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通用航空器協同監視系統技術相關的探究

作者:2017-05-31 16:35文章來源:未知
  隨著經濟的持續穩定增長和低空空域開放進程的推進,我國通用航空產業的發展總體呈蓬勃向上的趨勢,通用航空產業將面臨前所未有的發展和機遇。
  但由于國內缺乏有效的低空空域監視手段,目前的低空空域監管體制已經難以滿足通用航空發展的需要。與民航相比,通航具有飛行高度低、飛行器種類繁多、飛行區域復雜多變等特點,使得現有民航空管監視雷達和通信設備難以有效保障低空飛行時的監視和通信能力?,F有監視手段無法滿足全時域、全空域、全地域連續可靠且成本合理的監視、通信等要求。同時,傳統的低空監視系統建設與維護成本高,難以在通航的產業得到推廣應用。因此,尋求一種適合通航使用的低成本監視技術或者手段也就顯得尤為重要。
  本文針對我國低空空域管理和飛行安全所面臨的問題,提出了一種基于移動通信網、北斗和廣播式自動相關監視(ADS-B)的通用航空器協同監視系統的綜合解決方案。
  1 國內外技術現狀
  國外空域監視技術的發展,在監視模式方面,從獨立、被動工作模式向主動協同工作模式演化;在監視設備方面,從單一設備發展到多個設備聯合。具體而言,傳統的僅依靠地面設備實現獨立空域監視系統在精度和可靠性上存在缺陷,難以適應日趨密集的空域監視需求,為了進一步提高空域監視性能,又出現了機載航電設備與地面設備協同配合的協作式空域監視系統,使得實現更加可信的空域監視成為可能。
  美國是世界上通用航空最發達的區域,其在通航未來發展并實施的主要空管監視技術是ADS-B,通過ADS-B 數據鏈,可以提供空中交通狀態信息和飛行氣象信息,能夠支持通航空域的監視和信息服務,同時以傳統的SSR、Mode-S、TCAS等多種方式作為輔助空管監視技術。
  目前我國的通航空管基本上處于程序管控為主、雷達管控為輔的階段。落后的空管手段,導致通用航空存在“連不上、看不見、看不全”等諸多問題,限制了我國通航產業的發展。我國為推動通航發展,先手發布了《中國民用航空第十二個五年計劃》和《關于推進我國低空空域管理改革的意見》等一系列文件。鑒于我國目前的經濟發展水平,處于起步階段的通航市場亟需一種低成本、高性價比的空管手段。
  2 總體方案設計
  ADS-B 系統是ICAO(國際民航組織)在新航行系統中推薦的一種新興監視技術,機載導航系統獲取到飛機精確的位置和速度信息,利用甚高頻空地數據鏈向外周期性地廣播飛機的標識、位置、高度等參數。分布在航路上的ADS-B 地面站接收來自飛機的廣播信息,并將其傳給空管中心,進而實現地空監視。ADS-B 系統還可以接收附近安裝ADS-B 飛機的廣播信息,實現空空監視。ADS-B 的精度和數據更新率比雷達高,除基本的位置信息外,ADS-B 還提供更多飛行信息,尤其適合于山區、荒漠、邊遠機場等不宜建設雷達站的區域,也適合于高密度機場的監視。雖然ADS-B 有諸多優勢,但由于其系統建設費用高,地面站維護成本高等缺點,難以在國內低空監管中普及。
  北斗衛星導航系統利用典型的雙星定位原理,通過兩顆地球靜止軌道衛星,由用戶以外的地面控制中心完成經衛星至用戶的詢問式距離測量,計算出用戶的三維坐標,再以短報文的形式告知用戶。在完成了位置報告的同時,實現了用戶位置信息共享。經過近些年的飛速發展,我國已經完成了北斗二代的部署,其覆蓋范圍可以達到亞太區域,不僅具有與GPS 相同的定位功能,還具備雙向短消息通信功能。由于北斗系統采用國內自主技術,而且成本較低,已廣泛應用于監控漁船、交通運輸、國家安全等方面。在低空空域飛行監控方面,北斗系統可以提供飛行器的位置信息并且具有簡單雙向報文通信,但其缺點是服務頻度低,出入站容量受限,單條報文容量受限。移動通信網絡利用移動臺、基臺和移動交換局組成。其發展速度非???,目前已經由第一代發展到了第四代。移動信號的覆蓋率主要是由基站實現的,通過不同的區域配置不同的基站天線,使信號能夠覆蓋到各個區域。最新的LTE 移動網絡系統具有很高的傳輸速率并支持高速移動物體,具有良好的網絡覆蓋性能。隨著技術的不斷發展,移動通信網絡也將越來越多地應用于低空空域飛行的通用航空器上。依據我國自主北斗衛星導航系統的功能、ADS-B 技術發展及其數據鏈能力和廣泛覆蓋的移動通信網絡,結合我國低空空域管理的現狀和通用航空器機載系統的技術發展,參考國外通用航空器監控系統的經驗,本文提出一種通用航空器協同監視系統的總體方案設計,如圖1 所示。協同監視系統原理如下:
  低空通用飛行器利用北斗衛星獲取飛行器的位置信息,實現對飛行器本身位置的確定。隨后機載終端對飛行器的標識、速度、航向、位置等飛行參數進行封裝打包,將數據包通過ADS-B 鏈路,北斗衛星鏈路和移動通信網絡鏈路發送到地面監視與信息服務平臺。
