监视新技术在我国低空空域改革中的应用

李春雷

【摘 要】近年来，随着民航强国战略的实施，我国民航业发展迅速，急需进一步提升空域监视能力。广播自动相关监视（ADS-B）和多点定位（MLAT）等新技术相较于传统雷达，在台站建设、精度、数据更新速率及系统功能上都有很大改善，未来将广泛应用于航路、进近及场面监视，进一步提升新监视系统的可靠性，提供更高质量的监视服务能力，也是科研人员需要继续探索的问题。

【关键词】监视；自动相关监视；多点定位系统；应用分析

0 引言

监视（Surveillance）作为空中交通管理的基础，为空中交通管理系统提供航空器的实时动态信息，管制员利用监视信息判断、跟踪空中航空器和机场场面动目标位置，获取监视目标识别信息，掌握航空器飞行轨迹和意图、航空器间隔等。近年来，中国民航事业发展迅猛，整体水平不断提升，特别国内低空空域的逐渐开放意味着通用航空即将迎来快速发展的时期，届时低空飞行活动的数量将会大量增加，空管监视的保障能力急需适应发展需求，加强对全国各航路（线）及终端监视覆盖，进一步减少盲区，增强空管保障能力是当前空管监视工作的重点。

1 我国空域监视现状

1.1 现状概述

我国东部沿海地区的空域特点为空中交通流量大，飞行密度高，空域结构复杂，目前雷达系统的在航迹更新频率和监视精度方面的表现有待提高。随着航路数量的增加，空域越来越密集，雷达监视管制的压力越来越大，便迫切需要能够提供更优秀监视性能的航管监视技术。我国西部部分地区虽然空域充足，但相应的地域辽阔、地形多样，而雷达设备体积庞大、部署难度大、投入成本高，雷达站设备的运输以及后续的设备维护和人员保障都存在很大的困难。而且在许多山区和偏远地区，不仅，很难满足雷达台站建设的环境要求，也无法提供人员保障、电力供给，这些问题是雷达系统设备建设的客观困难。同时，许多支线机场航空运输均将保持快速增长，并且可能新增航路，而现有雷达系统覆盖率不足，且受选址条件严格，建设周期较长等因素影响，迫切需要监视新技术提供监视补盲与备份，提升监视覆盖及冗余备份能力。

1.2 监视技术比较

目前应用于空中交通管制服务的监视技术主要有雷达（PSR、SSR）、自动相关监视（ADS）和多点定位系统（MLAT）。

1）空管监视雷达为传统监视技术，受限于视距传播，易受到周边地理位置、电磁环境等因素的影响，覆盖范围相对较小，且造价昂贵，台站一般需要有人值守，建设、维护成本高。

2）自动相关监视（ADS）利用全球导航卫星系统（GNSS）提供监视目标信息，定位精度高，数据更新率快，建设、运行维护成本低，但由于其依赖全球导航卫星系统（GNSS）对目标进行定位，本身不具备对目标位置的验证功能，如果航空器给出的位置信息有误，自动相关监视地面站设备（系统）无法辨别；当全球导航卫星系统无法提供正常的定位导航服务时，广播式自动相关监视（ADS）系统由于收不到导航定位信息，ADS系统无法正常提供飞机的定位信息。

3）多点定位（MLAT）系统的定位数据精度高，数据刷新时间短，不增加额外的机载设备即可提供高精度的定位导航服务，建设、运行维护成本低。但MLAT系统的缺点是定位数据精度取决于地面基站的位置精度、基站的几何分布以及时间同步等因素。根据国际民航组织对亚太地区监视战略的建议，在航路（线）、终端区域和机场场面，多点定位系统可替代其他监视系统或作为其他监视系统的补充。

2 监视新技术介绍

2.1 自动相关监视

广播式自动相关监视ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）技术的基本原理是飞机将机载导航设备确定的飞机位置信息及其他相关信息按照标准组成 ADS-B 报文，通过1090ES数据链或者其他数据链，按照一定的时间间隔进行广播式发送，ADS-B地面站接收到 ADS-B 报文后，对报文进行分析和解码，利用ADS-B系统的连接网将数据发送到 ADS-B系统的数据基站，在数据处理中心对数据进行后期的处理，数据经处理传送到相关用户的显示和提示系统中。

