiǎn)極大。因此,最大限度地提升機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視和控制能力顯得尤為重要。重慶機(jī)場(chǎng)A-SMGCS 系統(tǒng)利用信息化技術(shù),通過對(duì)現(xiàn)有的場(chǎng)面監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)(SMR、MLAT 和ADS-B 等)集成和處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面航空器和保障車輛等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)化監(jiān)視,能夠顯著提升機(jī)場(chǎng)的容量,大大提升場(chǎng)面運(yùn)行的安全保障能力,降低航班延誤和減少航班滑行時(shí)間,提高機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行管理效率。