中國實施ADS-B 監視的地面站部署分析

程 擎

(中國民航飛行學院 空中交通管理學院,四川 廣漢618300)

1 引 言

在過去幾十年,世界各國的空中交通管制監視系統主要是一次監視雷達和二次監視雷達。但隨著全球衛星導航系統和數據鏈通信系統的廣泛應用,一種新穎的監視系統應運而生,它就是廣播式自動相關監視系統(Automatic Dependent Surveillance Broadcast,ADS-B)。ADS-B 是一種協作相關的監視系統,它采用機載導航系統獲得飛機精確的位置和速度等信息,利用機載ADS-B 設備廣播飛機的位置信息和其他一些參數[1]。

當前,世界各地廣泛發展ADS-B 監視:澳大利亞實施了“高空空域計劃”,其核心是ADS-B 技術;美國制定了ADS-B 技術發展的近期、中期和遠期規劃,把ADS-B 作為下一代交通運輸系統的核心技術[2];歐洲提出的“歐洲一體化空管計劃”(SEASA),其核心技術也是發展ADS-B。基于我國當前的監視狀況和地理地形,我國也正在積極開展ADS-B 的應用研究。我國對監視系統的發展策略是:西部地區以ADS-B 監視為主、雷達監視為輔的監視策略,首先在主要航路實現ADS-B 的單重覆蓋;東部雷達管制地區雷達覆蓋較好,繼續完善雷達覆蓋,另外,考慮到ADS-B 建設費用低、精度高、更新率快等特點,也可以發展ADS-B 航跡處理的應急備份系統。

在世界各國發展以ADS-B 為核心技術的同時,都提出了實施單重覆蓋或兩重覆蓋的ADS-B 地面站部署情況。澳大利亞建立了28 個ADS-B 地面站,實現了無雷達監視區域9.144 km以上高空空域的ADS-B 單重覆蓋。美國也提出了逐步建設覆蓋美國和加拿大的地面站部署,美國聯邦航空局(FAA)計劃2014 年之前在美國本土安裝400 套ADS-B 地面站設備。對于地面站的單重覆蓋,J.B.Melissen 和P.C.Schuur 利用圓來對一個長方形區域進行覆蓋進行了研究[3]。根據我國的飛行流量是東重西輕和我國的監視發展策略,本文提出了ADS-B 信號在我國東部空域實施單重覆蓋地面站的部署模型,利用該模型計算了中國東部空域在不同飛行高度層以上實現單重覆蓋對地面站數量的要求,對我國西部主要航路B213 和B215 實現單重覆蓋,提出了兩個地面站的重疊模型, 并根據航線數據討論了高空6 600 m以上實現單重覆蓋地面站的部署情況。

2 ADS-B 地面站的覆蓋范圍

2.1 ADS-B 電磁波最大作用距離

ADS-B 報告是通過機載ADS-B 設備廣播式發送,ADS-B 地面站或其他飛機的ADS-B 設備接收。根據機載ADS-B 發射機的發射功率、ADS-B 地面站接收機的靈敏度,及其天線特性和電磁波的傳輸損耗,可以計算電磁波傳輸的最大距離,其計算公式為

式中,Pt是ADS-B 發射機發射功率,Sr(min)是接收機接收功率最小檢測門限, Gt是發射天線增益,Gr是接收天線增益,Ls 是電波在空間的損耗,R max是電磁波最大作用距離。

如果Sr(min)=-120 dBW,Pt=200 W(23 dBW),Ls=3 dB,Gt=Gr =3 dB,采用1090SE 作為傳輸數據鏈,其頻率是1 090 MHz,波長是27 cm,計算最大作用距離

所以,R max=428 km。根據機載ADS-B 設備和地面ADS-B 接收機的性能情況,由計算可知,ADS-B 電磁波最大作用距離可達到400 km。

2.2 ADS-B 電磁波的傳播方式和傳播距離

當前,ADS-B 技術可選的數據鏈有以下3 種:1090 ES(1 090 MHz Extended Squitter)、UTA(Universal Access Transceiver)和VDL MODE 4 (VHF Data Link MODE 4)[4]。3 種頻率無線電波的傳播方式都是空間波,即視距波。由于地球的曲率使空間波傳播存在一個最大直視距離,由收發天線的高度、地球的曲率和大氣層對電波的折射作用決定,如圖1 所示[5]。

圖1 ADS-B 的直視距離Fig.1 Viewing distance of ADS-B

在標準大氣條件下的地球等效曲率半徑ae =(4/3)·a=8 490 km,所以,ADS-B 電波的直視距離為

式中,h1是ADS-B 地面站的天線高度(單位m),h2是飛機的飛行高度(單位m)。要讓地面接收機能接收到機載ADS-B 的信號并正常工作,需要考慮電波最大作用距離和最大直視距離,其條件是d0≤Rmax。

