耿文博，董 兵

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢6 183000）

自民航局印發(fā)《通用航空發(fā)展“十三五”規(guī)劃》以來，我國通用航空產(chǎn)業(yè)在國家戰(zhàn)略形勢的促進(jìn)下高速發(fā)展。根據(jù)2021 年6 月中國民用航空局發(fā)布的《2020年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，截至2020 年底，獲得通用航空經(jīng)營許可證的通用航空企業(yè)523 家；通用航空在冊航空器總數(shù)達(dá)到2 892 架；新增通用機(jī)場93 個，全國在冊管理的通用機(jī)場數(shù)量達(dá)到339 個。

根據(jù)近幾年的通用航空發(fā)展情況（圖1）可以看出通用航空企業(yè)和通用機(jī)場數(shù)量在穩(wěn)步增長。結(jié)合當(dāng)前政策形勢可以預(yù)見未來中國通用航空產(chǎn)業(yè)將快速增長。由此將使得空域需求變得緊張，通用航空產(chǎn)業(yè)快速增長對安全飛行、空域利用以及運(yùn)行效率都提出了更高的要求，針對通用航空的特點(diǎn)為其配備相應(yīng)的監(jiān)視系統(tǒng)勢在必行。

圖1 通用航空發(fā)展情況

國際民航組織于第十一屆航行大會確定ADS-B技術(shù)為全球新航行技術(shù)的主要發(fā)展方向。ADS-B 作為新監(jiān)視技術(shù)的代表，因其定位精度高、更新頻率快、系統(tǒng)構(gòu)成簡單、部署和維護(hù)成本低而受到重視和推廣[1]。我國的ADS-B 技術(shù)應(yīng)用在民航局的政策和標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)下，絕大多數(shù)航空器已加改裝完成，配備了1 090 MHz擴(kuò)展電文（1090ES）ADS-B OUT 機(jī)載設(shè)備。在B213 航路、B330 航路、中國南海以及各機(jī)場的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)且ADS-B 設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

本文針對通用航空運(yùn)行特點(diǎn)和監(jiān)視需求對比分析了幾種主要監(jiān)視手段，確定了以ADS-B 技術(shù)為通用航空監(jiān)視系統(tǒng)的核心。在以ADS-B 為核心的基礎(chǔ)上結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)規(guī)劃了可靠性高、拓展性強(qiáng)、覆蓋全面的通用航空監(jiān)視系統(tǒng)，為通用航空監(jiān)視系統(tǒng)的建設(shè)與布局理清了思路。

1 通用航空監(jiān)視系統(tǒng)需求

通用航空是指使用民用航空器從事公共航空運(yùn)輸以外的民用航空活動，通常使用1 000 m 以下的低空空域[2]。通用航空相較于運(yùn)輸航空具有單位體量小，產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成復(fù)雜的特點(diǎn)。我國低空空域環(huán)境復(fù)雜，高大建筑物、自然山體、氣象條件、空域結(jié)構(gòu)等都加大了低空飛行的難度。通用航空飛行在操縱方法和管制規(guī)則上也較為混亂，缺乏行之有效的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各類航空器在同一空域的協(xié)同運(yùn)行效率低下，這對通航低空飛行安全性造成威脅。通用航空監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用面臨著眾多影響因素，也決定了監(jiān)視系統(tǒng)必須符合通用航空的特點(diǎn)，滿足通用航空的監(jiān)視需求。

1.1 運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜

隨著我國低空開放的力度加大，通用航空在諸如救援、觀光、航拍、教育培訓(xùn)等很多領(lǐng)域都占據(jù)重要位置。通用航空飛行活動通常在高度1 000 m 以下的低空空域飛行，目視飛行（VFR）與儀表飛行（IFR）同時存在，部分繁忙低空空域通用航空與運(yùn)輸航空等共同使用。多種障礙物和對流層復(fù)雜多變的氣象因素都對飛行活動有很大影響，通用航空飛行任務(wù)靈活復(fù)雜，飛行速度較慢，飛行距離較短，飛行高度較低，極易受到山體、建筑物等地面障礙物的影響，通用航空運(yùn)行航路通常不固定，隨意性和機(jī)動性較強(qiáng)，作業(yè)環(huán)境差，各項(xiàng)因素決定了通用航空復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境[3]。

