湖北ADS-B地面站组网效果评估研究

肖仁胜

（中国民用航空中南地区空中交通管理局湖北分局，武汉430000）

1 引 言

为加快推进我国航行新技术应用和通用航空发展，提高东部地区空管监视保障能力，并同时提升民航安全运行水平，2016 年1 月26 日，民航湖北空管分局获得《关于东部地区民航广播式自动相关监视（ADS-B）工程立项（代可研）的批复》。2017 年，民航湖北空管分局配合中南空管局，在湖北区域内设置武汉柏泉雷达站、襄阳雷达站、恩施雷达站、恩施许家坪机场、神农架机场、十堰武当山机场在内的6 个广播式自动相关监视（ADS-B）台点。

目前，“东部地区民航广播式自动相关监视（ADS-B）工程中南地区项目”已完成自验收。按照民航局和空管局的有关要求，需在2018 年12 月完成ADS-B 接入自动化系统试运行，在2019 年7 月完成ADS-B 正式运行工作。因此，对湖北区域内ADS-B 地面站组网效果的评估将为该系统的正式投产、试运行奠定良好基础。

2 ADS-B系统基本原理与功能

2.1 基本原理

ADS－B 全称Automatic dependent surveillancebroadcast，即广播式自动相关监视，是国际民航组织确定的未来主要监视技术之一[1]。ADS-B系统以卫星定位和地/空数据链通信为基础，能提供更加安全、高效的空中交通监视手段，同时又可有效提高管制员和飞行员的运行态势感知能力，扩大监视覆盖范围，提高空中交通安全水平、空域容量与运行效率。ADS－B 系统以导航设备和其他机载设备产生的信息为数据源，以地空/空空数据链为通信手段，通过对外自动广播自身的相关状态信息，实现地面对载机的实时监视；它同时也会接收其他飞机的广播信息，实现本机对周边空域交通态势的感知[2]。ADSB 系统的工作原理如图1 所示。

图1 ADS-B 工作原理示意图

2.2 ADS－B 系统功能

目前，ADS－B 系统所具备的基本功能一般分为两类[3]：

第一类是基于ADS-B OUT 设备，机载电子设备自动向外广播自身状态矢量信息（位置、高度、速度、航向等）和其他信息的。其功能主要是以地面站接收飞机信息数据汇总后对飞机进行跟踪和监视。地面站系统完成对航路、终端区或机场的空域监视，通过航空通信网向各级数据站、数据中心、管制中心、本地/远程监控维护终端或其他用户终端上报目标报告、设备状态和服务报告等。

第二类则是基于ADS-B IN 系统，机载电子设备中的ADS-B系统不仅负责对外发送本机的各类航行数据，同时也接收其他飞行器或地面站发送的ADS-B 信息报文。相对于功能单一的ADS-B OUT系统的监视功能，ADS-B IN 系统的意义在于其能够使飞行员更加清楚其本机及附近各种飞行器的实时信息。实施这一类地面传输信息服务功能主要依靠的是地面交通服务信息广播（Traffic Information Service-Broadcast, TIS-B），这是一种由地面站系统提供的信息服务。由于地面站连接着更为全面的空中交通管制中心数据处理系统，地面站有能力向空中发送更全面的空域全景信息，在这种情形下，地面站的数据链路会链接雷达、多点定位等监视系统，对空域内所有的飞行目标进行无差别监视和探测，并通过TIS-B 向空中广播。因此安装有ADS-B IN 系统的飞机能通过地面站获得监视空域内更加全面的交通情报报文[4]。

3 湖北地区ADS-B系统组网覆盖分析

3.1 组网情况

截止至2018 年12 月，湖北地区已经建设并即将投入使用的地面站点包括：武汉柏泉雷达站、襄阳雷达站、恩施雷达站、恩施许家坪机场、神农架机场、十堰武当山机场，共计6 个；已建成并已投入使用的地面站点有两个：宜昌三峡机场和襄阳刘集机场。以这8 个地面站实现对湖北区域内所属地机场终端区进近和主要航路段的监视覆盖。

湖北地区目前建设的ADS-B 地面站主要分布在各属地机场终端区和主要航路经过地区。这些地面站的布点主要以当地雷达站和机场为依托，在方便进行人员管理维护的基础上，充分考虑不同地面站之间的数据交换互通，进行关于ADS-B 地面站布设效果和技术成本的综合评估。

数据传输的合理设计，以及相应管制中心自动化系统的设计，会在一定程度上影响地面站组网监视的效果及数据传输链路的成本，是实际布站评估中需要考虑的重要因素。由于数据传输涉及到数据评估的完好性及通信数据网络的设计的合理性，关于ADS-B 地面站的组网监视评估，其重点主要在于电磁信号覆盖方面的研究。

