北斗RDSS应用于通航空管的机遇与挑战

2016-01-20赵陆文李广侠戴卫恒缪志敏

全球定位系统 2015年2期

关键词：空管

赵陆文,李广侠,戴卫恒,缪志敏

(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京 210007;

2.解放军理工大学指挥信息系统学院,江苏南京 210007)

北斗RDSS应用于通航空管的机遇与挑战

赵陆文1,李广侠1,戴卫恒1,缪志敏2

(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京 210007;

2.解放军理工大学指挥信息系统学院,江苏南京 210007)

摘要：通航空管已成为制约我国通航产业发展的一个重要因素,迫切需要开发适合通航应用的空管系统。针对通航飞行高度低、飞行器种类繁多、飞行区域复杂多变等特点,结合目前民航和通航空管的发展现状与需求,提出了将北斗RDSS应用于通航空管的设想,并给出了北斗RDSS应用于通航空管的基本架构,重点分析RDSS应用于通航空管具备的优势和面临的挑战,为下一步的系统建设提供了思路。

关键词：北斗卫星导航系统;卫星无线电测定业务;通航;空管

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.006

中图分类号：TN967.5

文献标志码：： A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0026-05

收稿日期：2014-11-02

作者简介

Abstract:Air traffic control(ATC) of the general aviation has become an important factor restricting the development of China's general aviation industry. An ATC system suitable for general aviation is an urgent need to develop. General aviation has many characteristics, such as low flight height, many kinds of aircraft, complex and volatile flight region. Considering the development of present civil aviation and the demand of the general aviation ATC, a tentative idea is put forward applying Beidou RDSS in the general aviation ATC. The basic framework is proposed and the advantages and challenges are analyzed that RDSS is used in general aviation ATC. The result provides a way for the next step of system construction.

0引言

随着航空工业的快速发展和低空空域的逐步全面开放,我国通用航空(简称“通航”)产业进入迅速成长期。伴随着通航飞行器数量的急剧增加,对我国的空中交通管制(ATC,简称“空管”)提出了严峻的挑战[1]。ATC通常是指利用通信、导航等技术和监控手段,对飞机飞行活动进行监视和控制,保证飞行安全和飞行秩序。其主要目的就是维持空中飞行秩序,提高飞行空间和时间的利用率,保证空中交通的整体安全性。ATC主要包括通信、导航、监视和空中交通管理四个子系统,最基本的任务就是对飞行器进行监视和控制,以保证飞行器能够按照批准的计划飞行。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。现有空管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,传统的空管系统建设与维护成本高,极大地阻碍了我国通航的产业发展和应用。由于现有的民航空管系统不能直接应用于通航空管,因此,寻求一种适合通航使用的空管技术或者手段就显得尤为重要。

众所周知,由我国独立自主研制的北斗卫星导航系统(BDS)所特有的卫星无线电测定业务(RDSS)[2],具有与生俱来的通信与导航融合特性,集定位与信息传输为一体,具备对目标进行管理和监视的双重能力,可以作为通航空管的一个重要技术手段。在空管雷达不能覆盖的地区,提供位置报告和简单双向报文通信,解决空管雷达“盲区”问题;在空管雷达能够覆盖的地区,以较低的代价作为一种备份和增强。

1空管的现状与发展趋势

1.1　民航空管的发展现状与趋势

现代民航空管大体上沿着程序管制、雷达管制和基于性能的导航(PBN)[3]管制方向发展。程序管制是指飞行员利用地空通信手段向地面空管员进行位置报告,空管员根据飞行员的报告信息,依靠空中交通的规则与规范以及机场和航路的相关规定,推断空中交通状况及变化趋势,并依此对飞行器进行安全隔离。由此可见,这种方式速度慢、精确度差、空域利用率低下,目前已逐步被雷达管制所代替。

所谓雷达管制包括一次雷达和二次雷达。一次雷达是通过发射射频脉冲和接收回波信号,根据时间差计算距离和方位,地面空管只知道飞机的距离和方位。二次雷达通过地面发射询问信号,机载应答机发回编码的回答信号,地面空管除了知道飞机的距离和方位外,还知道飞机的飞行代码、航班号、高度等信息。

