中國實施ADS-B 監(jiān)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(jiān)視系統(tǒng)主要是一次監(jiān)視雷達和二次監(jiān)視雷達。但隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的廣泛應用,一種新穎的監(jiān)視系統(tǒng)應運而生,它就是廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(Automatic Dependent Surveillance Broadcast,ADS-B)。ADS-B 是一種協(xié)作相關(guān)的監(jiān)視系統(tǒng),它采用機載導航系統(tǒng)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(shù)[1]。

當前,世界各地廣泛發(fā)展ADS-B 監(jiān)視:澳大利亞實施了“高空空域計劃”,其核心是ADS-B 技術(shù);美國制定了ADS-B 技術(shù)發(fā)展的近期、中期和遠期規(guī)劃,把ADS-B 作為下一代交通運輸系統(tǒng)的核心技術(shù)[2];歐洲提出的“歐洲一體化空管計劃”(SEASA),其核心技術(shù)也是發(fā)展ADS-B。基于我國當前的監(jiān)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(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展策略是:西部地區(qū)以ADS-B 監(jiān)視為主、雷達監(jiān)視為輔的監(jiān)視策略,首先在主要航路實現(xiàn)ADS-B 的單重覆蓋;東部雷達管制地區(qū)雷達覆蓋較好,繼續(xù)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(fā)展ADS-B 航跡處理的應急備份系統(tǒng)。

在世界各國發(fā)展以ADS-B 為核心技術(shù)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(xiàn)了無雷達監(jiān)視區(qū)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(lián)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(qū)域進行覆蓋進行了研究[3]。根據(jù)我國的飛行流量是東重西輕和我國的監(jiān)視發(fā)展策略,本文提出了ADS-B 信號在我國東部空域?qū)嵤﹩沃馗采w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(xiàn)單重覆蓋對地面站數(shù)量的要求,對我國西部主要航路B213 和B215 實現(xiàn)單重覆蓋,提出了兩個地面站的重疊模型, 并根據(jù)航線數(shù)據(jù)討論了高空6 600 m以上實現(xiàn)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(fā)送,ADS-B 地面站或其他飛機的ADS-B 設備接收。根據(jù)機載ADS-B 發(fā)射機的發(fā)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?shù)淖畲缶嚯x,其計算公式為

式中,Pt是ADS-B 發(fā)射機發(fā)射功率,Sr(min)是接收機接收功率最小檢測門限, Gt是發(fā)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(shù)據(jù)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(jù)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(shù)可選的數(shù)據(jù)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(fā)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(qū)域,該區(qū)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(qū)。討論該區(qū)域的ADS-B 地面站的部署,需要計算單個ADS-B 地面站在該區(qū)域的覆蓋半徑和實現(xiàn)單重覆蓋的地面站之間的距離,最后根據(jù)該區(qū)域的地面面積粗略計算ADS-B 地面站的數(shù)量。

3.1 ADS-B 地面站的覆蓋半徑

我國東部大部分區(qū)域的海拔高度低于500 m。ADS-B 地面站設置在該區(qū)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(xiàn)單重覆蓋的地面站配置模型

為了在東部地區(qū)實施ADS-B 無縫隙的連續(xù)監(jiān)視,需要ADS-B 地面站覆蓋區(qū)域至少實現(xiàn)單重覆蓋。要實現(xiàn)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(gòu)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(jù)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(shù)量

根據(jù)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(qū)域如圖3 所示。4 個地面站覆蓋的區(qū)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(qū)域形狀近似長方形,邊長為D1和D2,根據(jù)該模型,可以粗略計算地面面積S 區(qū)域內(nèi)需要的地面站數(shù)量

圖3 地面站數(shù)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(qū)域,即東北區(qū)域和東部區(qū)域。其中東北區(qū)域主要為沈陽飛行情報區(qū),東西約1 150 km,南北約1 300 km;東部區(qū)域主要包括北京、上海、武漢、廣州飛行情報區(qū)和部分蘭州、昆明飛行情報區(qū), 東西長約1 850 km,南北約2 100 km。三亞飛行情報區(qū)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(xiàn)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(qū)域需要的ADS-B 地面站的數(shù)量為

東部區(qū)域需要的ADS-B 地面站的數(shù)量為

東部空域需要的ADS-B 地面站的數(shù)量是:N =N1+N2+1=30。所以,根據(jù)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(shù)量和位置情況也是不同的,表3 是我國東部區(qū)域不同飛行高度層覆蓋所需的地面站數(shù)量。

表3 我國東部區(qū)域不同空域的地面站數(shù)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(qū)域和東部區(qū)域的重疊覆蓋情況和鄰近區(qū)域存在共同使用地面站的情況,也沒有考慮東部沿海地區(qū)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(qū)域航線的實際分布情況,所以實際的地面站數(shù)量會有所變化。

4 西部主要航路實現(xiàn)單重覆蓋的ADS-B 監(jiān)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(qū)和昆明、蘭州部分情報區(qū)。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(qū)是無人區(qū)域。根據(jù)航線分布情況和飛行流量的發(fā)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(fā)展高空空域單重覆蓋的ADS-B 監(jiān)視。

4.1 B213 航線ADS-B 地面站的配置

成都—拉薩航線的規(guī)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(qū)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(xiàn)單重連續(xù)覆蓋,即飛行高度層6 600 m以上實現(xiàn)單重連續(xù)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(jù)圖4 的地面站重疊模型,地面站覆蓋距離D 為

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

表4 成都—拉薩(B213)航線數(shù)據(jù)Table 4 Chengdu—Lhasa(B213)route data

根據(jù)表4 中成都—拉薩B213 航線數(shù)據(jù),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(jīng)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(qū)域?qū)挾?0 km,兩個地面站距離為

銀川—烏魯木齊航線(B215)的航線數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 銀川—烏魯木齊航線數(shù)據(jù)Table 5 Yingchuan—Urumqi route data

根據(jù)航線數(shù)據(jù)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(jié) 論

ADS-B 作為一種全新的監(jiān)視技術(shù),具有航跡精度高、投資成本低、數(shù)據(jù)更新快等特點,雖然這種技術(shù)目前還處于發(fā)展過程中,但作為未來主用監(jiān)視系統(tǒng)已是大勢所趨,特別是在無雷達空域和邊遠地區(qū),如我國的西部空域?qū)⒕哂泻艽蟮陌l(fā)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(jù)在一個空域利用多個圓實現(xiàn)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(qū)域和東部區(qū)域,利用單重覆蓋模型分析了地面站的部署。對西部區(qū)域提出了兩個地面站的重疊模型,并根據(jù)B213 和B215 航線具體情況討論了高空6 600 m以上實現(xiàn)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(xiàn)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(qū)域航線的實際分布情況,這些都將是下一步的研究內(nèi)容。

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