论文部分内容阅读
摘要：民航業飞速发展，机场流量不断增大，管制员监视机场场面的技术也不断更新换代，本文讨论了几种最主流的机场场面监视技术的原理和应用，包括场面监视雷达SMR、多点定位MLAT、广播式自动相关监视ADS-B。
关键词：场面监视技术、SMR、MLAT、ADS-B
1、 引言
航空运输业的迅猛发展，给交通出行物流运输带来便利的同时，也给空管系统带来了考验：日均航班屡创新高，机场运行日益复杂，场面飞机与飞机之间以及飞机与车辆之间的冲突越发严重。机场场面交通的高效通畅在很大程度上影响着空管系统的安全运行，更先进智能化的监视技术应用将在很大程度上减轻管制员们的指挥压力。目前在各大机场广泛使用的主要有SMR场面监视雷达、MLAT多点定位以及ADS-B广播式自动相关监视技术。
2、几种场面监视技术的工作原理及应用
2.1、SMR场面监视雷达
SMR是在我国多个大型机场应用的一种技术，它是一种一次雷达，通常由高转速天线、接收机、发射机、信号处理器、数据处理器、显示终端组成。它的定位原理和其他一次雷达一样，是通过使用雷达天线向外发射电磁波信号，并通过对目标反射回来的电磁波信号进行接收处理从而获取目标的距离和方位。其定位原理是基于目标信号到达时间的TOA（Time of arrival）与基于目标信号到达角度的AOA（Angle of arrival）的混合定位法。假设目标T位置为（x，y），雷达位置为（xi，yi）测量AOA为θi，TOA为ti，则有：
x- xi=cticosθi
y- yi=ctisinθi
（i=1，2…m），c为电磁波传播速度
如图一：
SMR获取到目标位置信息后，送入数据处理器，与其他外部數据如二次雷达信息、飞行计划信息、气象信息、停机位信息等进行相关处理，从而在管制席位的场面监视终端上显示出场面的电子地图、飞机及车辆的标牌信息、停机位编号信息、进离港飞行计划信息等，一个成熟的场面监视雷达系统应该包括以下几种功能：
（1） 监视功能：提供管制员场面所有活动的飞机和车辆定位并结合外部数据相关挂牌，提供监视目标位置、速度、大小等信息，做到对场面的实时监控。
（2） 告警功能：在机场电子地图的冲突检测区域根据目标运动趋势计算潜在冲突并告警，根据冲突预计发生时间可提供不同的告警级别，提高场面运行安全水平。
（3） 路线引导控制功能：可以自动或手动调整滑行道分配，提高滑行道利用效率进一步提高运行效率。
SMR在国内外各大机场有着广泛的应用，主要优点有定位精度高、数据刷新速率快，融合多个雷达信号相关处理后可以完成冲突告警、滑行道管理、飞机标牌管理等一系列功能，但其缺点也比较明显，首先因为场监雷达属于一次雷达，对目标的标识能力主要依赖于其他系统，其次场监雷达由于多径干扰和地面物体的反射会机场产生一些假目标，从而对依赖场监系统完成场面监视的管制员造成影响，同时雷达下方一定范围属于盲区，做不到完整覆盖式监视，然后是在较严重降雨天气下，由于雨滴的球面反射会造成大量杂波干扰，在暴雨时有些时候会超出系统自带雨滤处理功能从而产生大量假目标，失去场面监视功能。最后是场监雷达系统造价昂贵，要在各中小机场推广使用需要大笔投入。
2.2、MLAT多点定位技术
MLAT系统通常由多个远端接收站、询问发射站、中心处理站、参考基准站、显示终端组成。多点定位技术是近些年快速发展应用的一种较新的技术，由询问发射站向飞机发射询问信号，得到飞机应答机A/C模式、S模式应答信号、ADS-B信号、机载TACS信号以及其他机载信号的应答信号，通过覆盖范围内的多个接收站，同时接收飞机的应答信号，测量应答信号到达各站的时间差（TDOA定位），中心站通过双曲线定位解算，得到飞机的精确位置，通过对应答信号进行解码，从而完成对飞机的识别，最终在显示终端上显示目标位置信息。
MLAT定位原理是基于双曲线的特性，即双曲线是到两点距离差为常数的点的集合，通过测量应答信号到达两个接收站时间差，乘以电磁波信号传播的速度得到一个常数，从而能确定出一条双曲线；若接收站为三个就可以确定三条双曲线，其交点即为目标位置。
假设目标T位置为（x，y），接收基站位置为（xi，yi），测量TDOA为ti，1，则有：
