多點(diǎn)定位系統(tǒng)特點(diǎn)及其在民航的應(yīng)用民航科技

1、科普 講座多點(diǎn)定位系統(tǒng)特點(diǎn)及其在民航的應(yīng)用The Characteristics of MLAT Systems and Its Applicationsin Civil Aviation文 / 黃忠濤背景：為什么要建設(shè)多點(diǎn)定位系統(tǒng)近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外航空運(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展。航空運(yùn)輸量的增加，使得大型機(jī)場(chǎng)及其周邊區(qū)域的飛機(jī)數(shù)量急劇增加。高密度的交通流量使得機(jī)場(chǎng)及其附近飛機(jī)之間、飛機(jī)與場(chǎng)面車輛之間的間距減少， 跑道入侵、 場(chǎng)面沖突、 機(jī)場(chǎng)環(huán)境影響時(shí)有發(fā)生， 航空安全、航班正點(diǎn)問(wèn)題日益突出。因此，迫切需要引入新的針對(duì)終端區(qū)域、機(jī)場(chǎng)附近空域和機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的監(jiān)視手段，以替代傳統(tǒng)的主要依靠飛行員和交通管制員的監(jiān)視

2、方式。黃忠濤， 高級(jí)工程師，民航二所科研開發(fā)中心副主任，現(xiàn)在職攻讀南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位， 國(guó) 際 民 航 組 織（ International Civil Aviation Organization,從事民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視領(lǐng)域技術(shù)研究，主要研ICAO）在 2004年發(fā)表了先進(jìn)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)和控制（ Advanced究方向?yàn)?：無(wú)線電信號(hào)處理、地空數(shù)據(jù)鏈、分布式surface Movement Guidance and Control System, A-SMGCS 手）無(wú)源定位、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視、系統(tǒng)模擬及仿真。冊(cè)，要求機(jī)場(chǎng)安裝的新一代機(jī)場(chǎng)監(jiān)視設(shè)備，能夠?qū)︼w機(jī)在機(jī)場(chǎng)從跑道、滑行道、停機(jī)坪和登機(jī)

3、口全方位進(jìn)行自動(dòng)引導(dǎo)控制，其功能擴(kuò)展為監(jiān)視、路由分配、引導(dǎo)和控制四大主要功能。其中可選用的場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)包括一次場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)多點(diǎn)定位技術(shù)采用分布式的多個(gè)接收機(jī)高精度定位視（ Automatic Dependent Surveillance-Broadcast ，AD和S-B多）跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)，可以在機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度較差的環(huán)境條件下大大點(diǎn)定位（ MULTILATERATION,MLA）T 技術(shù)。提高機(jī)場(chǎng)的安全因素，增加機(jī)場(chǎng)的容量。目前多點(diǎn)定位在場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)屬于非協(xié)作式監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)受地形、天氣影 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的應(yīng)用效果較好， ICAO 制定了系統(tǒng)用于民航場(chǎng)響大，對(duì)于大中機(jī)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，單重覆蓋存在

4、盲區(qū)，本身無(wú)目標(biāo)識(shí)別 面監(jiān)視的最低標(biāo)準(zhǔn)，可以說(shuō)多點(diǎn)定位技術(shù)，已經(jīng)成為目前能力； ADS-B 系統(tǒng)是基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，它民航監(jiān)視技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)和前沿技術(shù)。存在衛(wèi)星完好性及需要對(duì)老舊飛機(jī)進(jìn)行改裝等弱點(diǎn)，應(yīng)用受到一定限制；多點(diǎn)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn) A-SMGCS 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視的核心技多點(diǎn)定位技術(shù)原理多點(diǎn)定位技術(shù)通過(guò)在地面布置多個(gè)遠(yuǎn)端接收站，采用 術(shù)，使用現(xiàn)有的機(jī)載應(yīng)答機(jī)發(fā)射的 1090MHz 應(yīng)答信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛多點(diǎn)接收方式，接收監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的機(jī)載 A/C 模式、S 模 機(jī)的定位，對(duì)已有的監(jiān)視設(shè)備和機(jī)載設(shè)備無(wú)需改造，不需要在航式應(yīng)答信號(hào)，以及 S模式“ squitter ”信號(hào)，并進(jìn)行解碼發(fā)

