基于ADS-B 的通用航空監(jiān)視系統(tǒng)規(guī)劃

耿文博，董 兵

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢6 183000）

自民航局印發(fā)《通用航空發(fā)展“十三五”規(guī)劃》以來，我國通用航空產(chǎn)業(yè)在國家戰(zhàn)略形勢的促進下高速發(fā)展。根據(jù)2021 年6 月中國民用航空局發(fā)布的《2020年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，截至2020 年底，獲得通用航空經(jīng)營許可證的通用航空企業(yè)523 家；通用航空在冊航空器總數(shù)達到2 892 架；新增通用機場93 個，全國在冊管理的通用機場數(shù)量達到339 個。

根據(jù)近幾年的通用航空發(fā)展情況（圖1）可以看出通用航空企業(yè)和通用機場數(shù)量在穩(wěn)步增長。結(jié)合當前政策形勢可以預(yù)見未來中國通用航空產(chǎn)業(yè)將快速增長。由此將使得空域需求變得緊張，通用航空產(chǎn)業(yè)快速增長對安全飛行、空域利用以及運行效率都提出了更高的要求，針對通用航空的特點為其配備相應(yīng)的監(jiān)視系統(tǒng)勢在必行。

圖1 通用航空發(fā)展情況

國際民航組織于第十一屆航行大會確定ADS-B技術(shù)為全球新航行技術(shù)的主要發(fā)展方向。ADS-B 作為新監(jiān)視技術(shù)的代表，因其定位精度高、更新頻率快、系統(tǒng)構(gòu)成簡單、部署和維護成本低而受到重視和推廣[1]。我國的ADS-B 技術(shù)應(yīng)用在民航局的政策和標準引導(dǎo)下，絕大多數(shù)航空器已加改裝完成，配備了1 090 MHz擴展電文（1090ES）ADS-B OUT 機載設(shè)備。在B213 航路、B330 航路、中國南海以及各機場的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗且ADS-B 設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

本文針對通用航空運行特點和監(jiān)視需求對比分析了幾種主要監(jiān)視手段，確定了以ADS-B 技術(shù)為通用航空監(jiān)視系統(tǒng)的核心。在以ADS-B 為核心的基礎(chǔ)上結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)規(guī)劃了可靠性高、拓展性強、覆蓋全面的通用航空監(jiān)視系統(tǒng)，為通用航空監(jiān)視系統(tǒng)的建設(shè)與布局理清了思路。

1 通用航空監(jiān)視系統(tǒng)需求

通用航空是指使用民用航空器從事公共航空運輸以外的民用航空活動，通常使用1 000 m 以下的低空空域[2]。通用航空相較于運輸航空具有單位體量小，產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成復(fù)雜的特點。我國低空空域環(huán)境復(fù)雜，高大建筑物、自然山體、氣象條件、空域結(jié)構(gòu)等都加大了低空飛行的難度。通用航空飛行在操縱方法和管制規(guī)則上也較為混亂，缺乏行之有效的統(tǒng)一標準，各類航空器在同一空域的協(xié)同運行效率低下，這對通航低空飛行安全性造成威脅。通用航空監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用面臨著眾多影響因素，也決定了監(jiān)視系統(tǒng)必須符合通用航空的特點，滿足通用航空的監(jiān)視需求。

1.1 運行環(huán)境復(fù)雜

隨著我國低空開放的力度加大，通用航空在諸如救援、觀光、航拍、教育培訓(xùn)等很多領(lǐng)域都占據(jù)重要位置。通用航空飛行活動通常在高度1 000 m 以下的低空空域飛行，目視飛行（VFR）與儀表飛行（IFR）同時存在，部分繁忙低空空域通用航空與運輸航空等共同使用。多種障礙物和對流層復(fù)雜多變的氣象因素都對飛行活動有很大影響，通用航空飛行任務(wù)靈活復(fù)雜，飛行速度較慢，飛行距離較短，飛行高度較低，極易受到山體、建筑物等地面障礙物的影響，通用航空運行航路通常不固定，隨意性和機動性較強，作業(yè)環(huán)境差，各項因素決定了通用航空復(fù)雜的運行環(huán)境[3]。

