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

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1、Air Traffic Management/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 (multilateratio

2、n surveillance sys -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

3、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/

4、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

5、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Multilateration technology and its application in Beijing Capital International Airport华北空管局 曾思弘通信导航监视 /CNS13号,中央处

6、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

7、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

8、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;

9、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,

10、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

11、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

12、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Air Traffic Management/2010(11若干分布在不同位置的收发信台点 构成,

13、 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 1/101/2。 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

14、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 20202025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

15、 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

16、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 10k