通用航空北斗星基位置感知控制技術

王振華，張興儉,劉云峰

(1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國民航大學民航空管研究院，天津 300000；3.中國飛龍通用航空有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

通用航空北斗星基位置感知控制技術

王振華1，張興儉2,劉云峰3

(1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國民航大學民航空管研究院，天津 300000；3.中國飛龍通用航空有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

低空逐步開放導致飛行沖突增多以及管制難度加大。針對通用航空存在的監(jiān)管難的問題，提出了利用北斗星基通信(RDSS)和衛(wèi)星無源導航(RNSS)一體化技術，解決了低空的協(xié)同監(jiān)視以及控制問題。設計并研制了基于北斗的地面指揮控制系統(tǒng)、通航服務站系統(tǒng)以及機載接收設備，并在中國東北地區(qū)和西北地區(qū)展開機載設備搭飛測試驗證示范，測試結果表明，北斗RDSS/RNSS位置感知技術非常適用于通用航空低空協(xié)作目標的監(jiān)視。與傳統(tǒng)的地面一次二次雷達以及地基ADS-B監(jiān)視技術相比，北斗星基監(jiān)視與控制技術是利用我國現(xiàn)有自主的PNT資源，開展的航空行業(yè)應用，具有成本低、監(jiān)控空域更廣泛的優(yōu)勢。

通用航空;協(xié)同監(jiān)視;北斗;雷達;ADS-B;定位導航授時

0 引言

通用航空具體是指民用航空飛行器從事農業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、搶險救災、氣象探測、海洋監(jiān)測、科學實驗、教育訓練和文化體育等方面的飛行業(yè)務的統(tǒng)稱[1-2]。一般來講通用飛機數(shù)量是一個國家經濟實力的體現(xiàn)，全美通航飛行器數(shù)量達到了20萬架，目前我國正處在通航發(fā)展的上升期，企業(yè)或者個人擁有和使用通航飛行器的比例也在大幅度提高[3-4]。同時因為通航發(fā)展快、并且隨著飛機性能的不斷提高，航行安全成為國家和民眾關注的熱點，航空監(jiān)視技術作為新航行系統(tǒng)(CNS/ATM)的核心技術逐漸體現(xiàn)[5-6]。

飛行繁忙地區(qū)同時運行公共航空和通用航空，導致飛行沖突增多和飛行管制指揮難度加大；由于制度的不完善，在飛機監(jiān)管上存在一定漏洞出現(xiàn)“黑飛”，帶來空防壓力[7]；由于飛機機載設備性能各異、沒有統(tǒng)一的通用航空服務機構，通用航空飛行員很難獲取必要的飛行數(shù)據(jù)和飛行服務信息，存在飛行安全隱患。基于北斗星基位置感知控制技術，可有效解決上述問題，通過通用航空器與地面指揮終端的星基短報文通信，地面指揮中心可適時獲知航空器用戶的狀態(tài)信息，也可通過雙向的報文通信，為航空器提供服務信息；另外，提出了一種基于標準航空CPDLC空中管制指令的雙向協(xié)議，航空器用戶與地面用戶可通過雙向CPDLC管控指令，完成快捷的管制指令下達。

1 通航監(jiān)視現(xiàn)狀分析

國內通用航空運行種類繁多，執(zhí)行標準不統(tǒng)一，而且飛機種類、數(shù)量分布地域性強，難以統(tǒng)一綜合管理。通航飛行單元飛行高度低、數(shù)量大、密度高且種類多，要求對通航飛行器的監(jiān)視能力必須具備范圍廣、精度高的特點[8]。主動式的地面一次雷達系統(tǒng)(PSR)是目前軍航使用的空域監(jiān)視手段,而民航和通航更多地是使用應答式的二次雷達系統(tǒng)(SSR)[9-10]，或非主動式的自相關監(jiān)視廣播系統(tǒng)(ADS-B)[11]。

