機場場面監視技術研究

1 引言

2015年，全行業完成運輸總周轉量851.65億噸公里，比上年增長13.8%，完成旅客周轉量7282.55億人公里，比上年增長15.0%；完成貨郵周轉量208.07億噸公里，比上年增長10.8%。國內航線完成運輸總周轉量559.04億噸公里，比上年增長10.0%，其中港澳臺航線完成16.22億噸公里，比上年增長0.3%；國際航線完成運輸總周轉量292.61億噸公里，比上年增長21.9%。全行業完成旅客運輸量43618萬人次，比上年增長11.3%。國內航線完成旅客運輸量39411萬人次，比上年增長9.4%，其中港澳臺航線完成1020萬人次，比上年增長1.4%；國際航線完成旅客運輸量4207萬人次，比上年增長33.3%。

隨著民用航空運輸業的高速發展，機場的飛機和車輛數量迅速增加，場面的運行環境更加復雜，安全問題日益突出。在日常運行中不可避免地存在飛機與飛機、飛機與車輛以及車輛之間的碰撞沖突，跑道入侵事件也經常發生。在歷史上發生過多起跑道入侵事故。1977年3月27日，非洲西北大西洋中西班牙加納利群島的特內里費島上的洛司羅迪歐機場跑道上，兩架波音747客機相撞，乘客和機組人員583人死亡，僅54人幸免于難。這是民航史上最大的空難事件。如何在有限的空間、多變的天氣條件下管理好越來越多的飛機及相應增加的地服車輛，成為各國機場當局必須考慮的問題。

2 機場場面引導和控制系統

在大霧、夜視等低能見度氣象條件下這種情況更為嚴重。由此導致了機場容量緊張、航班延誤，嚴重降低了運行效率和安全水平。傳統的機場場面監視是依靠塔臺管制員目視指揮，安全性不高，且容量受限。機場場面引導和控制系統（SMGCS，Surface movement guidance and control system）依靠場面監視雷達，能夠在一定程度上解決這些問題，但成本較高，存在覆蓋盲區，并且在天氣惡劣條件下，雷達信號嚴重衰減，制約了其可用性，無法實現有效監視。目前我國只有少數幾個樞紐機場配備了場面監視雷達，出于系統成本和維護費用考慮并未大量采用，因此我國很大一部分機場還在采用目視方法對場面進行監視。單獨依靠管制員在塔臺目視指揮或是利用場面監視雷達都不能滿足未來場面監視的需要。車輛和飛機駕駛員希望在自己的車輛或飛機上看到自身所處的位置以及周圍的交通狀況，并希望及時得到報警信息。為此，國際民航組織（ICAO）建議機場使用先進場面活動目標引導和控制系統（A-SMGCS，Advanced SMGCS）為各活動目標配備顯示終端，以提供視覺和程序輔助，同時提供安全告警，并于2004年發布了Doc.9830文件《A-SMGCS Manual》作為提高機場運行效率的指導文件。A-SMGCS系統實現四大基本功能：監視、路徑規劃、引導和控制，其中監視功能是核心。

3 新機場場面監視技術

（1） ADS-B場面監視系統

廣播式自動相關監視（ADS-B），作為空管領域的一項革命性技術，在A-SMGCS系統中顯示出優勢，如圖1所示。它以地空/空空數據鏈為通信手段，使用全球導航衛星系統及其他機載設備產生的信息作為數據源，通過向外界發送自身的狀態參數，同時接收其他飛機的廣播信息，達到飛機車輛間的相互感知，實現對周圍交通狀況的詳細了解，從而可以使場面上活動的飛機車輛之間保持安全間隔，起到場面監視作用。改變過去以塔臺管制員為中心的集中指揮，實現管制分擔。與雷達監視系統相比，ADS-B的數據更新率快，數據精度高，傳輸的信息豐富，安裝和使用成本遠低于雷達監視系統。將ADS-B應用于場面監視，可以有效保障機場交通的安全、高效運行。

（2）Multilateration場面監視系統

Multilateration是基于應答機的多基站定位系統。系統利用地面雷達接收機接收被監視飛機的機載A/C模式或S模式應答，通過信號到達不同地面接收站的時間差計算被檢測飛機的準確位置。同時可以通過A/C模式中SSR代碼或S模式唯一的地址碼對目標進行識別。

Multilateration技術系統完全兼容SSR和ADS-B，可以充分利用機載現有的標準應答機，不需要加載機載電子設備，定位精度高，在地面定位精度可達9米以內，本身具有目標識別能力，采用無源接收站在減小成本的同時可以降低對其它系統的干擾，同時Multilater-ation具有較小的室外機箱和非旋轉天線，可以很容易安裝在現有通信塔、跑道及其它建筑物上。

