一種確定空管監視臺站選址范圍的方法?

程延松,孫清清,祝 亮,李 建,王 洪

(1.中國民用航空局第二研究所,四川成都610041;2.電子科技大學電子工程學院,四川成都611731)

0 引言

空管監視設備的科學選址具有重要意義,正確的選址可以充分發揮設備的優良特性和性能。選址范圍是指在滿足一定空域覆蓋條件和站址設置場地規范下的站點可選擇區域。理論上來說,選址的復雜度和選址區域面積是成正比的,選址范圍越大則尋找最優站點位置的難度越高,因此減小選址范圍可以很好地提高選址的效率。

傳統的選址方法大多依據規劃人員的實際經驗,效率低而且不能系統地考慮所有影響因素[1-2]。為了改進傳統選址方法,近年來國內外的一些研究單位都在積極探索新的技術,目的是使用計算機自動選址代替人工選址來提高選址的效率和科學性,并公開了相應文獻。文獻[3-5]提出了基于遺傳算法進行組網布站,選出的站點基本滿足了指定空域的覆蓋要求,但是選址區域范圍一般很大,導致算法的實現非常復雜,如果綜合考慮設備選址的各類影響因素,減小選址范圍,算法的效率可以得到大大提升。文獻[6]提出了一種對空管ADS-B(廣播式自動相關監視)設備進行自動選址的方法,主要思想是:先找到一個合理的選址范圍,再對范圍內的所有可選站點進行一一篩選,直到找出最優的站點位置。該方法預先對選址范圍作了分析和界定,使得選址更加靈活高效,但是無法保證對重要空域的覆蓋能力,而且對于一般的監視設備也并不通用。

為了提高監視設備的選址效率,本文提出了一種減小選址范圍的分析方法,首先結合地形因素和設備覆蓋特性通過反向視域分析方法得到選址范圍的邊界,再分析頂空盲區的影響,排除頂空盲區影響下不合理的選址區域,最后對其他選址的影響因素分別進行分析,逐步排除不合理的選址區域,最終可確定一個范圍較小的選址區域。

1 反向視域分析方法

監視臺站選址的空域覆蓋目標是保證終端區內主要定位點(Air Fix Point,為保證航空器的正常航行而規定的空中位置點)和航線的連續覆蓋,這要求站點位置具有盡可能低的屏蔽角,而地形或者高大建筑物等障礙物將直接影響到設備的覆蓋特性,因此需要先對站點進行覆蓋范圍分析,即可視域分析。常規的選址方法一般是對區域內所有可能的站點作覆蓋分析,結合GIS地形數據可得到各個站點的三維可視區域[7-8],最后選擇滿足空域覆蓋要求的最優站址。但在實際選址過程中,選址區域的范圍往往很大,對每個可能的站點都作覆蓋分析會造成計算量很大,因此很難施行。

為了避免在一個大區域范圍內對所有可能的站點都作覆蓋分析,本文提出一種反向視域分析(Reverse Line-of-Sight,RLOS)技術,在滿足空域覆蓋要求的前提下縮小了站址選擇區域的范圍。反向視域分析與常規視域分析方法相反,不直接對每個可能的站點作可視分析,而是以管制空域內主要定位點為“視點”,設備作用距離為視距對各個方位分別作可視分析得到定位點的可視區域;在某個定位點的可視區域內設置站點能夠確保設備對該定位點的絕對覆蓋,在所有定位點可視域的交集區域內設置站點則可以確保設備均勻地覆蓋這些定位點,即保證了設備的覆蓋性能。下面給出反向可視域分析的數學描述方法。

對于判斷空間內的任意兩點P和Q是否可視引入變量ω(P,Q),定義如下:

可視性是相對的,如果Q代表空中的某個點對P代表的地面設備安裝位置點可視,那么相反地面設備安裝P點則能夠覆蓋空中的Q點。

對于描述管制空域內定位點{Pi,i=1,2,…,M}的可視區域引入可視點集合V(Pi),定義如下:

式中,VS為管制的空域,Qj為管制空域內的任意一個點。

反向視域分析方法將得到的各定位點可視區域的交集作為站址選擇區域的范圍:

實際進行反向視域分析時還可確定設備所需的塔臺(天線)高度,如圖1所示,對定位點C的一個方位作可視分析,在一個方位上就是二維可視性的分析問題,由圖可知在A,B,C位置布站所需的天線高度分別為hA,hB,hC。如果在相同位置的不同定位點確定的塔臺高度不同,則取最大值作為最終確定的天線高度參考值。實際在選擇站點時天線的設置有高度限制,如果反向視域分析方法確定的某位置的天線高度參考值超過了限制高度則可說明該位置不適合設置站點,并在站址選擇區域范圍內剔除該位置。

圖1 一個方位上的反向可視域分析

對圖1作進一步說明,以A點分析為例,在確定了塔臺高度hA后,還需要判斷A′點和C點的可視性,這里的可視性與一般性的可直視(Line-of-Sight)不同,需要同時考慮設備的作用距離,換言之,如果設備在A′點對C點可視就是設備能夠覆蓋到C點。可視性的判斷問題將會在下一節展開討論。

反向視域分析最終得到的是一個范圍較小的選址區域,以及在該范圍內設置站點所需要的天線高度。下面給出一個簡化的反向視域分析的例子,如圖2所示,假設終端管制空域的地面投影是一個圓形區域,空域內6個定位點的地面投影分別為點1,2,3,4,5,6,不考慮地形因素(忽略天線高度的影響)下以定位點在地面投影為圓心、設備最大作用距離為半徑畫圓作為簡化的反向視域分析,得到的各個圓的共同覆蓋區域可作為選址的區域。

圖2 反向視域分析方法確定選址區域

2 可視性分析

反向視域分析是一個三維的問題,但在不同方位的分析則轉化為多個二維的問題。每個方位上進行反向視域分析都需要判斷可視性,換言之,需要判斷定位點是否能夠被設備所覆蓋。影響設備覆蓋范圍的因素主要涉及兩個方面,即設備天線的垂直方向圖和站點附近的地形或者建筑物等遮蔽物。本節將從這兩個方面的影響因素出發推導出空間內任意點設備可視的條件。

在考慮設備天線方向圖和遮蔽物條件下,目標能否被設備覆蓋取決于目標與設備之間是否存在遮擋和設備的作用距離能否超過到達目標點距離。如圖3所示,1,2,3分別表示3個不同的空中定位點,定位點1受到遮蔽物的影響設備無法覆蓋到,定位點2和3不受到地形的遮擋,但設備的作用距離小于設備到定位點2的直線距離,定位點2設備也無法覆蓋到,而定位點3同時滿足了兩個條件則設備可覆蓋[9]。

圖3 設備垂直剖面的“視線”

2.1 仰角和遮蔽角計算

判斷目標是否被遮蔽需要比較障礙物遮蔽角與目標仰角之間的關系,本節內容將推導出仰角和遮蔽角的計算方法。

如圖4所示,假設站點A天線高度為hA,定位點C高度為h,以天線位置E點為視點看定位點C的仰角為θ,地球等效半徑為ka,O為地心位置,OA和OC的夾角為β,過C點作垂線交OA的延長線于D點,則有

由式(4)、(5)可得

圖4 定位點仰角示意圖

因為β=d/ka,d?ka,則sinβ≈β,cosβ≈1-β2/2,代入式(6)可得

同理如圖5所示,在站點位置某方位存在距離為ds、高度為hs的障礙物時,可求得遮蔽角為θs,計算方法如下:

圖5 遮蔽角示意圖

為確保設備能夠覆蓋到目標,目標至少不能被遮蔽物遮擋,換言之需要滿足目標仰角大于該方位上的所有遮蔽角,即可得到設備可視的第一個條件:θ＞θs。

2.2 可視性條件

判斷目標的可視問題還需要考慮站點到達目標的視在距離與設備天線的作用距離之間的大小關系。如圖4中天線在仰角為θ下,到達定位點C的直線距離EC即天線到達定位點C的視在距離為