1.1 空管一次雷達優(yōu)缺點分析

空管一次雷達是通過接收航空器對該雷達自主發(fā)射的詢問電磁波的反射波，經檢測處理從而對航空器進行定位的雷達系統(tǒng)。空管一次雷達包括遠程一次雷達、近程一次雷達和場面監(jiān)視雷達等。其主要優(yōu)點：獨立非協(xié)同式監(jiān)視[12]；對機載設備沒有任何要求；可對不具備機載應答機功能的航空器實現(xiàn)監(jiān)視；各地面站可獨立運行[13]。缺點：僅有目標距離和方位信息；無航空器識別能力；覆蓋范圍小(100 km)；建設和運行維護成本高；地面站建設受地形限制。主要應用于航路(線)、終端(進近)管制區(qū)域和機場場面監(jiān)視[14]。

1.2 空管二次雷達優(yōu)缺點分析

通過該雷達發(fā)射詢問信號，空中機載應答機接收到該詢問信號并發(fā)射一個回答信號，從而實現(xiàn)航空器定位的雷達系統(tǒng)。空管二次雷達主要使用A/C 模式二次雷達和S模式二次雷達等。主要優(yōu)點：獨立協(xié)同式監(jiān)視；應用航空器應答機發(fā)射的應答信號，不需要額外的機載設備；覆蓋范圍廣；可提供比空管一次監(jiān)視雷達更多的監(jiān)視目標信息；各地面站可獨立運行。缺點：建設和運行維護成本高；更新率低；地面站建設受地形限制。主要應用于航路(線)和終端(進近)管制區(qū)域監(jiān)視，電掃描空管二次監(jiān)視雷達可應用于平行跑道監(jiān)視[15]。

1.3 廣播式自動相關監(jiān)視ADS-B優(yōu)缺點分析

ADS-B基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)，以空—地、空—空數(shù)據(jù)鏈為通信手段，將機載導航系統(tǒng)和飛行器狀態(tài)信息通過設備對廣播[16-17]，同時也能夠接收其他航空器的廣播信息，從而實現(xiàn)航空器間狀態(tài)信息的互相感知，達到了解周邊空域的詳細交通狀況[18]。主要優(yōu)點：地面設施部署比較快捷；在無雷達覆蓋的區(qū)域，可以為在無雷達覆蓋區(qū)域提供機場場面監(jiān)視；地面ATC系統(tǒng)可獲取航空器的高度、速度、識別信息和計劃飛行路徑等信息。缺點：覆蓋范圍小(200 km)；機載設備以及地面設備維護成本較高。

1.4 新型監(jiān)視技術的必要性

3種監(jiān)管方式均有各自的優(yōu)缺點，優(yōu)點在于：三者均為目前已經成熟的常態(tài)化技術，經過了多年的飛行驗證，表征其運行的穩(wěn)定性與可靠性；在管制空域和報告空域、特別是在進近區(qū)，能夠達到地面的監(jiān)視要求的高實時性，雷達和ADS-B均可做到1～4 s的刷新率。但同時，這幾種傳統(tǒng)監(jiān)視手段也有先天的局限性：① 3種方式的空域覆蓋范圍不足，均屬于100～250 km的區(qū)域監(jiān)視，且偏遠地區(qū)無覆蓋；② 飛機的計劃航線、速度等態(tài)勢數(shù)據(jù)難以通過雷達直接獲得；③ 雷達和ADS-B建站成本高昂，與廉價通用航空建設投資不符。因此，提出基于北斗RDSS/RNSS定位通訊技術的通用航空北斗星基位置感知技術，與傳統(tǒng)的雷達和ADS-B監(jiān)視技術互為補充，完善了我國低空空域的監(jiān)視體系建設。

