一種基于ADS-B的空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計方法研究

任萍，盧允娥

（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

近年來隨著飛機訓(xùn)練任務(wù)需求的不斷增加和民航業(yè)務(wù)量的飛速發(fā)展，造成飛機跨越民航區(qū)域飛行日益頻繁，尤其是出遠海跨越民航航線飛行時，地面空管系統(tǒng)的指揮能力薄弱，載機平臺不能接收到地面空管雷達系統(tǒng)的指揮，與民航飛機發(fā)生空中危險接近甚至相撞的潛在可能性不斷增加，成為飛行任務(wù)的隱患。

現(xiàn)有的飛機安裝的機載防撞系統(tǒng)采用二次雷達技術(shù)，通過詢問-應(yīng)答方式對威脅目標進行監(jiān)視，需加裝詢問分機和詢問天線，設(shè)備內(nèi)部模塊構(gòu)成復(fù)雜，所需處理單元、射頻單元和天線單元構(gòu)造復(fù)雜，裝機成本高；現(xiàn)有機載防撞系統(tǒng)原有算法在A/C航管應(yīng)答模式下容易出現(xiàn)目標方位跳變和短時間丟失問題?，F(xiàn)有飛機安裝的空域監(jiān)視系統(tǒng)僅能作為監(jiān)視手段進行使用，并不能向飛行員提供垂直機動建議，在中/高空飛行時，不利于飛行員采取避讓措施。

為了解決飛機出遠?？缭矫窈胶骄€時，地面空管系統(tǒng)的指揮能力薄弱容易產(chǎn)生民航飛機危險接近甚至相撞的安全隱患問題，首次將ADS-B監(jiān)視技術(shù)與TCAS防撞算法進行融合，提出了一種基于ADS-B技術(shù)的空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計方法，該系統(tǒng)取消了詢問-發(fā)射工作方式，僅采用被動監(jiān)視方法，實現(xiàn)達到載機周圍目標態(tài)勢檢測、防撞沖突預(yù)判和根據(jù)威脅等級告警功能，載機電磁環(huán)境復(fù)雜度降低。且構(gòu)型簡單，體積重量小，降低研制/采購成本，更符合未來航管功能發(fā)展趨勢。

1 空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)型及功能

本文基于廣播自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對成本限制的載機平臺提供了一種顯示集成度高、滿足無線電靜默需求和造價成本低的空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)視空域內(nèi)裝載ADS-B OUT設(shè)備入侵飛機的監(jiān)視，并提醒飛行員進行危險避讓，增強飛機的態(tài)勢感知和避讓能力，為缺乏地面空管系統(tǒng)指揮的遠海飛行任務(wù)提供安全保障。

1.1 空域態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)型

空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)由1個態(tài)勢監(jiān)控處理機和2個全向接收天線組成，其系統(tǒng)構(gòu)型框圖如圖1所示。

圖1 空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)型框圖

通過獲取載機的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度和真航向），與接收到的目標機的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進行計算，獲取目標機和本機的相對距離和方位等信息。

通過獲取本機的絕對氣壓高度數(shù)據(jù)，與獲取到目標飛機的絕對氣壓高度進行計算，得出目標飛機相對本機的相對高度信息，由此獲得方位精度也優(yōu)于容易受多徑效應(yīng)影響的定向詢問的測角精度，使目標跟蹤更加穩(wěn)定，能夠避免偶發(fā)TCAS目標方位跳變和目標短時間丟失的問題。

通過獲取無線電高度數(shù)據(jù)，產(chǎn)生在低空飛行時抑制RA告警的判斷條件。

與載機原有顯示控制系統(tǒng)相結(jié)合，空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)通過顯示控制分系統(tǒng)實現(xiàn)對監(jiān)視空域、目標顯示和高度源等參數(shù)進行設(shè)置，同時將監(jiān)視空域范圍內(nèi)目標態(tài)勢信息及針對RA告警產(chǎn)生的垂直機動建議信息綜合在顯示控制分系統(tǒng)的顯示器上進行顯示，可結(jié)合機上其他設(shè)備告警信息，向飛行員呈現(xiàn)綜合的、全面的目標態(tài)勢畫面，增加設(shè)備故障自檢測功能，降低了機組操作人員的使用難度和操作負擔，顯示/控制集成度更高。

當載機裝有近地告警設(shè)備時，向機內(nèi)通話設(shè)備輸出近地告警語音信息相對防撞語音告警信息優(yōu)先級高，且近地告警設(shè)備也會產(chǎn)生垂直機動建議，因此需要進行語音輸出優(yōu)先級排序?？沼驊B(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)收到近地告警抑制信號時，不向顯示控制系統(tǒng)發(fā)送RA告警和垂直機動建議提示，同時不向機內(nèi)通話設(shè)備發(fā)送語音告警。直到近地告警設(shè)備停止發(fā)送抑制信號一段時間后恢復(fù)正常。

1.2 空域態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)采用ADS-B in的監(jiān)視技術(shù)，所得的監(jiān)視空域范圍內(nèi)其他飛行器的方位、距離精度均較傳統(tǒng)的TCAS II系統(tǒng)精度更高，距離精度最高可達十幾米?？蔀轱w機提供更大范圍的態(tài)勢感知信息，接收靈敏度更高、載機監(jiān)視容量更多、監(jiān)視精度更高、具有監(jiān)視距離更遠。采用載機平臺的無線電高度數(shù)據(jù)、絕對氣壓高度數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)等高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)接收本機導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的本機經(jīng)緯度、速度、北京時間和高度數(shù)據(jù)。

