通用航空器协同监视系统技术相关的探究
作者：admin时间：2019-03-25 03:22:07阅读：404来源：本站
随着经济的持续稳定增长和低空空域开放进程的推进，我国通用航空产业的发展总体呈蓬勃向上的趋势，通用航空产业将面临前所未有的发展和机遇。
但由于国内缺乏有效的低空空域监视手段，目前的低空空域监管体制已经难以满足通用航空发展的需要。与民航相比，通航具有飞行高度低、飞行器种类繁多、飞行区域复杂多变等特点，使得现有民航空管监视雷达和通信设备难以有效保障低空飞行时的监视和通信能力。现有监视手段无法满足全时域、全空域、全地域连续可靠且成本合理的监视、通信等要求。同时，传统的低空监视系统建设与维护成本高，难以在通航的产业得到推广应用。因此，寻求一种适合通航使用的低成本监视技术或者手段也就显得尤为重要。
本文针对我国低空空域管理和飞行安全所面临的问题，提出了一种基于移动通信网、北斗和广播式自动相关监视(ADS-B)的通用航空器协同监视系统的综合解决方案。
1 国内外技术现状
国外空域监视技术的发展，在监视模式方面，从独立、被动工作模式向主动协同工作模式演化;在监视设备方面，从单一设备发展到多个设备联合。具体而言，传统的仅依靠地面设备实现独立空域监视系统在精度和可靠性上存在缺陷，难以适应日趋密集的空域监视需求，为了进一步提高空域监视性能，又出现了机载航电设备与地面设备协同配合的协作式空域监视系统，使得实现更加可信的空域监视成为可能。
美国是世界上通用航空最发达的区域，其在通航未来发展并实施的主要空管监视技术是ADS-B，通过ADS-B 数据链，可以提供空中交通状态信息和飞行气象信息，能够支持通航空域的监视和信息服务，同时以传统的SSR、Mode-S、TCAS等多种方式作为辅助空管监视技术。
目前我国的通航空管基本上处于程序管控为主、雷达管控为辅的阶段。落后的空管手段，导致通用航空存在“连不上、看不见、看不全”等诸多问题，限制了我国通航产业的发展。我国为推动通航发展，先手发布了《中国民用航空第十二个五年计划》和《关于推进我国低空空域管理改革的意见》等一系列文件。鉴于我国目前的经济发展水平，处于起步阶段的通航市场亟需一种低成本、高性价比的空管手段。
2 总体方案设计
ADS-B 系统是ICAO(国际民航组织)在新航行系统中推荐的一种新兴监视技术，机载导航系统获取到飞机精确的位置和速度信息，利用甚高频空地数据链向外周期性地广播飞机的标识、位置、高度等参数。分布在航路上的ADS-B 地面站接收来自飞机的广播信息，并将其传给空管中心，进而实现地空监视。ADS-B 系统还可以接收附近安装ADS-B 飞机的广播信息，实现空空监视。ADS-B 的精度和数据更新率比雷达高，除基本的位置信息外，ADS-B 还提供更多飞行信息，尤其适合于山区、荒漠、边远机场等不宜建设雷达站的区域，也适合于高密度机场的监视。虽然ADS-B 有诸多优势，但由于其系统建设费用高，地面站维护成本高等缺点，难以在国内低空监管中普及。
北斗卫星导航系统利用典型的双星定位原理，通过两颗地球静止轨道卫星，由用户以外的地面控制中心发表经卫星至用户的询问式距离测量，计算出用户的三维坐标，再以短报文的形式告知用户。在发表了位置报告的同时，实现了用户位置信息共享。经过近些年的飞速发展，我国已经发表了北斗二代的部署，其覆盖范围可以达到亚太区域，不仅具有与GPS 相同的定位功能，还具备双向短消息通信功能。由于北斗系统采用国内自主技术，而且成本较低，已广泛应用于监控渔船、交通运输、国家安全等方面。在低空空域飞行监控方面，北斗系统可以提供飞行器的位置信息并且具有简单双向报文通信，但其缺点是服务频度低，出入站容量受限，单条报文容量受限。