面向低空飛行安全監視的ADS-B地面站空間布局規劃方法

覃 睿，史婭琪，王明科

(1.中國民航大學 通用航空學院，天津 300300； 2. 中國民航大學 經濟與管理學院，天津 300300； 3. 民航重慶安全監督管理局 機場處，重慶 401120)

0 引 言

防止通用航空器非法侵入禁/限飛區、危險區，提供高效可靠的告警與協助救援服務，是通用航空飛行服務體系的核心功能。廣播式自動相關監視(ADS-B)技術是實現低空空域(報告、監視、管制空域)合作目標有效、可靠、靈活監視的重要技術手段，能在空防安全、飛行安全能力等方面發揮重要作用，且投資成本較低,是軍民航管制部門大力推廣應用的監視新技術[1-2]。目前，區域性的ADS-B地面站布局建設尚處于探索階段，局部地區ADS-B地面設施布局主要依賴工程實施方實地考察，不僅建設成本較高、效率低，而且常因對地形地貌分析不夠準確而出現監視信號覆蓋不能滿足需要的情況。

目前關于ADS-B地面站空間布局研究尚需深入，與之類似的研究是移動通信基站空間布局研究，主要算法有集合覆蓋布局算法、禁忌搜索布局算法、基于聚類分解的分層算法等[3-4]，以及對特定區域移動通信站址布局進行合理性評估[5]。相較于移動通信基站，ADS-B系統是集通信與監視于一體的，主要實現沖突探測、避免和解決等功能。因此，建設飛行服務體系的ADS-B地面站空間布局要充分考慮地形及航空器最低飛行安全高度等。為區域ADS-B地面站空間布局提供可靠依據，降低布局規劃及建設成本，筆者提出一種區域性ADS-B空間布局規劃算法，并以重慶飛行服務體系建設中的ADS-B空間布局規劃為例進行算法驗證，以期為相關區域ADS-B地面站布局規劃提供參考。

1 ADS-B地面站布局的一般原理

ADS-B地面站空間布局規劃要綜合考慮ADS-B地面站信號覆蓋特征、低空空域劃設、規劃區域的地形地貌特征、現有監視覆蓋以及軍民航機場、儀表航路、管制區、禁區、限制區和城市居民區的分布等因素。根據相關規定，監視信號應當覆蓋低空管制和監視空域，因此低空空域劃設決定監視需求。另外，由于飛行服務和空中交通管理是以管制(分)區為邊界，因而監視的覆蓋分析與建設還應當考慮管制(分)區的邊界。至于軍航機場、民航運輸機場、儀表航路、禁區、限制區和密集居民區，除緊急情況外，禁止通用航空飛行，因而這些區域也需要監視。現實中，這些區域通常都是監視良好的區域，因而無需再布設監視設施。由此，ADS-B地面站的布局，主要根據規劃區域地形地貌分析ADS-B信號覆蓋情況來進行布局規劃。

地形遮蔽始終存在，不可能做到低洼地帶無縫監視，也沒有必要。為此，通過設置最低監視高度來確保當飛機到達最低監視高度之上時能夠立即被探測到即可。此外，ADS-B地面站的設置，還應該遵循最少數量、最大覆蓋原則，以節約成本；ADS-B監視信號應當覆蓋儀表航路、運輸機場、禁飛區、限飛區和密集居民區；基站應當選擇在交通便利、靠近電源的地方，或可以因地制宜安裝在現有塔臺或通信塔上；半徑450 m范圍內，不應當有金屬建筑物、高壓線、密集居民樓[6-7]。鑒于ADS-B監視距離與仰角及地形相關，因此設施布局是一個遞歸求精的過程。為此，下面重點闡述基于地形地貌布局ADS-B地面站的基本原理。

1.1 ADS-B信號覆蓋基本模型

ADS-B是基于視線信號傳遞的，易受高大山脈阻擋而致使信號遮蔽。圖1給出了信號覆蓋分析的方法。圖1中，rmax是ADS-B信號傳輸的最大水平距離，hmin和hmax分別最低安全高度和通用航空器飛行上限，ho和hs分別為基站位置的標高和基站天線的凈高，hc為控制障礙物的標高，θ為遮蔽角，d為基站距離控制障礙物的距離。其中，rmax與ADS-B發射功率、天線仰角等因素有關，具體如式(1)：

(1)

式中：Pt為發射功率；Gt(α)為發射天線增益；α為天線仰角；Gr為接收天線增益；Pr為接收功率；LΣ為各項損耗之和。

圖1 監視信號覆蓋分析Fig. 1 Monitoring signal coverage analysis

則遮蔽角θ為

(2)

如果dl=[hmin-(ho+hs)]/tanθ

1.2 ADS-B地面站布局原理

理論分析表明，不考慮地形影響時，ADS-B覆蓋距離隨仰角θ的變小呈震蕩式、負指數衰減。通用航空器飛行高度較低，仰角小，因而ADS-B站的覆蓋范圍主要受地形遮蔽影響。

