面向低空飞行安全监视的ADS-B地面站空间布局规划方法

覃 睿，史娅琪，王明科

(1.中国民航大学 通用航空学院，天津 300300； 2. 中国民航大学 经济与管理学院，天津 300300； 3. 民航重庆安全监督管理局 机场处，重庆 401120)

0 引 言

防止通用航空器非法侵入禁/限飞区、危险区，提供高效可靠的告警与协助救援服务，是通用航空飞行服务体系的核心功能。广播式自动相关监视(ADS-B)技术是实现低空空域(报告、监视、管制空域)合作目标有效、可靠、灵活监视的重要技术手段，能在空防安全、飞行安全能力等方面发挥重要作用，且投资成本较低,是军民航管制部门大力推广应用的监视新技术[1-2]。目前，区域性的ADS-B地面站布局建设尚处于探索阶段，局部地区ADS-B地面设施布局主要依赖工程实施方实地考察，不仅建设成本较高、效率低，而且常因对地形地貌分析不够准确而出现监视信号覆盖不能满足需要的情况。

目前关于ADS-B地面站空间布局研究尚需深入，与之类似的研究是移动通信基站空间布局研究，主要算法有集合覆盖布局算法、禁忌搜索布局算法、基于聚类分解的分层算法等[3-4]，以及对特定区域移动通信站址布局进行合理性评估[5]。相较于移动通信基站，ADS-B系统是集通信与监视于一体的，主要实现冲突探测、避免和解决等功能。因此，建设飞行服务体系的ADS-B地面站空间布局要充分考虑地形及航空器最低飞行安全高度等。为区域ADS-B地面站空间布局提供可靠依据，降低布局规划及建设成本，笔者提出一种区域性ADS-B空间布局规划算法，并以重庆飞行服务体系建设中的ADS-B空间布局规划为例进行算法验证，以期为相关区域ADS-B地面站布局规划提供参考。

1 ADS-B地面站布局的一般原理

ADS-B地面站空间布局规划要综合考虑ADS-B地面站信号覆盖特征、低空空域划设、规划区域的地形地貌特征、现有监视覆盖以及军民航机场、仪表航路、管制区、禁区、限制区和城市居民区的分布等因素。根据相关规定，监视信号应当覆盖低空管制和监视空域，因此低空空域划设决定监视需求。另外，由于飞行服务和空中交通管理是以管制(分)区为边界，因而监视的覆盖分析与建设还应当考虑管制(分)区的边界。至于军航机场、民航运输机场、仪表航路、禁区、限制区和密集居民区，除紧急情况外，禁止通用航空飞行，因而这些区域也需要监视。现实中，这些区域通常都是监视良好的区域，因而无需再布设监视设施。由此，ADS-B地面站的布局，主要根据规划区域地形地貌分析ADS-B信号覆盖情况来进行布局规划。

地形遮蔽始终存在，不可能做到低洼地带无缝监视，也没有必要。为此，通过设置最低监视高度来确保当飞机到达最低监视高度之上时能够立即被探测到即可。此外，ADS-B地面站的设置，还应该遵循最少数量、最大覆盖原则，以节约成本；ADS-B监视信号应当覆盖仪表航路、运输机场、禁飞区、限飞区和密集居民区；基站应当选择在交通便利、靠近电源的地方，或可以因地制宜安装在现有塔台或通信塔上；半径450 m范围内，不应当有金属建筑物、高压线、密集居民楼[6-7]。鉴于ADS-B监视距离与仰角及地形相关，因此设施布局是一个递归求精的过程。为此，下面重点阐述基于地形地貌布局ADS-B地面站的基本原理。

1.1 ADS-B信号覆盖基本模型

ADS-B是基于视线信号传递的，易受高大山脉阻挡而致使信号遮蔽。图1给出了信号覆盖分析的方法。图1中，rmax是ADS-B信号传输的最大水平距离，hmin和hmax分别最低安全高度和通用航空器飞行上限，ho和hs分别为基站位置的标高和基站天线的净高，hc为控制障碍物的标高，θ为遮蔽角，d为基站距离控制障碍物的距离。其中，rmax与ADS-B发射功率、天线仰角等因素有关，具体如式(1)：

(1)

式中：Pt为发射功率；Gt(α)为发射天线增益；α为天线仰角；Gr为接收天线增益；Pr为接收功率；LΣ为各项损耗之和。

图1 监视信号覆盖分析Fig. 1 Monitoring signal coverage analysis

则遮蔽角θ为

(2)

如果dl=[hmin-(ho+hs)]/tanθ

1.2 ADS-B地面站布局原理

理论分析表明，不考虑地形影响时，ADS-B覆盖距离随仰角θ的变小呈震荡式、负指数衰减。通用航空器飞行高度较低，仰角小，因而ADS-B站的覆盖范围主要受地形遮蔽影响。