移动通信网络利用移动台、基台和移动交换局组成。其发展速度非常快，目前已经由第一代发展到了第四代。移动信号的覆盖率主要是由基站实现的，通过不同的区域配置不同的基站天线，使信号能够覆盖到各个区域。最新的LTE 移动网络系统具有很高的传输速率并支持高速移动物体，具有良好的网络覆盖性能。随着技术的不断发展，移动通信网络也将越来越多地应用于低空空域飞行的通用航空器上。依据我国自主北斗卫星导航系统的功能、ADS-B 技术发展及其数据链能力和广泛覆盖的移动通信网络，结合我国低空空域管理的现状和通用航空器机载系统的技术发展，参考国外通用航空器监控系统的经验，本文提出一种通用航空器协同监视系统的总体方案设计，如图1 所示。协同监视系统原理如下：
低空通用飞行器利用北斗卫星获取飞行器的位置信息，实现对飞行器本身位置的确定。随后机载终端对飞行器的标识、速度、航向、位置等飞行参数进行封装打包，将数据包通过ADS-B 链路，北斗卫星链路和移动通信网络链路发送到地面监视与信息服务平台。
地面平台获取该数据包后，对其进行解析处理，结合自身配置的航图数据库，在监控器上显示空域中该飞行器的飞行状态和信息，对飞行器的飞行过程进行日志记录。这样，飞行器在空域中的所有信息都可以实时或者根据需要查看，以便掌握该飞行器的飞行轨迹。
地面服务平台还可以利用北斗导航系统的出站链路，移动通信网络链路和ADS-B 链路向通用飞行器传递必要的交通信息、气象信息等。
对于装备了传统空管设备的飞行器而言，在地面一次雷达和ADS-B 等可以覆盖的空域，该方案以ADS-B 链路为主，北斗和移动通信网络链路为辅，北斗和移动通信网络作为一种低成本的备份。而对未安装传统空管设备的飞行器，或者在空管雷达和ADS-B 未能覆盖的空域，北斗导航系统和移动通信网络则成为了低空空域监视与服务的主要手段，以较低的成本弥补了传统监视手段的不足，实现全空域的监视。
3 系统实现方法
针对总体方案设计，进行通用航空器协同监视系统具体实现，建立验证测试环境，同时形成相关设计规范、技术标准，为后续的工程化、满足适航要求的实际应用提供支持。
3.1 机载通用航空器飞行监视系统实现方案
该方案考虑了通用航空器低成本、配置灵活、适应性高的实际需求，其主要分为监视终端处理单元和综合显示交互单元。监视终端处理单元采用一体化设计，将北斗、ADS-B、移动通信模块和数据处理模块集成到一个LRU 中，共用资源，降低了总体成本。综合显示交互单元包含显示处理模块和触摸液晶屏，用于接收飞行员操作指令，提供导航、地形、参数记录等信息。
通用航空器种类繁多，各种飞机航电设备配置不同，设计中将监视终端处理单元和综合显示和交互单元设计为可组合配置的架构，物理上既可以集成安装，也可以单独配置安装，提高了应用灵活性。
系统中预留标准接口支持同其它航电显示、飞参设备互联，用于获取更多的飞行信息，与机载航电系统进行数据交互。
3.2 地面监视与信息服务平台实现方案
该方案主要由以下几部分组成：
地面接收站：能够可靠、实时收发北斗卫星信号、ADS-B信号和移动通信数据;通信应用、服务管理单元：对地面站接收的数据进行解析处理，得到飞行器的编码、位置、速度等飞行参数，然后对这些信息进行处理、存储、运算，提供给显示单元进行显示;数据服务单元：对系统中使用的地图数据库、用户数据库和系统数据库进行管理和维护;监视告警单元：通过大屏幕显示低空空域中的飞行器信息并可根据要求设置相应的告警给地面监控人员。该方案主要由北斗用户地面收发设备、ADS-B 地面收发设备、移动通信网络基站和信息处理中心组成。地面监视与信息服务平台发表多模数据的接收，分析，融合和发送。设计中考虑应用的灵活性和功能的扩展性，除了支持基本的北斗、ADS-B 和移动通信功能外，还支持和ATM系统之间的互联以获取更多的空管信息、支持和气息信息服务商的互联支持气象信息的获取、支持系统之间的互联使系统能够方便进行扩展。