為了增加覆蓋范圍，選擇地形至高點作為基站位置能夠得到最大覆蓋范圍。由于通用航空主要監視范圍為低空空域，因此最低監視高度hmin高于地形遮蔽高度ha時，滿足地形遮蔽需求，可以用ADS-B站在最低監視高度上的最大輻射距離來估計其覆蓋范圍(圖2)。

圖2 最低監視高度高于地形遮蔽的監視信號覆蓋Fig. 2 Minimum monitoring height higher than monitoring signal coverage with terrain masking

當最低監視高度hmin低于地形遮蔽高度ha時，就需要在產生信號遮蔽區域的地形次高點增設ADS-B站，以消除地形遮蔽區(圖3)。通用航空器通常在真高1 000 m或標高3 000 m以下飛行，因而地形遮蔽是監視設施選址主要考慮的問題。值得注意的是，由于ADS-B監視距離與仰角和地形均有關系，因此布局問題通常是一個遞歸求精的過程。

圖3 最低監視高度低于地形遮蔽高度的監視信號覆蓋Fig. 3 Minimum monitoring height lower than monitoring signal coverage with terrain masking

2 ADS-B地面站空間布局規劃的算法實現

在特定區域內進行ADS-B空間布局規劃，首先應在區域地形分析基礎上將規劃區域劃分為若干高度標準差較小的分區，并結合數字高程信息和每個分區情況，確定規劃區域的凸剖分，然后確定每個子規劃域的ADS-B設施布局方案，最后進行完善。具體步驟如下：

步驟1：地形分區

根據規劃區內的總體地形分布特征，按照地形至高點的高度差標準差較小原則，將規劃區域劃分若干分區。一般認為，只有儀表安全高度之上才是需要監視的區域，因而設置“地形至高點真高+300 m”為最低監視高度。因此應在每個分區按照該標準計算出每一分區的儀表飛行最低安全高度，作為該分區的最低監視高度。

步驟2：確定規劃區域的凸剖分

1)結合數字高程信息，對現有監視設施進行信號覆蓋分析，確定最低監視高度上所有存在信號遮蔽或超出基站覆蓋范圍，且確有監視需求的各多邊形子區域的凸包裹邊界Ω1，如圖4(a)。

圖4 監視設施布局子規劃域確定Fig. 4 Determination of monitoring facilities distribution

步驟3：確定所有子規劃域ADS-B地面站布局方案

1)確定設施選址地點集合

式中：(φk,λk,hk,dk)表示pk的緯度、經度、標高和可視半徑；dk為在pk設置ADS-B站時的可視距離(當dk≥rmax時，令dk=rmax，rmax為ADS-B站無遮蔽時的最大覆蓋范圍)。

(3)

(4)

s.t.：對于任意兩相鄰的基站位置pk和ps，有：

(5)

式中：目標(3)表示設施數量最少，目標(4)表示覆蓋范圍最大，約束(5)表示Ω內全覆蓋。

步驟4：完善ADS-B設施方案

1)如果設施選址點距離通信塔較近，可以將ADS-B地面站天線安裝在通信塔上。

3 算例驗證

重慶市是國家低空空域管理和通用航空綜合配套改革試點的省市，在積極探索通用航空飛行服務體系建設路徑，且其境內有多種地形地貌，較為典型。為此，以重慶市飛行服務體系規劃建設中的ADS-B地面站空間布局為例來驗證說明上述ADS-B空間布局規劃方法的有效性和可行性。

3.1 重慶市ADS-B地面站布局方案

重慶地處四川盆地東南丘陵山地區，地形狀態組合的地區分異明顯：華瑩山—巴岳山以西為丘陵地貌，華瑩山至方斗山之間為平行嶺谷區，北部為大巴山中山地形，東部、東南部和南部屬巫山大婁山山區[8]。由于重慶東北部城口、巫溪、巫山、奉節部分地區、石柱、彭水以及萬盛與南川南部部分地區地形分布較為均勻，西部平行嶺谷地帶地形分布較為均勻，中部東北西南走向的山脈地勢有別于其他區域，西南部屬于地勢較高的平行嶺谷地形，因此根據每一分區的地形起伏較小原則，將重慶地區劃分為5個設施布局區域(圖5)。

圖5 重慶地形劃分Fig. 5 Terrain division in Chongqing

目前，重慶市行政區劃內已布局6套ADS-B地面站(表1)。

表1 重慶現有ADS-B地面站相關信息Table 1 Information about existing ADS-B station in Chongqing

考慮現有空管監視系統，將重慶低空空域主要分為3類：①具備完整的雷達和ADS-B信號1 000 m雙重覆蓋，低空通信與保障能力較好的低空空域，主要覆蓋重慶主城區、永川、梁平、萬州、長壽、忠縣、銅梁縣、涪陵、長壽、江津、璧山、墊江等；②具備局部的雷達或ADS-B信號1 000 m覆蓋，低空通信與保障能力一般的低空空域，主要覆蓋開縣、萬盛經開區、南川區、潼南縣、云陽縣、彭水縣、合川區、榮昌區、豐都縣、綦江區等；③目前不具備雷達或ADS-B信號1 000 m 覆蓋，低空監視與保障能力基本沒有的低空空域，主要涵蓋酉陽縣、城口縣、巫溪縣、奉節縣、石柱縣、秀山縣等。