为了增加覆盖范围，选择地形至高点作为基站位置能够得到最大覆盖范围。由于通用航空主要监视范围为低空空域，因此最低监视高度hmin高于地形遮蔽高度ha时，满足地形遮蔽需求，可以用ADS-B站在最低监视高度上的最大辐射距离来估计其覆盖范围(图2)。

图2 最低监视高度高于地形遮蔽的监视信号覆盖Fig. 2 Minimum monitoring height higher than monitoring signal coverage with terrain masking

当最低监视高度hmin低于地形遮蔽高度ha时，就需要在产生信号遮蔽区域的地形次高点增设ADS-B站，以消除地形遮蔽区(图3)。通用航空器通常在真高1 000 m或标高3 000 m以下飞行，因而地形遮蔽是监视设施选址主要考虑的问题。值得注意的是，由于ADS-B监视距离与仰角和地形均有关系，因此布局问题通常是一个递归求精的过程。

图3 最低监视高度低于地形遮蔽高度的监视信号覆盖Fig. 3 Minimum monitoring height lower than monitoring signal coverage with terrain masking

2 ADS-B地面站空间布局规划的算法实现

在特定区域内进行ADS-B空间布局规划，首先应在区域地形分析基础上将规划区域划分为若干高度标准差较小的分区，并结合数字高程信息和每个分区情况，确定规划区域的凸剖分，然后确定每个子规划域的ADS-B设施布局方案，最后进行完善。具体步骤如下：

步骤1：地形分区

根据规划区内的总体地形分布特征，按照地形至高点的高度差标准差较小原则，将规划区域划分若干分区。一般认为，只有仪表安全高度之上才是需要监视的区域，因而设置“地形至高点真高+300 m”为最低监视高度。因此应在每个分区按照该标准计算出每一分区的仪表飞行最低安全高度，作为该分区的最低监视高度。

步骤2：确定规划区域的凸剖分

1)结合数字高程信息，对现有监视设施进行信号覆盖分析，确定最低监视高度上所有存在信号遮蔽或超出基站覆盖范围，且确有监视需求的各多边形子区域的凸包裹边界Ω1，如图4(a)。

图4 监视设施布局子规划域确定Fig. 4 Determination of monitoring facilities distribution

步骤3：确定所有子规划域ADS-B地面站布局方案

1)确定设施选址地点集合

式中：(φk,λk,hk,dk)表示pk的纬度、经度、标高和可视半径；dk为在pk设置ADS-B站时的可视距离(当dk≥rmax时，令dk=rmax，rmax为ADS-B站无遮蔽时的最大覆盖范围)。

(3)

(4)

s.t.：对于任意两相邻的基站位置pk和ps，有：

(5)

式中：目标(3)表示设施数量最少，目标(4)表示覆盖范围最大，约束(5)表示Ω内全覆盖。

步骤4：完善ADS-B设施方案

1)如果设施选址点距离通信塔较近，可以将ADS-B地面站天线安装在通信塔上。

3 算例验证

重庆市是国家低空空域管理和通用航空综合配套改革试点的省市，在积极探索通用航空飞行服务体系建设路径，且其境内有多种地形地貌，较为典型。为此，以重庆市飞行服务体系规划建设中的ADS-B地面站空间布局为例来验证说明上述ADS-B空间布局规划方法的有效性和可行性。

3.1 重庆市ADS-B地面站布局方案

重庆地处四川盆地东南丘陵山地区，地形状态组合的地区分异明显：华莹山—巴岳山以西为丘陵地貌，华莹山至方斗山之间为平行岭谷区，北部为大巴山中山地形，东部、东南部和南部属巫山大娄山山区[8]。由于重庆东北部城口、巫溪、巫山、奉节部分地区、石柱、彭水以及万盛与南川南部部分地区地形分布较为均匀，西部平行岭谷地带地形分布较为均匀，中部东北西南走向的山脉地势有别于其他区域，西南部属于地势较高的平行岭谷地形，因此根据每一分区的地形起伏较小原则，将重庆地区划分为5个设施布局区域(图5)。

图5 重庆地形划分Fig. 5 Terrain division in Chongqing

目前，重庆市行政区划内已布局6套ADS-B地面站(表1)。

表1 重庆现有ADS-B地面站相关信息Table 1 Information about existing ADS-B station in Chongqing

考虑现有空管监视系统，将重庆低空空域主要分为3类：①具备完整的雷达和ADS-B信号1 000 m双重覆盖，低空通信与保障能力较好的低空空域，主要覆盖重庆主城区、永川、梁平、万州、长寿、忠县、铜梁县、涪陵、长寿、江津、璧山、垫江等；②具备局部的雷达或ADS-B信号1 000 m覆盖，低空通信与保障能力一般的低空空域，主要覆盖开县、万盛经开区、南川区、潼南县、云阳县、彭水县、合川区、荣昌区、丰都县、綦江区等；③目前不具备雷达或ADS-B信号1 000 m 覆盖，低空监视与保障能力基本没有的低空空域，主要涵盖酉阳县、城口县、巫溪县、奉节县、石柱县、秀山县等。

