基于ADS-B的沿海低空监视系统的设计

龚少麟　沈昌力　朱　昊

(中国电子科技集团公司第二十八研究所　南京　210007)

基于ADS-B的沿海低空监视系统的设计

龚少麟沈昌力朱昊

(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)

摘要面向低空、沿海、山区等雷达探测系统难以覆盖的区域,提出了一种分布式ADS-B监视服务解决方案。该方案采用自主研制的ADS-B传感器灵活组建分布式传感器网络,并利用3G网络构建能够覆盖沿海区域的低空空域监视服务系统,为救助直升机的沿海飞行任务提供实时监视。该方案具有低成本、易安装、可靠性高、扩展性强等特点,具有较好的应用前景和推广价值。

关键词空域监视; 传感器网络; ADS-B

Class NumberTP303

1引言

目前,国内在沿海组建了多个飞行救助大队,主要担负中国水域发生的海上事故的应急反应、人命救助、船舶和财产救助的职责。东海第二飞行救助大队地处厦门,拥有B-7310和B-7106共两架救助直升机,主要承担我国台湾海峡及福建沿海范围内的海上救助工作。由于厦门地区山丘较多,地形复杂,而传统的低空监视系统容易受到高层建筑、地形遮挡的影响,无法对救助直升机的飞行活动进行全程监视,因此急需采用先进的探测手段来解决救助直升机在沿海救助过程中,监控中心能够“看得见”的问题。

ADS-B[1～2]技术是新一代空管系统的重要监视技术之一,相对雷达监视技术具有精度高、实时性强、成本低等特点,ICAO、FAA都非常重视ADS-B技术的发展和应用。随着航空事业的迅猛发展、低空空域管理改革的深化,ADS-B技术将在我国传统空管领域、迅速发展的通航领域获得广泛的应用。

本方案基于自主研发的ADS-B传感器,组建覆盖福建沿海范围内的ADS-B传感器网。该传感器具有成本低、体积小、功耗低的特点,安置简单方便,可借助现有的移动通信基站进行部署。同时,传感器采用3G无线方式与监控中心进行通信。监控中心能够对采集的ADS-B实时数据进行去冗余、报文解算等处理,形成航迹信息,提高了海上态势感知能力,加强了指挥中心和救助直升机的沟通和协作,使救助飞行队能够更有效地完成各种海上救助任务。

2低空监视技术比较

目前国内现有的低空监视系统主要包括传统雷达探测系统,一体化ADS-B地面站监视系统以及多点定位(MLAT)等[3]。传统的雷达探测系统由于本身的局限性,其安装与维护成本很高,且一旦安装后不易进行范围扩展。现有的ADS-B监视系统[4～5]一般是单天线系统,天线接收机与数据处理设备一体式设计,系统建设成本较高,且安装部署受地理位置影响较大,不利于扩展。多点定位[6]需要通过GDOP(几何精度因子)来进行布站规划和基站优选,以此提高解算精度,受地形影响较大。

本方案可以根据地形需要,分布式架设多个ADS-B接收传感器,并通过3G网络将接收的ADS-B信号实时传送至监控中心,监控中心对采集的ADS-B数据进行处理、融合,构成覆盖低空空域的综合态势。表1列出了几种低空监视方案的优缺点比较。

表1　低空监视方案比较

3系统设计

3.1系统组成

系统总体组成如图1所示,主要包括机载设备、ADS-B传感器网、监控中心三大组成部分。机载设备安装在飞机上,包括传统的二次雷达应答机以及ADS-B机载设备两种。ADS-B传感器负责实现原始信息的采集,可以通过有线或者无线方式将采集的数据发送给监控中心。监控中心由数据处理单元与监控维护单元两部分组成。数据处理单元将采集到的原始数据,经过汇聚、处理、融合,生成ADS-B航迹信息,并以标准格式上报给指挥控制系统。同时,监控维护单元负责监视空域综合态势的实时显示以及对系统设备状态的监控和维护。

图1　系统总体组成图

3.2ADS-B传感器设计

3.2.1ADS-B传感器结构

传感器总体结构如图2所示。射频天线用于接收1090MHz频段的ADS-B与二次雷达信号,通过中频处理模块进行混频、滤波、放大后输出到下级模数转换器(ADC)模块进行采样。采样后的数字基带信号由FPGA中的基带处理模块进行解调。GPS模块用于提供传感器的位置信息,网络模块用于传感器与后台之间的通信,而FPGA中的NIOS处理器则起到核心控制单元的作用。

