淺談幾種場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)定位原理

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摘要：民航業(yè)飛速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)流量不斷增大，管制員監(jiān)視機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的技術(shù)也不斷更新?lián)Q代，本文討論了幾種最主流的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)的原理和應(yīng)用，包括場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)SMR、多點(diǎn)定位MLAT、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS-B。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)、SMR、MLAT、ADS-B

1、 引言

航空運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，給交通出行物流運(yùn)輸帶來(lái)便利的同時(shí)，也給空管系統(tǒng)帶來(lái)了考驗(yàn)：日均航班屢創(chuàng)新高，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行日益復(fù)雜，場(chǎng)面飛機(jī)與飛機(jī)之間以及飛機(jī)與車輛之間的沖突越發(fā)嚴(yán)重。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通的高效通暢在很大程度上影響著空管系統(tǒng)的安全運(yùn)行，更先進(jìn)智能化的監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用將在很大程度上減輕管制員們的指揮壓力。目前在各大機(jī)場(chǎng)廣泛使用的主要有SMR場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)、MLAT多點(diǎn)定位以及ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)。

2、幾種場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)的工作原理及應(yīng)用

2.1、SMR場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)

SMR是在我國(guó)多個(gè)大型機(jī)場(chǎng)應(yīng)用的一種技術(shù)，它是一種一次雷達(dá)，通常由高轉(zhuǎn)速天線、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理器、顯示終端組成。它的定位原理和其他一次雷達(dá)一樣，是通過(guò)使用雷達(dá)天線向外發(fā)射電磁波信號(hào)，并通過(guò)對(duì)目標(biāo)反射回來(lái)的電磁波信號(hào)進(jìn)行接收處理從而獲取目標(biāo)的距離和方位。其定位原理是基于目標(biāo)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的TOA（Time of arrival）與基于目標(biāo)信號(hào)到達(dá)角度的AOA（Angle of arrival）的混合定位法。假設(shè)目標(biāo)T位置為（x，y），雷達(dá)位置為（xi，yi）測(cè)量AOA為θi，TOA為ti，則有：

x- xi=cticosθi

y- yi=ctisinθi

（i=1，2…m），c為電磁波傳播速度

如圖一：

SMR獲取到目標(biāo)位置信息后，送入數(shù)據(jù)處理器，與其他外部數(shù)據(jù)如二次雷達(dá)信息、飛行計(jì)劃信息、氣象信息、停機(jī)位信息等進(jìn)行相關(guān)處理，從而在管制席位的場(chǎng)面監(jiān)視終端上顯示出場(chǎng)面的電子地圖、飛機(jī)及車輛的標(biāo)牌信息、停機(jī)位編號(hào)信息、進(jìn)離港飛行計(jì)劃信息等，一個(gè)成熟的場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾種功能：

（1） 監(jiān)視功能：提供管制員場(chǎng)面所有活動(dòng)的飛機(jī)和車輛定位并結(jié)合外部數(shù)據(jù)相關(guān)掛牌，提供監(jiān)視目標(biāo)位置、速度、大小等信息，做到對(duì)場(chǎng)面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2） 告警功能：在機(jī)場(chǎng)電子地圖的沖突檢測(cè)區(qū)域根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)計(jì)算潛在沖突并告警，根據(jù)沖突預(yù)計(jì)發(fā)生時(shí)間可提供不同的告警級(jí)別，提高場(chǎng)面運(yùn)行安全水平。

（3） 路線引導(dǎo)控制功能：可以自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整滑行道分配，提高滑行道利用效率進(jìn)一步提高運(yùn)行效率。

