基于SRTM3 的岸基ADS-B 接收站覆蓋性能比較分析

李建儒 高巖 張佳新 張利軍 王紅光

（1.中國電波傳播研究所, 青島 266107；2.中國人民解放軍61001 部隊, 北京 100074；3.中國人民解放軍61905 部隊, 沈陽 110005）

0 引 言

廣播式自動相關監視(automatic dependent surveillance-broadcast, ADS-B)[1]是一種基于衛星定位技術和空空、空地數據鏈通信的監視技術，具有高更新率、大帶寬、高精度、低成本的顯著優點.國際民航組織于第十一屆航行大會確定ADS-B 技術作為全球新航行技術的主要發展方向.作為一種重要的監視手段，歐美航空發達國家已經指定本國本地區實施規劃，建立相關的規章和標準，ADS-B 技術獲得廣泛應用和推廣.早期澳大利亞高空空域、美國墨西哥灣以及加拿大哈德遜灣開始運行ADS-B，并獲得初步成效.中國民航局非常重視新航行技術的運用和實施，不斷增強ADS-B 技術的應用和研討，為ADSB 地空監視夯實了基礎[2].截止目前，所有的民航飛機以及運輸飛機均已配備ADS-B 設備，用于廣播自身的相關飛行信息(ADS-B OUT)以及接收其他飛機的飛行信息(ADS-B IN)，這有利于合理地利用空域容量，有效提升空管保障能力.ADS-B 技術不僅可以用于無雷達地區的遠程航空器運行監視，而且在有雷達覆蓋區域可以為雷達覆蓋盲區提供監視服務，或作為雷達監視的備份.我國對監視系統的發展策略是[3]：西部地區以ADS-B 監視為主、雷達監視為輔的監視策略，首先要在主要航路上實現ADS-B 的單重覆蓋；東部地區雷達覆蓋較好，繼續完善雷達覆蓋.考慮到ADS-B 建設費用低、精度高、更新速率快等特點，也可以發展ADS-B 航跡處理應急備份系統.

ADS-B 技術在民航領域獲得廣泛應用，作為民航領域重要的地面監視設備，針對ADS-B 地面站的覆蓋性能，目前國內外有大量關于民航無線電通信、導航、雷達監視設備信號覆蓋分析的文獻[2-10]，這些文獻結合數字地理高程數據或者臨近障礙物高度數據，基于雷達、通視視距計算方法[11-12]以及適用于不規則地形的Longley-Rice 模型給出了地面站的覆蓋性能分析，通過綜合比較分析給出相關預測性能.文獻[7]基于一周內4.5～7 km 高度層的真實航跡給出了天津機場的覆蓋性能.文獻[8]基于一周內10 km 高度層下的真實航跡給出了成都機場附近的覆蓋性能.文獻[9]提出了一種航管二次監視雷達系統覆蓋性能的方法，不僅考慮了臺站周圍地形對其覆蓋范圍的影響，還考慮了實際雷達輻射性能對其覆蓋范圍的影響.文獻[10]針對不丹地區帕羅機場ADS-B 信號的覆蓋性能，采用基于物理光學的確定性信道建模方法，確定了ADS-B 接收機的最佳布設位置，提高了管制區域的信號覆蓋率.以上文獻均根據不同的算法給出了雷達的覆蓋性能分析，但這些分析存在比較樣例不足，且在部分方位預測誤差較大的缺點.

ADS-B 信號作為空中已知相關信息的良好外輻射源，被從事地空信道建模以及電波傳播研究的相關學者注意到，并基于ADS-B 信號開展了航空路徑損耗模型研究.文獻[13]給出了用于地空信道建模的上下天線分離方法，并與自由空間傳播路徑損耗進行了比較；文獻[14]基于岸基接收站2016-09-12T14—16 采集的相關試驗數據，給出了實測傳播損耗與ITU-R P.528-3 模型[15]預測損耗以及自由空間傳播損耗的比較.同時考慮大氣折射環境基于確定性傳播模型給出了ADS-B 信號的衰落特征，初步驗證了基于ADS-B 信號的地空傳播試驗數據的可靠性.

