机场场面监视技术的比较及发展

中国西部科技 ２０１０年０１月（上旬）第０９卷第０１期总第１９８期机场场面监视技术的比较及发展张 睿 孔金凤（中国民航飞行学院空中交通管理学院，四川 广汉 ６１８３０７）摘 要：本文主要介绍了现在机场四种主要使用的场面监视技术的工作原理，即一次雷达技术、二次雷达技术、广播式 自动相关监视ＡＤＳ－Ｂ和多点定位系统，并根据它们的工作原理及性能对其进行分析和比较，最后介绍了场面监视技术未 来的发展方向。

关键词：场面监视技术；场面监视雷达；多点定位；ＡＤＳ－Ｂ；Ａ－ＳＭＧＣＳAbstract:This article describes four kinds of technology of surface surveillances in the air traffic management,that is primary radar,secondary radar,automatic dependent surveillance broadcast ADS-B and MDS.According to their principles,we analyze and compare their technology in surveillance.At last this article describes the development of the surface surveillance technology in the future. Key words:Surface surveillance technology;Surface surveillance radar;MDS;ADS-B;A-SMGCS１ 引言 随着经济活动的发展，民用航空的运输量和航班有着显著的增长，同时也加重了空中和地面的交通拥挤。

在地 面上飞机与飞机、飞机与地面车辆发生冲突的可能性便会 成倍地增加，从而使机场的运行效率降低阻碍民航运输的 发展，因此减轻地面交通拥挤程度是提高航班数量的一个 有效方法。

解决该问题可以从两个方面着手：第一，增加 跑道数量，即扩大机场的运行规模。

第二，运用先进的场 面监视技术，解决潜在冲突安全隐患，提高机场运行效 率。

但是第一种方法需要大量的资金和土地，而且建设的 周期长，而第二种方法通过提高场面监视性能，使机场以 最大的容量有序、快速地运行。

现在使用的场面监视技术 主要有一次雷达和二次雷达，随着监视技术的发展，多点 定位监视和广播式自动相关监视ＡＤＳ－Ｂ逐步开始在大型机场 使用。

２ 场面监视技术的原理 ２．１ 一次雷达场面监视雷达一次雷达系统是脉冲雷达，脉冲雷达连 续发射射频脉冲，在不发射的间隔期间，接收回波信号， 并利用发射脉冲与回波信号之间的间隔时间，达到测定目 标距离和方位的目的，一次雷达主要由天线、发射机、接 收机、信号处理机和终端设备组成。

雷达是根据接收到目标的回波来发现目标和测定目标 的位置的，定义雷达所在地为坐标原点Ｏ，通过极坐标系统 则目标Ａ可用斜距ｒ，方位角β和仰角ε三个量来表示，那 么目标Ａ的高度Ｈ，水平距离Ｄ和斜距ｒ及仰角ε的关系为： Ｈ＝ｒｓｉｎε；Ｄ＝ｒｃｏｓε。

因此对目标定位就是对目标进行测 距和测角，即测定目标的斜距ｒ和两个角度（β和ε）。

为了测定目标的斜距ｒ，雷达准确测量从电磁波发射时 刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。

根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为： ｒ＝ｃｔ／２（ｒ：目标距离，ｔ：电磁波从雷达到目标的往返传 播时间，ｃ：光速）。

