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二次雷达与ADS-B广播式自动相关监视的对比研究

2015-7-23 10:11| 发布者: cfso5068| 查看: 2113| 评论: 0|原作者: 胡枫|来自: 民航资源网

摘要:   本文通过详细对比二次雷达与ADS-B技术的优缺点,探讨两者的发展前景。
  摘要:二次雷达在空管业务中扮演着管制员“眼睛”的角色,对航空事业的发展意义非凡。ADS-B作为近年来出现的新技术,对航空管制与机场地面监视同样具有积极的推动意义。ADS-B(automatic dependent surveillance-broadcast)是一种空中交通监视应用,通过数据链广播模式,周期性的传递飞行参数,空中交通管制单位可以获取这些信息用于空中管制服务。本文通过详细对比二次雷达与ADS-B技术的优缺点,探讨两者的发展前景。

  关键词:监视 二次雷达 ADS-B

  1.ADS-B的基本原理

  机载ADS-B通信设备广播式发出来自机载信息处理单元收集到的导航信息,接收其他飞机和地面广播信息后经过处理送给机舱综合显示器。机舱综合信息显示器根据收集的其他飞机和地面的ADS-B信息、机载雷达信息、导航信息后给飞行员提供飞机周围的态势信息和其他附加信息(如:冲突告警信息,避碰策略,气象信息等)。

  ADS-B系统是一个集通信与监视于一体的信息系统,由信息源、信息传输通道和信息处理与显示三部分组成。ADS-B的主要信息是飞机的4维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其他可能附加信息(冲突告警信息,飞行员输入信息,航迹角,航线拐点等信息)以及飞机的识别信息和类别信息。此外,还可能包括一些别的附加信息,如航向、空速、风速、风向和飞机外界温度等等。如图1所示。

图1

  根据相对于航空器的信息传递方向,机载ADS-B应用功能可以分为发送(OUT)和接收(IN)两类。

  1)ADS-B OUT

  ADS-B OUT是指航空器发送位置信息和其他信息。机载发射机以一定的周期发送航空器的各种信息,包括:航空器识别信息(ID)、位置、高度、速度、方向、和爬升率等。地面系统通过接收机载设备发送的ADS-B OUT信息,监视空中交通状况,起到类似于雷达的作用。

  ADS-B发送的航空器水平位置一般源于GNSS系统,高度源于气压高度表。

  目前GNSS系统的定位精度已经达到了10米量级,因此ADS-B的定位分辨率也可达到10米量级。而雷达设备因为有固有的角分辨率限制,监视精度相对较低,且无法分辨距离过近的航空器。

  2)ADS-B IN

  ADS-B IN是指航空器接收其他航空器发送的ADS-B OUT信息或地面服务设备发送的信息,为机组提供运行支持。

  ADS-B IN可使机组在驾驶舱交通信息显示设备(CDTI)上“看到”其他航空器的运行状况,从而提高机组的空中交通情景意识。图2为机载交通信息显示设备。

图2

  ADS-B地面站也可以向航空器发送信息,具体分为两类:空中交通情报服务广播(Traffic Information Service-Broadcast,TIS-B)和飞行信息服务广播(Flight Information Service–Broadcast, FIS–B)。

  TIS-B:ADS-B地面站接收航空器发送的ADS-B位置报文,将这些数据传递给监视数据处理系统(Surveillance Data Processing System, SDPS),同时SDPS也接收雷达和其他监视设备的数据,SDPS将这些数据融合为同意的目标位置信息,并发送至TIS-B服务器。TIS-B服务器讲信息集成和过滤后,生成空中交通监视全景信息,再通过ADS-B地面站发送给航空器。这样机组就可以获得前面而清晰的空中交通信息。TIS-B的应用可以使ADS-B不同数据链类型的用户获得周边空域运行信息,从而做到间接互相可见。

  FIS-B:ADS-B地面站想航空器传送气象、航行情报等信息。这些信息可以是文本数据,也可以是图像数据。文本格式的气象信息包括日常报(METAR)、特选报(SPECI)、机场天气预报(TAF)等。图像格式的信息包括雷达混合图像、临时禁飞区和其他航行信息。FIS-B使机组可以活的更多的运行相关信息,及时了解航路气象状况和空域限制条件,为更加灵活而安全的飞行提供保障。

  2.与二次雷达相比ADS-B的优势与劣势

  首先在成本上ADS-B建设投资只有二次雷达的十分之一左右,并且维护成本低,使用寿命长。沿海地区空管技术部门在雷雨季节到来之际,为避免雷达遭受雷击,都会申请关闭雷达,一旦雷达被雷击,维修成本是非常高的,ADS-B则不存在这些问题。

  其次ADS-B可提供比二次监视雷达更多的目标信息,可实现空-地监视、空-空监视和地-地监视,定位精度更高,更新率更快,地面站建设简便灵活且不受地形限制,各地面站可独立运行。在某些雷达信号无法覆盖的区域,ADS-B可以作为可靠的补充手段,加强地面对空中飞行器的监视能力。由于ADS-B定位精度高,因而对减小航空器的间隔标准,优化航路设置,提高空域容量等都具有积极作用。而在雷达覆盖的区域,地面监视可以同时使用二次雷达和ADS-B作为监视信息源。可以缩小雷达覆盖边缘区域内航空器的最小间隔标准,并且减少所需要的雷达数量。