1.2 航空器缺少統(tǒng)一標準

通用航空使用的航空器種類多樣、構(gòu)成復(fù)雜，主要包括小型飛機、固定翼/旋翼無人機、直升機、旋翼飛行器，這些航空器具有體積相對較小、飛行高度相對低、速度相對慢等特點，相較于民航運輸飛機設(shè)備簡單，造價低。相同種類的航空器由于制造企業(yè)制造標準不統(tǒng)一，導(dǎo)致飛機性能和機載設(shè)備差異較大。不同種類的航空器飛行特點差異較大，運行監(jiān)視難點不同，對在同一低空空域同時運行的多種航空器進行飛行動態(tài)的監(jiān)視具有緊迫性、必要性，更具有挑戰(zhàn)性。

1.3 建設(shè)投入預(yù)算有限

部分通用航空機場的資金來源為國家投資，由管理部門進行投資建設(shè)通用航空機場，在建設(shè)完成后，由政府或者企業(yè)進行經(jīng)營；或者由地方政府投資建設(shè)，地方政府為促進通用航空的發(fā)展，進行通用航空機場建設(shè)，然后交至國有企業(yè)運營；部分機場由非公有制經(jīng)濟出資籌建，然后由企業(yè)運營管理。通用航空在建設(shè)過程中投資大，效益低，資金投入預(yù)算非常有限，需要充分考慮各功能部分建設(shè)規(guī)劃的經(jīng)濟性、實用性與拓展性。綜上所述通用航空具有運行環(huán)境復(fù)雜、航空器缺少統(tǒng)一標準以及建設(shè)投入預(yù)算有限等監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)限制因素。其中，復(fù)雜的運行環(huán)境給監(jiān)視設(shè)施的建設(shè)帶來不便，對監(jiān)視技術(shù)的可靠性、準確性有較高要求；航空器缺少統(tǒng)一標準導(dǎo)致監(jiān)視機載設(shè)備的安裝推行困難，要求機載設(shè)備必須滿足重量輕、成本低、信號可靠、方便加裝的基本要求。建設(shè)投入預(yù)算有限要求對于監(jiān)視設(shè)施的建設(shè)需充分考慮其成本和實用價值。

2 監(jiān)視技術(shù)對比分析

2.1 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）依靠機載導(dǎo)航設(shè)備來獲得飛機的位置和速度等信息，機載ADS-B 設(shè)備從GNSS 獲取定位信息，再對定位信息和飛行參數(shù)向其他具備ADS-B IN 的航空器或地面接收站進行廣播。ADS-B 技術(shù)可以在不增加雷達監(jiān)控設(shè)備的情況下增強監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控能力，實現(xiàn)對飛行的及時動態(tài)監(jiān)視，有助于縮短航空器飛行間隔，提高空域的使用，擴大飛行容量[4]。ADS-B 技術(shù)具有很多優(yōu)點，是監(jiān)視領(lǐng)域的中堅力量，但在推廣使用過程中還是存在著一些問題。ADS-B 報文的定位信息數(shù)據(jù)源來自GNSS。在GNSS的完好性受損，出現(xiàn)故障發(fā)生錯誤的情況下，以ADSB 技術(shù)為核心的監(jiān)視系統(tǒng)將失去監(jiān)視能力。以ADS-B為核心的監(jiān)視系統(tǒng)，對沒有安裝ADS-B 機載設(shè)備的航空器無法探測。自2017 年起多數(shù)航空器都裝配或加裝完成了ADS-B 機載設(shè)備[5]。

2.2 一次監(jiān)視雷達（PSR）

一次監(jiān)視雷達（PSR）依靠自身發(fā)射電磁波，然后通過接收目標對電磁波的反射信號測定目標位置及方位，具有穩(wěn)定可靠，可無人值守的特點。一次監(jiān)視雷達通常指脈沖雷達，能夠有效實現(xiàn)射頻脈沖連續(xù)發(fā)射，能夠?qū)δ繕朔轿换蛘呔嚯x進行探測。一次監(jiān)視雷達不需要考慮探測目標是否具有機載設(shè)備，可以實現(xiàn)絕大多數(shù)航空器的探測監(jiān)視，屬于獨立非協(xié)同式監(jiān)視手段。但一次雷達僅能探測識別目標的距離和位置信息，無法對被探測航空器的種類進行識別，除非要求航空器按管制指令做出指定動作回復(fù)，監(jiān)視范圍相對較小，回波存在閃爍，建設(shè)和運行維護成本高，地面站建設(shè)受地形限制。

