監視新技術在我國低空空域改革中的應用

李春雷

【摘 要】近年來，隨著民航強國戰略的實施，我國民航業發展迅速，急需進一步提升空域監視能力。廣播自動相關監視（ADS-B）和多點定位（MLAT）等新技術相較于傳統雷達，在臺站建設、精度、數據更新速率及系統功能上都有很大改善，未來將廣泛應用于航路、進近及場面監視，進一步提升新監視系統的可靠性，提供更高質量的監視服務能力，也是科研人員需要繼續探索的問題。

【關鍵詞】監視；自動相關監視；多點定位系統；應用分析

0 引言

監視（Surveillance）作為空中交通管理的基礎，為空中交通管理系統提供航空器的實時動態信息，管制員利用監視信息判斷、跟蹤空中航空器和機場場面動目標位置，獲取監視目標識別信息，掌握航空器飛行軌跡和意圖、航空器間隔等。近年來，中國民航事業發展迅猛，整體水平不斷提升，特別國內低空空域的逐漸開放意味著通用航空即將迎來快速發展的時期，屆時低空飛行活動的數量將會大量增加，空管監視的保障能力急需適應發展需求，加強對全國各航路（線）及終端監視覆蓋，進一步減少盲區，增強空管保障能力是當前空管監視工作的重點。

1 我國空域監視現狀

1.1 現狀概述

我國東部沿海地區的空域特點為空中交通流量大，飛行密度高，空域結構復雜，目前雷達系統的在航跡更新頻率和監視精度方面的表現有待提高。隨著航路數量的增加，空域越來越密集，雷達監視管制的壓力越來越大，便迫切需要能夠提供更優秀監視性能的航管監視技術。我國西部部分地區雖然空域充足，但相應的地域遼闊、地形多樣，而雷達設備體積龐大、部署難度大、投入成本高，雷達站設備的運輸以及后續的設備維護和人員保障都存在很大的困難。而且在許多山區和偏遠地區，不僅，很難滿足雷達臺站建設的環境要求，也無法提供人員保障、電力供給，這些問題是雷達系統設備建設的客觀困難。同時，許多支線機場航空運輸均將保持快速增長，并且可能新增航路，而現有雷達系統覆蓋率不足，且受選址條件嚴格，建設周期較長等因素影響，迫切需要監視新技術提供監視補盲與備份，提升監視覆蓋及冗余備份能力。

1.2 監視技術比較

目前應用于空中交通管制服務的監視技術主要有雷達（PSR、SSR）、自動相關監視（ADS）和多點定位系統（MLAT）。

1）空管監視雷達為傳統監視技術，受限于視距傳播，易受到周邊地理位置、電磁環境等因素的影響，覆蓋范圍相對較小，且造價昂貴，臺站一般需要有人值守，建設、維護成本高。

2）自動相關監視（ADS）利用全球導航衛星系統（GNSS）提供監視目標信息，定位精度高，數據更新率快，建設、運行維護成本低，但由于其依賴全球導航衛星系統（GNSS）對目標進行定位，本身不具備對目標位置的驗證功能，如果航空器給出的位置信息有誤，自動相關監視地面站設備（系統）無法辨別；當全球導航衛星系統無法提供正常的定位導航服務時，廣播式自動相關監視（ADS）系統由于收不到導航定位信息，ADS系統無法正常提供飛機的定位信息。

3）多點定位（MLAT）系統的定位數據精度高，數據刷新時間短，不增加額外的機載設備即可提供高精度的定位導航服務，建設、運行維護成本低。但MLAT系統的缺點是定位數據精度取決于地面基站的位置精度、基站的幾何分布以及時間同步等因素。根據國際民航組織對亞太地區監視戰略的建議，在航路（線）、終端區域和機場場面，多點定位系統可替代其他監視系統或作為其他監視系統的補充。

2 監視新技術介紹

2.1 自動相關監視

廣播式自動相關監視ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）技術的基本原理是飛機將機載導航設備確定的飛機位置信息及其他相關信息按照標準組成 ADS-B 報文，通過1090ES數據鏈或者其他數據鏈，按照一定的時間間隔進行廣播式發送，ADS-B地面站接收到 ADS-B 報文后，對報文進行分析和解碼，利用ADS-B系統的連接網將數據發送到 ADS-B系統的數據基站，在數據處理中心對數據進行后期的處理，數據經處理傳送到相關用戶的顯示和提示系統中。