ADS-B系统包括飞机的机载ADS-B系统、卫星导航系统以及地面ADS-B系统，如图1所示。

飞机的机载ADS-B系统主要由两部分组成：收发装置和飞机运行参数测量计算装置，根据功能可分为发送（OUT）和接收（IN），IN和OUT功能都是基于数据链通信技术。飞机运行参数测量计算装置主要为飞机自身装载的传感设备和控制单元，测量参数包括飞机运行的航行方向、速度、高度、气象信息（如温度、湿度）等信息。接收和发送装置包括信息接收设备和信息广播设备。信息接收装置，一方面，接收导航卫星传送的信息，另一方面，接收地面站以及其他飞机传送的ADS-B信息。

地面ADS-B系统向航空器提供两种广播服务，一种是空中交通信息服务广播（Traffic Information Service Broadcast，TIS-B），另一种广播服务是飞行信息服务广播（Flight Information Service Broadcast，FIS-B）。如图2所示，TIS-B广播服务中，监视数据处理系统（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B位置数据链报文）、地面雷达监视系统和其他监视设备的数据，并将采集的原始数据传送到空中交通信息服务广播服务器。TIS-B服务器接收并将SDPS的数据融合生成空中交通信息，发送到空域中的各航空器并展示在驾驶舱交通信息显示CDTI（Cockpit Display of Traffic Information），为飞行员提供空域附近的交通信息。

如图3所示，FIS-B广播服务中，监视数据处理系统（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B飞行状态数据链报文），并将采集的原始数据传送到飞行信息服务广播（FIS-B）服务器。FIS-B服务器接收并将SDPS的数据融合生成飞行气象信息，发送到空域中的各航空器。

ADS-B数据链系统包括实际系统的物理连接设备和通信系统。通信系统中采用的通信协议必须能够解决数据传输过程中发送方与接收方的数据兼容性和通用性问题。目前，有三种主流ADS-B数据链路：分别为甚高频数据链模式4（VDL Mode 4），通用访问收发机（UAT）和S模式1090兆扩展电文谱。从技术层面上来说，三种数据链均可实现对ADS-B系统的支持，其中UAT的空对空性能在高密度和低密度的情况下的表现要优于其他两种；VDL-4模式在机场地面方面的监视性能更加优异；而1090ES的最大优点是原有的S模式应答机可以升级为支持ADS-B系统的载体。而且1090ES模式是目前唯一实现标准化的ICAO链路技术，是三种模式中唯一获得了全球无线电频谱批准的链路模式。

结合我国现状，对1090ES和UAT链路进行对比。UAT模式链路的应用有较大的困难和不确定性，主要原因如下：一是，UAT所采用的频段在频谱规划中存在冲突；二是，采用双模式数据链将使系统构成复杂，数据处理量大，延时较高，难以实现预定功能；三是，建设与运行成本相对较高。虽然1090ES目前存在速率较低、信息量小、上行链路涌塞等技术难点，需要在技术上进一步完善，但1090ES作为国际民航组织在亚太地区推荐的单一数据链模式，相对于UAT模式，在今后的实施和运行使用等方面仍有较大优势。中国国民航在下一步的ADS-B地面站建设中已明确采用1090ES模式链路，基于1090ES链路模式的地面站是现阶段ADS-B系统建设的不二之选，但并不排除在以后的发展中需要采用其他的链路形式的可能性。

2.2 多点定位系统

MLAT（Multilateration）系统利用多个地面接收机接收飞机的机载应答信号的时间差确定飞机的具体位置并对目标进行跟踪。MLAT系统包括远端基站、校标系统、地面中心站和飞行动态显示系统组成，如图4所示，远端基站根据工作模式由接收机或接收机和发射机组成。

远端基站主要用于接收飞机发送的信号，对飞机信号进行解码处理，记录信号到达时间。MLAT系统分为主动式和被动式，两者的区别在于：被动式MLAT系统仅仅由接收机组成，而主动式MLAT系统包括一个或多个发射天线，发射天线向飞机的二次应答机发射询问信号，飞机询问不依赖于其他进行询问的发射源，实现目标无应答区域的询问补充，达到目标更新率的提高。

地面中心站综合各远端基站的信息，在服务器中对接收数据进行多径处理，计算飞机的目标位置并对目标进行跟踪、产出输出数据包括点迹和航迹、发射输出数据、根据交通状况估计询问、产生询问请求、向为特定的发射站发射询问请求以及删除内存中处理过的共享数据等。