5、空器上安裝任何額外設(shè)備。1圖 1 多點(diǎn)定位系統(tǒng)布局示意圖 圖 2 多點(diǎn)定位雙曲線交叉定位原理示意圖送至中心處理站，中心處理站經(jīng)過(guò)定位解算即可確定目標(biāo)的位 高度等信息。一個(gè)完整的主動(dòng)式多點(diǎn)定位系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖置坐標(biāo)。多點(diǎn)定位系統(tǒng)的布局示意圖如圖 1 所示。 3 所示。目前多點(diǎn)定位技術(shù)主要采用到達(dá)時(shí)間差（ Time Difference多點(diǎn)定位系統(tǒng)主要包含遠(yuǎn)端接收站、中心處理站、參考基of Arrival, TDOA ）體制方式進(jìn)行定位，通過(guò)對(duì)多個(gè)雙曲線（或 準(zhǔn)站、詢問(wèn)發(fā)射站、監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) 6 個(gè)組成部分。雙曲面）相交的解算來(lái)確定目標(biāo)的二維（或三維）位置。由于多點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖

6、 4。其中遠(yuǎn)端接收站子系統(tǒng)負(fù)飛機(jī)距各接收站的距離不同，飛機(jī)發(fā)送的應(yīng)答信號(hào)到達(dá)各地面責(zé)接收處理目標(biāo)應(yīng)答機(jī)和參考應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信號(hào)并輸出至中心接收站的時(shí)間（ TOA， time of arrival ）不同，多點(diǎn)定位系統(tǒng)通 處理站。中心處理站子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收所有遠(yuǎn)端站的數(shù)據(jù)并進(jìn)過(guò)計(jì)算到達(dá)時(shí)間的差值，并進(jìn)行計(jì)算就可以得到飛機(jī)的位置。 行同步校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位解算并組成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文對(duì)于空中目標(biāo)而言，需要至少四個(gè)遠(yuǎn)端站收到應(yīng)答信號(hào)才能通 輸出。參考基準(zhǔn)站子系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的同步和監(jiān)視，并負(fù)責(zé)過(guò)雙曲面交叉定位（三維）算法確定目標(biāo)的位置和高度；對(duì)于 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本的測(cè)試。詢問(wèn)發(fā)射站子系統(tǒng)負(fù)責(zé)向目標(biāo)發(fā)射

7、地面目標(biāo)而言，有三個(gè)站接收到應(yīng)答信號(hào)就可以通過(guò)雙曲線交 AC/S 模式詢問(wèn)信號(hào)， 并同時(shí)接收處理中心處理站的詢問(wèn)指令。叉定位確定目標(biāo)位置。場(chǎng)面多點(diǎn)定位原理示意圖如圖 2 所示。監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)所有其余子系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和控制。數(shù)據(jù)考慮機(jī)場(chǎng)實(shí)際的復(fù)雜射頻環(huán)境，布站通常采用冗余方式， 通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)、其它監(jiān)視設(shè)備與中央處理子系統(tǒng)之間對(duì)于場(chǎng)面監(jiān)視，通常采用 4 站及以上冗余覆蓋布站方式。如果的數(shù)據(jù)傳送。高度數(shù)據(jù)通過(guò)其他途徑得到（例如 C 模式代碼、S 模式應(yīng)答和 多 點(diǎn) 定 位 系 統(tǒng) 具 備 mode A/C 與 DF0、DF4、DF5、ADS-B 廣播信號(hào)相應(yīng)高度信息），僅用三個(gè)遠(yuǎn)端站也可