ADS-B系統包括飛機的機載ADS-B系統、衛星導航系統以及地面ADS-B系統，如圖1所示。

飛機的機載ADS-B系統主要由兩部分組成：收發裝置和飛機運行參數測量計算裝置，根據功能可分為發送（OUT）和接收（IN），IN和OUT功能都是基于數據鏈通信技術。飛機運行參數測量計算裝置主要為飛機自身裝載的傳感設備和控制單元，測量參數包括飛機運行的航行方向、速度、高度、氣象信息（如溫度、濕度）等信息。接收和發送裝置包括信息接收設備和信息廣播設備。信息接收裝置，一方面，接收導航衛星傳送的信息，另一方面，接收地面站以及其他飛機傳送的ADS-B信息。

地面ADS-B系統向航空器提供兩種廣播服務，一種是空中交通信息服務廣播（Traffic Information Service Broadcast，TIS-B），另一種廣播服務是飛行信息服務廣播（Flight Information Service Broadcast，FIS-B）。如圖2所示，TIS-B廣播服務中，監視數據處理系統（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B位置數據鏈報文）、地面雷達監視系統和其他監視設備的數據，并將采集的原始數據傳送到空中交通信息服務廣播服務器。TIS-B服務器接收并將SDPS的數據融合生成空中交通信息，發送到空域中的各航空器并展示在駕駛艙交通信息顯示CDTI（Cockpit Display of Traffic Information），為飛行員提供空域附近的交通信息。

如圖3所示，FIS-B廣播服務中，監視數據處理系統（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B飛行狀態數據鏈報文），并將采集的原始數據傳送到飛行信息服務廣播（FIS-B）服務器。FIS-B服務器接收并將SDPS的數據融合生成飛行氣象信息，發送到空域中的各航空器。

ADS-B數據鏈系統包括實際系統的物理連接設備和通信系統。通信系統中采用的通信協議必須能夠解決數據傳輸過程中發送方與接收方的數據兼容性和通用性問題。目前，有三種主流ADS-B數據鏈路：分別為甚高頻數據鏈模式4（VDL Mode 4），通用訪問收發機（UAT）和S模式1090兆擴展電文譜。從技術層面上來說，三種數據鏈均可實現對ADS-B系統的支持，其中UAT的空對空性能在高密度和低密度的情況下的表現要優于其他兩種；VDL-4模式在機場地面方面的監視性能更加優異；而1090ES的最大優點是原有的S模式應答機可以升級為支持ADS-B系統的載體。而且1090ES模式是目前唯一實現標準化的ICAO鏈路技術，是三種模式中唯一獲得了全球無線電頻譜批準的鏈路模式。

結合我國現狀，對1090ES和UAT鏈路進行對比。UAT模式鏈路的應用有較大的困難和不確定性，主要原因如下：一是，UAT所采用的頻段在頻譜規劃中存在沖突；二是，采用雙模式數據鏈將使系統構成復雜，數據處理量大，延時較高，難以實現預定功能；三是，建設與運行成本相對較高。雖然1090ES目前存在速率較低、信息量小、上行鏈路涌塞等技術難點，需要在技術上進一步完善，但1090ES作為國際民航組織在亞太地區推薦的單一數據鏈模式，相對于UAT模式，在今后的實施和運行使用等方面仍有較大優勢。中國國民航在下一步的ADS-B地面站建設中已明確采用1090ES模式鏈路，基于1090ES鏈路模式的地面站是現階段ADS-B系統建設的不二之選，但并不排除在以后的發展中需要采用其他的鏈路形式的可能性。

2.2 多點定位系統

MLAT（Multilateration）系統利用多個地面接收機接收飛機的機載應答信號的時間差確定飛機的具體位置并對目標進行跟蹤。MLAT系統包括遠端基站、校標系統、地面中心站和飛行動態顯示系統組成，如圖4所示，遠端基站根據工作模式由接收機或接收機和發射機組成。

遠端基站主要用于接收飛機發送的信號，對飛機信號進行解碼處理，記錄信號到達時間。MLAT系統分為主動式和被動式，兩者的區別在于：被動式MLAT系統僅僅由接收機組成，而主動式MLAT系統包括一個或多個發射天線，發射天線向飛機的二次應答機發射詢問信號，飛機詢問不依賴于其他進行詢問的發射源，實現目標無應答區域的詢問補充，達到目標更新率的提高。

地面中心站綜合各遠端基站的信息，在服務器中對接收數據進行多徑處理，計算飛機的目標位置并對目標進行跟蹤、產出輸出數據包括點跡和航跡、發射輸出數據、根據交通狀況估計詢問、產生詢問請求、向為特定的發射站發射詢問請求以及刪除內存中處理過的共享數據等。

