耿文博，董 兵

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉6 183000）

自民航局印发《通用航空发展“十三五”规划》以来，我国通用航空产业在国家战略形势的促进下高速发展。根据2021 年6 月中国民用航空局发布的《2020年民航行业发展统计公报》，截至2020 年底，获得通用航空经营许可证的通用航空企业523 家；通用航空在册航空器总数达到2 892 架；新增通用机场93 个，全国在册管理的通用机场数量达到339 个。

根据近几年的通用航空发展情况（图1）可以看出通用航空企业和通用机场数量在稳步增长。结合当前政策形势可以预见未来中国通用航空产业将快速增长。由此将使得空域需求变得紧张，通用航空产业快速增长对安全飞行、空域利用以及运行效率都提出了更高的要求，针对通用航空的特点为其配备相应的监视系统势在必行。

图1 通用航空发展情况

国际民航组织于第十一届航行大会确定ADS-B技术为全球新航行技术的主要发展方向。ADS-B 作为新监视技术的代表，因其定位精度高、更新频率快、系统构成简单、部署和维护成本低而受到重视和推广[1]。我国的ADS-B 技术应用在民航局的政策和标准引导下，绝大多数航空器已加改装完成，配备了1 090 MHz扩展电文（1090ES）ADS-B OUT 机载设备。在B213 航路、B330 航路、中国南海以及各机场的应用中积累了丰富的经验且ADS-B 设备已经实现产业化。

本文针对通用航空运行特点和监视需求对比分析了几种主要监视手段，确定了以ADS-B 技术为通用航空监视系统的核心。在以ADS-B 为核心的基础上结合多源数据融合技术规划了可靠性高、拓展性强、覆盖全面的通用航空监视系统，为通用航空监视系统的建设与布局理清了思路。

1 通用航空监视系统需求

通用航空是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，通常使用1 000 m 以下的低空空域[2]。通用航空相较于运输航空具有单位体量小，产业链构成复杂的特点。我国低空空域环境复杂，高大建筑物、自然山体、气象条件、空域结构等都加大了低空飞行的难度。通用航空飞行在操纵方法和管制规则上也较为混乱，缺乏行之有效的统一标准，各类航空器在同一空域的协同运行效率低下，这对通航低空飞行安全性造成威胁。通用航空监视技术应用面临着众多影响因素，也决定了监视系统必须符合通用航空的特点，满足通用航空的监视需求。

1.1 运行环境复杂

随着我国低空开放的力度加大，通用航空在诸如救援、观光、航拍、教育培训等很多领域都占据重要位置。通用航空飞行活动通常在高度1 000 m 以下的低空空域飞行，目视飞行（VFR）与仪表飞行（IFR）同时存在，部分繁忙低空空域通用航空与运输航空等共同使用。多种障碍物和对流层复杂多变的气象因素都对飞行活动有很大影响，通用航空飞行任务灵活复杂，飞行速度较慢，飞行距离较短，飞行高度较低，极易受到山体、建筑物等地面障碍物的影响，通用航空运行航路通常不固定，随意性和机动性较强，作业环境差，各项因素决定了通用航空复杂的运行环境[3]。

1.2 航空器缺少统一标准

通用航空使用的航空器种类多样、构成复杂，主要包括小型飞机、固定翼/旋翼无人机、直升机、旋翼飞行器，这些航空器具有体积相对较小、飞行高度相对低、速度相对慢等特点，相较于民航运输飞机设备简单，造价低。相同种类的航空器由于制造企业制造标准不统一，导致飞机性能和机载设备差异较大。不同种类的航空器飞行特点差异较大，运行监视难点不同，对在同一低空空域同时运行的多种航空器进行飞行动态的监视具有紧迫性、必要性，更具有挑战性。