8、以計(jì)DF11、DF17、DF18、DF20 和 DF21 等格式的 Mode S 信號(hào)處算出三維坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)空中目標(biāo)定位。理功能，覆蓋范圍內(nèi)目標(biāo)定位功能，目標(biāo)詢問(wèn)功能，系統(tǒng)自動(dòng)多點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)控功能，原始數(shù)據(jù)記錄回放功能， ASTERIX CAT10 目標(biāo)報(bào)文輸出功能等。多點(diǎn)定位系統(tǒng)分為主動(dòng)式（ active ）多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)和被動(dòng)式（ passive ）多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)。主動(dòng)式系統(tǒng)在系統(tǒng)中配置詢問(wèn)機(jī)，由詢問(wèn)機(jī)進(jìn)行詢問(wèn)，得到航班標(biāo)牌（A 碼）、高度多點(diǎn)定位技術(shù)優(yōu)勢(shì)多點(diǎn)定位技術(shù)充分利用民航飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置應(yīng)答機(jī)的 A/C等信息。被動(dòng)式系統(tǒng)在系統(tǒng)中不配備詢問(wèn)機(jī)，系統(tǒng)接收其它二 模式和 S 模式應(yīng)

9、答信號(hào)，以及 S 模式“ squitter ”信號(hào)，采用多次雷達(dá)詢問(wèn)應(yīng)答信息、 ADS-B 信息，得到航班標(biāo)牌（A 碼）、2點(diǎn)接收方式確定飛機(jī)或其他運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。由于該系統(tǒng)可以 嚴(yán)重影響多點(diǎn)定位系統(tǒng)的工作效能，帶來(lái)很大的安全隱患。因完全兼容傳統(tǒng)二次雷達(dá)、S 模式二次雷達(dá)和 ADS-B 下行數(shù)據(jù)此迫切需要提高系統(tǒng)的抗干擾能力。傳輸鏈路，可以接收和解碼飛機(jī) A 模式代碼和 S 模式地址，因 2）多點(diǎn)定位詢問(wèn)發(fā)射問(wèn)題而具備目標(biāo)標(biāo)識(shí)能力和高精度定位能力。主動(dòng)式多點(diǎn)定位系統(tǒng)涉及到詢問(wèn)發(fā)射， 如何控制詢問(wèn)發(fā)射，并處理好與二次雷達(dá)之間的相互干擾是需要考慮解決的問(wèn)題。 與場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)相比，該技術(shù)的特點(diǎn)在于：

10、3）多點(diǎn)定位站址選擇問(wèn)題 （1）充分利用機(jī)載現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答機(jī)，而無(wú)需加裝其他機(jī) 多點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)面監(jiān)視需要在場(chǎng)面建設(shè)多個(gè)遠(yuǎn)端接收載導(dǎo)航設(shè)備完成定位監(jiān)視； 站，特別是對(duì)于大型機(jī)場(chǎng)，可能需要布置 20 個(gè)，甚至 30 個(gè)以（2）兼容 ADS-B 技術(shù)；上站點(diǎn)，這對(duì)站址選擇來(lái)說(shuō)是個(gè)重要問(wèn)題。因?yàn)榻ㄕ旧婕暗綑C(jī)（3）數(shù)據(jù)更新率高；場(chǎng)所有相關(guān)單位，例如空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司等。如何進(jìn)行選（4）與現(xiàn)有場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)相比，系統(tǒng)成本低。址和環(huán)境保障是系統(tǒng)工程建設(shè)將面臨的問(wèn)題。（5）系統(tǒng)監(jiān)視覆蓋無(wú)盲區(qū)，定位精度高。 4）多點(diǎn)定位數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題（6）系統(tǒng)具有目標(biāo)標(biāo)識(shí)能力；多點(diǎn)定位系統(tǒng)由于多站分布布局方式，站點(diǎn)可能建設(shè)在導(dǎo)

11、（7）體積小， 站點(diǎn)配置靈活， 系統(tǒng)監(jiān)視覆蓋范圍適應(yīng)性強(qiáng)。航臺(tái)站、塔臺(tái)、航站樓以及機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面其余建筑物上，需要考慮接收站天線為沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單全向天線，且接收站處理簡(jiǎn) 保障站點(diǎn)和中心站的數(shù)據(jù)通信，特別是一些已建設(shè)機(jī)場(chǎng)，并沒(méi)單，可以實(shí)現(xiàn)輕型、小型化。 有專用有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，如何進(jìn)行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸成為待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。 多點(diǎn)定位系統(tǒng)待解決的技術(shù)問(wèn)題多點(diǎn)定位技術(shù)國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀 隨著國(guó)內(nèi)外多點(diǎn)定位系統(tǒng)的大量應(yīng)用，多點(diǎn)定位也面臨一些待解決的問(wèn)題。下面就多點(diǎn)定位技術(shù)領(lǐng)域面臨的幾個(gè)主要問(wèn) ICAO， 美 國(guó) FAA、Eurocontrol 、Eurocade等 民 航 國(guó) 際題進(jìn)行分析。組織和地區(qū)組織已經(jīng)將多點(diǎn)

