基于平流層飛艇的ADS—B通航監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用研究

朱訓(xùn)寧

摘 要：隨著我國通用航空的快速發(fā)展，低空空域監(jiān)視能力不足的問題越來越嚴(yán)峻，文章提出了基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)作為解決問題的方法。介紹了ADS-B技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于平流層飛艇的ADS-B通航監(jiān)視系統(tǒng)方案。

關(guān)鍵詞：平流層飛艇；ADS-B；通用航空；低空空域

前言

根據(jù)中國航空學(xué)會(huì)和中國通用航空專家委員會(huì)預(yù)測(cè)，未來5年，我國通用航空飛機(jī)需求量將逐年增長，預(yù)計(jì)2020年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1500億元。隨著通用航空的快速發(fā)展，通用航空器活動(dòng)量將逐漸增加，對(duì)低空空域的監(jiān)視將變得越來越重要，但是由于監(jiān)視技術(shù)的限制，低空空域一直是我國空中交通管理的薄弱之處。目前，空域監(jiān)視技術(shù)主要有一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、多點(diǎn)定位、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）等，其中，ADS-B技術(shù)是民航組織確定的未來監(jiān)視技術(shù)的主要發(fā)展方向。平流層飛艇能在海拔20km左右的平流層高空長時(shí)間（數(shù)月）定點(diǎn)懸停或低速機(jī)動(dòng)飛行，將ADS-B接收系統(tǒng)集成到平流層飛艇平臺(tái)，將可充分發(fā)揮平流層飛艇平臺(tái)的高度優(yōu)勢(shì)，滿足空中管制部門對(duì)低空空域的監(jiān)視需求。

1 ADS-B技術(shù)

1.1 ADS-B技術(shù)簡介

ADS-B是一種協(xié)作相關(guān)的監(jiān)視系統(tǒng)，它采用機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)獲得飛機(jī)精確的位置和速度等信息，利用機(jī)載ADS-B設(shè)備廣播飛機(jī)的位置信息和其他一些參數(shù)。通過空-地?cái)?shù)據(jù)鏈，ADS-B地面站接收這些信息，并借助航空電信網(wǎng)相關(guān)信息到空中交通管制中心，可以實(shí)現(xiàn)管制中心對(duì)飛機(jī)位置的監(jiān)視。

1.2 ADS-B低空覆蓋分析

ADS-B信號(hào)在空中的傳播是以視距方式傳播，地球存在曲率，無線電波的傳輸有一個(gè)最大傳輸距離，該距離由天線的高度、地球曲率和大氣層相對(duì)無線電波的折射效應(yīng)因素決定，如圖1所示。

圖1 ADS-B傳輸距離

ADS-B電磁波的發(fā)射距離為：

式中h1為地面ADS-B基站的天線高度；h2為飛機(jī)的飛行高度；ae為地球曲率半徑，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，ae=8490km。

對(duì)于ADS-B地面站的覆蓋，Melissen JB和Schuur PC研究了一種利用圓對(duì)一個(gè)矩形區(qū)域進(jìn)行覆蓋的方法。

根據(jù)ADS-B單重覆蓋的地面站配置模型，四個(gè)地面站能實(shí)施單重覆蓋的區(qū)域如圖2所示。四個(gè)地面站覆蓋的區(qū)域是邊長為D1的正方形，Dl=2D，其中D=■d0。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(jì)算地面面積區(qū)域內(nèi)需要的地面站數(shù)量。

N=■×■

2012年，程掣以我國東部區(qū)域（主要包括北京、上海、武漢、廣州飛行情報(bào)區(qū)和部分蘭州、昆明飛行情報(bào)區(qū)，東西長約1850km，南北約2100km，假設(shè)其平均海拔高度400m，地面站天線高度15m，）為例，針對(duì)不同監(jiān)視高度所需ADS-B地面站數(shù)量進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果見文獻(xiàn)3中結(jié)果。

