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多点相关定位技术及其在北京首都机场的实施和应用解析
AirTrafficManagement/2010(11
一、背景
北京首都国际机场经历了整整半个世纪的发展,从最初单跑道单航站楼的简单结构演变为3条平行跑道3座航站楼的大型枢纽机场。
在航空流量不断增长的同时,机场结构由简至繁,跑滑结构日趋复杂,管制员对进近终端区域航空器和场区地面活动目标的监视难度不断增加,安全隐患问题越来越明显。
2007年,中国民航决定采用多点相关定位技术(multilateration,MLAT作为对北京首都国际机场现有空管雷达系统的补充和增强。
本期建设的多点相关定位系统(multilaterationsurveillancesys-tem,MSS包含2套子系统,多点相关定位场面监视系统(MSS-A和多点相关定位进近监视系统(MSS-PRM,一套用于对场面目标的监视,另一套用于对终端进近区域空中目标的监视。
2套多点相关定位系统分别融汇于北京首都国际机场A-SMGCS场面监视子系统和北京首都国际机场多跑道平行进近五边监控系统。
系统的建设要达到
2个目标:
(1改善北京首都国际机场现有场面监视系统的覆盖程度和监视精度,满足北京首都国际机场A-SMGCS的系统要求;
(2提高对北京首都国际机场终端区航空器的监视精度和刷新率,满足北京首都国际机场实施平行跑道独立运行的管制需求。
本项目于2008年建成并投产,至今运行平稳,实现了建设目的。
二、多点相关定位技术1.技术简介
随着空中交通流量的日益增加,传统的雷达技术将不能充分地支持先进的空中交通管理概念的执行。
多点相关监视的本质是通过利用与ADS-B相同的地面站架构为ADS-B的实施提供平滑的过渡,同时通过改善的监视技术为空中交通管制提供有效的监视服务。
与一、二次雷达定位原理不同,多点相关定位监视技术是基于信号到达时差(TDOA来计算飞机的位置。
1套多点相关定位监视系统包含有多个地面接收站,用于接收目标发射出的应答信号,如
A/C模式,S模式,扩展的S模式信号等。
当同一组信号被地面上位于不同位置的接收天线接收到时,因为目标与各个接收天线的距离不一样,因此信号到达各个天线的时间也有细微的差别。
这些差别就是信号到达时差(TDOA。
在此基础上借助特定的算法,飞机所处的位置将被精确地计算出来。
多点相关定位监视系统由若干个分布在监视区域附近的信号接收机、询问信号发射机和参考应答机、以及一组中央处理器服务器(CPS组成。
当接收到二次雷达或者其他询问设备发出的1030MHz的S模式或者A/C模式询问信息时,飞机或者地面移动目标(车辆上安装的S模式或者A/C模式的应答机就会自动发送1090MHz的相应的S模式或者A/C模式的应答信号。
信号接收机接收飞机或者地面车辆上所安装的应答机发出的1090MHz的S模式和A/C模式的信号,通过通讯网络传给中央处理器。
当3个以上的接收机接收到某应答机在某一时刻发出的应答信
多点相关定位技术及其在北京首都机场的实施和应用
MultilaterationtechnologyanditsapplicationinBeijingCapitalInternationalAirport
华北空管局曾思弘
通信导航监视/CNS
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号,中央处理器就能利用这些接收机接收信号的时间差计算出该应答机(飞机/地面车辆的位置。
多点相关定位系统有被动和主动之分。
如果1套系统不包括二次雷达信号询问机,这套系统只是被动地接收飞机对其他雷达的回复信号或者自动发出的Squitter信号,因此是被动式的多点定位系统;如果系统中包括二次雷达信号询问机,系统能主动对目标进行A/C/S模式的询问,并利用目标的回复信号进行定位,这是主动式的多点定位系统。
主动式多点定位系统的优势在于能有效灵活地弥补已有二次雷达的覆盖盲区,提供系统全范围的定位性能。
多点相关定位系统有同步系统和异步系统的区别。
同步系统的时标处理是在中央处理器完成的,这种设计需要稳定的传输链路连接远端接收处理单元和中央处理器,在处理器计算目标位置时必须把线路的时延计算在内。