图2　传感器总体结构

无线网络接入采用3G APN+Internet接入技术,各传感器利用加装的3G卡与当地营运商连接,利用营运商组建的APN网络与监控中心互联。

3.2.2ADS-B传感器关键技术

1) 超外差接收机

超外差接收机是利用本地产生的振荡载波与输入信号混频,将输入信号频率变换为某个预先确定的频率的方法。这种接收方式的性能优于高频(直接)放大式接收,所以至今仍广泛应用于远程信号的接收,并且已推广应用到测量技术等方面[7]。

超外差的结构如图3。本地振荡器产生频率为f1的等幅正弦信号,输入信号是一中心频率为fc的已调制频带有限信号,通常f1>fc。这两个信号在混频器中变频,输出为差频分量,称为中频信号,f0=f1-fc为中频频率。

图3　超外差接收机原理框图

2) 基于NIOS的SOPC技术

可编程片上系统(System-on-a-Programmable-Chip,SOPC)[8],用可编程逻辑技术把整个系统放到一块芯片上,是一种特殊的嵌入式系统。SOPC结合了SOC和PLD、FPGA的优点,具有灵活的设计方式,低成本,低功耗,可裁减、可扩充、可升级,满足了ADS-B传感器的设计需求。

本方案采用Altera公司推出的基于其公司旗下FPGA的Nios[9]嵌入式处理器,属于FPGA嵌入式IP软核的应用。开发硬件平台采用Altera Stratix Ⅲ系列,软件平台采用Quartus Ⅱ集成开发环境进行开发。

3.3监控中心的设计

ADS-B监控中心负责接收多路ADS-B实时数据,经过汇聚、融合处理后形成航迹信息,以标准格式输出给外部系统。ADS-B监控中心逻辑组成图4所示。

图4　监控中心逻辑组成图

ADS-B监控中心软件主要包括数据采集、数据融合、多点定位、态势显示、记录回放、监控维护、数据服务七个功能模块(见图5)。

3.3.1数据采集

监控中心可以同时接收数十路接收机采集的数据信息,数据信息包括ADS-B报文、SSR报文以及传感器状态报文等。同时,ADS-B传感器发送的数据信息是进行加密处理的,因此监控中心需要对接收到的报文信息进行相应的解密处理。

图5　ADS-B监控中心软件组成图

3.3.2数据融合

监控中心能够对接收到的ADS-B原始数据进行报文解析的处理工作。同时,多路ADS-B原始数据存在大量冗余信息,因此需要进行去冗余处理,并进行航迹平滑处理,最终形成航迹信息。

3.3.3态势显示

能够实时显示附近空域的飞机目标的位置以及移动轨迹。能够显示二维全国地图,地图具有放大、缩小、漫游、测距、位置标绘、区域标绘功能。目标具有标牌显示、标牌拖动功能。标牌内容包括航班号、高度、速度等基本信息。可以通过飞行高度层,距离范围信息对目标进行过滤。

3.3.4记录回放

监控中心可以记录所有输入报文数据、输出报文数据、设备的状态报告以及系统故障报告日志。可以选择时间段将记录的数据进行回放,从而便于监控人员进行飞行器历史航迹分析。

3.3.5监控维护

监控维护包括传感器监控和系统监控两部分。传感器监控可以对传感器的工作状态、时延、流量等参数进行远程实时监控,发现故障可以及时安排人员进行更换。系统监控可以对服务器、交换机等设备的运行状态、系统软件的运行状态以及链路状态进行实时监控。

3.3.6数据服务

监控中心可以将处理后的航迹数据以标准格式实时输出给指挥中心,输出格式和内容符合EUROCONTROL ASTERIX Category021标准,并具有扩展能力,支持TCP/IP和HDLC两种方式传输协议。

4系统功能特点

尽管新一代的飞机都安装了ADS-B天线,但还有相当数量服役多年的飞机未安装ADS-B天线。因此,系统接收机能够完全兼容SSR和ADS-B下行数据传输链路,可以接收和解码飞机的SSR代码和ADS-B代码。系统使用的ADS-B接收传感器网络,具有低成本、易安装、可扩展性强、可靠性强等特点。