  同时ADS-B技术也具有其局限性,由于其依赖全球导航卫星系统对目标进行定位,所以ADS-B本身不具备对目标位置的验证功能。如果航空器给出的位置信息有误,地面站设备(系统)无法辨别。在全球导航卫星系统失效情况下,ADS-B不能正常工作。并且如果飞行器上没有装备ADS-B机载设备,地面监视终端是无法显示航空器的信息的,因此如果要大力推广ADS-B系统,必须制定标准,让出厂飞行器加装ADS-B机载设备。

  3.两者在国内的应用现状

  2007年第一部S模式THALES雷达引入我国,S模式雷达在空管使用的数量逐年增加。2010年S模式雷达首次在西部航路投入使用。随着S模式雷达在我国全面推广使用,越来越多的S模式系统投入使用,各S模式雷达处于相对独立的初级使用阶段,在雷达管制航路上已经实现雷达信号覆盖无盲区,尤其在一些热点航路和终端区上有多个相邻雷达信号实现多重覆盖,比如珠三角地区有珠海雷达、澳门雷达、深圳雷达和广州雷达等多部雷达信号覆盖该区域航路。但是不是每个地区都有条件实现多雷达覆盖,一是建设成本较高,一部二次雷达的投资建设可能几百上千万,而且后期维护成本也不低;二是一些地区的地形地貌可能会影响雷达信号的覆盖,因此不适合雷达的架设。

  鉴于ADS-B的种种优势世界范围内都在积极推进ADS-B系统的建设,目前来说已知最早的ADS-B强制要求是在2010年11月的加拿大哈德森湾,在那里尾随间隔将从80海里缩小到5海里。另外澳大利亚在2013年12月开始强制实施ADS-B运行。由于澳大利亚西部大部分空域没有被雷达系统覆盖,所以他们选择了ADS-B监视,以避免昂贵的雷达系统建设费用和维护费用。

  我国ADS-B实施遵循“西部先试先行、由西向东稳步推进”原则,运输航空采用1090 ES数据链,而通用航空采用1090 ES和UAT两种数据链并行。1998年开始探索新航行系统发展,利用中国西部地区开辟欧亚新航路的战略机遇,启动基于ADS的L888航路建设,并装备ADS-C监视工作站和在北京建立网管数据中心,该系统于2000年完成评估和测试并投入运行。2004年北京、上海、广州三大区域管制中心相继建成,其配套的空管自动化系统都具备了ADS航迹处理能力。2008年完成成都九寨ADS-B应用监视系统工程,在成都机场和九寨机场各安装一套ADS-B地面站,同时配合使用ADS-B监视系统和ADS-B数据分析评估软件。同年在西沙雷达站建设地面站作试验,并于2009年升级海口管制中心Telephonics自动化系统和引入该ADS-B信号进行融合显示。2010年完成成都-拉萨航线监视工程,建设5个地面站,实现成都-拉萨主要高度层的ADS-B单重连续覆盖。2011年空管部门制定1090地面站(接收)设备技术要求和测试要求,努力推行1090ES地面站设备入网许可测试。此外,中国民航飞行学院是国内第一家完整使用ADS-B用于飞行监控的单位,选择UAT数据链,包括建设5个地面站,加装234架飞机机载设备,并设计建立ADS-B类雷达管制运行的标准程序。

  4.两者发展前景设想

  如果说二次雷达是管制员的“眼睛”,那么ADS-B完全可以充当飞行员的“眼睛”。飞行员可以通过CDTI实时观察空中其他飞行器的动态,大大提高飞机运行中的交通情况觉察能力,从而实现主动避让。另外丰富的扩展信息能让飞行员实时掌握更多有利于飞行的资讯。

  地面监视同时使用二次雷达和ADS-B作为监视信号源,可以缩小雷达覆盖边缘区域内航空器的最小间隔标准,并减少所需雷达数量。在雷达无覆盖的区域,ADS-B可以取代雷达,作为地面监视的唯一信号源,加强对空中航空器的监视与管控。澳大利亚的空管范围占目前全球空域的1/11,而其雷达数量却仅仅相当于我国上海飞行情报区的雷达数量,正是由于澳大利亚对ADS-B技术的超前规划和大胆应用。相比之下,我国在ADS-B的实用技术研究、机载设备配备、地面系统建设、飞行和管制人员的操作技能培训等方面,还缺乏现实可行的规划安排。

  ADS-B技术是未来航空监视技术发展的趋势已是不争的事实,如何完成从二次雷达到ADS-B的过渡,以及在什么情况下使用ADS-B管制和如何制定ADS-B管制下的标准是中国航空事业将要面临的重要课题。

  5.结语

  伴随着中国航空事业的不断发展壮大,空域、流量等问题也不断突出,航班延误、流量控制弄得乘客怨声载道。ADS-B这种新技术的出现,由于其先进的技术优势(比如定位精度高,对缩小航空器最小间隔有着积极的作用,因而可以增加单位空域内的流量,从而提高航班正点率),未来必然替代二次雷达成为民航管制监视的重要手段。但并不是说二次雷达甚至一次雷达就没有其存在的意义了,因为ADS-B机载设备并不能保证百分百不出故障,一旦出现故障,还是需要依靠雷达来进行监视。因此,在保证现有二次雷达覆盖的同时,大力发展ADS-B技术,加强人员培训,制定ADS-B运行标准,对中国航空事业的发展有着深远的意义!(胡枫/文)

  参考文献:

  [1]王党卫;广播式自动相关监视(ADS-B)系统及其发展趋势分析[J],2002(11)

  [2]河王鲁杰;澳大利亚广播式自动相关监视系统ADS-B 民航科技;2004(7)28-31


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