通常情况下,在场区内传输路由有保证的前提下(光缆或专线,为降低系统造价,采用同步系统。
异步系统的时标处理在接收处理单元完成,这种设计方式不用考虑不同的接收处理单元与中央处理器之间因为传输路由材质不同而产生的时延的差异。
在异步系统中,使用了具有时标处理功能的接收处理单元,所有的远端接收处理单元(RU时钟均由时标处理单元进行同步。
异步系统可以不依赖于外部系统参数信息的输入,而是通过校标机提供的时间同步来减小位置估计误差。
多点相关定位系统与二次雷达一样,依赖于目标所载有的二次雷达应答机所发射出来的信号。
因此,1架在地面上滑行的飞机如果其机载应答机没有处于工作状态,多点定位系统是不能侦测到这架飞
机的。
2.多点相关监视的应用领域
(1场面监视
在引进多点相关监视系统之
前,人们采用雷达进行机场场面监
视,被称作机场场面探测设备
(ASDE或者场面监视雷达
(SMR。
但是,人们很快发现,大
型机场的航站楼、机库以及其他障
碍物会阻挡雷达的视线,很多重要
的活动区域难以被雷达信号覆盖
到;机场功能构筑物巨大的金属屋
面对信号的反射会产生大量的假信
号;此外,大雨也会严重影响场面
监视雷达(SMR的性能。
多点相关监视系统布点的灵活
性,能有效地改善场面监视系统的
信号覆盖;其相关性,使管制员不
受天气因素的影响,所得到的位置
精度和目标识别度都大大提高。
随
着机场吞吐量的增长以及场面拥堵
现象的逐渐增加,利用多点相关监
视系统支持的先进的地面活动引导
和控制系统(A-SMGCS平台已
成为全球繁忙机场的建设目标。
(2精密进近
对于有平行跑道的机场而言,
飞机在临近的航线上飞向所被指配
的跑道。
但是相对于传统雷达的扫
描速率和监测精度来说,平行跑道
距离太近,从而导致飞机在仪表飞
行条件下无法实现安全的平行进
近。
于是飞机必须在平行的进近航
道上交错飞行,交错距离必须足够
大,以保证安全,但是这样却降低
了机场的吞吐量。
早期的解决方案
是采用专用的电子扫描雷达,即被
称作精确跑道监控器(PRM,又称
精密进近雷达,该设备允许在相
距约1006m(3000ft的两条跑道
上实施平行进近。
但是,由于该系
统采购、安装以及维修成本太高,
并没有得到广泛采纳。
多点相关监视系统现在被证明是能达到或者超越精确跑道监控系统各项要求的技术,并且成本要低廉得多。
(3广域多点相关监视
很多国家正在利用多点相关监视系统的成本优势,建设广域多点相关监视系统(WAM,以解决对特定区域和特殊航路上飞行器监视的二次覆盖。
对于广域多点相关监视系统(WAM,其地面站分布更加分散,2个地面站之间的距离可以达到100km。
在这些地方,多点相关监视系统可以提供比二次雷达更大的覆盖范围、更精确的目标定位、更低廉的成本和更稳定的运行体系。
在澳大利亚、美国、我国台湾地区、蒙古等国家和地区都有这一技术的应用实例。
一些需要替换已有二次雷达的地方也开始选用多点相关监视系统,比如在亚美尼亚。
成本和性能分析显示,多点相关监视系统具有明显的优势取代早期的二次雷达。
在英国、北欧以及斯堪的纳维亚之间的北海,小型、轻便、低功率的多点相关监视系统被安装在近海钻井平台上,这些系统能提供下至海面的监视性能,可以监视二次雷达不能覆盖的位置。
(4多点相关定位技术在高度监视、机场环境管理和机场运行和收费管理等领域具有突出的应用前景。
3.多点相关监视技术的应用优势
(1精度高、覆盖好。
多点相关监视技术与传统二次雷达相比,能提供更好的覆盖效果、更精确的定位和更高的刷新率,比一次场面监视雷达提供更丰富的信息。
(2分布广、冗余性好。
1套多点相关监视系统由中央处理器和
专业探索通信导航监视/CNS
《空中交通管理》2010年第11期
AirTrafficManagement/2010(11
若干分布在不同位置的收发信台点构成,1个或部分台点不工作不会导致整个系统的崩溃。
各个台点可以通过多种通讯手段与中央处理器通讯,因此中央处理器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,多点相关监视系统要比传统雷达更可靠。
(3低成本、易维护。
