基于北斗RDSS和ADS—B的航空監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)研究

張永旺

摘要：伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高。航空器運(yùn)輸業(yè)也迎來了大發(fā)展的機(jī)遇時期。但是，由于我國的特殊國情，高中低空空域的管理具有獨特的屬性，無法直接套用發(fā)達(dá)國家成熟的中低空空管模式。目前在低空飛行器種類繁多，性能差異較大、執(zhí)行的任務(wù)各異、天氣對中低空飛行器會造成較大的影響。為此，該文針對我國低空空域管理的特點，通過結(jié)合北斗RDSS和ADS-B技術(shù)，構(gòu)建了獨立的航空監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)，為低空空域的空管工作空白提供了一種有益的技術(shù)保障思路和手段。

關(guān)鍵詞： 中低空空管；北斗RDSS；ADS-B；空管動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）26-0169-02

1 概述

基于中國國內(nèi)特殊的國情，目前中低空空域主要劃分為管制、監(jiān)視和報告三類空域，三類空域均為受管制狀態(tài)，特別是臨近機(jī)場的范圍更是監(jiān)控的重點。特別近期無人機(jī)、通用航空等多種民用飛行活動日益增加，低空飛行器難于管理，空管部門無法通過一二級雷達(dá)有效監(jiān)控的問題異常突出。為更好解決空管部門對于低空空域飛行器的管理，本文結(jié)合空管日常運(yùn)營管理工作模式，采用了北斗RDSS和ADS-B技術(shù)，擬構(gòu)建一套符合低空空域監(jiān)視導(dǎo)航管理工作的管理體系結(jié)構(gòu)，為低空空域的空管技術(shù)保障工作提供了一種新的思路。

2 中國低空管制工作特點

結(jié)合中國低空空域管制工作實際情況，《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》明確指出，相對高度1000米以下空域為低空管制區(qū)域，根據(jù)不同航空器活動的特性和空域使用要求，區(qū)分為了管制、監(jiān)視、報告的三類空域管理體系。

民用航空器在低空飛行時，需要接受空中交通管制部門的空管服務(wù)引導(dǎo)，并提前向相關(guān)管制單位提交飛行計劃并得到批準(zhǔn)；空中交通管制部門要隨時對航空器飛行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，有效地進(jìn)行管理和指揮，特別是對于低空空域飛行的航空器，空管部門除了提供常規(guī)的飛行動態(tài)服務(wù)和預(yù)警服務(wù)為，還應(yīng)結(jié)合中高空空域的飛行安全需求，制定相應(yīng)的低空飛行時間段，以有效的配合整體空域安全的需求。

3 中國低空管制工作存在問題

3.1 低空管制工作缺乏成套的體系和實施細(xì)則

近年來伴隨著無人機(jī)、通航的大規(guī)模應(yīng)用，對于低空管制工作的一系列管理和政策相繼出臺，但此類政策僅僅對低空管制工作提出了基礎(chǔ)意的意見和思路，對于具體的管制工作開展、管制體系的構(gòu)建、通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的建設(shè)，都缺乏有效的運(yùn)行規(guī)范和體系支撐，相關(guān)的管理與控制機(jī)制亟待完善。

3.2 航行服務(wù)保障能力缺乏可用性

低空管制服務(wù)與中高空管制服務(wù)不同，相應(yīng)的空域服務(wù)方案并不成熟，管制、氣象、技術(shù)保障三大領(lǐng)域均沒有對應(yīng)的設(shè)備和人員進(jìn)行管理和控制，在出現(xiàn)特殊情況時，相關(guān)應(yīng)急保障能力缺失嚴(yán)重，對于低空飛行的整體安全有一定消極影響。

3.3 地空甚高頻、高頻話音通信缺失

地空通信系統(tǒng)目前主要使用甚高頻、高頻進(jìn)行通話。低空空域目前飛行器主要為通航和無人機(jī)等，缺乏對應(yīng)的地空通信手段，同時由于中低空的地形地貌影響，無線電通信系統(tǒng)性能并不暢通，難以保障有效地地空通信。

3.4 低空監(jiān)視能力不足

空管一二次雷達(dá)對于航路的覆蓋受到地形的影響，對于低空區(qū)域沒法實現(xiàn)完整覆蓋，同時雷達(dá)電波本身存在的盲區(qū)特性，導(dǎo)致部分管制和監(jiān)視空域存在“黑洞”情況。

4 航行動態(tài)監(jiān)視體系架構(gòu)的設(shè)計

4.1 北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)

低空航行動態(tài)監(jiān)視體系擬采用北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行近地區(qū)域的導(dǎo)航定位和地空數(shù)據(jù)鏈的位置發(fā)送工作，同時相關(guān)報文也利用北斗自帶的數(shù)據(jù)鏈功能進(jìn)行傳輸。管制監(jiān)視系統(tǒng)采用北斗數(shù)據(jù)實現(xiàn)監(jiān)視終端對飛行器位置的顯示，同時對低空飛行器進(jìn)行指揮調(diào)度。

主要實現(xiàn)功能包括：

（1） 航空定位服務(wù)

機(jī)載設(shè)備通過北斗芯片和相關(guān)發(fā)射單元，接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號，與數(shù)據(jù)地圖重疊計算當(dāng)前位置，同時通過固定報文格式向北斗系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前位置報文信息，通過北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地空數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)到北斗地面設(shè)備；北斗地面設(shè)備通過地空數(shù)據(jù)鏈接收航空器位置信息，經(jīng)過處理在監(jiān)視終端顯示對應(yīng)的航空器位置信息。