1.2 航空器缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

通用航空使用的航空器種類多樣、構(gòu)成復(fù)雜，主要包括小型飛機(jī)、固定翼/旋翼無人機(jī)、直升機(jī)、旋翼飛行器，這些航空器具有體積相對較小、飛行高度相對低、速度相對慢等特點(diǎn)，相較于民航運(yùn)輸飛機(jī)設(shè)備簡單，造價低。相同種類的航空器由于制造企業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致飛機(jī)性能和機(jī)載設(shè)備差異較大。不同種類的航空器飛行特點(diǎn)差異較大，運(yùn)行監(jiān)視難點(diǎn)不同，對在同一低空空域同時運(yùn)行的多種航空器進(jìn)行飛行動態(tài)的監(jiān)視具有緊迫性、必要性，更具有挑戰(zhàn)性。

1.3 建設(shè)投入預(yù)算有限

部分通用航空機(jī)場的資金來源為國家投資，由管理部門進(jìn)行投資建設(shè)通用航空機(jī)場，在建設(shè)完成后，由政府或者企業(yè)進(jìn)行經(jīng)營；或者由地方政府投資建設(shè)，地方政府為促進(jìn)通用航空的發(fā)展，進(jìn)行通用航空機(jī)場建設(shè)，然后交至國有企業(yè)運(yùn)營；部分機(jī)場由非公有制經(jīng)濟(jì)出資籌建，然后由企業(yè)運(yùn)營管理。通用航空在建設(shè)過程中投資大，效益低，資金投入預(yù)算非常有限，需要充分考慮各功能部分建設(shè)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性與拓展性。綜上所述通用航空具有運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、航空器缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以及建設(shè)投入預(yù)算有限等監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)限制因素。其中，復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境給監(jiān)視設(shè)施的建設(shè)帶來不便，對監(jiān)視技術(shù)的可靠性、準(zhǔn)確性有較高要求；航空器缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致監(jiān)視機(jī)載設(shè)備的安裝推行困難，要求機(jī)載設(shè)備必須滿足重量輕、成本低、信號可靠、方便加裝的基本要求。建設(shè)投入預(yù)算有限要求對于監(jiān)視設(shè)施的建設(shè)需充分考慮其成本和實(shí)用價值。

2 監(jiān)視技術(shù)對比分析

2.1 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）依靠機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備來獲得飛機(jī)的位置和速度等信息，機(jī)載ADS-B 設(shè)備從GNSS 獲取定位信息，再對定位信息和飛行參數(shù)向其他具備ADS-B IN 的航空器或地面接收站進(jìn)行廣播。ADS-B 技術(shù)可以在不增加雷達(dá)監(jiān)控設(shè)備的情況下增強(qiáng)監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控能力，實(shí)現(xiàn)對飛行的及時動態(tài)監(jiān)視，有助于縮短航空器飛行間隔，提高空域的使用，擴(kuò)大飛行容量[4]。ADS-B 技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，是監(jiān)視領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，但在推廣使用過程中還是存在著一些問題。ADS-B 報文的定位信息數(shù)據(jù)源來自GNSS。在GNSS的完好性受損，出現(xiàn)故障發(fā)生錯誤的情況下，以ADSB 技術(shù)為核心的監(jiān)視系統(tǒng)將失去監(jiān)視能力。以ADS-B為核心的監(jiān)視系統(tǒng)，對沒有安裝ADS-B 機(jī)載設(shè)備的航空器無法探測。自2017 年起多數(shù)航空器都裝配或加裝完成了ADS-B 機(jī)載設(shè)備[5]。

2.2 一次監(jiān)視雷達(dá)（PSR）

一次監(jiān)視雷達(dá)（PSR）依靠自身發(fā)射電磁波，然后通過接收目標(biāo)對電磁波的反射信號測定目標(biāo)位置及方位，具有穩(wěn)定可靠，可無人值守的特點(diǎn)。一次監(jiān)視雷達(dá)通常指脈沖雷達(dá)，能夠有效實(shí)現(xiàn)射頻脈沖連續(xù)發(fā)射，能夠?qū)δ繕?biāo)方位或者距離進(jìn)行探測。一次監(jiān)視雷達(dá)不需要考慮探測目標(biāo)是否具有機(jī)載設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)航空器的探測監(jiān)視，屬于獨(dú)立非協(xié)同式監(jiān)視手段。但一次雷達(dá)僅能探測識別目標(biāo)的距離和位置信息，無法對被探測航空器的種類進(jìn)行識別，除非要求航空器按管制指令做出指定動作回復(fù)，監(jiān)視范圍相對較小，回波存在閃爍，建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本高，地面站建設(shè)受地形限制。