（i=2，3…m）
如下图二：
MLAT按覆盖范围和定位精度的不同可以分为场面多点定位和广域多点定位，目前已在国内外已经有了广泛应用，在美国，从2000年开始部署多点定位系统，现已有35个机场完成了布设；捷克全境已经实现了广域多点定位覆盖。在我国，北京、重庆、武汉等城市机场的多点定位系统相继建设完成投入使用。
多点定位技术的广泛应用跟其与其他监视技术相比明显的优势密不可分，有以下优点：
（1） 可以兼容二次雷达和ADS-B广播式自动相关监视技术，可以利用飞机现有的标准应答机获取应答信号，通过解码应答信号即可以获取飞机信息进行识别，不需要与二次雷达相关，不需要额外加装机载设备。
（2） 更新速率高，定位精度高，场面定位精度小于7.5米，广域空中定位精度20米以内，优于传统的二次雷达。
（3） 布站灵活、安装简单，可以通过优化选点达到消除盲区，理论上可以达到100%全覆盖。低廉的建设成本可以更好地适应机场的改扩建，升级方便。
（4） 提供了对车辆的监控手段，只需要在场面车辆上安装相应的应答机，即可实现对场面车辆的实时监控。
（5） 通过软件，可以实现冲突告警、跑道入侵告警等告警功能。
2.3、ADS-B广播式自动相关监视 ADS-B技术的特点体现在以下几点：
自动（Automatic）：无需人工操作，无需地面站询问。
相关（Dependent）：数据依赖于机载设备。
监视（Surveillence）：提供飞机的位置、高度、速度、二次代码、航向信息等。
广播（Broadcast）：使用广播方式发送数据，所有用户都能接收数据。
简单来说ADS-B技术使得飞机通过卫星导航设备获取自身位置并通过地空数据链或者空空数据链把自身的呼号、位置、高度、速度等飞行信息广播出去供其他飞机或者地面接收站接收。
ADS-B技术数据更新速率快、信息种类丰富、位置精度高、建设和使用成本远低于传统的航管二次雷达。其应用按照飞行信息的接收发射方不同可以分为ADS-B IN和ADS-B OUT。
ADS-B IN使得飞行器通过地空或者空空数据链接收地面站和其他飞行器发送的信息，可以使飞行员接收交通信息服务广播以及飞行信息服务广播，并可以通过地面站汇聚数据再发送的形式实现不同数据链之间的监视服务，方便飞行员实时掌握其他飞行器的位置从而可以在无须地面空管部门过多介入的情况下实施航路选择、避免飞行冲突。增强场面交通状态以及飞行进程状态的获取、加快飞行器的排队和汇聚时间，以及改进飞行高度层的相关程序增大容量。由此可见，ADS-B技术在民航领域的应用势必影响到空域管理的模式，是由集中式管理到分布式管理的一个重要技术支持。
ADS-B OUT使得飞行器把从卫星等导航设备获取到的位置信息结合飞行员输入的其他飞行信息经由机载设备广播给地面站和其他飞行器，使地面管制人员可以准确获得飞机的精确位置和飞行信息，经由多路数据融合处理，显示在显示终端上，从而实现对飞行器的监视功能。该技术可以在无雷达空域、中低流量地区和无雷达地区提供空管监视的盲区填补；在中高流量雷达空域提供空管监视，作为航管雷达的补充手段使用，或者在一些地区取代雷达成为主要监视方式；在机场场面监视领域可以作为高级场面监视与引导系统的信息源，并且可以直接应用于一些小型机场，作为场面监视的主要手段。
在欧美和澳洲，ADS-B技术已经获得了广泛应用，国内在成都等地也获得了成功的应用。该技术对于空域监视和场面监视都是一个有效的选择。
3、 结语
传统单一的場面监视手段已无法满足复杂的场面交通情况。在我国普遍使用场面监视雷达技术之后发展起来的ADS-B和MLAT技术以其在定位精度和数据更新率等方面各自具有的优势必将获得广泛应用，在未来，多种场面监视技术将充分发挥自己的优势，互为主备取长补短，实现对机场场面高精度高智能化的全面监视，为管制运行提供强有力的帮助，为机场场面的安全运行提供有效保障。
参考文献
[1] 罗文田.ADS-B机场场面监视技术研究[N].中国民航飞行学院学报，2011-3-22 （2）
[2] 高怡东.场面监视技术在深圳机场应用展望 [J].科技咨讯，2012（33）.
[3] 郭昊.几种机场场面监视技术的比较[J].中国高新技术企业，2007（15）.