2 基于北斗的自相關監(jiān)視技術

利用北斗RNSS B1/L1定位和RDSS報文通信一體化能力，以及低空地面移動蜂窩網絡的密集覆蓋，使用固定的轉發(fā)協(xié)議將北斗RNSS定位結果通過RDSS衛(wèi)星鏈路或者地面移動蜂窩網絡鏈路發(fā)送至地面指揮控制中心，地面指揮控制中心可通過協(xié)議約定內容對通航飛行器以及無人機進行控制及業(yè)務服務。從而實現(xiàn)地面調度系統(tǒng)實時監(jiān)控所轄飛行器的某時刻所處的位置、速度、航向、航空器識別碼和工況狀態(tài)等信息；實現(xiàn)空地雙向普通語音及文字報文通信；實現(xiàn)基于航空CPDLC空管指令集的管制報文通信。該技術所實現(xiàn)的途徑是航空器自相關監(jiān)視廣播系統(tǒng)(ADS-B)的升級版本，將機載自身的無線廣播鏈路升級為基于星基通信和地面移動蜂窩網絡鏈路，從根本上改進了傳統(tǒng)ADS-B技術覆蓋范圍小、成本高的問題。

2.1 系統(tǒng)組成

通用航空監(jiān)視網以及綜合服務網的系統(tǒng)設備，包括空中用戶、地面用戶、北斗通航地面服務站和多數(shù)據(jù)源管理部門，北斗指揮系統(tǒng)集北斗通信定位監(jiān)視技術與地面移動蜂窩網監(jiān)視技術于一體，主要完成數(shù)據(jù)的收集與預處理，形成可與通航服務站交互使用的數(shù)據(jù)格式；通航服務站系統(tǒng)負責提供Web前端網絡服務，以及后臺數(shù)據(jù)和引入外部數(shù)據(jù)的服務。北斗星基自相關監(jiān)視技術總體框圖如圖1所示。

圖1 北斗星基自相關監(jiān)視技術總體框圖

2.1.1 硬件構成

基于北斗的自相關監(jiān)視系統(tǒng)硬件構成包括兩大部分：通航機載協(xié)同監(jiān)視終端和北斗通航地面服務站系統(tǒng)。

機載協(xié)同監(jiān)視終端主要由電源模塊、信息處理模塊、RDSS模塊、RNSS模塊、移動網通訊模塊、音頻處理模塊和接口模塊等組成。

電源采用寬壓入，由2片電源芯片進行過欠壓保護，再由1片電源芯片完成寬壓轉5 V的工作；信處模塊采用飛思卡爾的IMAX6Q核心模組，該模組使用ARM新架構的Cortex A9核心，4核心最高運行頻率可達1.2 GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3 和Trustzone；RDSS和RNSS模塊以及移動通訊模塊分別采用國產模塊來搭建接收終端。機載部分組成如圖2所示。

圖2 機載部分組成

北斗通航地面服務站系統(tǒng)由北斗指揮系統(tǒng)和通航服務站系統(tǒng)組成，如圖3所示。北斗指揮監(jiān)視系統(tǒng)結合使用我國獨有的北斗地面指揮用戶機技術以及移動網絡通信終端技術，作為感知層的關鍵組成部分，用來感知和接收飛行器用戶上報或者發(fā)送的位置信息、工況信息及其他的雙向報文通信信息，通過軟硬件接口將信息交給通航服務站系統(tǒng)數(shù)據(jù)后臺。

通航服務站系統(tǒng)為通用航空服務業(yè)務的提供主體，主要利用數(shù)據(jù)后臺服務技術和安全網絡通信技術，借助Web的前端為空中用戶或者地面用戶提供通用航空航路情報、氣象和飛行計劃等數(shù)據(jù)情報服務；另外也可以借助移動網絡通信終端為個人用戶提供情報數(shù)據(jù)推送服務。

圖3 北斗通航地面服務站系統(tǒng)組成

2.1.2 軟件功能

不考慮軟件分布情況，從軟件功能上區(qū)分，將軟件劃分為如下4個功能模塊：指揮機上位機模塊、數(shù)據(jù)服務模塊、網絡服務模塊和人機交互UI界面。

通航運行支持軟件業(yè)務層功能組成如圖4所示。

圖4 通航運行支持軟件業(yè)務層功能組成

(1) 軟件主要功能實現(xiàn)

