中国实施ADS-B 监视的地面站部署分析

程 擎

(中国民航飞行学院 空中交通管理学院,四川 广汉618300)

1 引 言

在过去几十年,世界各国的空中交通管制监视系统主要是一次监视雷达和二次监视雷达。但随着全球卫星导航系统和数据链通信系统的广泛应用,一种新颖的监视系统应运而生,它就是广播式自动相关监视系统(Automatic Dependent Surveillance Broadcast,ADS-B)。ADS-B 是一种协作相关的监视系统,它采用机载导航系统获得飞机精确的位置和速度等信息,利用机载ADS-B 设备广播飞机的位置信息和其他一些参数[1]。

当前,世界各地广泛发展ADS-B 监视:澳大利亚实施了“高空空域计划”,其核心是ADS-B 技术;美国制定了ADS-B 技术发展的近期、中期和远期规划,把ADS-B 作为下一代交通运输系统的核心技术[2];欧洲提出的“欧洲一体化空管计划”(SEASA),其核心技术也是发展ADS-B。基于我国当前的监视状况和地理地形,我国也正在积极开展ADS-B 的应用研究。我国对监视系统的发展策略是:西部地区以ADS-B 监视为主、雷达监视为辅的监视策略,首先在主要航路实现ADS-B 的单重覆盖;东部雷达管制地区雷达覆盖较好,继续完善雷达覆盖,另外,考虑到ADS-B 建设费用低、精度高、更新率快等特点,也可以发展ADS-B 航迹处理的应急备份系统。

在世界各国发展以ADS-B 为核心技术的同时,都提出了实施单重覆盖或两重覆盖的ADS-B 地面站部署情况。澳大利亚建立了28 个ADS-B 地面站,实现了无雷达监视区域9.144 km以上高空空域的ADS-B 单重覆盖。美国也提出了逐步建设覆盖美国和加拿大的地面站部署,美国联邦航空局(FAA)计划2014 年之前在美国本土安装400 套ADS-B 地面站设备。对于地面站的单重覆盖,J.B.Melissen 和P.C.Schuur 利用圆来对一个长方形区域进行覆盖进行了研究[3]。根据我国的飞行流量是东重西轻和我国的监视发展策略,本文提出了ADS-B 信号在我国东部空域实施单重覆盖地面站的部署模型,利用该模型计算了中国东部空域在不同飞行高度层以上实现单重覆盖对地面站数量的要求,对我国西部主要航路B213 和B215 实现单重覆盖,提出了两个地面站的重叠模型, 并根据航线数据讨论了高空6 600 m以上实现单重覆盖地面站的部署情况。

2 ADS-B 地面站的覆盖范围

2.1 ADS-B 电磁波最大作用距离

ADS-B 报告是通过机载ADS-B 设备广播式发送,ADS-B 地面站或其他飞机的ADS-B 设备接收。根据机载ADS-B 发射机的发射功率、ADS-B 地面站接收机的灵敏度,及其天线特性和电磁波的传输损耗,可以计算电磁波传输的最大距离,其计算公式为

式中,Pt是ADS-B 发射机发射功率,Sr(min)是接收机接收功率最小检测门限, Gt是发射天线增益,Gr是接收天线增益,Ls 是电波在空间的损耗,R max是电磁波最大作用距离。

如果Sr(min)=-120 dBW,Pt=200 W(23 dBW),Ls=3 dB,Gt=Gr =3 dB,采用1090SE 作为传输数据链,其频率是1 090 MHz,波长是27 cm,计算最大作用距离

所以,R max=428 km。根据机载ADS-B 设备和地面ADS-B 接收机的性能情况,由计算可知,ADS-B 电磁波最大作用距离可达到400 km。

2.2 ADS-B 电磁波的传播方式和传播距离

当前,ADS-B 技术可选的数据链有以下3 种:1090 ES(1 090 MHz Extended Squitter)、UTA(Universal Access Transceiver)和VDL MODE 4 (VHF Data Link MODE 4)[4]。3 种频率无线电波的传播方式都是空间波,即视距波。由于地球的曲率使空间波传播存在一个最大直视距离,由收发天线的高度、地球的曲率和大气层对电波的折射作用决定,如图1 所示[5]。

图1 ADS-B 的直视距离Fig.1 Viewing distance of ADS-B

在标准大气条件下的地球等效曲率半径ae =(4/3)·a=8 490 km,所以,ADS-B 电波的直视距离为

式中,h1是ADS-B 地面站的天线高度(单位m),h2是飞机的飞行高度(单位m)。要让地面接收机能接收到机载ADS-B 的信号并正常工作,需要考虑电波最大作用距离和最大直视距离,其条件是d0≤Rmax。

3 东部空域ADS-B 单重覆盖的部署

我国东部空域主要指昆明、成都、兰州以东的区域,该区域包括沈阳、北京、上海、广州、中国台北、香港、三亚、武汉全部和兰州、昆明部分飞行情报区。讨论该区域的ADS-B 地面站的部署,需要计算单个ADS-B 地面站在该区域的覆盖半径和实现单重覆盖的地面站之间的距离,最后根据该区域的地面面积粗略计算ADS-B 地面站的数量。