  地面平臺獲取該數據包后,對其進行解析處理,結合自身配置的航圖數據庫,在監控器上顯示空域中該飛行器的飛行狀態和信息,對飛行器的飛行過程進行日志記錄。這樣,飛行器在空域中的所有信息都可以實時或者根據需要查看,以便掌握該飛行器的飛行軌跡。
  地面服務平臺還可以利用北斗導航系統的出站鏈路,移動通信網絡鏈路和ADS-B 鏈路向通用飛行器傳遞必要的交通信息、氣象信息等。
  對于裝備了傳統空管設備的飛行器而言,在地面一次雷達和ADS-B 等可以覆蓋的空域,該方案以ADS-B 鏈路為主,北斗和移動通信網絡鏈路為輔,北斗和移動通信網絡作為一種低成本的備份。而對未安裝傳統空管設備的飛行器,或者在空管雷達和ADS-B 未能覆蓋的空域,北斗導航系統和移動通信網絡則成為了低空空域監視與服務的主要手段,以較低的成本彌補了傳統監視手段的不足,實現全空域的監視。
  3 系統實現方法
  針對總體方案設計,進行通用航空器協同監視系統具體實現,建立驗證測試環境,同時形成相關設計規范、技術標準,為后續的工程化、滿足適航要求的實際應用提供支持。
  3.1 機載通用航空器飛行監視系統實現方案
  該方案考慮了通用航空器低成本、配置靈活、適應性高的實際需求,其主要分為監視終端處理單元和綜合顯示交互單元。監視終端處理單元采用一體化設計,將北斗、ADS-B、移動通信模塊和數據處理模塊集成到一個LRU 中,共用資源,降低了總體成本。綜合顯示交互單元包含顯示處理模塊和觸摸液晶屏,用于接收飛行員操作指令,提供導航、地形、參數記錄等信息。
  通用航空器種類繁多,各種飛機航電設備配置不同,設計中將監視終端處理單元和綜合顯示和交互單元設計為可組合配置的架構,物理上既可以集成安裝,也可以單獨配置安裝,提高了應用靈活性。
  系統中預留標準接口支持同其它航電顯示、飛參設備互聯,用于獲取更多的飛行信息,與機載航電系統進行數據交互。
  3.2 地面監視與信息服務平臺實現方案
  該方案主要由以下幾部分組成:
  地面接收站:能夠可靠、實時收發北斗衛星信號、ADS-B信號和移動通信數據;通信應用、服務管理單元:對地面站接收的數據進行解析處理,得到飛行器的編碼、位置、速度等飛行參數,然后對這些信息進行處理、存儲、運算,提供給顯示單元進行顯示;數據服務單元:對系統中使用的地圖數據庫、用戶數據庫和系統數據庫進行管理和維護;監視告警單元:通過大屏幕顯示低空空域中的飛行器信息并可根據要求設置相應的告警給地面監控人員。該方案主要由北斗用戶地面收發設備、ADS-B 地面收發設備、移動通信網絡基站和信息處理中心組成。地面監視與信息服務平臺完成多模數據的接收,分析,融合和發送。設計中考慮應用的靈活性和功能的擴展性,除了支持基本的北斗、ADS-B 和移動通信功能外,還支持和ATM系統之間的互聯以獲取更多的空管信息、支持和氣息信息服務商的互聯支持氣象信息的獲取、支持系統之間的互聯使系統能夠方便進行擴展。
  4 系統仿真測試驗證
  在系統綜合完成后,通過模擬各種組合條件,驗證系統是否可以實現有效的監視,滿足低空空域監視要求。系統仿真測試驗證按照以下過程進行:
  首先,地面平臺的測試驗證。結合地面平臺的功能和性能要求,模擬北斗、ADS-B 和移動通信測試向量注入,地面平臺能夠同時接收多源數據,在內部進行數據融合處理和決策后生成準確的飛機狀態信息,根據氣象信息和ATM信息形成并發送當前空域的交通狀況信息、氣象信息和沖突告警信息;其次,機載系統的測試驗證。驗證機載系統的主要性能,包括當前位置信息的獲取,多路數據的發射和接收。模擬空中飛行過程中空速的變化和頻譜干擾,驗證其對各項性能的影響;最后,協同監視系統測試驗證。組建小型的多用戶機載終端環境,結合地面平臺進行真實環境測試。按照應用場景的規劃,在不同的區域模擬各種組合條件,用以測試系統的功能和性能。
  經過仿真驗證,在地面覆蓋ADS-B、北斗接收站和移動基站的區域內,系統利用多路鏈路傳輸信息,地面平臺可對多源數據進行決策融合,傳遞更準確的通用飛行器狀態信息和氣象交通信息;而在缺少ADS-B 地面站的區域內,地面平臺通過北斗定位和移動基站輔助定位的方式,獲得準確的通用飛行器狀態信息,形成當前空域的空管信息和氣象信息,并主要利用移動通信鏈路傳輸到機載監視系統;在只有衛星通訊的區域內,由于北斗衛星具有不區分地形特性和簡單雙向報文通信功能,系統可以利用北斗數據鏈路傳遞通用航空器的基本信息。
  5 結語
  本文主要闡述了一種通用航空器協同監視系統的總體設計、實現方案以及驗證手段。該方案充分利用ADS-B、北斗導航系統和移動通信網絡的優點,提供了三條互相獨立的通道進行空域的監視,互為備份,互相補充,旨在實現全空域的有效監視。
 

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