為簡化模型不考慮天線增益、發射功率、電磁波,以及繞射特性等有關因素。典型二次雷達的最大作用距離約為360 km;雷達天線的歸一化垂直方向圖G(θ),如圖6所示,高度角θ為4°時G(θ)為0 dB,高度角θ到50°時G(θ)下降到-20 dB[10]。

圖6 天線垂直方向圖

在仰角θ下,設備天線的實際作用距離為

式中,Rmax為設備的最大作用距離。為確保目標可視則需要滿足第二個條件:Rs(θ)≤Rr(θ),即設備天線的作用距離應大于站點到達目標的視在距離。

結合第一和第二條件可知,空中定位點對于地面監視設備可視的條件是

3 站址選擇影響因素分析

通過反向視域分析方法在保證了站點具有理想的覆蓋效果,能夠均勻地覆蓋管制區域內的各個定位點和航線的前提下,縮小了選址的區域范圍。為了進一步縮小預選區域,本節將對站址選擇的其他各類影響因素進行分析。

3.1 設備天線頂空盲區影響分析

頂空盲區是由于監視設備采用方向性天線造成,天線正上方空域被信號無法覆蓋到,形成一個錐狀空域信號覆蓋盲區,也稱為錐間盲區。圖6是典型的空管二次雷達天線垂直方向圖,在大于20°以后呈現單調遞減的趨勢,作用距離也逐漸減小,到50°仰角位置天線增益衰減到-20 dB,作用距離減少為原來的1/10,形成的頂空盲區如圖7所示。選擇空管遠程監視設備站點的配置位置時,應使設備的頂空盲區避開其所保障的主要航線以及主要的定位點。

圖7 設備頂空盲區

為使頂空盲區避開定位點,站點位置與定位點的水平距離不能太小,也就是在定位點正下方一個圓形區域內設置站點將使頂空盲區覆蓋到定位點;對航線而言,航路兩側一定寬度內也不能設置站點。為此引入兩個參數:定位點的不合理選址半徑Rf和航線不合理選址寬度Wr,即航路兩側寬度為Wr的區域和定位點在地面投影為中心半徑為rh的區域是不合理的選址區域。下面給出參數Rf和Wr的具體計算方法。

假設監視設備天線的垂直方向可視角度范圍是0°到20°。如圖7所示,C點為定位點或者航線上的某個點,高度為h,D點是C在地面上的投影,A是站點位置,A和D的地面距離為d,仰角θ取20°,O是地心位置,OA和OC的夾角為β。

由式(11)可以計算站點A到達定位點C的視在距離為

根據余弦定理可知:

當站點A到D點的距離小于d時定位點C點將落在頂空盲區內。對于定位點可相應計算出不合理選址半徑Rf=d,對于航線可計算出不合理選址寬度Wr=d,進而可以得到定位點和航路的不合理選址區域如圖8、圖9陰影部分所示。

圖8 定位點不合理選址區域

圖9 航線單側不合理選址區域

3.2 其他因素分析

空管監視設備站點選址還有一些其他方面的場地設置規范。如對于一次雷達和二次雷達要求:450 m范圍內不能有高壓輸電線、密集居民樓和金屬建筑物等;800 m范圍內不能有氣象雷達和高頻爐等有源干擾的設施;遠離高速公路鐵路等[1]。對于這些因素的考慮需要在選址前收集大量的數據,在已知這些干擾源的位置前提下,一一剔除這些不合理的選址區域,從而達到縮小選址區域范圍的目的。

4 結束語

本文深入分析了空管監視設備站址預選問題,提出反向視域分析方法確定選址范圍的邊界,并針對選址的各方面影響因素對不合理的選址區域分別進行剔除,最終達到減小選址范圍的目的。該方法可結合GIS地理信息系統進行計算機自動確定選址區域范圍,進而可在選址區域內選擇最佳的幾個位置作為候選站點,相比傳統人工選址方法更加科學高效。

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