2.3 二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）

二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）由地面詢問雷達(dá)向目標(biāo)發(fā)射頻率為1 030 MHz 的詢問脈沖信號，目標(biāo)接收后，經(jīng)過信號處理、譯碼，然后通過全向天線發(fā)送頻率為1 090 MHz 的應(yīng)答脈沖信號。該應(yīng)答信號中包含飛機(jī)代號、高度、方向、位置和距離等信息[6]。當(dāng)?shù)孛胬走_(dá)接到反射信號時，會對信號進(jìn)行相應(yīng)的解譯處理，從而獲取飛機(jī)高度、距離、方位、代碼等信息。二次監(jiān)視雷達(dá)監(jiān)視范圍廣，相較于一次監(jiān)視雷達(dá)，二次監(jiān)視雷達(dá)提供的信息更豐富。二次監(jiān)視雷達(dá)屬于獨(dú)立協(xié)同式監(jiān)視，各地面站能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。其地面站建設(shè)受地形影響，運(yùn)行維護(hù)成本高，更新頻率低。

2.4 多點(diǎn)定位（MLAT）

多點(diǎn)定位（MLAT）也叫做雙曲定位，是通過計算監(jiān)視目標(biāo)向不同接收傳感器發(fā)出信號的到達(dá)時間差（TDOA）來定位監(jiān)視目標(biāo)的過程。最早在軍事上用來探測航空器位置，在民航監(jiān)視領(lǐng)域，開始僅作為機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)的一種補(bǔ)充手段，用于機(jī)場場面監(jiān)視[7]。近年MLAT 技術(shù)在區(qū)域飛行或進(jìn)近階段也得到了驗(yàn)證。多點(diǎn)定位可以利用已有的機(jī)載設(shè)備，屬于獨(dú)立協(xié)同式監(jiān)視。具有定位精度高、更新頻率快、建設(shè)運(yùn)行維護(hù)成本低等特點(diǎn)。但是對航空器定位需多個站點(diǎn)協(xié)同工作和實(shí)時解算，監(jiān)視高度越低，需要的地面站數(shù)量越多。定位精度依賴于地面站的布局、時間同步、求解算法和測時精度。

幾種主要監(jiān)視技術(shù)的比較見表1[8]，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）從探測范圍、定位精度、更新周期、建設(shè)成本方面都更具優(yōu)勢。

表1 監(jiān)視技術(shù)比較

綜上所述在目前通用航空所處的發(fā)展階段，一種性能可靠，精度高，建設(shè)維護(hù)成本低，能夠適應(yīng)通用航空復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)視技術(shù)對滿足活動量日益增長的通用航空十分必要。ADS-B 作為前沿監(jiān)視技術(shù)，從定位精度、更新頻率、監(jiān)視范圍、建設(shè)成本等方面都能滿足通用航空監(jiān)視需求。建設(shè)以ADS-B 技術(shù)為核心設(shè)計合理高效的監(jiān)視系統(tǒng)對通用航空監(jiān)視具有重要意義。

3 監(jiān)視系統(tǒng)規(guī)劃

3.1 系統(tǒng)框架及構(gòu)成

系統(tǒng)框架如圖2 所示，主要由ADS-B 機(jī)載設(shè)備、ADS-B 地面站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)融合服務(wù)器、顯示終端、ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及作為補(bǔ)盲的公共通信網(wǎng)絡(luò)組成。機(jī)載設(shè)備包括便攜式ADS-B 發(fā)射機(jī)、ADSB 車載發(fā)射機(jī)、無人機(jī)ADS-B 組件及航空器預(yù)裝ADS-B 設(shè)備。ADS-B 地面站負(fù)責(zé)接收監(jiān)視范圍內(nèi)的ADS-B 信息，通過ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與其他監(jiān)視信息在數(shù)據(jù)融合后生成航跡信息在終端設(shè)備顯示。