4 系统仿真测试验证
在系统综合发表后，通过模拟各种组合条件，验证系统是否可以实现有效的监视，满足低空空域监视要求。系统仿真测试验证按照以下过程进行：
首先，地面平台的测试验证。结合地面平台的功能和性能要求，模拟北斗、ADS-B 和移动通信测试向量注入，地面平台能够同时接收多源数据，在内部进行数据融合处理和决策后生成准确的飞机状态信息，根据气象信息和ATM信息形成并发送当前空域的交通状况信息、气象信息和冲突告警信息;其次，机载系统的测试验证。验证机载系统的主要性能，包括当前位置信息的获取，多路数据的发射和接收。模拟空中飞行过程中空速的变化和频谱干扰，验证其对各项性能的影响;最后，协同监视系统测试验证。组建小型的多用户机载终端环境，结合地面平台进行真实环境测试。按照应用场景的规划，在不同的区域模拟各种组合条件，用以测试系统的功能和性能。
经过仿真验证，在地面覆盖ADS-B、北斗接收站和移动基站的区域内，系统利用多路链路传输信息，地面平台可对多源数据进行决策融合，传递更准确的通用飞行器状态信息和气象交通信息;而在缺少ADS-B 地面站的区域内，地面平台通过北斗定位和移动基站辅助定位的方式，获得准确的通用飞行器状态信息，形成当前空域的空管信息和气象信息，并主要利用移动通信链路传输到机载监视系统;在只有卫星通讯的区域内，由于北斗卫星具有不区分地形特性和简单双向报文通信功能，系统可以利用北斗数据链路传递通用航空器的基本信息。
5 结语
本文主要阐述了一种通用航空器协同监视系统的总体设计、实现方案以及验证手段。该方案充分利用ADS-B、北斗导航系统和移动通信网络的优点，提供了三条互相独立的通道进行空域的监视，互为备份，互相补充，旨在实现全空域的有效监视。
但由于国内缺乏有效的低空空域监视手段，目前的低空空域监管体制已经难以满足通用航空发展的需要。与民航相比，通航具有飞行高度低、飞行器种类繁多、飞行区域复杂多变等特点，使得现有民航空管监视雷达和通信设备难以有效保障低空飞行时的监视和通信能力。现有监视手段无法满足全时域、全空域、全地域连续可靠且成本合理的监视、通信等要求。同时，传统的低空监视系统建设与维护成本高，难以在通航的产业得到推广应用。因此，寻求一种适合通航使用的低成本监视技术或者手段也就显得尤为重要。
本文针对我国低空空域管理和飞行安全所面临的问题，提出了一种基于移动通信网、北斗和广播式自动相关监视(ADS-B)的通用航空器协同监视系统的综合解决方案。
1 国内外技术现状
国外空域监视技术的发展，在监视模式方面，从独立、被动工作模式向主动协同工作模式演化;在监视设备方面，从单一设备发展到多个设备联合。具体而言，传统的仅依靠地面设备实现独立空域监视系统在精度和可靠性上存在缺陷，难以适应日趋密集的空域监视需求，为了进一步提高空域监视性能，又出现了机载航电设备与地面设备协同配合的协作式空域监视系统，使得实现更加可信的空域监视成为可能。
美国是世界上通用航空最发达的区域，其在通航未来发展并实施的主要空管监视技术是ADS-B，通过ADS-B 数据链，可以提供空中交通状态信息和飞行气象信息，能够支持通航空域的监视和信息服务，同时以传统的SSR、Mode-S、TCAS等多种方式作为辅助空管监视技术。
目前我国的通航空管基本上处于程序管控为主、雷达管控为辅的阶段。落后的空管手段，导致通用航空存在“连不上、看不见、看不全”等诸多问题，限制了我国通航产业的发展。我国为推动通航发展，先手发布了《中国民用航空第十二个五年计划》和《关于推进我国低空空域管理改革的意见》等一系列文件。鉴于我国目前的经济发展水平，处于起步阶段的通航市场亟需一种低成本、高性价比的空管手段。