軟件通過標準RS232協(xié)議完成北斗指揮機的操控功能實現(xiàn)，通過與各類型的北斗普通終端設備構成調度關系，能夠實時將下屬用戶定位信息顯示在電子地圖上，實現(xiàn)多用戶的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。數(shù)據(jù)庫采用的是微軟的Access軟件實現(xiàn)分布式架構，利用標準插入、檢索以及刪除語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息的推送操作，同時要求供方提供服務器本控、程控、垂直檢索和數(shù)據(jù)網絡服務的解決方案。網絡服務器使用Apache + Tomcat + WebGIS的技術架構，設計時結合使用Apache處理靜態(tài)網頁的優(yōu)勢能力和Tomcat處理JSP請求和Servlet請求的優(yōu)勢能力，實現(xiàn)可以吞吐大容量數(shù)據(jù)請求的網絡服務端。后臺使用WebGIS完成地圖服務引擎的架構，地圖服務引擎通過空間數(shù)據(jù)引擎SDE管理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在Microsoft SQL Server中存儲、管理及快速檢索空間數(shù)據(jù)，同時集成非空間數(shù)據(jù)。

(2) 軟件UI界面設計

完成良好的人機交互界面設計，界面上顯示內容：本地航段受控通航飛行器一覽、飛行器上次通報時間及位置信息、RD入站信息編輯欄、數(shù)據(jù)庫檢索欄、短信服務編輯欄以及聯(lián)系人快捷選擇欄。

2.2 系統(tǒng)工作流程

按照系統(tǒng)用戶使用方式，總結系統(tǒng)中的信息流，梳理出以下5種典型工作流程：

① 接收由移動端或者桌面端飛行器用戶的飛行計劃申報，然后將所有飛行計劃打包傳到區(qū)域航空管理局計劃審批中心；

② 空中用戶將自身RNSS定位結果通過RDSS鏈路或者地面移動蜂窩網鏈路上報到北斗指揮監(jiān)視系統(tǒng)，然后北斗的位置信息將與其他的多源監(jiān)視信息融合，再由通航地面服務系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)的存儲以及數(shù)據(jù)服務的發(fā)布；

③ 空中用戶通過萬維網向通航地面服務站系統(tǒng)提交飛行前申報，并且在飛行前通過訪問通航地面服務站系統(tǒng)獲得飛行中的情報信息，包括氣象信息、臨時禁飛以及其他影響安全飛行的服務信息；

④ 北斗通航地面服務站可通過地面專網、公網方式接入多源服務信息，包括地方空管地面二次雷達監(jiān)視信息、全國氣象信息或者軍民航發(fā)布的禁飛公告信息，及時更新服務站的最新情報信息；

⑤ 通航公司、軍民航空管監(jiān)管部門、以及大眾用戶通過萬維網固定或移動終端，通過授權訪問通航運行支持軟件，獲得空中用戶位置以及狀態(tài)信息，進行遠程監(jiān)測。

用戶通過萬維網，登錄授權用戶訪問通航地面服務站，可以提交飛行計劃，并獲知飛行計劃的審批情況；可以獲取氣象服務信息；以及獲取到所關注的飛行器的飛行狀態(tài)，包括航跡信息和風險預警信息等等。通航運行支持服務平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 通航運行支持服務平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

3 運行效果分析

借助中國飛龍通航有限責任公司的海監(jiān)、物探和護林通航飛機進行了搭載飛行測試驗證，表1和圖6均為實際監(jiān)視的結果，在洋區(qū)沒有地面蜂窩網的時候北斗星基定位和通信技術可以有效監(jiān)視海監(jiān)飛機。同時，北斗星基通信技術還可以支持地空雙向CPDLC管制指令的發(fā)送和相應，以承載通用航空的飛行業(yè)務應用。

