北斗RDSS應用于通航空管的機遇與挑戰

趙陸文,李廣俠,戴衛恒,繆志敏

(1.解放軍理工大學通信工程學院,江蘇 南京 210007;

2.解放軍理工大學指揮信息系統學院,江蘇 南京 210007)

北斗RDSS應用于通航空管的機遇與挑戰

趙陸文1,李廣俠1,戴衛恒1,繆志敏2

(1.解放軍理工大學通信工程學院,江蘇 南京 210007;

2.解放軍理工大學指揮信息系統學院,江蘇 南京 210007)

摘要：通航空管已成為制約我國通航產業發展的一個重要因素,迫切需要開發適合通航應用的空管系統。針對通航飛行高度低、飛行器種類繁多、飛行區域復雜多變等特點,結合目前民航和通航空管的發展現狀與需求,提出了將北斗RDSS應用于通航空管的設想,并給出了北斗RDSS應用于通航空管的基本架構,重點分析RDSS應用于通航空管具備的優勢和面臨的挑戰,為下一步的系統建設提供了思路。

關鍵詞：北斗衛星導航系統;衛星無線電測定業務;通航;空管

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.006

中圖分類號：TN967.5

文獻標志碼：： A

文章編號：： 1008-9268(2015)02-0026-05

收稿日期：2014-11-02

作者簡介

Abstract:Air traffic control(ATC) of the general aviation has become an important factor restricting the development of China's general aviation industry. An ATC system suitable for general aviation is an urgent need to develop. General aviation has many characteristics, such as low flight height, many kinds of aircraft, complex and volatile flight region. Considering the development of present civil aviation and the demand of the general aviation ATC, a tentative idea is put forward applying Beidou RDSS in the general aviation ATC. The basic framework is proposed and the advantages and challenges are analyzed that RDSS is used in general aviation ATC. The result provides a way for the next step of system construction.

0引言

隨著航空工業的快速發展和低空空域的逐步全面開放,我國通用航空(簡稱“通航”)產業進入迅速成長期。伴隨著通航飛行器數量的急劇增加,對我國的空中交通管制(ATC,簡稱“空管”)提出了嚴峻的挑戰[1]。ATC通常是指利用通信、導航等技術和監控手段,對飛機飛行活動進行監視和控制,保證飛行安全和飛行秩序。其主要目的就是維持空中飛行秩序,提高飛行空間和時間的利用率,保證空中交通的整體安全性。ATC主要包括通信、導航、監視和空中交通管理四個子系統,最基本的任務就是對飛行器進行監視和控制,以保證飛行器能夠按照批準的計劃飛行。與民航相比,通航具有飛行高度低、飛行器種類繁多、飛行區域復雜多變等特點,使得現有民航空管監視雷達和通信設備難以有效保障低空飛行時的監視和通信能力。現有空管手段無法滿足全時域、全空域、全地域連續可靠且成本合理的監視、通信等要求。同時,傳統的空管系統建設與維護成本高,極大地阻礙了我國通航的產業發展和應用。由于現有的民航空管系統不能直接應用于通航空管,因此,尋求一種適合通航使用的空管技術或者手段就顯得尤為重要。

眾所周知,由我國獨立自主研制的北斗衛星導航系統(BDS)所特有的衛星無線電測定業務(RDSS)[2],具有與生俱來的通信與導航融合特性,集定位與信息傳輸為一體,具備對目標進行管理和監視的雙重能力,可以作為通航空管的一個重要技術手段。在空管雷達不能覆蓋的地區,提供位置報告和簡單雙向報文通信,解決空管雷達“盲區”問題;在空管雷達能夠覆蓋的地區,以較低的代價作為一種備份和增強。

1空管的現狀與發展趨勢

1.1　民航空管的發展現狀與趨勢

現代民航空管大體上沿著程序管制、雷達管制和基于性能的導航(PBN)[3]管制方向發展。程序管制是指飛行員利用地空通信手段向地面空管員進行位置報告,空管員根據飛行員的報告信息,依靠空中交通的規則與規范以及機場和航路的相關規定,推斷空中交通狀況及變化趨勢,并依此對飛行器進行安全隔離。由此可見,這種方式速度慢、精確度差、空域利用率低下,目前已逐步被雷達管制所代替。