3 東部空域ADS-B 單重覆蓋的部署

我國東部空域主要指昆明、成都、蘭州以東的區域,該區域包括沈陽、北京、上海、廣州、中國臺北、香港、三亞、武漢全部和蘭州、昆明部分飛行情報區。討論該區域的ADS-B 地面站的部署,需要計算單個ADS-B 地面站在該區域的覆蓋半徑和實現單重覆蓋的地面站之間的距離,最后根據該區域的地面面積粗略計算ADS-B 地面站的數量。

3.1 ADS-B 地面站的覆蓋半徑

我國東部大部分區域的海拔高度低于500 m。ADS-B 地面站設置在該區域,假設平均海拔高度為400 m,地面站天線相對于地面的高度假設為15 m。對于不同的飛行高度層(FL),電磁波的最大直視距離是不同的,由于飛行高度比最大直視距離小很多,可以認為最大直視距離就是ADS-B 地面站的覆蓋半徑。如果要求飛行高度層1 000 m以上的覆蓋,其覆蓋半徑為

同樣,可計算飛機在飛行高度層3 000 m、6 600 m和9 200 m以上的ADS-B 覆蓋半徑,如表1 所示。

表1 不同飛行高度層的覆蓋半徑Table 1 Coverage radius of different flight level

可見,隨飛機飛行高度的增加,ADS-B 地面站覆蓋半徑隨著增加,在高空空域9 200 m以上,其覆蓋半徑達到400 km,即可達到ADS-B 工作的最大距離。

3.2 東部實現單重覆蓋的地面站配置模型

為了在東部地區實施ADS-B 無縫隙的連續監視,需要ADS-B 地面站覆蓋區域至少實現單重覆蓋。要實現ADS-B 單重覆蓋,地面站的配置模型如圖2 所示,O1、O2、O3和O4是4 個ADS-B 地面站,地面站的覆蓋半徑是d0。圓O1和O3相切,O2和O4相切,地面站O1、O2、O3和O4構成一個正方形,正方形的對角線長度是2 倍覆蓋半徑2d0, 地面站O1和O4,O1和O2的距離是D,其中D= 2d0。

圖2 ADS-B 單重覆蓋地面站的配置Fig.2 The configuration of the ground station single coverage

根據不同飛行高度層的地面站的覆蓋半徑,可以計算相鄰地面站的距離D,如表2 所示。

表2 不同飛行高度層的覆蓋半徑和地面站距離Table 2 Coverage radius and ground station distance of different flight level

3.3 東部不同飛行高度層的地面站數量

根據ADS-B 單重覆蓋的地面站配置模型,4 個地面站能實施單重覆蓋的區域如圖3 所示。4 個地面站覆蓋的區域是邊長為D1的正方形,D1=2D ,其覆蓋面積S =D1×D1。如果所需覆蓋區域形狀近似長方形,邊長為D1和D2,根據該模型,可以粗略計算地面面積S 區域內需要的地面站數量

圖3 地面站數量的計算模型Fig.3 The calculation model of ground station number

按照昆明、成都、蘭州航線將我國的空域劃分為東部空域和西部空域。東部空域可以分為兩個長方形區域,即東北區域和東部區域。其中東北區域主要為沈陽飛行情報區,東西約1 150 km,南北約1 300 km;東部區域主要包括北京、上海、武漢、廣州飛行情報區和部分蘭州、昆明飛行情報區, 東西長約1 850 km,南北約2 100 km。三亞飛行情報區位于海南省,海南省遠離大陸,可單獨設置一個ADS-B 地面站。

要實現高空航路的ADS-B 覆蓋,即飛行高度層6 600 m以上的覆蓋,其覆蓋半徑是d0≈339 km,D=2d0=479 km,東北區域需要的ADS-B 地面站的數量為

東部區域需要的ADS-B 地面站的數量為

東部空域需要的ADS-B 地面站的數量是:N =N1+N2+1=30。所以,根據不同的飛行高度層覆蓋要求,地面站的覆蓋半徑不同,所要求的地面站的數量和位置情況也是不同的,表3 是我國東部區域不同飛行高度層覆蓋所需的地面站數量。

表3 我國東部區域不同空域的地面站數量Table 3 The ground station number of different airspace in China eastern airspace

此處的計算沒有考慮東北區域和東部區域的重疊覆蓋情況和鄰近區域存在共同使用地面站的情況,也沒有考慮東部沿海地區地面站的地面站具體情況。在實際設置地面站的時候,還會考慮地面的具體情況和該區域航線的實際分布情況,所以實際的地面站數量會有所變化。