3.1 ADS-B 地面站的覆盖半径

我国东部大部分区域的海拔高度低于500 m。ADS-B 地面站设置在该区域,假设平均海拔高度为400 m,地面站天线相对于地面的高度假设为15 m。对于不同的飞行高度层(FL),电磁波的最大直视距离是不同的,由于飞行高度比最大直视距离小很多,可以认为最大直视距离就是ADS-B 地面站的覆盖半径。如果要求飞行高度层1 000 m以上的覆盖,其覆盖半径为

同样,可计算飞机在飞行高度层3 000 m、6 600 m和9 200 m以上的ADS-B 覆盖半径,如表1 所示。

表1 不同飞行高度层的覆盖半径Table 1 Coverage radius of different flight level

可见,随飞机飞行高度的增加,ADS-B 地面站覆盖半径随着增加,在高空空域9 200 m以上,其覆盖半径达到400 km,即可达到ADS-B 工作的最大距离。

3.2 东部实现单重覆盖的地面站配置模型

为了在东部地区实施ADS-B 无缝隙的连续监视,需要ADS-B 地面站覆盖区域至少实现单重覆盖。要实现ADS-B 单重覆盖,地面站的配置模型如图2 所示,O1、O2、O3和O4是4 个ADS-B 地面站,地面站的覆盖半径是d0。圆O1和O3相切,O2和O4相切,地面站O1、O2、O3和O4构成一个正方形,正方形的对角线长度是2 倍覆盖半径2d0, 地面站O1和O4,O1和O2的距离是D,其中D= 2d0。

图2 ADS-B 单重覆盖地面站的配置Fig.2 The configuration of the ground station single coverage

根据不同飞行高度层的地面站的覆盖半径,可以计算相邻地面站的距离D,如表2 所示。

表2 不同飞行高度层的覆盖半径和地面站距离Table 2 Coverage radius and ground station distance of different flight level

3.3 东部不同飞行高度层的地面站数量

根据ADS-B 单重覆盖的地面站配置模型,4 个地面站能实施单重覆盖的区域如图3 所示。4 个地面站覆盖的区域是边长为D1的正方形,D1=2D ,其覆盖面积S =D1×D1。如果所需覆盖区域形状近似长方形,边长为D1和D2,根据该模型,可以粗略计算地面面积S 区域内需要的地面站数量

图3 地面站数量的计算模型Fig.3 The calculation model of ground station number

按照昆明、成都、兰州航线将我国的空域划分为东部空域和西部空域。东部空域可以分为两个长方形区域,即东北区域和东部区域。其中东北区域主要为沈阳飞行情报区,东西约1 150 km,南北约1 300 km;东部区域主要包括北京、上海、武汉、广州飞行情报区和部分兰州、昆明飞行情报区, 东西长约1 850 km,南北约2 100 km。三亚飞行情报区位于海南省,海南省远离大陆,可单独设置一个ADS-B 地面站。

要实现高空航路的ADS-B 覆盖,即飞行高度层6 600 m以上的覆盖,其覆盖半径是d0≈339 km,D=2d0=479 km,东北区域需要的ADS-B 地面站的数量为

东部区域需要的ADS-B 地面站的数量为

东部空域需要的ADS-B 地面站的数量是:N =N1+N2+1=30。所以,根据不同的飞行高度层覆盖要求,地面站的覆盖半径不同,所要求的地面站的数量和位置情况也是不同的,表3 是我国东部区域不同飞行高度层覆盖所需的地面站数量。

表3 我国东部区域不同空域的地面站数量Table 3 The ground station number of different airspace in China eastern airspace

此处的计算没有考虑东北区域和东部区域的重叠覆盖情况和邻近区域存在共同使用地面站的情况,也没有考虑东部沿海地区地面站的地面站具体情况。在实际设置地面站的时候,还会考虑地面的具体情况和该区域航线的实际分布情况,所以实际的地面站数量会有所变化。

4 西部主要航路实现单重覆盖的ADS-B 监视部署

西部空域主要指昆明、成都、兰州以西的空域,包括乌鲁木齐情报区和昆明、兰州部分情报区。中国西部的地形是青藏高原,其海拔高度平均超过4 500 m,很多地区是无人区域。根据航线分布情况和飞行流量的发展,首先考虑在主要航路,成都—拉萨(B213),银川—乌鲁木齐(B215)航线发展高空空域单重覆盖的ADS-B 监视。

4.1 B213 航线ADS-B 地面站的配置

成都—拉萨航线的规划是建立平行航路,航路之间的间距是65 km。其中,我国的航线宽度是左右25 km,因此,整个平行航路的宽度是115 km,ADS-B地面站信号需要保证重叠区域d1达到115 km。