表1 北斗號164619監(jiān)視數(shù)據(jù)片段

圖6 北斗通航膠東海監(jiān)飛機監(jiān)視局部放大

與使用UAT頻段的通航ADS-B技術以及地面一次二次、雷達相比，北斗星基的位置感知以及控制技術具有得天獨厚的優(yōu)勢。首先，在亞太洋區(qū)，岸基的一次、二次雷達最多可以預警監(jiān)視深入大陸架200海里的范圍，地面ADS-B監(jiān)收設備低空最理想也只能達到180海里的范圍，而北斗星基的自相關監(jiān)視技術采用星基通訊監(jiān)視技術，凡是在北斗GEO衛(wèi)星的亞太覆蓋范圍內的航空器，均可進行實時的相關監(jiān)視；其次，岸基雷達和地面ADS-B監(jiān)收設備如果在洋區(qū)或者山區(qū)進行多點部署，成本是一個極大的制約因素；最后ADS-B技術及地面雷達技術均屬于信息單向流技術，指能進行監(jiān)視，而不能進行遙控指令的分發(fā)，基于北斗RDSS數(shù)字報文技術，地面指揮控制中心可將控制指令直接發(fā)送至航行器用戶，做到雙向通信、及時發(fā)布氣象預警信息和其他航向航路預警信息。綜上所述，在通用航空領域使用我國自主的PNT北斗技術，是符合我國國情的，也具有一定的國際先進性。

4 結束語

針對當前通用航空飛行器飛行監(jiān)管中遇到的 “看不見”、“管不到”和“用不起”的難題，分析了通用航空運行特點，綜合運用北斗定位通信一體化能力，提出了北斗空中管制地面自動化監(jiān)視技術、北斗通航業(yè)務承載能力測試技術和地面指揮系統(tǒng)安全組網技術等多項關鍵技術。對監(jiān)視系統(tǒng)進行原型設計并展開測試驗證，測試結果表明，本文提出的北斗星基位置感知控制技術作為補充監(jiān)視手段，與傳統(tǒng)的低空監(jiān)視手段相比，在山地和洋區(qū)等雷達覆蓋薄弱地區(qū)，可以達到實時感知、可信感知監(jiān)視效果。本文研究的成果加快了我國北斗航空應用進程，降低了通用航空企業(yè)和無人機企業(yè)的運營成本，解決了低空安全管制對無人機發(fā)展制約的瓶頸問題，推進我國低空空域改革的順利實施。

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Monitoring and Controlling of General Aviation in Low AltitudeOperation Based on Beidou System

WANG Zhen-hua1,ZHANG Xing-jian2,LIU Yun-feng3

(1.StateKeylaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China；2.CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300000,China；3.ChinaFlyingDragonGeneralAviationCo.LTD,HarbinHeilongjiang150060,China)

The gradual opening of the low altitude leads to the increase of flight conflict and the increase of control difficulty.An integrated technology of Radio Determination Satellite Service(RDSS)and Radio Navigation Satellite System(RNSS)was proposed,to solve the problem of low altitude cooperative surveillance and controlling.Beidou ground command and control system,navigation and service station and airborne equipment,which were designed and tested in the northeast and northwest of China for pilot flight,achieved good results.Compared with the traditional ground radar and ground-based ADS-B surveillance technology applied in aviation industry,independent PNT resources were used in this integrated technology by combining RDSS and RNSS,which has the advantages of lower cost and wider airspace monitoring.

general aviation;collaborative monitoring;Beidou;radar;ADS-B;PNT

2017-02-27

中國民航大學中央高校基本科研基金資助項目(3122015B003)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.08

王振華，張興儉,劉云峰.通用航空北斗星基位置感知控制技術[J].無線電工程,2017,47(6):32-37.[WANG Zhenhua,ZHANG Xingjian,LIU Yunfeng.Monitoring and Controlling of General Aviation in Low Altitude Operation Based on Beidou System[J].Radio Engineering,2017,47(6):32-37.]

TN967.1

A

1003-3106(2017)06-0032-06

王振華 男，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導航、導航新理論、航空導航。

張興儉 男，(1986—)，博士，助理研究員。主要研究方向：空中交通管理。