一種ADS-B信號覆蓋計算系統的設計與實現

牛一波

（中國民用航空總局河南空中交通管理分局，鄭州 451162）

0 引言

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-broadcast)是中國空管近年大力推行的空中交通監視技術，相對傳統的二次雷達，ADS-B 具有投資小、數據豐富、更新率快等特點[1-3]，是未來空管監視技術發展的主角。但是在實際工作中由于發射功率和工作方式等因素影響，ADS-B 的威力范圍卻不如二次雷達，因此一個特定的空域需要更多的ADS-B 地面站才能完成完整的信號覆蓋。信號覆蓋分析是ADS-B 地面站組網運行的關鍵[4]，目前，ADS-B 信號的覆蓋仿真研究是業內研究的熱點，但是多數研究只停留于理論研究，實際針對覆蓋分析的應用研究較少[5]，無法大面推廣應用。本文從實際出發，分析ADS-B 信號覆蓋影響的因素，設計一種基于GIS 的ADS-B 信號覆蓋分析計算軟件，該系統通過C#實現，能夠為ADS-B 地面站的建設和ADS-B 應用的數據故障分析提供技術支持。

1 ADS-B信號覆蓋影響因素

當前主流的研究提出影響ADS-B信號覆蓋的因素主要有以下幾方面[6]。

（1）地空通信中地形的影響。目標是否能被ADS-B地面站探測到取決于其與ADS-B地面站之間的直線范圍是否有障礙物遮擋，故要求軟件設計計算時必須考慮由地形遮蔽引起的視線截止距離。

（2）反射物反射造成的影響。由于ADS-B的發射頻率為超短波，繞射能力較弱，實際應用中容易被反射物反射，造成信號干擾，這也是覆蓋計算必須考慮的問題。

（3）天線性能的影響。信號的接收和發射需要經過饋線系統，天線的性能也會影響到信號的覆蓋范圍。

由于ADS-B地面站的天線性能主要取決于設備廠家的設計和工藝，因此此處只考慮前兩者的影響。

通常ADS-B的視線截止距離可以由下式得出：

式中：θ為遮蔽角，為天線中心點和該點所在水平面向上算起的點播信號被地形遮擋垂直張角，是某個方向上能夠發現目標的最高低角。當然，實際軟件設計中需要考慮電磁波繞射問題對遮蔽角進行修正，將其繞射因素為1時所對應的電波射線的仰角作為修正后的遮蔽角，主要考慮ADS-B地面工作波長和遮蔽角對應的斜距。

對于反射問題，系統需要考慮地球曲率的影響推導接地點合成場強。航空器與地面站通信過程中，收發兩點在視距傳播范圍內是在地面站接收信號和反射信號的合成，如圖1所示。

圖1 實際信號傳輸

圖中A為反射點；ht和hr分別是飛行高度和地面站天線高度；ht′和hr′分別為飛行高度和地面站天線高度；d1和d2分別為飛機和地面站投影點于反射點之間的距離。根據電磁波的工作原理，考慮地球曲率的影響，最大視距dmax為：

設地球半徑為R0，等效高度分別為：

則接收點的功率和場強分別為：

式中：Gt為機載天線增益；Pt為機載發射機的功率；Df為地球球面擴展因子（由另外公式計算）；λ為ADS-B 工作波長。

2 系統的設計與實現

基于上述原因分析，系統設計主要分為以下幾個模塊：信息輸入模塊、地形分析模塊、地圖顯示模塊、可見分析模塊和覆蓋分析模塊。其中，信息輸入模塊主要用于通過USGS DEM/SRTM/等高線/機場分析工具地形等格式文件導入文件，該類文件可以標注ADS-B 地面站的站點名稱、站點類型、海拔高度以及大地經緯度等信息；地形信息模塊則用于分析DEM 格式的矢量地圖，提取相應的障礙物信息；地圖顯示模塊用于地圖顯示處理，提供了WGS-84坐標和笛卡爾坐標之間的轉換，并有經緯度網格可選；可見和覆蓋分析模塊主要根據上述的影響因素進行軟件的計算并給出覆蓋圖。