結合數字高程信息以及現有ADS-B地面站信號覆蓋，在重慶行政區劃范圍內確定出5個子規劃域(表2)。其中，奉節縣城所在地以西和以東分屬于子規劃域3和4；武隆仙女山和黔江千灰梁子由于距離較近、高程差僅100 m，且黔江千灰梁子以西5 000 m即跨越了重慶飛行管制分區，以及對規劃域1北部地區的覆蓋，因此予以重點考慮(具體略)。

表2 重慶有關區縣及其最高海拔處Table 2 Highest altitude of relevant counties in Chongqing

應用步驟3)中方法，對每個子規劃域進行分析發現，重慶行政區劃范圍內應在現有6個ADS-B地面站基礎上至少要新增6個ADS-B地面站(表3)。其中，每個子規劃域至少布設1個，總共需要新增布局5個，方能實現各子規劃在最低飛行安全高度以上實現全覆蓋。另外，由上述分析可知，由于黔江千灰梁子的特殊地理位置，尤其黔江現有ADS-B海拔高度(671 m)所限，以及黔江城區以東的ADS-B信號覆蓋問題，需要在黔江的千灰梁子主峰上新布設ADS-B,以實現黔江地區全覆蓋。

表3 重慶行政區劃范圍內需新建ADS-B選址Table 3 Location of new ADS-B station within Chongqing administrative division

3.2 ADS-B信號覆蓋仿真結果

利用WirelessMon軟件對新增布局后的ADS-B地面站信號覆蓋仿真表明，新建6個ADS-B之后，重慶行政區劃范圍的12個ADS-B在海拔1 500 m(平均海拔高度)以上基本實現全境覆蓋(圖6)。海拔600 m時，重慶主城區(平均海拔300～400 m)及其周邊平行嶺谷地帶(平均海拔400～600 m)90%地區完全覆蓋。其中，平行嶺谷的北部地區由于其海拔大多在500 m以上，飛機最低安全高度通常在800 m以上，因而可以認為已經全部覆蓋。在海拔900 m時，中西部平原地區、平行嶺谷地帶全部覆蓋。

圖6 重慶ADS-B布局在不同高度層的信號覆蓋情況Fig. 6 Signal coverage at different heights based on Chongqing ADS-B distribution

海拔1 200～1 500 m之間，覆蓋范圍進一步擴大，南部山區地形超過1 300 m的區域未能全部覆蓋，主要受到地形遮蔽，但由于覆蓋高度低于最低安全高度，因此實現了全覆蓋；當海拔2 100 m，除了北部山區極小部分區域受海拔超過2 300 m的地形遮蔽外，重慶地區實現了全部ADS-B信號覆蓋。因此，在3 000 m以下、飛機能夠有效飛行的區域，可以認為當前ADS-B布局下重慶地區全部實現ADS-B信號覆蓋。

需要說明的是，上述仿真結果是在包含現有6個ADS-B基礎上進行的，但由于現有ADS-B布設點所處海拔都較低，因此新增的6個ADS-B主要針對因地形遮蔽所致信號不能覆蓋的地區。由仿真結果可知，新增6個ADS-B不僅實現了重慶全域覆蓋，而且由于在各子規劃域僅增加一個，從而實現了新增數量最少，使得設備設施投資實現了最少的目標。另外，通過算法仿真模擬作業，免去了現場考察的繁重工作，進而降低了規劃工作的前期成本。

4 結 語

對ADS-B地面站進行區域性布局是區域通用航空飛行服務體系建設重要內容，是實現飛行服務體系監視告警和協助救援服務的設施基礎。目前區域性ADS-B布局處于探索階段，現有工程實施中采用的方法不僅成本高，而且難以滿足通用航空運行需要。筆者在構建出ADS-B信號覆蓋模型基礎上，結合規劃建設區域內地形地貌和最低飛行安全高度，提出了ADS-B地面站布局規劃算法，具體分為地形分區、子規劃域凸剖分、確定子規劃域布局方案和最終改善完善4個步驟。

筆者以重慶行政區為例，通過地形分析確定子規劃域，并以此為基礎確定和優化ADS-B布局方案，確定了重慶需新增6個ADS-B，方能實現全域覆蓋且投資建設成本最低的ADS-B布局方案。算例驗證表明，基于該算法及其仿真的布局方案，不僅能減少規劃建設前期工作，降低前期工作成本，而且能為降低布局數量，減少投資提供了有價值的參考。

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