校标系统通过将远端基站与校标系统的时间同步，达到将多个远端基站之间的同步目的，校标系统提供了高准确度、精度和高可靠性的系统同步和系统内部测试功能。

飞行动态显示系统用于在显示终端设备中对飞机的动态进行显示，与此同时，飞机动态显示系统还具有监控飞行动态、记录和存储数据、显示飞机航迹以及系统启动，同时可以远程监视地面站的状态信息并实现远程参数设置、故障诊断、软硬件升级维护等控制功能。

MLAT系统的关键技术之一是TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）定位技术。目标信号到两个天线间的时间差形成一条能够确定飞机位置的双曲面（三维空间）。当四个天线发现飞机信号后，可以通过计算双曲面的交叉点得出飞机的三维位置。当仅有三个天线可用时，不能直接判断出三维位置，但如果可以通过其它信息获知高度，也能够计算出目标位置，即变成了二维的问题。在使用大气压高度（模式C）时，由于气压高度在不同地理位置存在一定差别，不能精确估计出目标的位置。当多于4个天线时，多余信息既可用于校准其它测量的正确性又可以从所有测量中计算出一个平均位置，这将可以全面减小误差。

2.3 监视新技术应用分析

为了适应发展需求，我国民航积极推进监视新技术的研究与应用，并进行了大量的前期试验。

我国民航在西南、中南等地建设完一系列ADS-B台站并投入试运行，实践证明，ADS-B新技术的应用增加了空域容量，加速了飞行流量，减少了航班延误，在ADS-B、二次雷达混合覆盖区域，实验中出现过ADS-B信号分裂时雷达信号正常显示，雷达信号丢失时ADS-B信号正常显示的情况，验证了雷达系统和ADS-B系统互为备份监视手段的重要性和可行性。

MLAT作为监视新技术，系统具有工作原理与雷达和ADS-B完全不同，设备占用空间小、投资少的优点，我国目前已经在部分地区开展了MLAT系统试验研究。MLAT系统利用现有机载标准应答机，无需加装其它机载导航设备即完成定位监视，MLAT系统能够适用各种环境，能够实现对低海拔区域复杂环境的覆盖，能够与使用标准协议和通信设备的各种系统连接，并能够处理飞行计划系统（FPS）数据，送至塔台显示、A-SMGCS、TIS-B服务器、交通管理单元、航线运行、机场运行的数据和送至用户支持中心监视系统的数据。

广播自动相关监视（ADS-B）和多点定位（MLAT）等新技术相较于传统雷达，在台站建设、精度、数据更新速率及系统功能上都有很大改善，随着技术的逐渐成熟，未来将广泛应用于航路、进近及场面监视。

3 结语

我国地域辽阔，地形多样，空域复杂，必须承认实现空域监视全覆盖困难是客观存在的，特别是通用航空对于低空监视要求较高，因山区等地形因素的影响，传统监视雷达很难实现全区域监视信号的连续覆盖。ADS-B地面基站的对飞行器的定位信息是基于卫星系统，对周边环境的要求低，设备小巧易安置，相对雷达受地形因素影响较小，但由于其本身不具备对目标位置的验证功能，系统易受外部影响，同时其定位依赖美国GPS系统，在GPS系统失效或有人为干扰的情况下，该系统将不能提供有效精度的定位信息，ADS-B系统一旦我国大面积投产使用，运行安全风险不容忽视。多点定位（MLAT）不增加额外的机载设备即可提供高精度的定位服务，建设、运行维护成本低，但MLAT系统的缺点是定位数据精度取决于地面基站的位置精度、基站的几何分布等因素影响。因此，未来综合各监视技术的优势，促进全面监视体系的形成是监视技术的发展趋势。

【参考文献】

[1]郝晓爽，韩明，苑克剑.首都机场MLAT系统定位精确度分析[R].科技视界， 2015：52.

[2]李敏，王帮峰，丁萌.ADS-B在机场场面监视中的应用研究[J].中国民用航空飞行学院学报，2014，25（1）：11-14.

[3]杨荣盛.低空空域监视对策研究[D].四川广汉：中国民用航空飞行学院，2011.

[责任编辑：田吉捷]