雷达测定目标的方位角β和仰角ε是利用天线的方向 性来实现的。

通过机械和电气上的组合作用，雷达把天线 指向雷达要探测的方向，一旦发现目标，便可根据收到回 波信号的幅度强弱来决定被测量目标和方向。

２．２ 二次雷达二次雷达由地面询问雷达发射一定模式的询问信号， 装在飞机上的应答机收到这个模式询问信号后，经过信号 处理、译码，然后由应答机发回编码的回答信号。

地面雷 达收到这个回答信号后，经过信号处理，把装有应答机的 飞机代码、高度、方位和距离显示在平面位置显示器上。

从上面二次雷达的工作方式可以看出，二次雷达系统 由两部分组成：地面询问雷达和机载应答机。

地面询问雷 达机主要由二次雷达天线、发射机、接收机、信号处理设 备和雷达显示终端组成，发射机按照所需的询问的模式发 射脉冲信号。

发射机发射的询问信号为脉幅调制（ＰＡＭ）信 号，询问脉冲由三个脉冲组成，即Ｐ１、Ｐ２和Ｐ３脉冲。

Ｐ１、 Ｐ３脉冲为询问信息脉冲，由３６０°旋转波束定向发射；Ｐ２脉 冲为抑制旁瓣脉冲，由全向天线发射。

Ｐ１、Ｐ２脉冲间隔恒 为２μｓ，Ｐ１、Ｐ３脉冲间隔决定了二次雷达的模式：Ａ模式：时间间隔为８μｓ，用来识别空中飞机代号。

Ｂ模式：时间间隔为１７μｓ，用来识别民航飞机代号。

Ｃ模式：时间间隔为２１μｓ，用来识别飞机高度。

Ｄ模式：时间间隔为２５μｓ，未分配。

在应答机接收到二次雷达的有效询问信号后，机载应 答机在Ｐ３之后的３μｓ立即发出回答编码信号。

回答信号的 编 码 由 八 进 制 的 四 组 （ Ａ Ｂ ＣＤ） 和 Ｘ （ Ｘ 脉 冲 在 将 来 扩 展 时收稿日期：２００９－１１－２４ 修回日期：２００９－１２－１８ 作者简介：张睿，中国民航飞行学院空中交通管理学研究生，研究方向是空中交通管理。

34开发应用用）共１３个脉冲组成（Ｃ１ Ａ１ Ｃ２ Ａ２ Ｃ４ Ａ４ Ｘ Ｂ１ Ｄ１ Ｂ２ Ｄ２Ｂ４ Ｄ４），这些脉冲排在帧脉冲Ｆ１和Ｆ２之间的２０．３μｓ间隔中。

在场面监视雷达中，一般只用Ａ模式和Ｃ模式轮流询问（即Ａ／Ｃ模式二次雷达），这样就能在雷达显示屏幕上显示目标飞机代号和高度。

２．３ 广播式自动相关监视ＡＤＳ－ＢＡＤＳ－Ｂ通过先进的地空／空空数据链为通信手段，以先进的导航系统及其他机载设备产生的信息为数据源，通过对外发送自身的状态参数，并接收其他飞机的广播信息，达到飞机间的相互感知，实现对周边空域交通状况全面详细的了解。

因而可以使在机场地面活动的飞机车辆之间保持安全间隔，起到场面监视作用。

ＡＤＳ－Ｂ系统 由 地 面 站 和 机 载 设 备 构 成 ， 机 载 设 备 由ＧＰＳ接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器构成，通过高速数据链对地面站进行通信，以网状、多点对多点方式完成数据双向通信。

ＡＤＳ－Ｂ机载设备可向外发送的监视数据有：呼号、飞机类型、三维位置、三维速度、飞机转向标识以及其他各种信息。

由于ＡＤＳ－Ｂ向外发送的数据多，因此支持ＡＤＳ－Ｂ的数据链应该具备信道容量大、传输速率快且具有广播模式等特点。

因此满足以上要求的有三种数据链：即二次雷达Ｓ模式 超 长 电 文 （ １０９０ＥＳ） 、 ＶＤＬ－４和 ＵＡＴ（ 通 用 访 问 收 发机）。

对于三者数据链的选择，１０９０ＥＳ技术已经成熟并可供使用，该技术已经获得了批准的全球无线电频谱而且现在空客波音飞机的机载设备都适合１０９０ＥＳ电报播发功能，这样避免了地空数据链开发上的浪费大量金钱和人力，所以选择１０９０ＥＳ支持短期ＡＤＳ－Ｂ应用是最佳的方案；由于ＵＡＴ上行链路容量大，考虑用它为通用航空提供ＡＤＳ－Ｂ数据链路。