2.1 系統控件設計及操縱

系統基于GIS實現數據的導入導出，通過GPS獲取精確坐標位置、高程點和障礙物高度進行地形分析，最終生成DEM地形數據[7-8]。為了后續分析的需要，系統將突出分為機場空域和航路空域兩類。在機場區域范圍數據的處理精度可以小于1 m，航路區域范圍數據的處理精度可以小于100 m。地圖功能包含放大、縮小、移動和測距等基本操作。本系統開發主要采用C#和ArcEngine 結合進行，ArcEngine 可以提供GIS嵌入式軟件應用開發功能，為GIS的開發提供了便捷。通過控件的拉入及屬性設置可以快速實現系統功能，在窗體中依次添加以下控件：（1）ArcGIS Windows Forms 的ToolbarControl；（2）菜單和工具欄的StatusStrip；（3）容器的SplitContainer；（4） TabControl 中的SplitContainer 和TabPages；（5） DataGrid-View 和地圖的 MapControl；（6） 圖層的 TOCControl 等。以上控件設置相應的控件屬性，如Dock 設置為Fill 或Top，Aligment屬性設置為Bottom等。

以上步驟添加的控件還只是單獨存在，而程序需要各控件間協同工作，因此要進行控件綁定，分別設置ToolbarControl、TOCControl 控件的 Buddy 屬性設置為 axMapControl1，實現工具條和圖層控件與地圖控件的關聯。地圖處理方面可以采用ArcGIS 的鷹眼控件。程序將所有地圖圖層添加到鷹眼控件中。

for(int i ＝ 1;i ＜＝ this.axMapControlATC1.LayerCount;i++)

{

this.axMapControlATC.AddLayer(this.axMapControlATC1.get_Layer(this.axMapControlATC1.LayerCount-i));

}

設置MapControl 顯示范圍至數據的全局范圍并刷新鷹眼控件地圖，為鷹眼控件MapControl1 添加OnExtentUpdated 事件，此事件是在主Map 控件的顯示范圍改變時響應，從而相應更新鷹眼控件中的矩形框。最后，為鷹眼控件添加相應的鼠標事件函數，實現鷹眼與主Map 控件互動。

2.2 系統的覆蓋分析

GIS 生成的DEM 文件是系統分析的數據基礎，為了降低系統的運行開銷，系統設計計算范圍為空管自動化系統（ADS-B信號接入的主要應用系統）的管制范圍外擴50 km的范圍，并且提供用戶接口針對當前管制單位關注的具體機場、航路進行設置，在航路左右40 km內和機場半徑50 km內考慮系統分析。如此而來，針對當地的管制ADS-B信號覆蓋分析可以降低系統計算量。DEM提供了計算范圍內的所有地形數據，結合用戶輸入的ADS-B地面站經緯度，系統可以直接生成ADS-B地面站的具體高程，按照ADS-B地面站廠家給出的地面站威力范圍和計算范圍的結合計算系統將得出具體的信號覆蓋計算范圍。

考慮覆蓋范圍內的障礙物影響，應用式（1）～（5），系統將得出當前ADS-B地面站的具體覆蓋范圍數據集。針對數據集，系統通過圖形繪制將信號覆蓋分析顯示在MAP 控件中。對于多個地面站的組網，系統提供了ADS-B地面站群的自動選址功能。基于上述計算數據集，系統將在選擇范圍內提供相應的數據集列表，只需要計算列表內部數據集重復最小的組合即可，該組合將直接給出具體的ADS-B地面站部署方案。

為了驗證系統分析性能，系統在現場運行的ADS-B數據站中接入ADS-B 數據，并提供ADS-B 信號解析顯示功能。ADS-B 數據是基于UDP 組播的網絡數據，系統通過C#實現UDP 數據接收并根據ADS-B CAT021 數據格式進行解析，所有ADS-B目標數據將被加入具體站點標識，在C#中通過數據列表加入，顯示只需要遍歷列表,并根據不同站點標識采用不同顏色顯示（與該站點的信號覆蓋顯示顏色一致）即可。實驗表明，信號覆蓋分析的計算與實際ADS-B數據接收基本一致，重疊率高達95%。

3 結束語

本文從實際出發，提出一種基于C#和ArcEngine 的ADS-B 信號覆蓋分析系統，系統通過操縱C#和GIS 控件實現對地形分析和數據處理，最終系統基于論文分析的ADS-B信號影響原因實現了對ADS-B信號覆蓋的分析功能。系統運行穩定、高效，目前已為相關ADS-B地面站建設提供服務，能夠提高ADS-B組網建設的準確性和可行性。