所謂雷達管制包括一次雷達和二次雷達。一次雷達是通過發射射頻脈沖和接收回波信號,根據時間差計算距離和方位,地面空管只知道飛機的距離和方位。二次雷達通過地面發射詢問信號,機載應答機發回編碼的回答信號,地面空管除了知道飛機的距離和方位外,還知道飛機的飛行代碼、航班號、高度等信息。

資助項目： 北斗衛星導航國家科技重大專項項目； 中國博士后科學基金

聯系人： 趙陸文 E-mail: zhaoluwen@126.com

PBN管制改變原有的飛行器通過儀表尋找地面雷達導航信號的傳統模式,通過全球衛星導航系統(GNSS)、地面雷達等綜合導航,形成大范圍空域覆蓋,使飛行器機載設備可進行自動定位,能有效縮短飛行器飛行間隔,提高空域的利用效率。PBN空管的核心是廣播式自動相關監視(ADS-B)系統[4-5]。該系統是一個集通信、導航與監視于一體的信息系統,機載導航系統得到飛機精確的位置和速度信息,利用機載電子設備向外周期性地廣播飛機的呼號、位置、高度、速度和其它參數。分布在航路上的ADS-B地面站,通過空地數據鏈接收來自飛機的廣播信息,并將其傳給空管中心,進而實現地空監視。ADS-B也可以通過機載電子設備接收附近ADS-B飛機的廣播信息,實現空空監視。所有這些活動都由ADS-B系統自動完成,而不需飛行員干預和地面詢問。

ADS-B的精度和數據更新率比雷達高,除基本的位置信息外,ADS-B還提供更多飛行信息,尤其適合于山區、荒漠、邊遠機場等不宜建設雷達站的區域,也適合于高密度機場的監視,是未來空管監視的重要組成部分和發展方向。ADS-B是從當前基于雷達的監視向星基監視過渡的基礎,國際民航組織(ICAO)已將ADS-B確定為未來民航空管監視技術的主要方向。歐洲和美國都制定了ADS-B發展規劃和實施路線圖。美國聯邦航空管理局(FAA)的下一代航行技術[6]就是建立在ADS-B技術基礎之上的。歐洲“單一天空計劃”(SES)[7]也要求飛行器大范圍裝配ADS-B機載設備和應用,同時加快ADS-B地面監視應用的實施。國內也于2008年開始了ADS-B地面站的建設和機載設備的加裝,開展了相關的測試和試驗,并于2012年11月頒布了《中國民用航空ADS-B實施規劃》[8]。

1.2　通航空管的發展現狀與需求

無論從通航自身的飛行控制出發,還是從空管防相撞任務出發,通航空管在保障飛行安全方面都具有極其重要的作用。與民航相比,通航具有飛行高度低、飛行器種類繁多、飛行區域復雜多變等特點,現有的民航空管設備無法直接應用于通航空管。

雷達管制應用于通航空管主要存在的問題有:

1) 覆蓋距離有限：由于二次雷達系統的服務距離僅為350 km,無法對服務距離之外區域的飛行器實施監視;

2) 存在覆蓋盲區：通航飛行器飛行高度較低,雷達和通信信號易受地形地物的影響,導致低空覆蓋半徑較中高空大為降低,存在較多覆蓋盲區,難以有效保障低空飛行時的監視和通信能力;

3) 覆蓋區域有限：民航空管監視雷達和相應的通信設備是為滿足民航運輸航空保障要求而布設的。重點覆蓋航路航線、進近和機場空域,通航飛行器的飛行區域比民航更靈活,很多區域無監控雷達覆蓋;

4) 建設成本較高：傳統的監視手段空管一次監視雷達、空管二次監視雷達和多點定位系統的建設與維護成本較高。

雖然ADS-B有諸多優勢[9],但是它應用于通航空管同樣也存在一些局限:

1) 系統建設費用高：我國幅員遼闊,要想對所有區域實施監視,需要布設大量的ADS-B地面站,開支巨大;

2) 信息傳輸質量影響系統性能：大量位于偏遠位置的地面站可能需要借助微波接力、衛星通信等手段進行信息傳輸。信息傳輸的多樣性,增加了信息傳輸的不可靠性,對整個系統的性能會造成一定的影響;

3) 地面站維護成本高：大量地處邊遠地區的地面站維護困難,維護成本高;

4) 終端價格高:ADS-B系統價格相對較高,不適合一些低成本通航應用。

正是因為以上因素,民航空管系統無法直接應用于通航空管。國外已經將多種用于商用和軍用飛機的空管技術改造或移植用于通航,但都或多或少地存在以上問題。國際上除了美國等少數幾個國家明確低空空域通航應用UAT數據鏈外,其它國家都在大力發展1090ES數據鏈ADS-B系統。目前我國的通航空管基本上處于程序管控為主、雷達管控為輔的階段。落后的空管手段,導致通航存在“連不上、看不見、看不全”等諸多問題,限制了我國通航產業的發展。我國為推動通航發展,于2013年年底陸續頒布了《通用航空飛行任務審批與管理規定》等一系列文件。鑒于我國目前的經濟發展水平,處于起步階段的通航市場亟需一種低成本、高性價比的空管手段。

2基于北斗RDSS的通航空管

2.1　北斗RDSS的特點及應用于通航空管的優勢

北斗衛星導航系統的RDSS業務,利用典型的雙星定位原理[2],通過兩顆地球靜止軌道衛星,由用戶以外的地面控制中心完成經衛星至用戶的詢問式距離測量,計算出用戶的三維坐標,再以短報文的形式告知用戶。在完成了位置報告的同時,實現了用戶位置信息共享。北斗RDSS系統從2003年底建成至今,該系統已穩定運行10年多時間,目前運行的是“北斗二號”的RDSS系統。該系統覆蓋中國及周邊地區,并能向位于該區域的用戶提供定位、授時和短報文業務。已在測繪、電信、水利、交通運輸、海洋漁業、地質勘探、森林防火和國家安全等諸多領域發揮出了重要作用。與傳統的空管方式相比,RDSS應用于通航空管具有極大的優勢和特色。主要包括:

1) 覆蓋范圍廣:由于民航飛機航線相對固定,其空管設備往往只分布在機場和相關航線航路上,再加上單個雷達和ADS-B地面站覆蓋范圍有限,使得民航空管監視設備存在較大的盲區。而北斗RDSS系統對我國全境及周邊區域至少實現了兩重以上的衛星覆蓋,真正實現了對我國領土和領空的無縫覆蓋。因此,更適合于飛行航線不固定的通航空管。

2) 受地形影響小:由于通航飛行器基本都位于相對開闊的地域或者空域,在飛行過程中不會有遮擋。因此,與空管雷達和ADS-B地面站相比,一般的地形地貌不易對RDSS衛星信號造成遮擋。

3) 成本低:與其它空管方式相比,這種方式只需建設一個數據處理中心,而無需建設遍布全國的地面站,系統建設投資極低。此外,隨著北斗應用逐步展開,終端技術日趨成熟,終端成本也越來越低,非常適合低成本通航用戶使用。

4) 工作方式靈活多樣:機載RDSS多模終端向空管中心進行位置報告,可以采用純RDSS、RDSS+RNSS、廣義RDSS等多種方式。其中,衛星無線電導航業務(RNSS)衛星既可以是北斗RNSS衛星,也可以是全球衛星定位系統(GPS)或者伽利略系統的衛星。終端可以在不同的方式之間靈活做出合適的選擇,靈活多樣的選擇增強了系統的可靠性和可用性。

5) 系統構成簡潔:RDSS同時具備定位、授時與雙向短報文通信功能,即使無其它信息系統支持,空管中心也可對通航飛行器實施有效的監視和控制。

6) 安全可靠性好:由于RDSS為我國自主研發系統,使用RDSS可以擺脫我國在空管領域長期依賴進口的現狀,扭轉技術上受制于人的局面。在大數據時代,使用自主研發的系統,是保證信息安全的一個重要途徑和手段。