[4] 张睿，孔金凤.机场场面监视技术的比較和发展[J].中国西部科技，2010，9（198）.
关键词：场面监视技术、SMR、MLAT、ADS-B
1、 引言
航空运输业的迅猛发展，给交通出行物流运输带来便利的同时，也给空管系统带来了考验：日均航班屡创新高，机场运行日益复杂，场面飞机与飞机之间以及飞机与车辆之间的冲突越发严重。机场场面交通的高效通畅在很大程度上影响着空管系统的安全运行，更先进智能化的监视技术应用将在很大程度上减轻管制员们的指挥压力。目前在各大机场广泛使用的主要有SMR场面监视雷达、MLAT多点定位以及ADS-B广播式自动相关监视技术。
2、几种场面监视技术的工作原理及应用
2.1、SMR场面监视雷达
SMR是在我国多个大型机场应用的一种技术，它是一种一次雷达，通常由高转速天线、接收机、发射机、信号处理器、数据处理器、显示终端组成。它的定位原理和其他一次雷达一样，是通过使用雷达天线向外发射电磁波信号，并通过对目标反射回来的电磁波信号进行接收处理从而获取目标的距离和方位。其定位原理是基于目标信号到达时间的TOA（Time of arrival）与基于目标信号到达角度的AOA（Angle of arrival）的混合定位法。假设目标T位置为（x，y），雷达位置为（xi，yi）测量AOA为θi，TOA为ti，则有：
x- xi=cticosθi
y- yi=ctisinθi
（i=1，2…m），c为电磁波传播速度
如图一：
SMR获取到目标位置信息后，送入数据处理器，与其他外部數据如二次雷达信息、飞行计划信息、气象信息、停机位信息等进行相关处理，从而在管制席位的场面监视终端上显示出场面的电子地图、飞机及车辆的标牌信息、停机位编号信息、进离港飞行计划信息等，一个成熟的场面监视雷达系统应该包括以下几种功能：
（1） 监视功能：提供管制员场面所有活动的飞机和车辆定位并结合外部数据相关挂牌，提供监视目标位置、速度、大小等信息，做到对场面的实时监控。
（2） 告警功能：在机场电子地图的冲突检测区域根据目标运动趋势计算潜在冲突并告警，根据冲突预计发生时间可提供不同的告警级别，提高场面运行安全水平。
（3） 路线引导控制功能：可以自动或手动调整滑行道分配，提高滑行道利用效率进一步提高运行效率。
SMR在国内外各大机场有着广泛的应用，主要优点有定位精度高、数据刷新速率快，融合多个雷达信号相关处理后可以完成冲突告警、滑行道管理、飞机标牌管理等一系列功能，但其缺点也比较明显，首先因为场监雷达属于一次雷达，对目标的标识能力主要依赖于其他系统，其次场监雷达由于多径干扰和地面物体的反射会机场产生一些假目标，从而对依赖场监系统完成场面监视的管制员造成影响，同时雷达下方一定范围属于盲区，做不到完整覆盖式监视，然后是在较严重降雨天气下，由于雨滴的球面反射会造成大量杂波干扰，在暴雨时有些时候会超出系统自带雨滤处理功能从而产生大量假目标，失去场面监视功能。最后是场监雷达系统造价昂贵，要在各中小机场推广使用需要大笔投入。
2.2、MLAT多点定位技术
MLAT系统通常由多个远端接收站、询问发射站、中心处理站、参考基准站、显示终端组成。多点定位技术是近些年快速发展应用的一种较新的技术，由询问发射站向飞机发射询问信号，得到飞机应答机A/C模式、S模式应答信号、ADS-B信号、机载TACS信号以及其他机载信号的应答信号，通过覆盖范围内的多个接收站，同时接收飞机的应答信号，测量应答信号到达各站的时间差（TDOA定位），中心站通过双曲线定位解算，得到飞机的精确位置，通过对应答信号进行解码，从而完成对飞机的识别，最终在显示终端上显示目标位置信息。
MLAT定位原理是基于双曲线的特性，即双曲线是到两点距离差为常数的点的集合，通过测量应答信号到达两个接收站时间差，乘以电磁波信号传播的速度得到一个常数，从而能确定出一条双曲线；若接收站为三个就可以确定三条双曲线，其交点即为目标位置。
假设目标T位置为（x，y），接收基站位置为（xi，yi），测量TDOA为ti，1，则有：
（i=2，3…m）
如下图二：