2 总体方案设计
ADS-B 系统是ICAO(国际民航组织)在新航行系统中推荐的一种新兴监视技术，机载导航系统获取到飞机精确的位置和速度信息，利用甚高频空地数据链向外周期性地广播飞机的标识、位置、高度等参数。分布在航路上的ADS-B 地面站接收来自飞机的广播信息，并将其传给空管中心，进而实现地空监视。ADS-B 系统还可以接收附近安装ADS-B 飞机的广播信息，实现空空监视。ADS-B 的精度和数据更新率比雷达高，除基本的位置信息外，ADS-B 还提供更多飞行信息，尤其适合于山区、荒漠、边远机场等不宜建设雷达站的区域，也适合于高密度机场的监视。虽然ADS-B 有诸多优势，但由于其系统建设费用高，地面站维护成本高等缺点，难以在国内低空监管中普及。
北斗卫星导航系统利用典型的双星定位原理，通过两颗地球静止轨道卫星，由用户以外的地面控制中心发表经卫星至用户的询问式距离测量，计算出用户的三维坐标，再以短报文的形式告知用户。在发表了位置报告的同时，实现了用户位置信息共享。经过近些年的飞速发展，我国已经发表了北斗二代的部署，其覆盖范围可以达到亚太区域，不仅具有与GPS 相同的定位功能，还具备双向短消息通信功能。由于北斗系统采用国内自主技术，而且成本较低，已广泛应用于监控渔船、交通运输、国家安全等方面。在低空空域飞行监控方面，北斗系统可以提供飞行器的位置信息并且具有简单双向报文通信，但其缺点是服务频度低，出入站容量受限，单条报文容量受限。移动通信网络利用移动台、基台和移动交换局组成。其发展速度非常快，目前已经由第一代发展到了第四代。移动信号的覆盖率主要是由基站实现的，通过不同的区域配置不同的基站天线，使信号能够覆盖到各个区域。最新的LTE 移动网络系统具有很高的传输速率并支持高速移动物体，具有良好的网络覆盖性能。随着技术的不断发展，移动通信网络也将越来越多地应用于低空空域飞行的通用航空器上。依据我国自主北斗卫星导航系统的功能、ADS-B 技术发展及其数据链能力和广泛覆盖的移动通信网络，结合我国低空空域管理的现状和通用航空器机载系统的技术发展，参考国外通用航空器监控系统的经验，本文提出一种通用航空器协同监视系统的总体方案设计，如图1 所示。协同监视系统原理如下：
低空通用飞行器利用北斗卫星获取飞行器的位置信息，实现对飞行器本身位置的确定。随后机载终端对飞行器的标识、速度、航向、位置等飞行参数进行封装打包，将数据包通过ADS-B 链路，北斗卫星链路和移动通信网络链路发送到地面监视与信息服务平台。
地面平台获取该数据包后，对其进行解析处理，结合自身配置的航图数据库，在监控器上显示空域中该飞行器的飞行状态和信息，对飞行器的飞行过程进行日志记录。这样，飞行器在空域中的所有信息都可以实时或者根据需要查看，以便掌握该飞行器的飞行轨迹。
地面服务平台还可以利用北斗导航系统的出站链路，移动通信网络链路和ADS-B 链路向通用飞行器传递必要的交通信息、气象信息等。
对于装备了传统空管设备的飞行器而言，在地面一次雷达和ADS-B 等可以覆盖的空域，该方案以ADS-B 链路为主，北斗和移动通信网络链路为辅，北斗和移动通信网络作为一种低成本的备份。而对未安装传统空管设备的飞行器，或者在空管雷达和ADS-B 未能覆盖的空域，北斗导航系统和移动通信网络则成为了低空空域监视与服务的主要手段，以较低的成本弥补了传统监视手段的不足，实现全空域的监视。
3 系统实现方法
针对总体方案设计，进行通用航空器协同监视系统具体实现，建立验证测试环境，同时形成相关设计规范、技术标准，为后续的工程化、满足适航要求的实际应用提供支持。
