淺談幾種場面監視技術定位原理

張鑫

摘要：民航業飛速發展，機場流量不斷增大，管制員監視機場場面的技術也不斷更新換代，本文討論了幾種最主流的機場場面監視技術的原理和應用，包括場面監視雷達SMR、多點定位MLAT、廣播式自動相關監視ADS-B。

關鍵詞：場面監視技術、SMR、MLAT、ADS-B

1、 引言

航空運輸業的迅猛發展，給交通出行物流運輸帶來便利的同時，也給空管系統帶來了考驗：日均航班屢創新高，機場運行日益復雜，場面飛機與飛機之間以及飛機與車輛之間的沖突越發嚴重。機場場面交通的高效通暢在很大程度上影響著空管系統的安全運行，更先進智能化的監視技術應用將在很大程度上減輕管制員們的指揮壓力。目前在各大機場廣泛使用的主要有SMR場面監視雷達、MLAT多點定位以及ADS-B廣播式自動相關監視技術。

2、幾種場面監視技術的工作原理及應用

2.1、SMR場面監視雷達

SMR是在我國多個大型機場應用的一種技術，它是一種一次雷達，通常由高轉速天線、接收機、發射機、信號處理器、數據處理器、顯示終端組成。它的定位原理和其他一次雷達一樣，是通過使用雷達天線向外發射電磁波信號，并通過對目標反射回來的電磁波信號進行接收處理從而獲取目標的距離和方位。其定位原理是基于目標信號到達時間的TOA（Time of arrival）與基于目標信號到達角度的AOA（Angle of arrival）的混合定位法。假設目標T位置為（x，y），雷達位置為（xi，yi）測量AOA為θi，TOA為ti，則有：

x- xi=cticosθi

y- yi=ctisinθi

（i=1，2…m），c為電磁波傳播速度

如圖一：

SMR獲取到目標位置信息后，送入數據處理器，與其他外部數據如二次雷達信息、飛行計劃信息、氣象信息、停機位信息等進行相關處理，從而在管制席位的場面監視終端上顯示出場面的電子地圖、飛機及車輛的標牌信息、停機位編號信息、進離港飛行計劃信息等，一個成熟的場面監視雷達系統應該包括以下幾種功能：

（1） 監視功能：提供管制員場面所有活動的飛機和車輛定位并結合外部數據相關掛牌，提供監視目標位置、速度、大小等信息，做到對場面的實時監控。

（2） 告警功能：在機場電子地圖的沖突檢測區域根據目標運動趨勢計算潛在沖突并告警，根據沖突預計發生時間可提供不同的告警級別，提高場面運行安全水平。

（3） 路線引導控制功能：可以自動或手動調整滑行道分配，提高滑行道利用效率進一步提高運行效率。

SMR在國內外各大機場有著廣泛的應用，主要優點有定位精度高、數據刷新速率快，融合多個雷達信號相關處理后可以完成沖突告警、滑行道管理、飛機標牌管理等一系列功能，但其缺點也比較明顯，首先因為場監雷達屬于一次雷達，對目標的標識能力主要依賴于其他系統，其次場監雷達由于多徑干擾和地面物體的反射會機場產生一些假目標，從而對依賴場監系統完成場面監視的管制員造成影響，同時雷達下方一定范圍屬于盲區，做不到完整覆蓋式監視，然后是在較嚴重降雨天氣下，由于雨滴的球面反射會造成大量雜波干擾，在暴雨時有些時候會超出系統自帶雨濾處理功能從而產生大量假目標，失去場面監視功能。最后是場監雷達系統造價昂貴，要在各中小機場推廣使用需要大筆投入。

2.2、MLAT多點定位技術

MLAT系統通常由多個遠端接收站、詢問發射站、中心處理站、參考基準站、顯示終端組成。多點定位技術是近些年快速發展應用的一種較新的技術，由詢問發射站向飛機發射詢問信號，得到飛機應答機A/C模式、S模式應答信號、ADS-B信號、機載TACS信號以及其他機載信號的應答信號，通過覆蓋范圍內的多個接收站，同時接收飛機的應答信號，測量應答信號到達各站的時間差（TDOA定位），中心站通過雙曲線定位解算，得到飛機的精確位置，通過對應答信號進行解碼，從而完成對飛機的識別，最終在顯示終端上顯示目標位置信息。

MLAT定位原理是基于雙曲線的特性，即雙曲線是到兩點距離差為常數的點的集合，通過測量應答信號到達兩個接收站時間差，乘以電磁波信號傳播的速度得到一個常數，從而能確定出一條雙曲線；若接收站為三個就可以確定三條雙曲線，其交點即為目標位置。