4 西部主要航路實現單重覆蓋的ADS-B 監視部署

西部空域主要指昆明、成都、蘭州以西的空域,包括烏魯木齊情報區和昆明、蘭州部分情報區。中國西部的地形是青藏高原,其海拔高度平均超過4 500 m,很多地區是無人區域。根據航線分布情況和飛行流量的發展,首先考慮在主要航路,成都—拉薩(B213),銀川—烏魯木齊(B215)航線發展高空空域單重覆蓋的ADS-B 監視。

4.1 B213 航線ADS-B 地面站的配置

成都—拉薩航線的規劃是建立平行航路,航路之間的間距是65 km。其中,我國的航線寬度是左右25 km,因此,整個平行航路的寬度是115 km,ADS-B地面站信號需要保證重疊區域d1達到115 km。

圖4 兩個地面站重疊模型,圖中O1和O2是兩個地面站,O1和O2之間的距離是D,重疊距離是d1。對于成都—拉薩航線,航線地面平均海拔高度超過4 500 m,假設地面站天線相對地面高度15 m;如果要求對高空航路實現單重連續覆蓋,即飛行高度層6 600 m以上實現單重連續覆蓋,其地面站覆蓋半徑d0為

圖4 地面站的重疊模型Fig.4 The overlap model of the ground station

根據圖4 的地面站重疊模型,地面站覆蓋距離D 為

根據《中國民用航空航行手冊》,成都—拉薩航線(B213)的航線數據如表4 所示。

表4 成都—拉薩(B213)航線數據Table 4 Chengdu—Lhasa(B213)route data

根據表4 中成都—拉薩B213 航線數據,ZUUU到CHANGDU 的航線角基本相同,其總航線距離D1=637 km,地面站覆蓋距離是D =389 km,n=D1/D=637/389 ≈2,所以需要3 個ADS-B 地面站,考慮到航線的具體情況,我們可以在成都機場(ZUUU)、昌都機場(CHANGDU)和航線上的適當位置設置ADSB 地面站。CHANGDU—TAPUN 的距離412 km,航線角253°,TAPUN—LHASA 的距離是215 km, 航線角249°。可以認為CHANGDU、TAPUN 和LHASA 在一條航線上,距離是D2=627 km。在該航線上需要3個地面站,在昌都機場(CHANGDU)已經設置ADS-B地面站,在拉薩機場(LHASA)設置一個地面站,在昌都和拉薩機場之間的航路上可設置一個地面站。考慮具體情況,該地面站可以設置在林芝米林機場。其配置情況如圖5 所示。

圖5 B213 航線的ADS-B 地面站的配置Fig.5 ADS-B ground station configuration of the B213 route

4.2 B215 航線ADS-B 地面站的配置

對于銀川—烏魯木齊航線,ZLIC—HAMI 的最低安全高度是2 983 m,HAM I—ZWWW 的最低安全高度是4 955 m,假設平均海拔高度4 500 m,地面站天線相對地面高度15 m。要求地面站能覆蓋6 600 m以上,其地面站覆蓋距離是203 km。

該航線寬度50 km,即要求地面站重疊區域寬度50 km,兩個地面站距離為

銀川—烏魯木齊航線(B215)的航線數據如表5所示。

表5 銀川—烏魯木齊航線數據Table 5 Yingchuan—Urumqi route data

根據航線數據和地面站安裝的便利性,按照B213 航線ADS-B 地面站的配置方法,可以在ZLIC機場、YABRAI、JIAYUGUAN、HAM I、JIAYUGUAN 和HAMI 之間某個位置、GURVO 和ZWWW 機場分別設置一個ADS-B 地面站,如圖6 所示。

圖6 B215 航線的ADS-B 地面站的配置Fig.6 ADS-B ground station configuration of the B215 route

5 結 論

ADS-B 作為一種全新的監視技術,具有航跡精度高、投資成本低、數據更新快等特點,雖然這種技術目前還處于發展過程中,但作為未來主用監視系統已是大勢所趨,特別是在無雷達空域和邊遠地區,如我國的西部空域將具有很大的發展前景。本文分析了影響ADS-B 地面站覆蓋范圍的因素,包括最大作用距離、視距波和地球的曲率,并計算了不同飛行高度層ADS-B 地面站的覆蓋半徑,根據在一個空域利用多個圓實現單重覆蓋的要求提出了單重覆蓋的地面站配置模型,并把我國東部空域劃分為東北區域和東部區域,利用單重覆蓋模型分析了地面站的部署。對西部區域提出了兩個地面站的重疊模型,并根據B213 和B215 航線具體情況討論了高空6 600 m以上實現單重覆蓋地面站的部署情況。本文提出的ADS-B 地面站單重覆蓋模型表明,在我國西部主要航路和東部空域,按照模型中的地面站配置來建設,將實現這些空域的ADS-B 單重覆蓋,但本文論證沒有考慮建設地面站的實際情況、地面站周圍的實際地形和該區域航線的實際分布情況,這些都將是下一步的研究內容。

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