校標系統通過將遠端基站與校標系統的時間同步，達到將多個遠端基站之間的同步目的，校標系統提供了高準確度、精度和高可靠性的系統同步和系統內部測試功能。

飛行動態顯示系統用于在顯示終端設備中對飛機的動態進行顯示，與此同時，飛機動態顯示系統還具有監控飛行動態、記錄和存儲數據、顯示飛機航跡以及系統啟動，同時可以遠程監視地面站的狀態信息并實現遠程參數設置、故障診斷、軟硬件升級維護等控制功能。

MLAT系統的關鍵技術之一是TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）定位技術。目標信號到兩個天線間的時間差形成一條能夠確定飛機位置的雙曲面（三維空間）。當四個天線發現飛機信號后，可以通過計算雙曲面的交叉點得出飛機的三維位置。當僅有三個天線可用時，不能直接判斷出三維位置，但如果可以通過其它信息獲知高度，也能夠計算出目標位置，即變成了二維的問題。在使用大氣壓高度（模式C）時，由于氣壓高度在不同地理位置存在一定差別，不能精確估計出目標的位置。當多于4個天線時，多余信息既可用于校準其它測量的正確性又可以從所有測量中計算出一個平均位置，這將可以全面減小誤差。

2.3 監視新技術應用分析

為了適應發展需求，我國民航積極推進監視新技術的研究與應用，并進行了大量的前期試驗。

我國民航在西南、中南等地建設完一系列ADS-B臺站并投入試運行，實踐證明，ADS-B新技術的應用增加了空域容量，加速了飛行流量，減少了航班延誤，在ADS-B、二次雷達混合覆蓋區域，實驗中出現過ADS-B信號分裂時雷達信號正常顯示，雷達信號丟失時ADS-B信號正常顯示的情況，驗證了雷達系統和ADS-B系統互為備份監視手段的重要性和可行性。

MLAT作為監視新技術，系統具有工作原理與雷達和ADS-B完全不同，設備占用空間小、投資少的優點，我國目前已經在部分地區開展了MLAT系統試驗研究。MLAT系統利用現有機載標準應答機，無需加裝其它機載導航設備即完成定位監視，MLAT系統能夠適用各種環境，能夠實現對低海拔區域復雜環境的覆蓋，能夠與使用標準協議和通信設備的各種系統連接，并能夠處理飛行計劃系統（FPS）數據，送至塔臺顯示、A-SMGCS、TIS-B服務器、交通管理單元、航線運行、機場運行的數據和送至用戶支持中心監視系統的數據。

廣播自動相關監視（ADS-B）和多點定位（MLAT）等新技術相較于傳統雷達，在臺站建設、精度、數據更新速率及系統功能上都有很大改善，隨著技術的逐漸成熟，未來將廣泛應用于航路、進近及場面監視。

3 結語

我國地域遼闊，地形多樣，空域復雜，必須承認實現空域監視全覆蓋困難是客觀存在的，特別是通用航空對于低空監視要求較高，因山區等地形因素的影響，傳統監視雷達很難實現全區域監視信號的連續覆蓋。ADS-B地面基站的對飛行器的定位信息是基于衛星系統，對周邊環境的要求低，設備小巧易安置，相對雷達受地形因素影響較小，但由于其本身不具備對目標位置的驗證功能，系統易受外部影響，同時其定位依賴美國GPS系統，在GPS系統失效或有人為干擾的情況下，該系統將不能提供有效精度的定位信息，ADS-B系統一旦我國大面積投產使用，運行安全風險不容忽視。多點定位（MLAT）不增加額外的機載設備即可提供高精度的定位服務，建設、運行維護成本低，但MLAT系統的缺點是定位數據精度取決于地面基站的位置精度、基站的幾何分布等因素影響。因此，未來綜合各監視技術的優勢，促進全面監視體系的形成是監視技術的發展趨勢。

【參考文獻】

[1]郝曉爽，韓明，苑克劍.首都機場MLAT系統定位精確度分析[R].科技視界， 2015：52.

[2]李敏，王幫峰，丁萌.ADS-B在機場場面監視中的應用研究[J].中國民用航空飛行學院學報，2014，25（1）：11-14.

[3]楊榮盛.低空空域監視對策研究[D].四川廣漢：中國民用航空飛行學院，2011.

[責任編輯：田吉捷]