1.3 建设投入预算有限

部分通用航空机场的资金来源为国家投资，由管理部门进行投资建设通用航空机场，在建设完成后，由政府或者企业进行经营；或者由地方政府投资建设，地方政府为促进通用航空的发展，进行通用航空机场建设，然后交至国有企业运营；部分机场由非公有制经济出资筹建，然后由企业运营管理。通用航空在建设过程中投资大，效益低，资金投入预算非常有限，需要充分考虑各功能部分建设规划的经济性、实用性与拓展性。综上所述通用航空具有运行环境复杂、航空器缺少统一标准以及建设投入预算有限等监视系统建设限制因素。其中，复杂的运行环境给监视设施的建设带来不便，对监视技术的可靠性、准确性有较高要求；航空器缺少统一标准导致监视机载设备的安装推行困难，要求机载设备必须满足重量轻、成本低、信号可靠、方便加装的基本要求。建设投入预算有限要求对于监视设施的建设需充分考虑其成本和实用价值。

2 监视技术对比分析

2.1 广播式自动相关监视（ADS-B）

广播式自动相关监视（ADS-B）依靠机载导航设备来获得飞机的位置和速度等信息，机载ADS-B 设备从GNSS 获取定位信息，再对定位信息和飞行参数向其他具备ADS-B IN 的航空器或地面接收站进行广播。ADS-B 技术可以在不增加雷达监控设备的情况下增强监视系统监控能力，实现对飞行的及时动态监视，有助于缩短航空器飞行间隔，提高空域的使用，扩大飞行容量[4]。ADS-B 技术具有很多优点，是监视领域的中坚力量，但在推广使用过程中还是存在着一些问题。ADS-B 报文的定位信息数据源来自GNSS。在GNSS的完好性受损，出现故障发生错误的情况下，以ADSB 技术为核心的监视系统将失去监视能力。以ADS-B为核心的监视系统，对没有安装ADS-B 机载设备的航空器无法探测。自2017 年起多数航空器都装配或加装完成了ADS-B 机载设备[5]。

2.2 一次监视雷达（PSR）

一次监视雷达（PSR）依靠自身发射电磁波，然后通过接收目标对电磁波的反射信号测定目标位置及方位，具有稳定可靠，可无人值守的特点。一次监视雷达通常指脉冲雷达，能够有效实现射频脉冲连续发射，能够对目标方位或者距离进行探测。一次监视雷达不需要考虑探测目标是否具有机载设备，可以实现绝大多数航空器的探测监视，属于独立非协同式监视手段。但一次雷达仅能探测识别目标的距离和位置信息，无法对被探测航空器的种类进行识别，除非要求航空器按管制指令做出指定动作回复，监视范围相对较小，回波存在闪烁，建设和运行维护成本高，地面站建设受地形限制。

2.3 二次监视雷达（SSR）

二次监视雷达（SSR）由地面询问雷达向目标发射频率为1 030 MHz 的询问脉冲信号，目标接收后，经过信号处理、译码，然后通过全向天线发送频率为1 090 MHz 的应答脉冲信号。该应答信号中包含飞机代号、高度、方向、位置和距离等信息[6]。当地面雷达接到反射信号时，会对信号进行相应的解译处理，从而获取飞机高度、距离、方位、代码等信息。二次监视雷达监视范围广，相较于一次监视雷达，二次监视雷达提供的信息更丰富。二次监视雷达属于独立协同式监视，各地面站能够实现独立运行。其地面站建设受地形影响，运行维护成本高，更新频率低。

2.4 多点定位（MLAT）

多点定位（MLAT）也叫做双曲定位，是通过计算监视目标向不同接收传感器发出信号的到达时间差（TDOA）来定位监视目标的过程。最早在军事上用来探测航空器位置，在民航监视领域，开始仅作为机场场面监视雷达的一种补充手段，用于机场场面监视[7]。近年MLAT 技术在区域飞行或进近阶段也得到了验证。多点定位可以利用已有的机载设备，属于独立协同式监视。具有定位精度高、更新频率快、建设运行维护成本低等特点。但是对航空器定位需多个站点协同工作和实时解算，监视高度越低，需要的地面站数量越多。定位精度依赖于地面站的布局、时间同步、求解算法和测时精度。

几种主要监视技术的比较见表1[8]，广播式自动相关监视（ADS-B）从探测范围、定位精度、更新周期、建设成本方面都更具优势。

表1 监视技术比较

综上所述在目前通用航空所处的发展阶段，一种性能可靠，精度高，建设维护成本低，能够适应通用航空复杂运行环境的监视技术对满足活动量日益增长的通用航空十分必要。ADS-B 作为前沿监视技术，从定位精度、更新频率、监视范围、建设成本等方面都能满足通用航空监视需求。建设以ADS-B 技术为核心设计合理高效的监视系统对通用航空监视具有重要意义。