針對關注站點覆蓋性能與實測比較樣例不足、諸多方位誤差較大的問題，為深入分析ADS-B 信號的傳播特性，自2021-06 月起，在黃海岸邊的日照站點開展了ADS-B 信號的連續監測，獲得了不同時刻飛機的高度、速度和位置信息，計算得到了飛機到站點的距離.為衡量不規則地形條件下ADS-B 信號覆蓋預測方法的性能優劣，基于90 m 的地理高程數據分析了日照接收站周邊地形的遮蔽影響，利用實測數據以及理論預測給出了初步的對比結果，驗證了預測方法的正確性.選擇飛機進入和穿出監測邊界所在的方位，利用2021-06-18—2022-05-31 實測覆蓋與預測覆蓋給出了距離預測誤差的定量結果，并針對相關誤差給出結論.

1 岸基ADS-B 接收站覆蓋分析方法

1.1 ADS-B 信號空間傳輸特性分析

機載ADS-B OUT 系統對機載飛行管理系統信息、導航位置信息、氣壓高度信息以及飛行員輸入等信息進行自動編碼，生成報文，并送至S 模式應答機以1090ES 形式發送出去.其中1090ES 的下行頻率為1 090 MHz，信息調制類型為脈沖位置編碼.ADS-B 的消息標識為DF17，內容包括24 位地址碼、高度、呼號等.位置消息和速度消息每0.4～0.6 s 更新一次[1].按照相關標準，對DF17 消息進行解碼可獲得飛機的位置、高度、速度信息，進一步依據接收站經緯度可獲得飛機至接收站的距離.ADS-B 廣播信號從飛機端輻射，到達地面接收站，與二次雷達類似，其接收功率為

式中：Pt為 飛機端輻射功率；Gt為飛機端天線增益；R為飛機至接收站的距離； λ為電磁波波長；Gr為接收端天線增益.

按照航空電信領域監視和防撞系統相關標準[1]，射頻鏈路天線端的有效峰值功率必須達到21 dBW(51 dBm)，并且不能大于27 dBW(57 dBm)，即天線端口的等效輻射功率為51～57 dBm，可設定其等效輻射功率為54 dBm.ADS-B 信號工作頻率為1 090 MHz，波長為0.275 2 m，極化方式為垂直極化；全向天線接收，接收端天線增益為5.5 dB，接收機靈敏度為-93 dBm.不考慮地球曲率以及障礙物遮擋的影響，按照式(1)計算的不同距離處接收功率如圖1 所示，接收功率大于接收機靈敏度則表示可接收到信號.可以看出，自由空間傳輸下的ADS-B 系統能力可達800 km.實際中考慮地球曲率以及標準大氣折射的影響，10 km 高度處的飛機其地面接收的無線電視距為412 km；考慮地形的遮擋，該距離會進一步減小.

圖1 ADS-B 信號傳輸特性分析Fig.1 Analysis of ADS-B signal transmission characteristics

1.2 考慮地形遮蔽的覆蓋分析方法

遮蔽角[2]指從天線中心點和該點所在的水平面向上算起的電波信號被地形遮擋無遮擋的垂直張角，即某個方向上發現目標的最小仰角.當接收點至目標的仰角低于這個角度時，由于遮擋而無法發現目標.遮蔽角示意圖如圖2 所示.

圖2 地形遮蔽角示意圖Fig.2 Schematic of terrain shading angle

接收站由于四周地形的不同，在不同的方位上具有不同的遮蔽角.以正北方向為例，該方位上的遮蔽角計算方法如下：

1) 基于高精度的地理高程數據獲得相對接收站0°方位上的地理高程(di，hi) ，即距離接收點di處的地理高程為hi，其中i=1，2，3，….

2)計算每一點相對接收點的仰角[16]：θi=arctan

3) 取 θi的最大值作為該方位上的遮蔽角，即0°方位方向的遮蔽角 α0=max{θi}.按照上述步驟，可獲得其余方位的遮蔽角 α1、 α2、···、α359.