4.1低成本易安装

ADS-B传感器采用高度集成的嵌入式系统,相比传统雷达具备绝对的成本优势。传感器体积较小,实物如图6所示,可以很容易地安装在现有的通信塔上、跑道附近或其他高层建筑物上。此外,传感器网络采用防雨防雷设计,配置灵活,易于扩展,耐用性高,可以适用于大多数户外环境。

图6　ADS-B传感器实物图

4.2可扩展性强

传统的雷达探测系统由于本身的局限性,其安装与维护成本很高,且一旦安装后不易进行范围扩展。现有的ADSB监视系统一般是单天线系统,天线接收机与数据处理设备为一体化设计,系统建设成本较高,且安装部署受地理位置影响较大,不利于扩展。而分布式多天线ADS-B监视系统采用5db内置天线与接收机组合在一起并前移为室外部件,采用3G无线方式与监控中心进行通信,传感器安置灵活简单,可以根据需要方便地实现扩展。

4.3可靠性高

受高山、建筑物和地形影响,传统雷达监视系统无法实现探测区域的全覆盖。例如,机场盲区主要出现在候机楼附近和被高大建筑/山体遮挡的区域,要覆盖上述盲区,需要在适当的位置再增建新的雷达塔,并安装一次场面监视雷达以解决盲区问题,但是价格将成倍增加。而ADS-B接收传感器成本远低于传统雷达,只要在盲区附近增加ADS-B传感器就可以解决该盲区的覆盖,可以有效地进行补盲。单站和多站的效果对比如图7所示。

ADS-B传感器网络的可靠程度也是单个雷达所不具备的,多个ADS-B传感器互为冗余,在有站点发生故障或者遇到遮挡而无法接收到目标信号时,通过其他传感器获得的信号进行补盲。各个站点可以通过多种通讯手段与监控中心通信,因此监控中心可以放在安全系数相对高的位置。这样的性能优势使其不易受恶劣天气的影响,即使有大规模自然灾害发生,分布式ADS-B监视系统要比传统雷达更可靠。

图7　单站和多站效果对比图

5应用效果

本系统在厦门东海第二救助大队进行了安装部署、功能验证,取得满意效果(见图8)。由于厦门沿海山丘较多,地形复杂,当救捞直升机在沿海低空作业时,传统的监视方式无法满足对救助直升机实时监视的需求。而本系统利用在海岸线移动通信基站部署数个ADS-B传感器,通过3G方式将救助直升机发送的ADS-B数据传送给监控中心,监控中心将接收到的ADS-B原始数据处理后得到的航迹信息上报给指挥中心,可以有效对救助直升机进行实时监控和指挥。

图8　救助直升机飞行航迹

6结语

传统雷达探测系统难以覆盖低空、机场、山区等区域,基于分布式多天线ADS-B监视服务系统能够有效解决这个问题。本方案具备低成本、易安装、可扩展性强、可靠性强等特点,可以满足复杂地形下对空中目标实时监视的需求。目前,系统已经研制完成,并已安装部署,试运行效果良好。在今后的研究中,将引入软件无线电技术[10]来进一步增强ADS-B传感器的性能,提高集成度,缩小体积同时降低成本。

参 考 文 献

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Coastal Low Altitude Surveillance System Based on ADS-B

GONG ShaolinSHEN ChangliZHU Hao

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing210007)

AbstractA surveillance service solution based on ADS-B distributed sensor is proposed for low altitude, airports and mountain area which radar detection system are difficult to cover. The proposed scheme is based on the ADS-B sensor, which is used to construct a distributed sensor network, and the 3G network can be used to construct the low altitude airspace surveillance system, which can provide real-time monitoring for the rescue helicopter. The scheme has the characteristics of low cost, easy installation, high reliability and strong expansibility, so it has good application prospect and popularization value.

Key Wordsairspace monitoring, sensor network, ADS-B

收稿日期:2015年12月10日,修回日期:2016年1月16日

作者简介:龚少麟,男,硕士,高级工程师,研究方向:系统体系结构和传感器网络。沈昌力,男,硕士,工程师,研究方向:图像处理技术和计算机网络。朱昊,男,硕士,助理工程师,研究方向:传感器网络。

中图分类号TP303

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.043