12、定位技術(shù)和系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視系1）系統(tǒng)抗干擾問(wèn)題統(tǒng)進(jìn)行推薦，并制定了一系列相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展規(guī)劃，組織了一系列的驗(yàn)證評(píng)估試驗(yàn)工程（歐洲 1995-1999 年進(jìn)行在高密度的機(jī)場(chǎng)，大量飛機(jī)如果以每秒幾十個(gè)脈沖同時(shí)發(fā)DEFAMM DEMO 工程， 2000-2001 年進(jìn)行 BETA 工程，美國(guó)射應(yīng)答信號(hào)，多點(diǎn)定位接收機(jī)采用的全向天線將全部接收到這FAA 2000 年進(jìn)行 RIRP 工程項(xiàng)目）。一些國(guó)家已經(jīng)部署其應(yīng)些信號(hào)，再加上多徑和反射等效應(yīng)，如果不采用抗干擾措施， 用系統(tǒng)（捷克已就在其全境部署多點(diǎn)定位空域監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)進(jìn)行多點(diǎn)定位系統(tǒng)將無(wú)法工作。干擾對(duì)定位和解碼的破壞性作用，圖 3 多點(diǎn)定位系統(tǒng)運(yùn)

13、行示意圖3中國(guó)民航多點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用國(guó)內(nèi)首都機(jī)場(chǎng)已經(jīng)布置一套多點(diǎn)定位系統(tǒng)，用于 3 跑道平行跑道監(jiān)視和終端區(qū)監(jiān)視。該系統(tǒng)為主動(dòng)式監(jiān)視系統(tǒng)，其中場(chǎng)面布置了多套接收站、發(fā)射站和基準(zhǔn)站，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)面三條跑道、滑行道和機(jī)動(dòng)飛行區(qū)的全部監(jiān)視。此外，廣州白云機(jī)場(chǎng)、上海虹橋機(jī)場(chǎng)及西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)正在進(jìn)行多點(diǎn)定位系統(tǒng)的建設(shè)。 民航局第二研究所 2009 年就已突破了多點(diǎn)定位系統(tǒng)關(guān)鍵圖 4 多點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖技術(shù)，并獲得了 2009 年民航局科技一等獎(jiǎng)，其多點(diǎn)定位系統(tǒng) 應(yīng)用驗(yàn)證）。已經(jīng)在成都雙流機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面及周邊終端區(qū)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證 3 年以上。民航二所的多點(diǎn)定位系統(tǒng)已在桂林機(jī)場(chǎng)開展了多點(diǎn)定位國(guó)際上主要的多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)的生產(chǎn)商為 ERA 公司、示范驗(yàn)證工程，系統(tǒng)建設(shè)已全部完成，監(jiān)視數(shù)據(jù)已送至管制Sensis公 司、 THALES 公 司、 Rannoch 公 司 和 Roke Manor部門進(jìn)行試用。公司，這些生產(chǎn)廠商主要來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、加拿大（供圖：民航二所科研中心）和捷克。美國(guó)的 Sensis公司等研制開發(fā)的多點(diǎn)定位系統(tǒng)，已由 FAA 批準(zhǔn)在美國(guó)近 30 個(gè)機(jī)場(chǎng)試用，并出口到包括歐洲、亞洲的多個(gè)國(guó)家；英國(guó) Roke Manor Research 公司采用多點(diǎn)定位技術(shù)開發(fā)了 vigilance 系統(tǒng)。捷克 ERA 公司采用該技術(shù)開發(fā)了 VERA 系列監(jiān)視系統(tǒng)，包括用于場(chǎng)面