針對給定目標高度H處的不同方位上的地面距離，即為考慮遮蔽角在內的地面覆蓋距離，可由正弦定理得到其計算公式：

式中：hrs為 接收站接收天線所在的海拔高度；ae為考慮大氣折射在內的等效地球半徑，通常在標準大氣環境下，等效地球半徑因子k=4/3，等效地球半徑為8 500 km.

通常情況下，滿足d<

1.3 考慮地形遮蔽的岸基接收站覆蓋性能

我們設置的岸基ADS-B 日照接收站布設在陸海交界處，接收站天線海拔高度3.5 m.考慮岸基接收站的周邊地理高程分布，計算接收站360°方位上的遮蔽角，依據遮蔽角，給出不同目標高度上的ADSB 信號的覆蓋范圍.

本文采用的地理高程基礎數據為航天飛機雷達地形測繪任務3″×3″精度(shuttle radar topography mission 3 second, SRTM3)數據，空間分辨率為90 m.以日照觀測站點(35.1°N，119.4°E)為中心，獲取半徑為210 km 范圍的地理高程數據，結果如圖3 所示.可以看出：日照西北方向存在高度明顯較高的山區地形，為五蓮山和沂蒙山區；日照正南方向在連云港附近存在略微低一些的地形，為連島以及云臺山.

圖3 日照站周圍的地理高程Fig.3 Geographical elevation around Rizhao station

按照遮蔽角計算方法，計算獲得的日照接收站不同方位上遮蔽角如圖4 所示.可以看出：由于受到地形的遮擋，在300°～330°方位上的遮蔽角較大，為1°～2°；連云港附近連島以及云臺山的高障礙物導致180°方位上存在0.5°遮蔽角；東向朝向海洋的方向無遮擋，遮蔽角近乎為0°.

圖4 日照站遮蔽角分布Fig.4 Shading angle distribution of Rizhao station

參考《航空無線電導航臺和空中交通管制雷達站設置場地規范》規定，分別選擇4.5、7、10 km 三個高度給出日照接收站在三個不同高度上的覆蓋性能，結果如圖5 所示.可以看出，在無遮擋條件下，4.5 km 高度的覆蓋距離為283.6 km、7 km 高度的覆蓋距離為352 km、10 km 高度的覆蓋距離為419.3 km，在西北方向以及正南方向存在遮蔽角的方位上覆蓋距離均有收縮.

圖5 不同飛行高度的距離覆蓋Fig.5 Distance coverage at different flight altitudes

根據我國縮小最低垂直間隔(reduced vertical separation minimum, RVSM)的米制高度層標準[17]，飛行高度層為8.9～12.5 km 的航空器間的最小垂直間隔為300 m.一般的民航運輸飛機的飛行高度通常為8～12 km，為方便統計覆蓋性能，飛機高度統一為10 km，即以10 km 目標高度的覆蓋距離作為參考.為驗證上述算法的正確性，選擇接近標準大氣環境的月份，以2022-01-15 為例，理論預測覆蓋與實際覆蓋對比如圖6 所示.可以看出，不論是受到地形遮擋的陸上方位，還是不受地形影響的海上方位，理論預測與實際覆蓋具有高度的一致性，說明本文基于高精度地形遮蔽的覆蓋算法的有效性.

圖6 實際覆蓋與理論預測覆蓋比較圖(2022-01-15)Fig.6 Comparison chart of actual coverage and theoretical predicted coverage(January 15, 2022)

2 基于年度監測數據的覆蓋性能分析比較

為全面分析基于SRTM3 的接收站覆蓋算法的性能，選擇日照海域2021-06-18—2022-05-31 約1 年的監測覆蓋數據，對上述覆蓋預測結果進行比較.由于飛機航線相對固定，無法穿越整個360°方位，根據飛機的進入和穿出航線情況，選擇30°、60°、142°、 185°、 240°、 306°、 333°方位上的最大監測距離 數 據 進 行 覆 蓋 性 能 算 法 比 較.其 中，30°、60°、142°方位朝向海洋，無地形遮擋；185°為海洋-陸地方位，存在地形遮擋；240°、306°、333°方位朝向陸地，240°方位為平坦開闊區域無遮擋，306°和333°方位存在嚴重的地形遮擋.分別針對海洋與陸地進行比較，海洋方位上的覆蓋距離誤差分布如圖7 所示，陸地方位上的覆蓋距離誤差分布如圖8 所示.