资助项目：北斗卫星导航国家科技重大专项项目；中国博士后科学基金

联系人：赵陆文 E-mail: zhaoluwen@126.com

PBN管制改变原有的飞行器通过仪表寻找地面雷达导航信号的传统模式,通过全球卫星导航系统(GNSS)、地面雷达等综合导航,形成大范围空域覆盖,使飞行器机载设备可进行自动定位,能有效缩短飞行器飞行间隔,提高空域的利用效率。PBN空管的核心是广播式自动相关监视(ADS-B)系统[4-5]。该系统是一个集通信、导航与监视于一体的信息系统,机载导航系统得到飞机精确的位置和速度信息,利用机载电子设备向外周期性地广播飞机的呼号、位置、高度、速度和其它参数。分布在航路上的ADS-B地面站,通过空地数据链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也可以通过机载电子设备接收附近ADS-B飞机的广播信息,实现空空监视。所有这些活动都由ADS-B系统自动完成,而不需飞行员干预和地面询问。

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,是未来空管监视的重要组成部分和发展方向。ADS-B是从当前基于雷达的监视向星基监视过渡的基础,国际民航组织(ICAO)已将ADS-B确定为未来民航空管监视技术的主要方向。欧洲和美国都制定了ADS-B发展规划和实施路线图。美国联邦航空管理局(FAA)的下一代航行技术[6]就是建立在ADS-B技术基础之上的。欧洲“单一天空计划”(SES)[7]也要求飞行器大范围装配ADS-B机载设备和应用,同时加快ADS-B地面监视应用的实施。国内也于2008年开始了ADS-B地面站的建设和机载设备的加装,开展了相关的测试和试验,并于2012年11月颁布了《中国民用航空ADS-B实施规划》[8]。

1.2　通航空管的发展现状与需求

无论从通航自身的飞行控制出发,还是从空管防相撞任务出发,通航空管在保障飞行安全方面都具有极其重要的作用。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,现有的民航空管设备无法直接应用于通航空管。

雷达管制应用于通航空管主要存在的问题有:

1) 覆盖距离有限：由于二次雷达系统的服务距离仅为350 km,无法对服务距离之外区域的飞行器实施监视;

2) 存在覆盖盲区：通航飞行器飞行高度较低,雷达和通信信号易受地形地物的影响,导致低空覆盖半径较中高空大为降低,存在较多覆盖盲区,难以有效保障低空飞行时的监视和通信能力;

3) 覆盖区域有限：民航空管监视雷达和相应的通信设备是为满足民航运输航空保障要求而布设的。重点覆盖航路航线、进近和机场空域,通航飞行器的飞行区域比民航更灵活,很多区域无监控雷达覆盖;

4) 建设成本较高：传统的监视手段空管一次监视雷达、空管二次监视雷达和多点定位系统的建设与维护成本较高。

虽然ADS-B有诸多优势[9],但是它应用于通航空管同样也存在一些局限:

1) 系统建设费用高：我国幅员辽阔,要想对所有区域实施监视,需要布设大量的ADS-B地面站,开支巨大;

2) 信息传输质量影响系统性能：大量位于偏远位置的地面站可能需要借助微波接力、卫星通信等手段进行信息传输。信息传输的多样性,增加了信息传输的不可靠性,对整个系统的性能会造成一定的影响;

3) 地面站维护成本高：大量地处边远地区的地面站维护困难,维护成本高;

4) 终端价格高:ADS-B系统价格相对较高,不适合一些低成本通航应用。

正是因为以上因素,民航空管系统无法直接应用于通航空管。国外已经将多种用于商用和军用飞机的空管技术改造或移植用于通航,但都或多或少地存在以上问题。国际上除了美国等少数几个国家明确低空空域通航应用UAT数据链外,其它国家都在大力发展1090ES数据链ADS-B系统。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,导致通航存在“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,于2013年年底陆续颁布了《通用航空飞行任务审批与管理规定》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基于北斗RDSS的通航空管

2.1　北斗RDSS的特点及应用于通航空管的优势

北斗卫星导航系统的RDSS业务,利用典型的双星定位原理[2],通过两颗地球静止轨道卫星,由用户以外的地面控制中心完成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。在完成了位置报告的同时,实现了用户位置信息共享。北斗RDSS系统从2003年底建成至今,该系统已稳定运行10年多时间,目前运行的是“北斗二号”的RDSS系统。该系统覆盖中国及周边地区,并能向位于该区域的用户提供定位、授时和短报文业务。已在测绘、电信、水利、交通运输、海洋渔业、地质勘探、森林防火和国家安全等诸多领域发挥出了重要作用。与传统的空管方式相比,RDSS应用于通航空管具有极大的优势和特色。主要包括:

1) 覆盖范围广:由于民航飞机航线相对固定,其空管设备往往只分布在机场和相关航线航路上,再加上单个雷达和ADS-B地面站覆盖范围有限,使得民航空管监视设备存在较大的盲区。而北斗RDSS系统对我国全境及周边区域至少实现了两重以上的卫星覆盖,真正实现了对我国领土和领空的无缝覆盖。因此,更适合于飞行航线不固定的通航空管。

2) 受地形影响小:由于通航飞行器基本都位于相对开阔的地域或者空域,在飞行过程中不会有遮挡。因此,与空管雷达和ADS-B地面站相比,一般的地形地貌不易对RDSS卫星信号造成遮挡。

3) 成本低:与其它空管方式相比,这种方式只需建设一个数据处理中心,而无需建设遍布全国的地面站,系统建设投资极低。此外,随着北斗应用逐步展开,终端技术日趋成熟,终端成本也越来越低,非常适合低成本通航用户使用。

4) 工作方式灵活多样:机载RDSS多模终端向空管中心进行位置报告,可以采用纯RDSS、RDSS+RNSS、广义RDSS等多种方式。其中,卫星无线电导航业务(RNSS)卫星既可以是北斗RNSS卫星,也可以是全球卫星定位系统(GPS)或者伽利略系统的卫星。终端可以在不同的方式之间灵活做出合适的选择,灵活多样的选择增强了系统的可靠性和可用性。

5) 系统构成简洁:RDSS同时具备定位、授时与双向短报文通信功能,即使无其它信息系统支持,空管中心也可对通航飞行器实施有效的监视和控制。

6) 安全可靠性好:由于RDSS为我国自主研发系统,使用RDSS可以摆脱我国在空管领域长期依赖进口的现状,扭转技术上受制于人的局面。在大数据时代,使用自主研发的系统,是保证信息安全的一个重要途径和手段。

2.2　基于RDSS的通航空管系统架构

图1示出了基于RDSS的通航空管系统。由图可见,位于通航飞行器上的RDSS多模终端,通过北斗RDSS卫星将飞行器的位置信息等发送给地面控制中心,地面控制中心再通过专线将其递交给北斗通航数据处理中心。经数据处理中心处理后,再交给空管部门(若有必要也可同时将信息递交给通航服务公司、机场等相关部门)。空管部门收到由通航北斗数据处理中心递交的信息后,即可知晓飞行器的位置及其它飞行参数,实现对通航飞行器的监视。同时,空管中心还可以利用RDSS的出站链路,向通航飞行器发布必要的信息和指令。对装备了传统空管设备的飞行器而言,在地面空管雷达和ADS-B等能够覆盖的空域,RDSS可作为一种低成本的备份。对没有装备传统空管设备的飞行器,或者在传统手段不能覆盖的空域,RDSS将是解决传统空管手段“连不上”、“看不见”、“看不全”的主要手段。由图可见,RDSS应用于通航空管,除了机载设备外,只需新建一个北斗通航数据处理中心即可。而该数据处理中心与目前的民用行业运营中心并无本质上的区别。

图1　使用RDSS的空管系统示意图

2.3　工作模式及性能分析

机载终端向空管中心进行位置报告,可以有如下几种形式:

1) 典型RDSS模式:即气压高度表+双星定位。这种模式需要地面控制中心进行位置解算。其优点是入站电文较短,可以在传输其它信息的同时完成位置报告,效率较高。主要缺点是高程由气压高度表得到,气压高度表误差较大,且误差与温度和高度密切相关;

2) RDSS与RNSS结合:这种方式利用RNSS测量飞行器的位置信息,尔后利用RDSS的入站短报文业务,向空管部门进行位置报告。其优点是测量精度较高,地面控制中心对数据处理简单,可用卫星数多,在只有一颗RDSS卫星覆盖区域也可工作。主要缺点是入站电文较长;

3) 广义RDSS模式[10-11]:这种模式只传输时差信息。其优点是最少只需一颗RDSS卫星和2颗RNSS卫星即可实现位置报告,可用性更强。缺点是目前北斗地面控制中心还不支持该业务模式。