態(tài)勢監(jiān)控處理機通過上/下全向接收天線監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視范圍內(nèi)出現(xiàn)的裝有ADS-B OUT設(shè)備的飛機發(fā)送的ADS-B廣播報文，獲取空域中其他飛行器發(fā)送經(jīng)緯度、速度、北京時間和高度數(shù)據(jù)，與本機位置信息進行對比處理，其他飛行器發(fā)送的位置信息與本機位置信息通過TCAS算法進行沖突解算，建立監(jiān)視范圍內(nèi)的目標航跡，形成空中交通的實時態(tài)勢信息，包含目標飛機的速度、航向和轉(zhuǎn)彎率等，從而對目標機的航跡信息進行建立、更新和維護，評估出目標飛行器的威脅級別，根據(jù)不同的威脅等級產(chǎn)生相應(yīng)的語音提示信息和產(chǎn)生相應(yīng)避讓措施，送給顯示控制系統(tǒng)顯示，供飛行員參考。

在空域監(jiān)視功能的基礎(chǔ)上，將監(jiān)視和跟蹤的目標航跡與本機信息綜合，利用跟蹤的目標航跡信息對潛在威脅目標進行評估，建立二級碰撞沖突區(qū)域，對碰撞沖突進行預(yù)測，進行沖突告警解算，評估出目標機的威脅級別，包含無威脅目標OT、臨近目標PT、交通告警TA、決斷告警RA四種，針對不同告警信息產(chǎn)生相應(yīng)避讓措施和語音提示信息，并分別送入顯示控制系統(tǒng)和機內(nèi)通話設(shè)備，提供目標航跡顯示和語音告警功能，同時具備故障自檢測功能。

2 空域態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方法

2.1 顯示控制

空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)通過顯示控制分系統(tǒng)實現(xiàn)對監(jiān)視空域、目標顯示和高度源等參數(shù)進行設(shè)置，同時將監(jiān)視空域范圍內(nèi)目標態(tài)勢信息及針對RA告警產(chǎn)生的垂直機動建議信息綜合在顯示控制分系統(tǒng)顯示器上進行顯示，可結(jié)合機上其他設(shè)備告警信息，向飛行員呈現(xiàn)綜合的、全面的目標態(tài)勢畫面，增加設(shè)備故障自檢測功能。

在不發(fā)射詢問信號的情況下，仍能夠通過被動接收ADS-B信號實現(xiàn)對本機周圍具有ADS-B OUT功能的目標進行監(jiān)視，通過目標的方位、距離、高度等態(tài)勢信息，建立2級碰撞沖突區(qū)域，并根據(jù)載機與目標機的本機與目標飛機的速度、航向和轉(zhuǎn)彎率等運動參數(shù)，對碰撞沖突進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果如果存在碰撞危險，則給出告警提示。當目標進入TA或RA區(qū)域時將威脅目標發(fā)送給顯示控制系統(tǒng)同時伴隨有語音告警，當目標進入RA區(qū)域時，會向顯示控制系統(tǒng)發(fā)送垂直方向的決斷建議。

2.2 語音抑制功能設(shè)計

按照RTCA/DO-185B規(guī)定，飛機降落時，載機無線電高度小于900ft時，起飛時，無線電高度小于1100ft時，空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)的RA告警功能應(yīng)被抑制。飛機降落時，載機無線電高度小于400ft時，起飛時無線電高度小于600ft時，告警語音應(yīng)被抑制。

2.3 同頻段設(shè)備兼容工作

空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)取消了詢問發(fā)射功能，僅接收譯碼后的來自ADS-B地面站和其他飛行器廣播的ADS-B信號，在載機處于無線電靜默的情況下仍可以對監(jiān)視空域內(nèi)目標進行有效監(jiān)視，飛經(jīng)ADS-B地面站管制區(qū)域時，ADS-B地面民航管制站不對本機平臺位置信息進行監(jiān)控。與傳統(tǒng)的空中防撞系統(tǒng)（TCAS系統(tǒng)）相比，取消了詢問發(fā)射工作方式，空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)不屬于電磁發(fā)射設(shè)備，不會對同頻段其他設(shè)備接收產(chǎn)生影響，更適合飛機的頻譜管理。

當其他同頻段設(shè)備發(fā)射信號時，空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)通過接收ADS-B報文，能夠?qū)ζ渌l段設(shè)備發(fā)送的非用于態(tài)勢判斷的無關(guān)信號進行判別，并做丟棄處理，極大程度地解決了同頻段設(shè)備工作存在干擾問題。在干擾設(shè)備發(fā)送大功率壓制性干擾信號時，設(shè)置設(shè)備最低抗損毀門限，防止自身設(shè)備由于接收大功率信號出現(xiàn)模塊燒毀現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本文所述的空域態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)在國內(nèi)外飛機廣泛使用ADS-B技術(shù)的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，首次將ADS-B技術(shù)與TCAS防撞算法進行融合，具備提供符合TCAS II標準的威脅告警信息和垂直機動建議信息，大幅度降低了設(shè)備功耗、設(shè)備研制/采購成本和飛行員操作負擔，同時解決了同頻段設(shè)備兼容工作問題，能夠滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下空域管理的要求。