3 监视系统规划

3.1 系统框架及构成

系统框架如图2 所示，主要由ADS-B 机载设备、ADS-B 地面站、视频监控系统、数据融合服务器、显示终端、ADS-B 数据传输网络以及作为补盲的公共通信网络组成。机载设备包括便携式ADS-B 发射机、ADSB 车载发射机、无人机ADS-B 组件及航空器预装ADS-B 设备。ADS-B 地面站负责接收监视范围内的ADS-B 信息，通过ADS-B 数据传输网络与其他监视信息在数据融合后生成航迹信息在终端设备显示。

图2 通用航空监视系统框架

系统构成及关联如图3 所示，ADS-B 机载设备定位信息数据源兼容GPS 和北斗导航系统，通过广播式向地面站发送ADS-B 信息完成空地通信。空地通信由机载设备和地面站接收完成，由航空器ADS-B 机载设备向外广播信息，地面站接收到ADS-B 数据后处理生成ASTERIX CAT021 格式的信息数据[9]，通过ADS-B数据传输网络由数据融合服务器进行数据融合。

图3 通用航空监视系统拓扑图

航空器间的空空通信以ADS-B IN 为核心，通过航空器机载设备的ADS-B IN 功能，实现航空器与航空器之间的数据通信，使飞行员能够在第一时间了解飞行环境与飞行态势，及时作出飞行决断精准避让，实现安全飞行。

场面视频监控信息通过ADS-B 数据传输网络汇入数据融合服务器，通过对监控目标的定位提取和类型标注，在终端显示。场面监控信息的数据融合为管制中心的远程指挥提供了极大的便利。

公共通信基站作为特殊情况下的补盲手段用作具备4G/5G 信息传输功能的机载设备和无人机操控信息的传输网络，经过处理后上传ADS-B 数据传输网络。

ADS-B 数据传输网络作为各信息源数据上传以及各数据源、数据站和用户之间的数据传输的载体，包括数据融合、数据传输网、信息发布网关。数据融合与监视中心站对ADS-B 数据进行汇总和处理，并通过数据网络传送给机场监视中心，机场监视中心根据安全需求，向相关部门提供航空器监视信息，通过信息发布网关为空管、企业、用户提供信息服务。

3.2 系统特点

3.2.1 兼容性定位数据源

目前航空器定位数据信息主要依赖GPS，其完好性和可靠性容易受到很多因素的制约和干扰，在有突发情况发生时具有单一的数据源监视系统是相对脆弱的，因此系统设计兼容北斗卫星导航系统，以此保证得到稳定、准确的定位信息，实现自主安全飞行。

3.2.2 场面监视

场面监视除了为入场车辆配装便携ADS-B 设备避免场面冲突外，结合场面视频监控和先进的目标检测与跟踪技术，对人、车、机、环境进行定位跟踪监视，通过数据融合显示，完善场面监视。

3.2.3 无人机监视

在通用航空运行中，无人机具有极其重要的地位，对无人机的监控和管制以及如何与其他航空器融合运行始终是通航领域的重点研究问题。对无人机加装ADS-B 机载设备能够解决“看得见”的监视问题，与无人机操纵者的信息通畅是实现“管得住”的必要环节。明确飞行规则，加强动态监视，为无人机飞行用户提供信息获取终端能够有效地实现对无人机的监视和管制。

3.2.4 通信补盲

通用航空航空器构成丰富，运行环境复杂，难免出现ADS-B 通信故障或航空器信号传输困难的情况，依靠现有的移动通信基站通过机载设备4G/5G 传输功能，对ADS-B 信号补盲，为系统做通信备份，以此增加系统的监视可靠性，扩大航空器安全运行活动范围。

4 结束语

广播式自动相关监视（ADS-B）作为新监视技术的代表更加符合通用航空的实际需求。定位数据源兼容北斗，通信方式具备公共通信网络传输能力的ADS-B监视系统可靠性更高。本系统规划考虑了多种航空器同空域同时间运行的监视问题，多源数据融合，多种监视手段互补能够更好地满足通用航空监视需求。