（2） 機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸

機(jī)載設(shè)備可提前預(yù)存多個常用短信息，在于航行動態(tài)監(jiān)視體系進(jìn)行通信時，可以直接調(diào)用進(jìn)行傳輸；航空器操縱人員可通過比選方式進(jìn)行信息的傳遞，并經(jīng)由北斗系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)后，由地面站工作人員進(jìn)行解讀。

（3） 航行動態(tài)監(jiān)視終端發(fā)送管制指令

航行動態(tài)監(jiān)視終端可通過北斗短信息服務(wù)，通過編輯方式傳輸對應(yīng)的短信息報文至機(jī)載設(shè)備，航空器操縱人員在讀取相應(yīng)信息后，執(zhí)行相關(guān)指令，或進(jìn)行短信息的反饋。

4.2 ADS-B地面站

航行動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)部需要設(shè)置ADS-B地面站，通過地面站來對地空數(shù)據(jù)廣播報文進(jìn)行接收、發(fā)送和處理，航行動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)管理范圍航空器通過可備份的ADS-B地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，空管部門通過地面站對空域狀態(tài)進(jìn)行整體性控制，從而有效保障低空空域的航空安全保障力度。

ADS-B地面站數(shù)據(jù)傳輸采用CAT033格式報文，通地調(diào)制時隙后進(jìn)行無線電發(fā)送；同時地面站天線通過接收航空器機(jī)載設(shè)備ADS-B報文進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。航行動態(tài)監(jiān)視終端顯示數(shù)據(jù)通過對CAT033和CAT023報文進(jìn)行解析后呈現(xiàn)。

ADS-B航空器機(jī)載設(shè)備可通過北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)接口、高度儀、水平儀等數(shù)據(jù)對航空器的飛行姿態(tài)和位置形成準(zhǔn)確定位和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并采用CAT033報文格式發(fā)達(dá)ADS-B報文到地面站設(shè)備。機(jī)載設(shè)備在接收到地空數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)膱笪男畔⒑螅ㄟ^解調(diào)過程對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生產(chǎn)符合機(jī)載顯示終端顯示規(guī)范的CDTI接口數(shù)據(jù)，通過顯示接口顯示。endprint

4.3 航行動態(tài)監(jiān)視終端

航行動態(tài)監(jiān)視終端是低空空域管制技術(shù)保障工作中的重要環(huán)節(jié)。相關(guān)ADS-B報文數(shù)據(jù)的傳輸、處理都需要其后臺進(jìn)行，對于低空空域航空器的統(tǒng)一監(jiān)視和管理具有重要意義。根據(jù)軟件設(shè)計的基本規(guī)范，通過航行動態(tài)監(jiān)視終端系統(tǒng)可分為三層架構(gòu)體系：系統(tǒng)軟件層、共享軟件層、服務(wù)軟件層。

系統(tǒng)軟件層定義了系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)操作系統(tǒng)環(huán)境和通信協(xié)議版本；共享軟件層定義了系統(tǒng)運(yùn)行中共享使用的GPS時鐘校正、數(shù)據(jù)庫平臺、GIS地理服務(wù)平臺和地空數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng)；服務(wù)軟件層是航行動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的核心，它直接控制了系統(tǒng)的內(nèi)部管理、數(shù)據(jù)通信邏輯、信息邏輯界面展示等多個領(lǐng)域。

對于航行動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)通信邏輯模塊是北斗系統(tǒng)與ADS-B地面站系統(tǒng)實現(xiàn)交互和信息處理的核心環(huán)節(jié)，該模塊結(jié)合不同格式的報文信息解析、編譯工作，將多個不同的數(shù)據(jù)接口有機(jī)的進(jìn)行了融合，把異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同質(zhì)化處理，使得北斗系統(tǒng)與ADS-B地面站協(xié)同工作成為可能，也為管制工作的監(jiān)視數(shù)據(jù)提供奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理模塊作為對于低空空域航空器位置、姿態(tài)信息進(jìn)行管理的功能模塊，它直接負(fù)責(zé)對相關(guān)的安全性進(jìn)行辨識，通過融合包括數(shù)據(jù)處理、位置沖突判斷、航空器預(yù)警報文處理等多個功能，最終實現(xiàn)了相關(guān)安全信息的提前處置。

信息邏輯界面展示功能主要對航空器位置、姿態(tài)等在空管管制部門進(jìn)行實時的展示，顯示通過北斗和地面站得到的相關(guān)監(jiān)視數(shù)據(jù)，為管制員和技術(shù)人員提供可供參考的航跡信息、地圖高度信息、系統(tǒng)配置信息等操作接口。

5 結(jié)論

自2015年國務(wù)院下發(fā)關(guān)于低空空域管制的相關(guān)指導(dǎo)意見以來，關(guān)于低空空域管理和發(fā)展的一系列政策和規(guī)范逐步出臺，對于低空空域承載業(yè)務(wù)的需求和管理思路有了原則性的指導(dǎo)意見，但是技術(shù)上對于相關(guān)航空器的監(jiān)視和管制仍缺少有效的支撐，本文采用了基于北斗RDSS和ADS-B的航空監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)體系，為雷達(dá)管制、地空通信、多點定位的技術(shù)實施進(jìn)行了初步的探索，通過構(gòu)建多路徑的監(jiān)視系統(tǒng)，為低空空域管理安全提供了堅實的保障。

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