图4 两个地面站重叠模型,图中O1和O2是两个地面站,O1和O2之间的距离是D,重叠距离是d1。对于成都—拉萨航线,航线地面平均海拔高度超过4 500 m,假设地面站天线相对地面高度15 m;如果要求对高空航路实现单重连续覆盖,即飞行高度层6 600 m以上实现单重连续覆盖,其地面站覆盖半径d0为

图4 地面站的重叠模型Fig.4 The overlap model of the ground station

根据图4 的地面站重叠模型,地面站覆盖距离D 为

根据《中国民用航空航行手册》,成都—拉萨航线(B213)的航线数据如表4 所示。

表4 成都—拉萨(B213)航线数据Table 4 Chengdu—Lhasa(B213)route data

根据表4 中成都—拉萨B213 航线数据,ZUUU到CHANGDU 的航线角基本相同,其总航线距离D1=637 km,地面站覆盖距离是D =389 km,n=D1/D=637/389 ≈2,所以需要3 个ADS-B 地面站,考虑到航线的具体情况,我们可以在成都机场(ZUUU)、昌都机场(CHANGDU)和航线上的适当位置设置ADSB 地面站。CHANGDU—TAPUN 的距离412 km,航线角253°,TAPUN—LHASA 的距离是215 km, 航线角249°。可以认为CHANGDU、TAPUN 和LHASA 在一条航线上,距离是D2=627 km。在该航线上需要3个地面站,在昌都机场(CHANGDU)已经设置ADS-B地面站,在拉萨机场(LHASA)设置一个地面站,在昌都和拉萨机场之间的航路上可设置一个地面站。考虑具体情况,该地面站可以设置在林芝米林机场。其配置情况如图5 所示。

图5 B213 航线的ADS-B 地面站的配置Fig.5 ADS-B ground station configuration of the B213 route

4.2 B215 航线ADS-B 地面站的配置

对于银川—乌鲁木齐航线,ZLIC—HAMI 的最低安全高度是2 983 m,HAM I—ZWWW 的最低安全高度是4 955 m,假设平均海拔高度4 500 m,地面站天线相对地面高度15 m。要求地面站能覆盖6 600 m以上,其地面站覆盖距离是203 km。

该航线宽度50 km,即要求地面站重叠区域宽度50 km,两个地面站距离为

银川—乌鲁木齐航线(B215)的航线数据如表5所示。

表5 银川—乌鲁木齐航线数据Table 5 Yingchuan—Urumqi route data

根据航线数据和地面站安装的便利性,按照B213 航线ADS-B 地面站的配置方法,可以在ZLIC机场、YABRAI、JIAYUGUAN、HAM I、JIAYUGUAN 和HAMI 之间某个位置、GURVO 和ZWWW 机场分别设置一个ADS-B 地面站,如图6 所示。

图6 B215 航线的ADS-B 地面站的配置Fig.6 ADS-B ground station configuration of the B215 route

5 结 论

ADS-B 作为一种全新的监视技术,具有航迹精度高、投资成本低、数据更新快等特点,虽然这种技术目前还处于发展过程中,但作为未来主用监视系统已是大势所趋,特别是在无雷达空域和边远地区,如我国的西部空域将具有很大的发展前景。本文分析了影响ADS-B 地面站覆盖范围的因素,包括最大作用距离、视距波和地球的曲率,并计算了不同飞行高度层ADS-B 地面站的覆盖半径,根据在一个空域利用多个圆实现单重覆盖的要求提出了单重覆盖的地面站配置模型,并把我国东部空域划分为东北区域和东部区域,利用单重覆盖模型分析了地面站的部署。对西部区域提出了两个地面站的重叠模型,并根据B213 和B215 航线具体情况讨论了高空6 600 m以上实现单重覆盖地面站的部署情况。本文提出的ADS-B 地面站单重覆盖模型表明,在我国西部主要航路和东部空域,按照模型中的地面站配置来建设,将实现这些空域的ADS-B 单重覆盖,但本文论证没有考虑建设地面站的实际情况、地面站周围的实际地形和该区域航线的实际分布情况,这些都将是下一步的研究内容。

[1] 张军.现代空中交通管理[M] .北京:北京航空航天大学出版社, 2005:210-223.

ZHANG Jun.Modern Air Traffic M anagement[M] .Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2005:210-223.(in Chinese)

[2] 王鲁杰.中国民航应优先发展ADS-B 应用技术[J] .中国民用航空, 2006(1):27-30.

WANG Lu-jie.China Shou ld Put Priority on Development of ADS-B Technology[ J] .China Civil Aviation, 2006(1):27-30.(in Chinese)

[3] Melissen J B M,Schuur P C.Covering a rectangle with six and seven circles[ J] .Discrete Applied Mathematics, 1999(1-3):149-156.

[4] RTCA DO-242A, Minimum Aviation System Performance Standards for Automatic Dependent Surveillance Broadcast(ADS-B)[S] .

[5] 魏光兴.通信导航监视设施[M] .成都:西南交通大学出版社,2004,156-157.

WEI Guang -xing.The communication, navigation and surveillance facilities[M] .Chengdu:Southwest Jiaotong University Press, 2004:156-157.(in Chinese)