MLAT按覆盖范围和定位精度的不同可以分为场面多点定位和广域多点定位，目前已在国内外已经有了广泛应用，在美国，从2000年开始部署多点定位系统，现已有35个机场完成了布设；捷克全境已经实现了广域多点定位覆盖。在我国，北京、重庆、武汉等城市机场的多点定位系统相继建设完成投入使用。
多点定位技术的广泛应用跟其与其他监视技术相比明显的优势密不可分，有以下优点：
（1） 可以兼容二次雷达和ADS-B广播式自动相关监视技术，可以利用飞机现有的标准应答机获取应答信号，通过解码应答信号即可以获取飞机信息进行识别，不需要与二次雷达相关，不需要额外加装机载设备。
（2） 更新速率高，定位精度高，场面定位精度小于7.5米，广域空中定位精度20米以内，优于传统的二次雷达。
（3） 布站灵活、安装简单，可以通过优化选点达到消除盲区，理论上可以达到100%全覆盖。低廉的建设成本可以更好地适应机场的改扩建，升级方便。
（4） 提供了对车辆的监控手段，只需要在场面车辆上安装相应的应答机，即可实现对场面车辆的实时监控。
（5） 通过软件，可以实现冲突告警、跑道入侵告警等告警功能。
2.3、ADS-B广播式自动相关监视 ADS-B技术的特点体现在以下几点：
自动（Automatic）：无需人工操作，无需地面站询问。
相关（Dependent）：数据依赖于机载设备。
监视（Surveillence）：提供飞机的位置、高度、速度、二次代码、航向信息等。
广播（Broadcast）：使用广播方式发送数据，所有用户都能接收数据。
简单来说ADS-B技术使得飞机通过卫星导航设备获取自身位置并通过地空数据链或者空空数据链把自身的呼号、位置、高度、速度等飞行信息广播出去供其他飞机或者地面接收站接收。
ADS-B技术数据更新速率快、信息种类丰富、位置精度高、建设和使用成本远低于传统的航管二次雷达。其应用按照飞行信息的接收发射方不同可以分为ADS-B IN和ADS-B OUT。
ADS-B IN使得飞行器通过地空或者空空数据链接收地面站和其他飞行器发送的信息，可以使飞行员接收交通信息服务广播以及飞行信息服务广播，并可以通过地面站汇聚数据再发送的形式实现不同数据链之间的监视服务，方便飞行员实时掌握其他飞行器的位置从而可以在无须地面空管部门过多介入的情况下实施航路选择、避免飞行冲突。增强场面交通状态以及飞行进程状态的获取、加快飞行器的排队和汇聚时间，以及改进飞行高度层的相关程序增大容量。由此可见，ADS-B技术在民航领域的应用势必影响到空域管理的模式，是由集中式管理到分布式管理的一个重要技术支持。
ADS-B OUT使得飞行器把从卫星等导航设备获取到的位置信息结合飞行员输入的其他飞行信息经由机载设备广播给地面站和其他飞行器，使地面管制人员可以准确获得飞机的精确位置和飞行信息，经由多路数据融合处理，显示在显示终端上，从而实现对飞行器的监视功能。该技术可以在无雷达空域、中低流量地区和无雷达地区提供空管监视的盲区填补；在中高流量雷达空域提供空管监视，作为航管雷达的补充手段使用，或者在一些地区取代雷达成为主要监视方式；在机场场面监视领域可以作为高级场面监视与引导系统的信息源，并且可以直接应用于一些小型机场，作为场面监视的主要手段。
在欧美和澳洲，ADS-B技术已经获得了广泛应用，国内在成都等地也获得了成功的应用。该技术对于空域监视和场面监视都是一个有效的选择。
3、 结语
传统单一的場面监视手段已无法满足复杂的场面交通情况。在我国普遍使用场面监视雷达技术之后发展起来的ADS-B和MLAT技术以其在定位精度和数据更新率等方面各自具有的优势必将获得广泛应用，在未来，多种场面监视技术将充分发挥自己的优势，互为主备取长补短，实现对机场场面高精度高智能化的全面监视，为管制运行提供强有力的帮助，为机场场面的安全运行提供有效保障。
参考文献
[1] 罗文田.ADS-B机场场面监视技术研究[N].中国民航飞行学院学报，2011-3-22 （2）
[2] 高怡东.场面监视技术在深圳机场应用展望 [J].科技咨讯，2012（33）.
[3] 郭昊.几种机场场面监视技术的比较[J].中国高新技术企业，2007（15）.
[4] 张睿，孔金凤.机场场面监视技术的比較和发展[J].中国西部科技，2010，9（198）.