圖7 海洋方位上覆蓋距離誤差分布Fig.7 Ocean azimuth coverage distance error distribution

圖8 陸地方位上覆蓋距離誤差分布Fig.8 Land azimuth coverage distance error distribution

由圖7 可見：海洋方位上的覆蓋預測性能在12 月份、1 月份較好，明顯優于其他月份；在4 月份、5 月份、6 月份、7 月份距離誤差較大，可達500 km.這可能與實際傳播環境中的折射率梯度值偏離-40 N/km 較大以及該季節的反常傳播頻發[18]有關.冬季則接近計算中設置的標準大氣環境，即1 km 折射率梯度為-40 N/km 對應的等效地球半徑因子為3/4，進而與計算覆蓋中使用的等效地球半徑8 500 km 對應[19]，因而預測效果較好.

由圖8 可見：陸地方位上的覆蓋預測性能在10 月份、11 月份、12 月份、1 月份較好，明顯優于其他月份；在其他月份距離誤差較大.其原因與海洋方位分析類似，整體來說，陸地方位預測性能優于海洋方位覆蓋性能.陸地反常傳播概率明顯低于海洋反常傳播概率，一方面在于陸海大氣環境存在不同，另一方面在于地形遮擋.

月份覆蓋預測最遠距離平均誤差數據如圖9所示.可以看出，朝向陸地的306°方位預測性能最好.具體數據如表1 所示.可以看出：12 月份、1 月份預測平均誤差均小于22 km；5 月份海面方向142°方位上誤差最大，平均誤差為200 km.為體現覆蓋性能的整體效果，給出了年度平均誤差以及誤差的標準偏差，結果表明：海洋方位上年度預測平均誤差最大值為138.42 km，誤差標準偏差為93 km；陸地方位上年度預測平均誤差最大值為68.3 km，誤差標準偏差為45.67 km；陸地方位預測性能明顯優于海洋方位預測性能.

表1 覆蓋距離平均誤差分布Tab.1 Mean coverage distance error distribution km

圖9 月份覆蓋預測最遠距離平均誤差分布Fig.9 Monthly mean distance error distribution

ADS-B 信號覆蓋范圍在陸地方位主要考慮地形的遮蔽影響，若進一步提高覆蓋預測精度則須考慮大氣變化的影響；而海洋方位則更應當考慮海洋大氣環境的影響，如果仍基于標準大氣環境下，則會帶來較大誤差.通過考慮月份無線電氣象[20]數據分布，可以減少這種覆蓋誤差.除了冬季預測較好的月份，其余月份朝海方位均低估了實際的ADS-B 信號覆蓋距離.這是因為夏季的折射效應要明顯強于冬季的折射效應，尤其春夏季節經常發生反常傳播環境.

3 結 論

本文結合SRTM3 數據考慮了地形對ADS-B 信號的遮蔽效應，給出了岸基ADS-B 接收站的覆蓋性能，利用長時間觀測數據開展了理論和實測覆蓋性能分析.根據日照站全年觀測數據，給出了不同月份理論覆蓋與實測最遠距離的誤差.該誤差隨月份變化顯著，12 月份、1 月份誤差很小，算法結果與實測值具有高度的一致性.但從冬季到春夏，隨著大氣運動變得活躍，基于SRTM3 的理論預測誤差逐漸變大，月平均誤差從22 km 增長到5 月份的200 km.陸地和海上方向誤差變化趨勢一致，海上方位誤差相對更大.下一步計劃在理論預測時考慮大氣折射環境變化的影響，以提高預測精度.