2.2　基于RDSS的通航空管系統架構

圖1示出了基于RDSS的通航空管系統。由圖可見,位于通航飛行器上的RDSS多模終端,通過北斗RDSS衛星將飛行器的位置信息等發送給地面控制中心,地面控制中心再通過專線將其遞交給北斗通航數據處理中心。經數據處理中心處理后,再交給空管部門(若有必要也可同時將信息遞交給通航服務公司、機場等相關部門)。空管部門收到由通航北斗數據處理中心遞交的信息后,即可知曉飛行器的位置及其它飛行參數,實現對通航飛行器的監視。同時,空管中心還可以利用RDSS的出站鏈路,向通航飛行器發布必要的信息和指令。對裝備了傳統空管設備的飛行器而言,在地面空管雷達和ADS-B等能夠覆蓋的空域,RDSS可作為一種低成本的備份。對沒有裝備傳統空管設備的飛行器,或者在傳統手段不能覆蓋的空域,RDSS將是解決傳統空管手段“連不上”、“看不見”、“看不全”的主要手段。由圖可見,RDSS應用于通航空管,除了機載設備外,只需新建一個北斗通航數據處理中心即可。而該數據處理中心與目前的民用行業運營中心并無本質上的區別。

圖1　使用RDSS的空管系統示意圖

2.3　工作模式及性能分析

機載終端向空管中心進行位置報告,可以有如下幾種形式:

1) 典型RDSS模式:即氣壓高度表+雙星定位。這種模式需要地面控制中心進行位置解算。其優點是入站電文較短,可以在傳輸其它信息的同時完成位置報告,效率較高。主要缺點是高程由氣壓高度表得到,氣壓高度表誤差較大,且誤差與溫度和高度密切相關;

2) RDSS與RNSS結合:這種方式利用RNSS測量飛行器的位置信息,爾后利用RDSS的入站短報文業務,向空管部門進行位置報告。其優點是測量精度較高,地面控制中心對數據處理簡單,可用衛星數多,在只有一顆RDSS衛星覆蓋區域也可工作。主要缺點是入站電文較長;

3) 廣義RDSS模式[10-11]:這種模式只傳輸時差信息。其優點是最少只需一顆RDSS衛星和2顆RNSS衛星即可實現位置報告,可用性更強。缺點是目前北斗地面控制中心還不支持該業務模式。

以第二種方式為例,對相關性能進行分析。在這種方式下,顯然定位精度取決于RNSS.不管是使用北斗RNSS還是GPS或者是二者兼容互操作,其水平和垂直定位精度都在10 m以內,這樣的精度對通航飛行器監視和防碰撞而言綽綽有余。需要重點對位置報告的入站業務量進行分析。假定飛行器向空管部門進行位置報告的數據包括:用戶識別碼、飛行高度、飛行速度、經度、緯度、時間等基本信息,單條報文的長度將超過200 bit,假定一次入站能夠滿足單條位置報告的傳輸需求。顯然,在單位時間(以小時計)內入站的報文數量與入站報文間隔、系統管理的飛行器數量以及飛行器的實際使用率密切相關。對北斗RDSS系統而言,提供給民用航空的間隔為10～60 s/次,且間隔為10 s/次的用戶數受到嚴格限制。經過初步統計,通航飛行器使用率不超過10%,大部分約在5%以下。圖2示出了在不同間隔和使用率下,空管中心管控的飛機總數與需求的RDSS入站業務量之間的關系。由圖2可知,在飛行器總數不超過10 000架的情況下,不管哪種情況,入站業務量都在50萬次/小時以下,現有北斗RDSS系統基本能夠滿足需求。若飛行器平均使用率不超過1%,則即使飛行器數量達到10萬架,系統容量也能滿足需求。但是入站業務量隨著間隔的縮短和使用率的增加而線性增大。在5%的平均使用率,入站報文間隔20 s的情況下,系統管控的飛行器數量不超過30 000架。實際上,RDSS是軍民兩用系統,考慮到該系統主要保障軍用用戶,所以能夠容納的飛行器數量將比估算的低不少。不過,截止目前,我國的通航飛行器只有1 000架左右,據民航總局估測,到2020年,我國通航飛行器的數量將超過10 000架。考慮到我國通航飛行器的利用率相對較低,該系統基本能滿足現階段的通航空管對容量的需求。