SMR在國(guó)內(nèi)外各大機(jī)場(chǎng)有著廣泛的應(yīng)用，主要優(yōu)點(diǎn)有定位精度高、數(shù)據(jù)刷新速率快，融合多個(gè)雷達(dá)信號(hào)相關(guān)處理后可以完成沖突告警、滑行道管理、飛機(jī)標(biāo)牌管理等一系列功能，但其缺點(diǎn)也比較明顯，首先因?yàn)閳?chǎng)監(jiān)雷達(dá)屬于一次雷達(dá)，對(duì)目標(biāo)的標(biāo)識(shí)能力主要依賴于其他系統(tǒng)，其次場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)由于多徑干擾和地面物體的反射會(huì)機(jī)場(chǎng)產(chǎn)生一些假目標(biāo)，從而對(duì)依賴場(chǎng)監(jiān)系統(tǒng)完成場(chǎng)面監(jiān)視的管制員造成影響，同時(shí)雷達(dá)下方一定范圍屬于盲區(qū)，做不到完整覆蓋式監(jiān)視，然后是在較嚴(yán)重降雨天氣下，由于雨滴的球面反射會(huì)造成大量雜波干擾，在暴雨時(shí)有些時(shí)候會(huì)超出系統(tǒng)自帶雨濾處理功能從而產(chǎn)生大量假目標(biāo)，失去場(chǎng)面監(jiān)視功能。最后是場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)系統(tǒng)造價(jià)昂貴，要在各中小機(jī)場(chǎng)推廣使用需要大筆投入。

2.2、MLAT多點(diǎn)定位技術(shù)

MLAT系統(tǒng)通常由多個(gè)遠(yuǎn)端接收站、詢問(wèn)發(fā)射站、中心處理站、參考基準(zhǔn)站、顯示終端組成。多點(diǎn)定位技術(shù)是近些年快速發(fā)展應(yīng)用的一種較新的技術(shù)，由詢問(wèn)發(fā)射站向飛機(jī)發(fā)射詢問(wèn)信號(hào)，得到飛機(jī)應(yīng)答機(jī)A/C模式、S模式應(yīng)答信號(hào)、ADS-B信號(hào)、機(jī)載TACS信號(hào)以及其他機(jī)載信號(hào)的應(yīng)答信號(hào)，通過(guò)覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)接收站，同時(shí)接收飛機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，測(cè)量應(yīng)答信號(hào)到達(dá)各站的時(shí)間差（TDOA定位），中心站通過(guò)雙曲線定位解算，得到飛機(jī)的精確位置，通過(guò)對(duì)應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行解碼，從而完成對(duì)飛機(jī)的識(shí)別，最終在顯示終端上顯示目標(biāo)位置信息。

MLAT定位原理是基于雙曲線的特性，即雙曲線是到兩點(diǎn)距離差為常數(shù)的點(diǎn)的集合，通過(guò)測(cè)量應(yīng)答信號(hào)到達(dá)兩個(gè)接收站時(shí)間差，乘以電磁波信號(hào)傳播的速度得到一個(gè)常數(shù)，從而能確定出一條雙曲線；若接收站為三個(gè)就可以確定三條雙曲線，其交點(diǎn)即為目標(biāo)位置。

假設(shè)目標(biāo)T位置為（x，y），接收基站位置為（xi，yi），測(cè)量TDOA為ti，1，則有：

（i=2，3…m）

如下圖二：

MLAT按覆蓋范圍和定位精度的不同可以分為場(chǎng)面多點(diǎn)定位和廣域多點(diǎn)定位，目前已在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，在美國(guó)，從2000年開(kāi)始部署多點(diǎn)定位系統(tǒng)，現(xiàn)已有35個(gè)機(jī)場(chǎng)完成了布設(shè)；捷克全境已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣域多點(diǎn)定位覆蓋。在我國(guó)，北京、重慶、武漢等城市機(jī)場(chǎng)的多點(diǎn)定位系統(tǒng)相繼建設(shè)完成投入使用。

多點(diǎn)定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用跟其與其他監(jiān)視技術(shù)相比明顯的優(yōu)勢(shì)密不可分，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 可以兼容二次雷達(dá)和ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，可以利用飛機(jī)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答機(jī)獲取應(yīng)答信號(hào)，通過(guò)解碼應(yīng)答信號(hào)即可以獲取飛機(jī)信息進(jìn)行識(shí)別，不需要與二次雷達(dá)相關(guān)，不需要額外加裝機(jī)載設(shè)備。

（2） 更新速率高，定位精度高，場(chǎng)面定位精度小于7.5米，廣域空中定位精度20米以內(nèi)，優(yōu)于傳統(tǒng)的二次雷達(dá)。

（3） 布站靈活、安裝簡(jiǎn)單，可以通過(guò)優(yōu)化選點(diǎn)達(dá)到消除盲區(qū)，理論上可以達(dá)到100%全覆蓋。低廉的建設(shè)成本可以更好地適應(yīng)機(jī)場(chǎng)的改擴(kuò)建，升級(jí)方便。