1套功能完善、覆盖全面的多点相关监视系统的成本是1套一、二次雷达的1/10~1/2。
在正常工作状态下,多点相关监视系统不需要频繁的检修和保养。
即使出现故障,模块化设计的系统部件很容易更换。
其低成本的特性表明,在复杂地形条件下,多点相关监视系统可以留给工程人员更多解决问题的空间。
(4多点相关监视系统是在ADS-B技术普及之前行之有效的过渡手段。
ADS-B技术是未来空中交通管理系统的关键要素,它的广泛应用至少要等到2020~2025年之间。
ADS-B需要很多年才能完全实现的一个主要原因是在所有的商用飞机上装备基本的发射和接收ADS-B信息的电子设备需要一个规范和认证的过程,并且航空公司需要投入大量资金,这在近期可以说是不可能实现的;另外,由于ADS-B和传统雷达使用不同的技术,将会有一个很长的过渡期。
多点相关监视技术在现有的条件下可以提供与ADS-B类似的监视性能,而且同样能解码显示ADS-B目标;多点相关定位系统独立于ADS-B,可以用作对ADS-B系统的备用和检验手段。
另外,当GPS卫星不可用时,ADS-B将失去定位功能,而多点相关定位系统不会受其影响。
三、多点定位系统在北京首都机场的部署和实施
北京首都国际机场引进的多点相关技术产品为多点相关监视系统(MSS
。
系统集成商为挪威PARKAIR公司和捷克ERA公司生产,包括2个子系统:
场面监视系统(MSS-A和进近监视系统(MSS-PRM
。
整个系统由中央处理单元和32个远端台站组成,其中包括32部收信机、10部发信机和4个参考应答机站点。
场面监视系统为自动化系统提供塔台管制所关注活动目标的位置、识别编码(A码、S模式地址、航班号等二次信息;进近监视系统为自动化系统提供一定范围、一定高度内的飞行器的位置、识别码(A码、S模式地址、航班号等二次信息。
通过安装车载设备,此系统还可实现机场场面车辆的二次信息监视。
1.多点定位场面监视系统(MSS-A
(1需求
首都机场多点相关定位场面监视系统(MSS-A主要用于对塔台管制所关注的活动目标:
即将落地的、刚起飞的和在地面滑行的飞机以及飞行活动区内移动车辆的监视。
要求覆盖的区域包括3条主跑道及其相关的滑行道,机场10km半径以内、地表至海拔高度1000m以下范围。
(2布局
为了达到最优的覆盖效果,多点定位场面监视系统共设有26个地面站点,其中包括27部收信机,8部发信机和4个参考应答机。
(3效果测试结果表明,北京首都国际机场多点相关定位场面监视系统对首都机场飞行活动区内活动目标的
定位精度好于5m,数据刷新率小于1s,其他技术指标都达到或者超过合同要求。
———地面95%目标精度≤7m,99%目标精度≤12m;
———距跑道<4.6km,95%目标精度<20m;———4.6km<目标<10km,95%目标精度<40m。
多点定位场面监视系统(MSS-A
信号已经融汇入北京首都国际机场A-SMGCS场面监视子系统,该系统可以向塔台管制信息界面提供刷新率不大于1s、管制区域内被关注目标(已经安装应答机的目标的全标牌信息。
为管制员对地面活动目标的监视提供了有效的支持。
2.多点定位进近监视系统(MSS-PRM
(1需求
北京首都国际机场多点相关定位进近区域监视系统(MSS-PRM覆盖范围包括首都机场南面55km,北面45km,东西各10km的狭长区域。
监视高度为南面从地表到海拔3000m,北面从地表到海拔2700m。
(2布局
进近区域监视系统共包括7部收信机,4部发信机。
7部收信机分别安装在首都机场塔台、西山、蟒山、北房、三河和雾灵山。
4部发信机有2部安装在首都机场塔台,另外2部安装在西山电台和三河导航台。
(3效果
进近区域监视系统实施以后进行的测试结果表明,多点相关定位系统的刷新率小于1s,对机场25km范围内的飞行器移动目标定位精度达到7.51m,25km范围外达到17.24m。
其他技术指标也达到或超过合同要求。
(下转第66页
通信导航监视/CNS
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(上接第15页
目前,本系统信号已经融汇入北京终端区五边监控系统,进入承担北京终端区五边监控管制任务的试用运行阶段。
3.用户意见