以第二种方式为例,对相关性能进行分析。在这种方式下,显然定位精度取决于RNSS.不管是使用北斗RNSS还是GPS或者是二者兼容互操作,其水平和垂直定位精度都在10 m以内,这样的精度对通航飞行器监视和防碰撞而言绰绰有余。需要重点对位置报告的入站业务量进行分析。假定飞行器向空管部门进行位置报告的数据包括:用户识别码、飞行高度、飞行速度、经度、纬度、时间等基本信息,单条报文的长度将超过200 bit,假定一次入站能够满足单条位置报告的传输需求。显然,在单位时间(以小时计)内入站的报文数量与入站报文间隔、系统管理的飞行器数量以及飞行器的实际使用率密切相关。对北斗RDSS系统而言,提供给民用航空的间隔为10～60 s/次,且间隔为10 s/次的用户数受到严格限制。经过初步统计,通航飞行器使用率不超过10%,大部分约在5%以下。图2示出了在不同间隔和使用率下,空管中心管控的飞机总数与需求的RDSS入站业务量之间的关系。由图2可知,在飞行器总数不超过10 000架的情况下,不管哪种情况,入站业务量都在50万次/小时以下,现有北斗RDSS系统基本能够满足需求。若飞行器平均使用率不超过1%,则即使飞行器数量达到10万架,系统容量也能满足需求。但是入站业务量随着间隔的缩短和使用率的增加而线性增大。在5%的平均使用率,入站报文间隔20 s的情况下,系统管控的飞行器数量不超过30 000架。实际上,RDSS是军民两用系统,考虑到该系统主要保障军用用户,所以能够容纳的飞行器数量将比估算的低不少。不过,截止目前,我国的通航飞行器只有1 000架左右,据民航总局估测,到2020年,我国通航飞行器的数量将超过10 000架。考虑到我国通航飞行器的利用率相对较低,该系统基本能满足现阶段的通航空管对容量的需求。

图2　管控飞行器总数与需求业务量的关系

3通航空管对北斗RDSS的挑战

北斗RDSS应用于通航空管,在拥有诸多优势和特色的情况下,同样也面临不少挑战:

1) 服务频度低:目前北斗系统RDSS业务,提供给民用用户的服务频度为10～60 s/次,且严格限制10 s/次的用户数量。与空管雷达、ADS-B等空管方式相比,刷新频率明显偏低。

2) 入站容量受限:虽然在具体实施过程中,可根据飞行器所处位置,适当调节位置报告的频度。比如,在巡航状态或者在雷达覆盖区域,可以适当降低位置报告的频度。但是由于RDSS为有源服务,其系统容量受限,限制了管控飞行器的总数。

3) 出站容量受限:虽然空管中心能够清晰掌握某一飞行器周围的飞行器情况,但是由于RDSS系统出站容量的限制,空管中心无法及时向飞行器下发态势信息,飞行器就无法像ADS-B那样实现空空监视和防碰撞。

4) 单条报文容量受限:短报文通信作为北斗系统的一大特色,为拓展北斗系统的应用领域和提升国际竞争力发挥了至关重要的作用。但是由于单条报文容量受限(最多120个汉字),在飞行器与空管中心之间,只能进行简单的信息交互,制约了更进一步的应用。

5) 终端功耗较高:目前RDSS终端发射功率在10 W左右。过高的发射功率以及较大的设备体积和重量,在部分通航飞行器上加装RDSS设备也存在一定的障碍。

由此可见,北斗RDSS大规模应用于通航空管的一个最大挑战就是系统容量受限,解决了容量问题后,频度问题就迎刃而解了。为了使北斗RDSS更好地服务于通航空管,需要在北斗全球系统设计时,充分考虑RDSS容量过小的问题,并下大力气加以解决。此外,将来的实施中,可以考虑开发组播模式,在编队飞行时,组内所有用户都可以收到其它用户的信息,以简单的方式实现ADS-B的空空监视功能。另外,由于广义RDSS具有更优异的性能,广义RDSS功能亟待开发,终端的低功耗、小型化、低成本都需要进一步优化。

4结束语

处于快速成长期的中国通航,需要一种适合其特点的空管技术和手段。北斗RDSS兼有定位和短报文通信功能,非常适合作为一种低成本的通航空管技术。由于RDSS本身为一种容量受限系统,真正大规模使用,也面临不小的挑战,需要在RDSS下一步的规划和设计中予以充分考虑。

参考文献

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pdf.

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[11]谭述森.广义RDSS全球定位报告系统[M].北京:国防工业出版社,2011.

赵陆文(1977-),男,讲师,博士后,研究方向为卫星导航、卫星通信。

李广侠(1964-),男，教授、博士生导师，主要从事卫星通信与导航方面的工作与研究。

戴卫恒(1977-)，男，博士、讲师，主要从事卫星通信与导航方面的工作与研究。

缪志敏(1978-)，女，博士、讲师，主要从事机器人学习与人工智能方面的工作与研究。

The Opportunity and Challenge of Beidou RDSS Applied in

the General Aviation Air Traffic Control