3.1 机载通用航空器飞行监视系统实现方案
该方案考虑了通用航空器低成本、配置灵活、适应性高的实际需求，其主要分为监视终端处理单元和综合显示交互单元。监视终端处理单元采用一体化设计，将北斗、ADS-B、移动通信模块和数据处理模块集成到一个LRU 中，共用资源，降低了总体成本。综合显示交互单元包含显示处理模块和触摸液晶屏，用于接收飞行员操作指令，提供导航、地形、参数记录等信息。
通用航空器种类繁多，各种飞机航电设备配置不同，设计中将监视终端处理单元和综合显示和交互单元设计为可组合配置的架构，物理上既可以集成安装，也可以单独配置安装，提高了应用灵活性。
系统中预留标准接口支持同其它航电显示、飞参设备互联，用于获取更多的飞行信息，与机载航电系统进行数据交互。
3.2 地面监视与信息服务平台实现方案
该方案主要由以下几部分组成：
地面接收站：能够可靠、实时收发北斗卫星信号、ADS-B信号和移动通信数据;通信应用、服务管理单元：对地面站接收的数据进行解析处理，得到飞行器的编码、位置、速度等飞行参数，然后对这些信息进行处理、存储、运算，提供给显示单元进行显示;数据服务单元：对系统中使用的地图数据库、用户数据库和系统数据库进行管理和维护;监视告警单元：通过大屏幕显示低空空域中的飞行器信息并可根据要求设置相应的告警给地面监控人员。该方案主要由北斗用户地面收发设备、ADS-B 地面收发设备、移动通信网络基站和信息处理中心组成。地面监视与信息服务平台发表多模数据的接收，分析，融合和发送。设计中考虑应用的灵活性和功能的扩展性，除了支持基本的北斗、ADS-B 和移动通信功能外，还支持和ATM系统之间的互联以获取更多的空管信息、支持和气息信息服务商的互联支持气象信息的获取、支持系统之间的互联使系统能够方便进行扩展。
4 系统仿真测试验证
在系统综合发表后，通过模拟各种组合条件，验证系统是否可以实现有效的监视，满足低空空域监视要求。系统仿真测试验证按照以下过程进行：
首先，地面平台的测试验证。结合地面平台的功能和性能要求，模拟北斗、ADS-B 和移动通信测试向量注入，地面平台能够同时接收多源数据，在内部进行数据融合处理和决策后生成准确的飞机状态信息，根据气象信息和ATM信息形成并发送当前空域的交通状况信息、气象信息和冲突告警信息;其次，机载系统的测试验证。验证机载系统的主要性能，包括当前位置信息的获取，多路数据的发射和接收。模拟空中飞行过程中空速的变化和频谱干扰，验证其对各项性能的影响;最后，协同监视系统测试验证。组建小型的多用户机载终端环境，结合地面平台进行真实环境测试。按照应用场景的规划，在不同的区域模拟各种组合条件，用以测试系统的功能和性能。
经过仿真验证，在地面覆盖ADS-B、北斗接收站和移动基站的区域内，系统利用多路链路传输信息，地面平台可对多源数据进行决策融合，传递更准确的通用飞行器状态信息和气象交通信息;而在缺少ADS-B 地面站的区域内，地面平台通过北斗定位和移动基站辅助定位的方式，获得准确的通用飞行器状态信息，形成当前空域的空管信息和气象信息，并主要利用移动通信链路传输到机载监视系统;在只有卫星通讯的区域内，由于北斗卫星具有不区分地形特性和简单双向报文通信功能，系统可以利用北斗数据链路传递通用航空器的基本信息。
5 结语
本文主要阐述了一种通用航空器协同监视系统的总体设计、实现方案以及验证手段。该方案充分利用ADS-B、北斗导航系统和移动通信网络的优点，提供了三条互相独立的通道进行空域的监视，互为备份，互相补充，旨在实现全空域的有效监视。
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