多点定位场面监视系统在北京首都机场刚刚投入使用的一段时间内,相当数量的飞机有目标丢失现象。
经了解是飞机在落地以后飞行员很快就关闭了应答机,或者飞行员仅在上跑道起飞之前才打开应答机,因此多点定位系统无法监视飞机在场面滑行的过程。
在了解了应答机对场面监视的重要性之后,管制员现在已经要求飞行员在起飞前离开停机位即开启应答机,落地飞机在到达停机位后才关闭应答机,这样管制员可以对飞机在地面的活动进行全程监控。
四、进一步的探讨和建议最近几年,人们不再过度强调系统的具体特征,而是以性能为基础来重新整合空管设施建设。
多点相关监视作为这一理念的典型技术,正在以很快的速度被空中交通管制体系所接纳。
随着国民经济的持续发展,民航系统在未来数年内将继续承受不断增长的航班压力,现有的管制能力和飞行安全将面临严峻的挑战。
在这种背景下,推广多点相关定位
技术在民用机场的应用,对改善监
视精度、提高空中交通管制能力是
有益的。
北京首都国际机场多点相
关定位系统的实施和应用,证实了
多点相关定位技术的先进性和可行
性,对多点相关定位技术进一步在
全国其他机场的推广有积极的借鉴
意义。
多点相关定位技术用于空中交
通管制,可以在无法部署航管雷达
的地区为航空器提供优于雷达间隔
标准的虚拟雷达管制服务,实现较
大区域内的飞行动态监视;在雷达
覆盖地区,能以较低代价改善并增
强雷达系统监视能力。
国内大型机场采用多点相关定
位系统与已有的一、二次雷达融
汇,可以改善对场面和进近区域的
监视效果;繁忙航路和终端区主要
以雷达监视为主,用多点定位系统
作为补充监视手段;对一些地形条
件复杂,非繁忙的终端管制区域,
可以研究越过二次雷达,直接采用
多点相关定位系统提供对管制区域
连续的二次覆盖;没有配备一次场
监雷达的中小型机场,则可以有条
件的依靠单一的多点相关定位系统
提供对场面目标的监视,包括对车
辆的监视。
适时进行采用多点相关定位技术对西部非繁忙航线实施二次覆盖的研究试验工作。
过去,空域的覆盖需求取决于传统二次雷达的性能,监视手段的局限性往往要求牺牲覆盖范围。
多点相关监视系统不存在这些局限性。
多点相关监视技术能量身定制完全符合管制应用的覆盖需求,以低廉得多的成本,提供与二次雷达相当甚至更优的监视性能,利用与
ADS-B相同的地面站架构为ADS-
B提供平滑的过渡,通过改善的监视技术为空中交通管制提供有效的监视服务。
因此,多点相关监视系统不仅被看作是能增强空域利用率以及运行效率的有效工具,也能带来可观的经济效益和操作的灵活性。
同时,由于多点相关定位技术是对现有SSR应答器的向后兼容,也是对ADS-B技术的向前兼容,可以提供现在和将来的全机型覆盖——
—不依赖于飞机装备的改装速度。
应该注意的是,多点相关定位技术是传统雷达监视体系与自动相关监视体系之间的一项过渡技术,在项目推广和应用的过程中,要充分考虑其产品构架和技术周期的特殊性。
(张远晖编校
接入信号开始工作,终端开始显示目标。
7月6日用户开始介入观察,完成雷达信号的比对及优化。
双通道设备通过验收,正式投入使用
7月9日,由民航贵州空管分局相关职能部门及南京恩瑞特实业有限公司共同派代表组织验收,形成报告如下:
在我方技术人员与贵阳机场技术保障部和雷达站相关人员的通力合作下,顺利完成了国产二次
DLD-100C雷达设备替代原有西屋
二次雷达部分设备的大修技术服
务,主要工作内容包括:
完成了雷
达主机设备双通道冗余热备份;完
成了双路角编码器输入;完成了双
路通讯服务器;针对西屋二次雷达
天线存在多处旁瓣击穿导致假目标
产生的现象,采取了多种技术手段
对产生的假目标进行抑制处理,目
前国产二次雷达设备的假目标出现
概率已明显降低,时至今日,完成全部调试工作,二次雷达设备进入连续运行阶段。
验收组认为:
贵阳二次雷达通过上述大修技术服务,设备运行稳定、目标信号连续、雷达作用距离覆盖满足空管监视的需求,雷达已达到投入正式使用的要求,达到技术合同要求,验收合格。
空管
文化
纪事
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《空中交通管理》2010年第11期
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