2.3 二次監(jiān)視雷達（SSR）

二次監(jiān)視雷達（SSR）由地面詢問雷達向目標發(fā)射頻率為1 030 MHz 的詢問脈沖信號，目標接收后，經(jīng)過信號處理、譯碼，然后通過全向天線發(fā)送頻率為1 090 MHz 的應(yīng)答脈沖信號。該應(yīng)答信號中包含飛機代號、高度、方向、位置和距離等信息[6]。當?shù)孛胬走_接到反射信號時，會對信號進行相應(yīng)的解譯處理，從而獲取飛機高度、距離、方位、代碼等信息。二次監(jiān)視雷達監(jiān)視范圍廣，相較于一次監(jiān)視雷達，二次監(jiān)視雷達提供的信息更豐富。二次監(jiān)視雷達屬于獨立協(xié)同式監(jiān)視，各地面站能夠?qū)崿F(xiàn)獨立運行。其地面站建設(shè)受地形影響，運行維護成本高，更新頻率低。

2.4 多點定位（MLAT）

多點定位（MLAT）也叫做雙曲定位，是通過計算監(jiān)視目標向不同接收傳感器發(fā)出信號的到達時間差（TDOA）來定位監(jiān)視目標的過程。最早在軍事上用來探測航空器位置，在民航監(jiān)視領(lǐng)域，開始僅作為機場場面監(jiān)視雷達的一種補充手段，用于機場場面監(jiān)視[7]。近年MLAT 技術(shù)在區(qū)域飛行或進近階段也得到了驗證。多點定位可以利用已有的機載設(shè)備，屬于獨立協(xié)同式監(jiān)視。具有定位精度高、更新頻率快、建設(shè)運行維護成本低等特點。但是對航空器定位需多個站點協(xié)同工作和實時解算，監(jiān)視高度越低，需要的地面站數(shù)量越多。定位精度依賴于地面站的布局、時間同步、求解算法和測時精度。

幾種主要監(jiān)視技術(shù)的比較見表1[8]，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）從探測范圍、定位精度、更新周期、建設(shè)成本方面都更具優(yōu)勢。

表1 監(jiān)視技術(shù)比較

綜上所述在目前通用航空所處的發(fā)展階段，一種性能可靠，精度高，建設(shè)維護成本低，能夠適應(yīng)通用航空復(fù)雜運行環(huán)境的監(jiān)視技術(shù)對滿足活動量日益增長的通用航空十分必要。ADS-B 作為前沿監(jiān)視技術(shù)，從定位精度、更新頻率、監(jiān)視范圍、建設(shè)成本等方面都能滿足通用航空監(jiān)視需求。建設(shè)以ADS-B 技術(shù)為核心設(shè)計合理高效的監(jiān)視系統(tǒng)對通用航空監(jiān)視具有重要意義。

3 監(jiān)視系統(tǒng)規(guī)劃

3.1 系統(tǒng)框架及構(gòu)成

系統(tǒng)框架如圖2 所示，主要由ADS-B 機載設(shè)備、ADS-B 地面站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)融合服務(wù)器、顯示終端、ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及作為補盲的公共通信網(wǎng)絡(luò)組成。機載設(shè)備包括便攜式ADS-B 發(fā)射機、ADSB 車載發(fā)射機、無人機ADS-B 組件及航空器預(yù)裝ADS-B 設(shè)備。ADS-B 地面站負責接收監(jiān)視范圍內(nèi)的ADS-B 信息，通過ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與其他監(jiān)視信息在數(shù)據(jù)融合后生成航跡信息在終端設(shè)備顯示。