1.3 現(xiàn)有ADS-B技術(shù)的主要問題

（1）由于ADS-B地面站易受周邊地形和建筑物的影響。2011年，張智強(qiáng)對(duì)南京地區(qū)某ADS-B地面站系統(tǒng)覆蓋的試驗(yàn)結(jié)果表明，在西北方向，信號(hào)覆蓋范圍受到嚴(yán)重消弱，為最大值的1/3左右。（2）由于我國地形復(fù)雜多變，造成很多地區(qū)不便于建設(shè)地面站以及建成后維護(hù)困難；對(duì)于海上空域監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)更是受島嶼位置以及海上氣象條件的限制，存在地面站位置受限和維護(hù)困難的問題。

2 基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)

2.1 平流層飛艇簡介

平流層飛艇主要是指輕于空氣、依靠靜升力駐空、可通過搖控控制進(jìn)行定位，并能夠依靠自身動(dòng)力進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行的平流層飛行器。它可以在平流層高空長時(shí)間（數(shù)年）定點(diǎn)懸停或低速機(jī)動(dòng)飛行，并可搭載數(shù)噸以上的載荷執(zhí)行各種任務(wù)。由于平流層飛艇在沒有云雨等氣象條件的高空運(yùn)行，其運(yùn)行不受天氣和自然災(zāi)害的影響。而且，平流層飛艇大多使用太陽能等清潔能源，可以減少環(huán)境污染以及能源消耗。

2.2 基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)方案

在現(xiàn)有技術(shù)體系下，需要借助大量的ADS-B地面站接收數(shù)據(jù)并通過航空電信網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)。如果用載有ADS-B設(shè)備的平流層飛艇替代ADS-B地面站履行接收和傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)的任務(wù)，則大大簡化了地面站和航空電信網(wǎng)的建設(shè)，可以解決地面站和航空電信網(wǎng)建設(shè)困難的問題。

2.3 基于平流層飛艇ADS-B低空覆蓋分析

基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)科覆蓋0高度以上的所有空域，其電磁波覆蓋范圍半徑為：

=580km

根據(jù)ADS-B單重覆蓋的計(jì)算模型，對(duì)于東部地區(qū)所需平流層飛艇ADS-B平臺(tái)數(shù)目為：

3 結(jié)束語

（1）為了達(dá)到同樣覆蓋，基于地面站的ADS-B子系統(tǒng)數(shù)目為平流層平臺(tái)數(shù)目的幾十倍（1000m高度覆蓋）甚至上千倍（覆蓋至地面），導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)難度大。（2）使用平流層平臺(tái)可大大減少信號(hào)延遲。（3）平流層ADS-B平臺(tái)覆蓋范圍不隨地面復(fù)雜地形和覆蓋的飛行高度的影響。（4）基于平流層飛艇的ADS-B技術(shù)可以減少輻射傷害和土地的使用。（5）對(duì)覆蓋海洋、偏遠(yuǎn)山區(qū)以及環(huán)境惡劣不便于布置地面站的地區(qū)，且系統(tǒng)可以不受自然災(zāi)害的影響，可靠性高。（6）由于平流層飛艇普遍使用太陽能等清潔、可再生能源，可以減少環(huán)境污染以及能源消耗。

參考文獻(xiàn)

[1]齊雁楠，王興隆，張召悅.基于北斗的ADS-B技術(shù)在我國通用航空中的應(yīng)用[J].航空計(jì)算技術(shù)，2013，43（5）：20-22.

[2]程掣，朱代武.新一代空中交通管理系統(tǒng)[M].四川：西南交通大學(xué)出版社，2013.

[3]程掣.中國實(shí)施ADS-B監(jiān)視的地面站部署分析[J].電訊技術(shù)，2012，52（8）；1227-1231.

[4]張智強(qiáng).ADS-B地面站的規(guī)劃與建設(shè)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011，2（4）：27-30.