当ADS-B系统多个地面站组网实现监视覆盖区域时，其主要是通过空域飞行器自动广播的报文信号被地面站接收，并将处理后的报文信息经传输链路传输，将ADS-B 数据站与其他地面站或监视源数据融合，最后送至管制中心。ADS-B系统多地面站组网流程如图2 所示。

图2 ADS-B 组网示意图

3.2 组网原则及评估指标

ADS-B系统在区域确定、地面站站点数量及位置确定，监视系统性能参数确定的前提下，布站方案应尽可能使监视空中站点组网信号覆盖范围最大化，具备多重覆盖条件，且组网各站点彼此互补盲区，同时避免相互间的电磁干扰。因此，针对ADS-B系统特点，其组网应满足以下基本原则[5]：

1)覆盖范围最大化。ADS-B 站点组网对所在空域的覆盖范围要尽可能大，覆盖层数多，从而保证监视效果最优。

1.进一步规范学校办学。加强对农村小学艺术课程教学的重要性的认识，加大对学校办学的督导检查力度，开齐学科，开足课时，增强学生的求知欲和学习兴趣。

2)信号覆盖具备适当的冗余度。适当的冗余覆盖能提高目标定位精准度，针对ADS-B系统输出的目标报文存在误码、缺漏、欺骗的可能性，多的站点覆盖能有效降低甚至避免单个地面站输出错误数据报文。

3)优化各地面站电磁环境。中国民用航空监视设备大多使用1030/1090MHz 频带作为设备工作频率。距离相近的无线电系统使用共享频率时，容易产生电磁干扰而使系统无法正常工作。因此在选址布站时一定要排除可能存在的电磁干扰源[6]。

4)盲区范围最小化。无论是何种监视源，因其遵循电磁信号传播原理，信号覆盖存在站点顶空盲区和受外部环境影响的空域覆盖盲区。站点的选址应尽可能减少其顶空盲区和重要航路上的盲区，并考虑相应的盲区补盲方法。

ADS-B 组网系统的最终目的是实现主要航路和重要管制空域的信号覆盖，并尽可能使覆盖空域最大、减少信号盲区。所以监控区域信号覆盖的连续性与严密性是评价站点组网性能的首要技术指标[7]。评价方法采用如下量化方法：

a)信号覆盖的连续性和严密性[8]：

覆盖连续性用盲区系数表示如下：

b)评价组网目标容量受站点数据接收能力、数据传输带宽和信息处理显控设备等影响。

c)重叠系数：

重叠系数是指能够同时监控某一指定空域飞行目标的站点数量，如下式：

式中，n 为组网内站点的数量，Rh为组网在规定的下限高度上发现目标的距离。

4 湖北地区ADS-B 地面站组网仿真

ADS-B 信号覆盖仿真图形采用自主研发的信号覆盖评估系统实现。该系统界面显示功能通过识别和引用软件内置的函数算法完成仿真覆盖效果图。在仿真界面中，需要输入待计算的地面站坐标位置、地面站天线高度、飞行高度及功率等，用户使用界面可以直接仿真湖北地区组网系统的信号覆盖，计算单重和冗余覆盖率情况。图3 给出了各地面站在不同高度层上的覆盖情况。

图3 不同高度层覆盖情况仿真图

可以看出，在湖北区域内，信号覆盖情况主要为：

3300米时，如图3(a)，西部地区特别是神农架机场附近因高山影响，有部分区域无法进行有效覆盖；宜昌以东区域可以做到一层以上覆盖。

6600米时，如图3(b)，西南方向的一段航线无有效覆盖，但考虑到有湖南张家界等站点，全区域可以做到至少一层覆盖。

7800米时，如图3(c)，全区域绝大部分可以做到二层以上覆盖。

因武汉及以东区域仅在武汉设台点，所以武汉及以东区域仅有一层覆盖；因地形平坦，武汉及以东区域在各高度层覆盖较好。

因此，通过信号覆盖图来看，为满足湖北区域内实现二层及以上覆盖要求，应该在省内西南部、东部地区增加ADS-B 地面台站点。

5 结束语

通过对湖北地区ADS-B系统地面站组网评估效果的研究，结合ADS-B系统特点，分析了影响ADS-B 地面站信号覆盖的因素。通过自主研发的信号覆盖评估系统计算界面的编译功能实现了信号覆盖的模拟和仿真，得出了湖北区域布站覆盖效果和航线航路监视覆盖效果评估，并给出了补盲的相关建议，具有一定的实际参考意义。