圖2 通用航空監(jiān)視系統(tǒng)框架

系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)聯(lián)如圖3 所示，ADS-B 機載設(shè)備定位信息數(shù)據(jù)源兼容GPS 和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，通過廣播式向地面站發(fā)送ADS-B 信息完成空地通信。空地通信由機載設(shè)備和地面站接收完成，由航空器ADS-B 機載設(shè)備向外廣播信息，地面站接收到ADS-B 數(shù)據(jù)后處理生成ASTERIX CAT021 格式的信息數(shù)據(jù)[9]，通過ADS-B數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)融合服務(wù)器進行數(shù)據(jù)融合。

圖3 通用航空監(jiān)視系統(tǒng)拓撲圖

航空器間的空空通信以ADS-B IN 為核心，通過航空器機載設(shè)備的ADS-B IN 功能，實現(xiàn)航空器與航空器之間的數(shù)據(jù)通信，使飛行員能夠在第一時間了解飛行環(huán)境與飛行態(tài)勢，及時作出飛行決斷精準避讓，實現(xiàn)安全飛行。

場面視頻監(jiān)控信息通過ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)匯入數(shù)據(jù)融合服務(wù)器，通過對監(jiān)控目標的定位提取和類型標注，在終端顯示。場面監(jiān)控信息的數(shù)據(jù)融合為管制中心的遠程指揮提供了極大的便利。

公共通信基站作為特殊情況下的補盲手段用作具備4G/5G 信息傳輸功能的機載設(shè)備和無人機操控信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過處理后上傳ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)作為各信息源數(shù)據(jù)上傳以及各數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)站和用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，包括數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、信息發(fā)布網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)融合與監(jiān)視中心站對ADS-B 數(shù)據(jù)進行匯總和處理，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送給機場監(jiān)視中心，機場監(jiān)視中心根據(jù)安全需求，向相關(guān)部門提供航空器監(jiān)視信息，通過信息發(fā)布網(wǎng)關(guān)為空管、企業(yè)、用戶提供信息服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)特點

3.2.1 兼容性定位數(shù)據(jù)源

目前航空器定位數(shù)據(jù)信息主要依賴GPS，其完好性和可靠性容易受到很多因素的制約和干擾，在有突發(fā)情況發(fā)生時具有單一的數(shù)據(jù)源監(jiān)視系統(tǒng)是相對脆弱的，因此系統(tǒng)設(shè)計兼容北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以此保證得到穩(wěn)定、準確的定位信息，實現(xiàn)自主安全飛行。

3.2.2 場面監(jiān)視

場面監(jiān)視除了為入場車輛配裝便攜ADS-B 設(shè)備避免場面沖突外，結(jié)合場面視頻監(jiān)控和先進的目標檢測與跟蹤技術(shù)，對人、車、機、環(huán)境進行定位跟蹤監(jiān)視，通過數(shù)據(jù)融合顯示，完善場面監(jiān)視。

3.2.3 無人機監(jiān)視

在通用航空運行中，無人機具有極其重要的地位，對無人機的監(jiān)控和管制以及如何與其他航空器融合運行始終是通航領(lǐng)域的重點研究問題。對無人機加裝ADS-B 機載設(shè)備能夠解決“看得見”的監(jiān)視問題，與無人機操縱者的信息通暢是實現(xiàn)“管得住”的必要環(huán)節(jié)。明確飛行規(guī)則，加強動態(tài)監(jiān)視，為無人機飛行用戶提供信息獲取終端能夠有效地實現(xiàn)對無人機的監(jiān)視和管制。

3.2.4 通信補盲

通用航空航空器構(gòu)成豐富，運行環(huán)境復(fù)雜，難免出現(xiàn)ADS-B 通信故障或航空器信號傳輸困難的情況，依靠現(xiàn)有的移動通信基站通過機載設(shè)備4G/5G 傳輸功能，對ADS-B 信號補盲，為系統(tǒng)做通信備份，以此增加系統(tǒng)的監(jiān)視可靠性，擴大航空器安全運行活動范圍。

4 結(jié)束語

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）作為新監(jiān)視技術(shù)的代表更加符合通用航空的實際需求。定位數(shù)據(jù)源兼容北斗，通信方式具備公共通信網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)可靠性更高。本系統(tǒng)規(guī)劃考慮了多種航空器同空域同時間運行的監(jiān)視問題，多源數(shù)據(jù)融合，多種監(jiān)視手段互補能夠更好地滿足通用航空監(jiān)視需求。