欧洲国家空中交通服务研究所在英国希思罗机场对ＶＤＬ－４数据链在场面监视上的性能进行了测试， 测试结果表明ＶＤＬ－４性能最优。

在三种数据链中，只有ＶＤＬ－４有能力支持场面监视。

２．４ 多点定位监视系统多点定位监视系统是国外提出的一种针对航路、终端区域、机场附近的新型监视技术。

基于应答机的多点监视系统，使用多个接收机捕获应答机脉冲并计算位置和标识。

通过地面接收机，可以精确地对机场场面和周围地区的移动和静止的飞机和汽车等进行监视。

系统主要由安装在机场地面多个接收机、飞机或车辆上的应答机和目标处理单元组成。

多点定位监视系统的具体原理为：假设当前飞机的位置为（ｘ，ｙ），机场上某２个接收机的位置为（ｘ１，ｙ１）和（ｘ２，ｙ２），那么飞机距这２个接收机的位置为：ｄ１＝；ｄ２＝所以飞机应答机信号到达这２个接收机的位置时差为（Ｃ为光速）：Ｔ＝＝由于上式在二维空间表示一条曲线，所以为了确定飞机的位置，还需要另外一个接收机，这样可以构成另外一 个位置时差函数，这样在二维空间里可以有两条曲线，取 这两条曲线的交点坐标，便计算出飞机的位置。

但是两条 曲线的交点可能有２个，为了计算更准确，可能需要增加更 多的接收机，因此对于机场平面的接收机布设数量，最少 需要３个点。

由于系统需要计算出准确的时差才能准确地实现定位 功能，所以需要较高的同步时间，多点定位监视系统采用 了ＧＰＳ和校正应答机相结合的方式来实现时间同步，方法 为：校正应答机从ＧＰＳ卫星上获取标准的时间信号，所有的 地面接收机时钟均通过监测校标机发射的信号来实现与目 标处理单元的同步。

３ 场面监视技术的比较通过上面对场面监视技术原理的描述，可以得到他们 各自的特点：一次雷达技术的特点：可在雷达屏幕上用光点提供飞 机的方位和距离，不管飞机是否装有应答机，都能显示。

一次雷达的缺点：必须要辐射足够大的能量电平，才能接 收到远距离目标反射的信号；除了飞机以外，其他固定目 标也将显示，干扰了目标的显示；不能对飞机进行自动识 别和显示飞机的高度；雷达回波存在闪烁现象。

二次雷达的特点：定位方式采用询问应答的方式，通 过数据链技术进行信息的发送和接收，因此发射功率小， 干扰的杂波较少，不存在目标的闪烁，能提供与飞机很多 相关的信息。

二次雷达的缺点：应答机的工作负荷大，询 问中可能存在同步和非同步串扰，由于飞机的机动飞行， 可能造成回波的暂时中断。

ＡＤＳ－Ｂ的特点：数据更新率快，刷新率为每秒１次；比 二次雷达传递的信息更多；目标位置精度高，建设和使用 成本远低于基于二次雷达的监视系统，但是飞机和车辆上 必须加装ＡＤＳ－Ｂ应答机。

多点定位监视技术的特点：充分利用机载现有标准应 答机，而无需加装其他机载导航设备完成定位监视；兼容 ＡＤＳ－Ｂ技术；数据更新率高，在某些重点监视区域，可以手 动设置更高的刷新率；系统成本低，与现有的ＳＳＲ雷达系统 以及场面监视雷达相比较，其投资成本不到１／３；定位精度 高，广域空中定位精度５０ｍ以内，地面定位精度可达１０ｍ以 内；具有目标标识能力。

通过对上面监视技术的比较，不同类型机场可采用不 同的监视技术。

对于大中型机场可以采用场面监视雷达和 ＡＤＳ－Ｂ或多点定位监视相结合的手段，这样监视性能，准确 性和可靠性都最好；对于小机场，可以直接采用ＡＤＳ－Ｂ或者 多点定位监视技术进行场面监视，与建立场面监视雷达相 比，可以节约大量费用，而且满足场面监视的要求。