基于平流层飞艇的ADS—B通航监视系统应用研究

朱训宁

摘 要：随着我国通用航空的快速发展，低空空域监视能力不足的问题越来越严峻，文章提出了基于平流层飞艇的ADS-B技术作为解决问题的方法。介绍了ADS-B技术，设计了基于平流层飞艇的ADS-B通航监视系统方案。

关键词：平流层飞艇；ADS-B；通用航空；低空空域

前言

根据中国航空学会和中国通用航空专家委员会预测，未来5年，我国通用航空飞机需求量将逐年增长，预计2020年市场规模将达1500亿元。随着通用航空的快速发展，通用航空器活动量将逐渐增加，对低空空域的监视将变得越来越重要，但是由于监视技术的限制，低空空域一直是我国空中交通管理的薄弱之处。目前，空域监视技术主要有一次雷达、二次雷达、多点定位、广播式自动相关监视（ADS-B）等，其中，ADS-B技术是民航组织确定的未来监视技术的主要发展方向。平流层飞艇能在海拔20km左右的平流层高空长时间（数月）定点悬停或低速机动飞行，将ADS-B接收系统集成到平流层飞艇平台，将可充分发挥平流层飞艇平台的高度优势，满足空中管制部门对低空空域的监视需求。

1 ADS-B技术

1.1 ADS-B技术简介

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。通过空-地数据链，ADS-B地面站接收这些信息，并借助航空电信网相关信息到空中交通管制中心，可以实现管制中心对飞机位置的监视。

1.2 ADS-B低空覆盖分析

ADS-B信号在空中的传播是以视距方式传播，地球存在曲率，无线电波的传输有一个最大传输距离，该距离由天线的高度、地球曲率和大气层相对无线电波的折射效应因素决定，如图1所示。

图1 ADS-B传输距离

ADS-B电磁波的发射距离为：

式中h1为地面ADS-B基站的天线高度；h2为飞机的飞行高度；ae为地球曲率半径，在标准大气条件下，ae=8490km。

对于ADS-B地面站的覆盖，Melissen JB和Schuur PC研究了一种利用圆对一个矩形区域进行覆盖的方法。

根据ADS-B单重覆盖的地面站配置模型，四个地面站能实施单重覆盖的区域如图2所示。四个地面站覆盖的区域是边长为D1的正方形，Dl=2D，其中D=■d0。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区域内需要的地面站数量。

N=■×■

2012年，程掣以我国东部区域（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1850km，南北约2100km，假设其平均海拔高度400m，地面站天线高度15m，）为例，针对不同监视高度所需ADS-B地面站数量进行了计算分析，结果见文献3中结果。

1.3 现有ADS-B技术的主要問题

（1）由于ADS-B地面站易受周边地形和建筑物的影响。2011年，张智强对南京地区某ADS-B地面站系统覆盖的试验结果表明，在西北方向，信号覆盖范围受到严重消弱，为最大值的1/3左右。（2）由于我国地形复杂多变，造成很多地区不便于建设地面站以及建成后维护困难；对于海上空域监视系统建设更是受岛屿位置以及海上气象条件的限制，存在地面站位置受限和维护困难的问题。

2 基于平流层飞艇的ADS-B技术

2.1 平流层飞艇简介

平流层飞艇主要是指轻于空气、依靠静升力驻空、可通过摇控控制进行定位，并能够依靠自身动力进行机动飞行的平流层飞行器。它可以在平流层高空长时间（数年）定点悬停或低速机动飞行，并可搭载数吨以上的载荷执行各种任务。由于平流层飞艇在没有云雨等气象条件的高空运行，其运行不受天气和自然灾害的影响。而且，平流层飞艇大多使用太阳能等清洁能源，可以减少环境污染以及能源消耗。

2.2 基于平流层飞艇的ADS-B技术方案

在现有技术体系下，需要借助大量的ADS-B地面站接收数据并通过航空电信网传递数据。如果用载有ADS-B设备的平流层飞艇替代ADS-B地面站履行接收和传递相关数据的任务，则大大简化了地面站和航空电信网的建设，可以解决地面站和航空电信网建设困难的问题。

2.3 基于平流层飞艇ADS-B低空覆盖分析

基于平流层飞艇的ADS-B技术科覆盖0高度以上的所有空域，其电磁波覆盖范围半径为：

=580km

根据ADS-B单重覆盖的计算模型，对于东部地区所需平流层飞艇ADS-B平台数目为：

3 结束语

（1）为了达到同样覆盖，基于地面站的ADS-B子系统数目为平流层平台数目的几十倍（1000m高度覆盖）甚至上千倍（覆盖至地面），导致整个系统建设、维护难度大。（2）使用平流层平台可大大减少信号延迟。（3）平流层ADS-B平台覆盖范围不随地面复杂地形和覆盖的飞行高度的影响。（4）基于平流层飞艇的ADS-B技术可以减少辐射伤害和土地的使用。（5）对覆盖海洋、偏远山区以及环境恶劣不便于布置地面站的地区，且系统可以不受自然灾害的影响，可靠性高。（6）由于平流层飞艇普遍使用太阳能等清洁、可再生能源，可以减少环境污染以及能源消耗。

参考文献

[1]齐雁楠，王兴隆，张召悦.基于北斗的ADS-B技术在我国通用航空中的应用[J].航空计算技术，2013，43（5）：20-22.

[2]程掣，朱代武.新一代空中交通管理系统[M].四川：西南交通大学出版社，2013.

[3]程掣.中国实施ADS-B监视的地面站部署分析[J].电讯技术，2012，52（8）；1227-1231.

[4]张智强.ADS-B地面站的规划与建设[J].指挥信息系统与技术，2011，2（4）：27-30.