假設目標T位置為（x，y），接收基站位置為（xi，yi），測量TDOA為ti，1，則有：

（i=2，3…m）

如下圖二：

MLAT按覆蓋范圍和定位精度的不同可以分為場面多點定位和廣域多點定位，目前已在國內外已經有了廣泛應用，在美國，從2000年開始部署多點定位系統，現已有35個機場完成了布設；捷克全境已經實現了廣域多點定位覆蓋。在我國，北京、重慶、武漢等城市機場的多點定位系統相繼建設完成投入使用。

多點定位技術的廣泛應用跟其與其他監視技術相比明顯的優勢密不可分，有以下優點：

（1） 可以兼容二次雷達和ADS-B廣播式自動相關監視技術，可以利用飛機現有的標準應答機獲取應答信號，通過解碼應答信號即可以獲取飛機信息進行識別，不需要與二次雷達相關，不需要額外加裝機載設備。

（2） 更新速率高，定位精度高，場面定位精度小于7.5米，廣域空中定位精度20米以內，優于傳統的二次雷達。

（3） 布站靈活、安裝簡單，可以通過優化選點達到消除盲區，理論上可以達到100%全覆蓋。低廉的建設成本可以更好地適應機場的改擴建，升級方便。

（4） 提供了對車輛的監控手段，只需要在場面車輛上安裝相應的應答機，即可實現對場面車輛的實時監控。

（5） 通過軟件，可以實現沖突告警、跑道入侵告警等告警功能。

2.3、ADS-B廣播式自動相關監視endprint

ADS-B技術的特點體現在以下幾點：

自動（Automatic）：無需人工操作，無需地面站詢問。

相關（Dependent）：數據依賴于機載設備。

監視（Surveillence）：提供飛機的位置、高度、速度、二次代碼、航向信息等。

廣播（Broadcast）：使用廣播方式發送數據，所有用戶都能接收數據。

簡單來說ADS-B技術使得飛機通過衛星導航設備獲取自身位置并通過地空數據鏈或者空空數據鏈把自身的呼號、位置、高度、速度等飛行信息廣播出去供其他飛機或者地面接收站接收。

ADS-B技術數據更新速率快、信息種類豐富、位置精度高、建設和使用成本遠低于傳統的航管二次雷達。其應用按照飛行信息的接收發射方不同可以分為ADS-B IN和ADS-B OUT。

ADS-B IN使得飛行器通過地空或者空空數據鏈接收地面站和其他飛行器發送的信息，可以使飛行員接收交通信息服務廣播以及飛行信息服務廣播，并可以通過地面站匯聚數據再發送的形式實現不同數據鏈之間的監視服務，方便飛行員實時掌握其他飛行器的位置從而可以在無須地面空管部門過多介入的情況下實施航路選擇、避免飛行沖突。增強場面交通狀態以及飛行進程狀態的獲取、加快飛行器的排隊和匯聚時間，以及改進飛行高度層的相關程序增大容量。由此可見，ADS-B技術在民航領域的應用勢必影響到空域管理的模式，是由集中式管理到分布式管理的一個重要技術支持。

ADS-B OUT使得飛行器把從衛星等導航設備獲取到的位置信息結合飛行員輸入的其他飛行信息經由機載設備廣播給地面站和其他飛行器，使地面管制人員可以準確獲得飛機的精確位置和飛行信息，經由多路數據融合處理，顯示在顯示終端上，從而實現對飛行器的監視功能。該技術可以在無雷達空域、中低流量地區和無雷達地區提供空管監視的盲區填補；在中高流量雷達空域提供空管監視，作為航管雷達的補充手段使用，或者在一些地區取代雷達成為主要監視方式；在機場場面監視領域可以作為高級場面監視與引導系統的信息源，并且可以直接應用于一些小型機場，作為場面監視的主要手段。

在歐美和澳洲，ADS-B技術已經獲得了廣泛應用，國內在成都等地也獲得了成功的應用。該技術對于空域監視和場面監視都是一個有效的選擇。

3、 結語

傳統單一的場面監視手段已無法滿足復雜的場面交通情況。在我國普遍使用場面監視雷達技術之后發展起來的ADS-B和MLAT技術以其在定位精度和數據更新率等方面各自具有的優勢必將獲得廣泛應用，在未來，多種場面監視技術將充分發揮自己的優勢，互為主備取長補短，實現對機場場面高精度高智能化的全面監視，為管制運行提供強有力的幫助，為機場場面的安全運行提供有效保障。

參考文獻

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