圖2 通用航空監(jiān)視系統(tǒng)框架

系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)聯(lián)如圖3 所示，ADS-B 機(jī)載設(shè)備定位信息數(shù)據(jù)源兼容GPS 和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，通過廣播式向地面站發(fā)送ADS-B 信息完成空地通信?？盏赝ㄐ庞蓹C(jī)載設(shè)備和地面站接收完成，由航空器ADS-B 機(jī)載設(shè)備向外廣播信息，地面站接收到ADS-B 數(shù)據(jù)后處理生成ASTERIX CAT021 格式的信息數(shù)據(jù)[9]，通過ADS-B數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)融合服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

圖3 通用航空監(jiān)視系統(tǒng)拓?fù)鋱D

航空器間的空空通信以ADS-B IN 為核心，通過航空器機(jī)載設(shè)備的ADS-B IN 功能，實(shí)現(xiàn)航空器與航空器之間的數(shù)據(jù)通信，使飛行員能夠在第一時間了解飛行環(huán)境與飛行態(tài)勢，及時作出飛行決斷精準(zhǔn)避讓，實(shí)現(xiàn)安全飛行。

場面視頻監(jiān)控信息通過ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)匯入數(shù)據(jù)融合服務(wù)器，通過對監(jiān)控目標(biāo)的定位提取和類型標(biāo)注，在終端顯示。場面監(jiān)控信息的數(shù)據(jù)融合為管制中心的遠(yuǎn)程指揮提供了極大的便利。

公共通信基站作為特殊情況下的補(bǔ)盲手段用作具備4G/5G 信息傳輸功能的機(jī)載設(shè)備和無人機(jī)操控信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過處理后上傳ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

ADS-B 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)作為各信息源數(shù)據(jù)上傳以及各數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)站和用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，包括數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、信息發(fā)布網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)融合與監(jiān)視中心站對ADS-B 數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送給機(jī)場監(jiān)視中心，機(jī)場監(jiān)視中心根據(jù)安全需求，向相關(guān)部門提供航空器監(jiān)視信息，通過信息發(fā)布網(wǎng)關(guān)為空管、企業(yè)、用戶提供信息服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.2.1 兼容性定位數(shù)據(jù)源

目前航空器定位數(shù)據(jù)信息主要依賴GPS，其完好性和可靠性容易受到很多因素的制約和干擾，在有突發(fā)情況發(fā)生時具有單一的數(shù)據(jù)源監(jiān)視系統(tǒng)是相對脆弱的，因此系統(tǒng)設(shè)計兼容北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以此保證得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的定位信息，實(shí)現(xiàn)自主安全飛行。

3.2.2 場面監(jiān)視

場面監(jiān)視除了為入場車輛配裝便攜ADS-B 設(shè)備避免場面沖突外，結(jié)合場面視頻監(jiān)控和先進(jìn)的目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)，對人、車、機(jī)、環(huán)境進(jìn)行定位跟蹤監(jiān)視，通過數(shù)據(jù)融合顯示，完善場面監(jiān)視。

3.2.3 無人機(jī)監(jiān)視

在通用航空運(yùn)行中，無人機(jī)具有極其重要的地位，對無人機(jī)的監(jiān)控和管制以及如何與其他航空器融合運(yùn)行始終是通航領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問題。對無人機(jī)加裝ADS-B 機(jī)載設(shè)備能夠解決“看得見”的監(jiān)視問題，與無人機(jī)操縱者的信息通暢是實(shí)現(xiàn)“管得住”的必要環(huán)節(jié)。明確飛行規(guī)則，加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)視，為無人機(jī)飛行用戶提供信息獲取終端能夠有效地實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的監(jiān)視和管制。

3.2.4 通信補(bǔ)盲

通用航空航空器構(gòu)成豐富，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，難免出現(xiàn)ADS-B 通信故障或航空器信號傳輸困難的情況，依靠現(xiàn)有的移動通信基站通過機(jī)載設(shè)備4G/5G 傳輸功能，對ADS-B 信號補(bǔ)盲，為系統(tǒng)做通信備份，以此增加系統(tǒng)的監(jiān)視可靠性，擴(kuò)大航空器安全運(yùn)行活動范圍。

4 結(jié)束語

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）作為新監(jiān)視技術(shù)的代表更加符合通用航空的實(shí)際需求。定位數(shù)據(jù)源兼容北斗，通信方式具備公共通信網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)可靠性更高。本系統(tǒng)規(guī)劃考慮了多種航空器同空域同時間運(yùn)行的監(jiān)視問題，多源數(shù)據(jù)融合，多種監(jiān)視手段互補(bǔ)能夠更好地滿足通用航空監(jiān)視需求。