（3）場面監視雷達

場面監視雷達是一次雷達，通過雷達天線發射電磁波，其中一部分能量被目標所吸收，并且在各個方向上產生二次散射。雷達天線收集散射回來的能量并送至接收機對回波信號進行處理，從而發現目標的存在，并提取目標的距離、方位等信息。場面監視雷達與傳統一次雷達不同之處在于它的作用距離比較短，一般僅限于機場附近近地范圍。

場面監視雷達一般安裝于機場塔臺，監視近地范圍內的目標。由于它是一次雷達，在雷達顯示器上用光斑提供飛機的方位和距離，其觀測數據僅僅是一個個目標塊，而我們需要的是最終在管制席位的顯示終端上顯示機場的電子地圖、站坪內的飛機和車輛的掛牌信息等，這就需要進行多雷達數據的融合處理工作。

4 場面監視技術的比較

場面監視雷達目前已經在世界繁忙的機場廣泛使用。它的主要優點有定位精度較高，數據刷新速率快，采用多雷達及數據融合技術處理后可以完成如氣象觀測、機場滑行道燈光管理、飛機降落燈光引導、飛機及地面車輛沖突告警等一系列功能。其缺點是：

（1）一次雷達固有的無標識能力，無法獨立對地面目標進行標識跟蹤，在某種程度上對其它系統的依賴性較大。

（2）場面監視雷達的覆蓋能力比較小，由于多徑效應和地物反射而產生的假目標較多，同時也存在盲區。

（3）場面監視雷達對天氣比較敏感，大風和下雨時會產生大量雜波，同時作為一次雷達，對機場范圍內不關心的目標也會被顯示出來，如廣州新白云機場東西跑道間的連接橋，在橋下過往的是機場外的普通車輛，但是這些車輛也會出現在管制席位上，于是需要對橋下的車輛進行屏蔽，加大了維護的復雜度。

（4）場面監視雷達造價昂貴，要在我國的大量中小型機場安裝使用，其所需的巨額投入也受到制約。

ADS-B在澳大利亞的成功應用指明了該技術的可應用性。ADS-B主要應用于空域內的飛機定位，可以取代SSR，數據更新速率比SSR高。由于其自身的廣播信息中就含有航班信息，因此具有標識能力。覆蓋范圍比較大，一般可達到100海里以上，特別是它本身無需安裝地面設備就可以在飛機上監視到周圍飛機的位置，因此在跨越海洋飛行時顯示出它較高的使用價值。ADS-B其缺點在于它的定位信息來自GPS全球定位系統，該系統目前僅能提供精度為30米的位置信息，無法滿足國際民航組織要求的地面定位精度。

Multilateration作為新的場面監視技術具有以下優點：

（1）具有自身識別能力，可以不依賴于航管二次雷達的數據單獨工作為目標提供標識。

（2）與ADS-B聯合使用可以完全脫離航管二次雷達，做到停機位至停機位全程雷達管制。

（3）場面監視雷達的刷新速率一般是1次/秒（1Hz），這取決于天線的轉速，而Multilateration沒有旋轉的天線，掃描速度可以人工設置，在重點區域可以提供更高的刷新速率。

（4）由于本場SSR不能接收地面飛機的應答，因此場面監視雷達目前還需要手動掛牌，而Multilateration可以接收到飛機的ID，把飛機目標與飛行計劃相關，完成自動掛牌。

（5）提供了對車輛監視的手段，可以把汽車當作目標進行雷達處理，并掛上標牌，實現同樣的告警能力。

5 總結

ADS-B與Multilateration有機的結合起來在空域范圍內可以替代航管二次雷達，在近地范圍和地面可以替代場面監視雷達，同時它的成本低廉，已經成為未來民航導航的主要發展趨勢。

場面監視雷達在北京、上海、廣州的成功應用說明了其在機場面監視方面的重要作用，能夠有力支援站坪指揮中心的管制功能，保證該管制中心的工作能夠不受盲區、天氣變化的影響，確保站坪內飛機、車輛交通的暢通、高效，提高機位、滑行道的利用率，降低營運成本。

ADS-B已經成為未來的發展趨勢，我國也將確立西部地區以ADS-B監視為主，雷達監視為輔的管制策略，東部雷達管制地區建立基于ADS-B技術的應急備份系統。基于Multilateration/ADS-B的新一代場面監視技術將在北京應用說明完整的ADS-B工作平臺將在首都機場進行全面測試，也意味著Multilateration技術將進入中國并帶來場面監視與導航的一場革新。

作者簡介

苗剛（1975-），男，內蒙古包頭市二里半機場航務部。