结合数字高程信息以及现有ADS-B地面站信号覆盖，在重庆行政区划范围内确定出5个子规划域(表2)。其中，奉节县城所在地以西和以东分属于子规划域3和4；武隆仙女山和黔江千灰梁子由于距离较近、高程差仅100 m，且黔江千灰梁子以西5 000 m即跨越了重庆飞行管制分区，以及对规划域1北部地区的覆盖，因此予以重点考虑(具体略)。

表2 重庆有关区县及其最高海拔处Table 2 Highest altitude of relevant counties in Chongqing

应用步骤3)中方法，对每个子规划域进行分析发现，重庆行政区划范围内应在现有6个ADS-B地面站基础上至少要新增6个ADS-B地面站(表3)。其中，每个子规划域至少布设1个，总共需要新增布局5个，方能实现各子规划在最低飞行安全高度以上实现全覆盖。另外，由上述分析可知，由于黔江千灰梁子的特殊地理位置，尤其黔江现有ADS-B海拔高度(671 m)所限，以及黔江城区以东的ADS-B信号覆盖问题，需要在黔江的千灰梁子主峰上新布设ADS-B,以实现黔江地区全覆盖。

表3 重庆行政区划范围内需新建ADS-B选址Table 3 Location of new ADS-B station within Chongqing administrative division

3.2 ADS-B信号覆盖仿真结果

利用WirelessMon软件对新增布局后的ADS-B地面站信号覆盖仿真表明，新建6个ADS-B之后，重庆行政区划范围的12个ADS-B在海拔1 500 m(平均海拔高度)以上基本实现全境覆盖(图6)。海拔600 m时，重庆主城区(平均海拔300～400 m)及其周边平行岭谷地带(平均海拔400～600 m)90%地区完全覆盖。其中，平行岭谷的北部地区由于其海拔大多在500 m以上，飞机最低安全高度通常在800 m以上，因而可以认为已经全部覆盖。在海拔900 m时，中西部平原地区、平行岭谷地带全部覆盖。

图6 重庆ADS-B布局在不同高度层的信号覆盖情况Fig. 6 Signal coverage at different heights based on Chongqing ADS-B distribution

海拔1 200～1 500 m之间，覆盖范围进一步扩大，南部山区地形超过1 300 m的区域未能全部覆盖，主要受到地形遮蔽，但由于覆盖高度低于最低安全高度，因此实现了全覆盖；当海拔2 100 m，除了北部山区极小部分区域受海拔超过2 300 m的地形遮蔽外，重庆地区实现了全部ADS-B信号覆盖。因此，在3 000 m以下、飞机能够有效飞行的区域，可以认为当前ADS-B布局下重庆地区全部实现ADS-B信号覆盖。

需要说明的是，上述仿真结果是在包含现有6个ADS-B基础上进行的，但由于现有ADS-B布设点所处海拔都较低，因此新增的6个ADS-B主要针对因地形遮蔽所致信号不能覆盖的地区。由仿真结果可知，新增6个ADS-B不仅实现了重庆全域覆盖，而且由于在各子规划域仅增加一个，从而实现了新增数量最少，使得设备设施投资实现了最少的目标。另外，通过算法仿真模拟作业，免去了现场考察的繁重工作，进而降低了规划工作的前期成本。

4 结 语

对ADS-B地面站进行区域性布局是区域通用航空飞行服务体系建设重要内容，是实现飞行服务体系监视告警和协助救援服务的设施基础。目前区域性ADS-B布局处于探索阶段，现有工程实施中采用的方法不仅成本高，而且难以满足通用航空运行需要。笔者在构建出ADS-B信号覆盖模型基础上，结合规划建设区域内地形地貌和最低飞行安全高度，提出了ADS-B地面站布局规划算法，具体分为地形分区、子规划域凸剖分、确定子规划域布局方案和最终改善完善4个步骤。

笔者以重庆行政区为例，通过地形分析确定子规划域，并以此为基础确定和优化ADS-B布局方案，确定了重庆需新增6个ADS-B，方能实现全域覆盖且投资建设成本最低的ADS-B布局方案。算例验证表明，基于该算法及其仿真的布局方案，不仅能减少规划建设前期工作，降低前期工作成本，而且能为降低布局数量，减少投资提供了有价值的参考。

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