圖2　管控飛行器總數與需求業務量的關系

3通航空管對北斗RDSS的挑戰

北斗RDSS應用于通航空管,在擁有諸多優勢和特色的情況下,同樣也面臨不少挑戰:

1) 服務頻度低:目前北斗系統RDSS業務,提供給民用用戶的服務頻度為10～60 s/次,且嚴格限制10 s/次的用戶數量。與空管雷達、ADS-B等空管方式相比,刷新頻率明顯偏低。

2) 入站容量受限:雖然在具體實施過程中,可根據飛行器所處位置,適當調節位置報告的頻度。比如,在巡航狀態或者在雷達覆蓋區域,可以適當降低位置報告的頻度。但是由于RDSS為有源服務,其系統容量受限,限制了管控飛行器的總數。

3) 出站容量受限:雖然空管中心能夠清晰掌握某一飛行器周圍的飛行器情況,但是由于RDSS系統出站容量的限制,空管中心無法及時向飛行器下發態勢信息,飛行器就無法像ADS-B那樣實現空空監視和防碰撞。

4) 單條報文容量受限:短報文通信作為北斗系統的一大特色,為拓展北斗系統的應用領域和提升國際競爭力發揮了至關重要的作用。但是由于單條報文容量受限(最多120個漢字),在飛行器與空管中心之間,只能進行簡單的信息交互,制約了更進一步的應用。

5) 終端功耗較高:目前RDSS終端發射功率在10 W左右。過高的發射功率以及較大的設備體積和重量,在部分通航飛行器上加裝RDSS設備也存在一定的障礙。

由此可見,北斗RDSS大規模應用于通航空管的一個最大挑戰就是系統容量受限,解決了容量問題后,頻度問題就迎刃而解了。為了使北斗RDSS更好地服務于通航空管,需要在北斗全球系統設計時,充分考慮RDSS容量過小的問題,并下大力氣加以解決。此外,將來的實施中,可以考慮開發組播模式,在編隊飛行時,組內所有用戶都可以收到其它用戶的信息,以簡單的方式實現ADS-B的空空監視功能。另外,由于廣義RDSS具有更優異的性能,廣義RDSS功能亟待開發,終端的低功耗、小型化、低成本都需要進一步優化。

4結束語

處于快速成長期的中國通航,需要一種適合其特點的空管技術和手段。北斗RDSS兼有定位和短報文通信功能,非常適合作為一種低成本的通航空管技術。由于RDSS本身為一種容量受限系統,真正大規模使用,也面臨不小的挑戰,需要在RDSS下一步的規劃和設計中予以充分考慮。

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趙陸文(1977-),男,講師,博士后,研究方向為衛星導航、衛星通信。

李廣俠(1964-),男，教授、博士生導師，主要從事衛星通信與導航方面的工作與研究。

戴衛恒(1977-)，男，博士、講師，主要從事衛星通信與導航方面的工作與研究。

繆志敏(1978-)，女，博士、講師，主要從事機器人學習與人工智能方面的工作與研究。

The Opportunity and Challenge of Beidou RDSS Applied in

the General Aviation Air Traffic Control

ZHAO Luwen1,LI Guangxia1,DAI Weiheng1,MIAO Zhimin2

(1.CommunicationEngineeringCollege,PLAUniversityofScienceand

Technology,Nanjing210007,China;

2.CommandInformationSystemCollege,PLAUniversityofScienceandTechnology,

Nanjing210007,China)

Key words: BeiDou navigation satellite system; radio determination satellite service; general aviation; air traffic control