（4） 提供了對(duì)車輛的監(jiān)控手段，只需要在場(chǎng)面車輛上安裝相應(yīng)的應(yīng)答機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)面車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（5） 通過(guò)軟件，可以實(shí)現(xiàn)沖突告警、跑道入侵告警等告警功能。

2.3、ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視endprint

ADS-B技術(shù)的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

自動(dòng)（Automatic）：無(wú)需人工操作，無(wú)需地面站詢問(wèn)。

相關(guān)（Dependent）：數(shù)據(jù)依賴于機(jī)載設(shè)備。

監(jiān)視（Surveillence）：提供飛機(jī)的位置、高度、速度、二次代碼、航向信息等。

廣播（Broadcast）：使用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，所有用戶都能接收數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)ADS-B技術(shù)使得飛機(jī)通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備獲取自身位置并通過(guò)地空數(shù)據(jù)鏈或者空空數(shù)據(jù)鏈把自身的呼號(hào)、位置、高度、速度等飛行信息廣播出去供其他飛機(jī)或者地面接收站接收。

ADS-B技術(shù)數(shù)據(jù)更新速率快、信息種類豐富、位置精度高、建設(shè)和使用成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的航管二次雷達(dá)。其應(yīng)用按照飛行信息的接收發(fā)射方不同可以分為ADS-B IN和ADS-B OUT。

ADS-B IN使得飛行器通過(guò)地空或者空空數(shù)據(jù)鏈接收地面站和其他飛行器發(fā)送的信息，可以使飛行員接收交通信息服務(wù)廣播以及飛行信息服務(wù)廣播，并可以通過(guò)地面站匯聚數(shù)據(jù)再發(fā)送的形式實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)鏈之間的監(jiān)視服務(wù)，方便飛行員實(shí)時(shí)掌握其他飛行器的位置從而可以在無(wú)須地面空管部門過(guò)多介入的情況下實(shí)施航路選擇、避免飛行沖突。增強(qiáng)場(chǎng)面交通狀態(tài)以及飛行進(jìn)程狀態(tài)的獲取、加快飛行器的排隊(duì)和匯聚時(shí)間，以及改進(jìn)飛行高度層的相關(guān)程序增大容量。由此可見(jiàn)，ADS-B技術(shù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用勢(shì)必影響到空域管理的模式，是由集中式管理到分布式管理的一個(gè)重要技術(shù)支持。

ADS-B OUT使得飛行器把從衛(wèi)星等導(dǎo)航設(shè)備獲取到的位置信息結(jié)合飛行員輸入的其他飛行信息經(jīng)由機(jī)載設(shè)備廣播給地面站和其他飛行器，使地面管制人員可以準(zhǔn)確獲得飛機(jī)的精確位置和飛行信息，經(jīng)由多路數(shù)據(jù)融合處理，顯示在顯示終端上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的監(jiān)視功能。該技術(shù)可以在無(wú)雷達(dá)空域、中低流量地區(qū)和無(wú)雷達(dá)地區(qū)提供空管監(jiān)視的盲區(qū)填補(bǔ)；在中高流量雷達(dá)空域提供空管監(jiān)視，作為航管雷達(dá)的補(bǔ)充手段使用，或者在一些地區(qū)取代雷達(dá)成為主要監(jiān)視方式；在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視領(lǐng)域可以作為高級(jí)場(chǎng)面監(jiān)視與引導(dǎo)系統(tǒng)的信息源，并且可以直接應(yīng)用于一些小型機(jī)場(chǎng)，作為場(chǎng)面監(jiān)視的主要手段。

在歐美和澳洲，ADS-B技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在成都等地也獲得了成功的應(yīng)用。該技術(shù)對(duì)于空域監(jiān)視和場(chǎng)面監(jiān)視都是一個(gè)有效的選擇。

3、 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)單一的場(chǎng)面監(jiān)視手段已無(wú)法滿足復(fù)雜的場(chǎng)面交通情況。在我國(guó)普遍使用場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的ADS-B和MLAT技術(shù)以其在定位精度和數(shù)據(jù)更新率等方面各自具有的優(yōu)勢(shì)必將獲得廣泛應(yīng)用，在未來(lái)，多種場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)將充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，互為主備取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面高精度高智能化的全面監(jiān)視，為管制運(yùn)行提供強(qiáng)有力的幫助，為機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的安全運(yùn)行提供有效保障。

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