何啟躍，王千騏，牛忠文，任 翔，趙 科

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

車載式空中交通管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究*

何啟躍，王千騏，牛忠文，任 翔，趙 科

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

在地震或其他強(qiáng)烈自然災(zāi)害后，機(jī)場固定式空中交通管理系統(tǒng)可能遭受嚴(yán)重破壞，車載式空中交通管理系統(tǒng)能夠幫助快速恢復(fù)災(zāi)后機(jī)場交通。文中通過雷達(dá)載車系統(tǒng)的機(jī)動性設(shè)計和可快速拼接撤收的碳纖維天線設(shè)計等方法將一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、ADS-B和空管自動化設(shè)備集成在載車平臺上，以滿足系統(tǒng)的機(jī)動性要求。樣機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其功能指標(biāo)滿足一般中小機(jī)場的應(yīng)急需要，架設(shè)和撤收時間均可控制在4 h以內(nèi)，為空中交通管理提供了一種車載式應(yīng)急產(chǎn)品。

車載式空中交通管理系統(tǒng)；機(jī)動性設(shè)計；碳纖維天線

引 言

目前民航機(jī)場的空中交通管理系統(tǒng)均為固定式產(chǎn)品，系統(tǒng)包含一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)和空管自動化設(shè)備，它們均被安裝在機(jī)場建筑物內(nèi)，不能滿足應(yīng)急情況的機(jī)動性應(yīng)用要求[1]。民航機(jī)場應(yīng)急裝備中也有一些機(jī)動式應(yīng)用主要集中于單脈沖二次雷達(dá)。二次雷達(dá)采用協(xié)同監(jiān)視的模式，工作時向空中發(fā)出詢問脈沖，飛機(jī)接收到詢問脈沖后向雷達(dá)發(fā)送應(yīng)答信號告知當(dāng)前飛機(jī)的狀態(tài)位置信息。如果飛機(jī)上應(yīng)答器發(fā)生故障或飛機(jī)是非合作目標(biāo)，則系統(tǒng)不能完成監(jiān)視任務(wù)[2]。與普通機(jī)動式二次雷達(dá)相比，車載式空中交通管理系統(tǒng)信息獲取途徑更多元，能夠監(jiān)視非合作目標(biāo)，系統(tǒng)不僅包含監(jiān)視設(shè)備，還能利用空管自動化設(shè)備完成機(jī)場飛行管制，但是這種功能完備的系統(tǒng)設(shè)備量較大，特別是一次雷達(dá)的大口徑天線是車載式系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和難點(diǎn)。本文將重點(diǎn)研究系統(tǒng)的載車平臺和可快速拼接撤收的碳纖維天線的設(shè)計思路和方法。

1 系統(tǒng)總體方案

空中交通管理系統(tǒng)的一般構(gòu)成包含一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、ADS-B和空管自動化設(shè)備。車載式系統(tǒng)也由這些基本設(shè)備構(gòu)成，電訊原理均為將一次雷達(dá)的主動監(jiān)視、二次雷達(dá)的協(xié)同監(jiān)視和ADS-B的相關(guān)監(jiān)視3種目標(biāo)信息經(jīng)雷達(dá)錄取終端進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后送空管自動化系統(tǒng)綜合顯示終端進(jìn)行顯示[3]?？展茏詣踊到y(tǒng)除了進(jìn)行飛行報文處理，還對各雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。此外，車載系統(tǒng)還必須配置必要的系統(tǒng)標(biāo)校設(shè)備，圖1給出了系統(tǒng)框圖。

圖1 車載式空中交通管理系統(tǒng)框圖

車載式與固定式的不同主要體現(xiàn)在機(jī)動性的要求上。車載式系統(tǒng)被定位為中小型機(jī)場的應(yīng)用，與固定式系統(tǒng)相比，其探測距離較近，固定式系統(tǒng)中一二次雷達(dá)的最大探測距離一般為130 km和450 km，而車載式系統(tǒng)一般設(shè)計為100 km和250 km。降低部分探測指標(biāo)的主要目的是在滿足中小機(jī)場應(yīng)用的條件下降低二次雷達(dá)天線尺寸(由8 m縮小到5.3 m)[4]和一次雷達(dá)發(fā)射組件數(shù)量(由8組件減少為4組件)[5]，使載車設(shè)計更緊湊，機(jī)動性更強(qiáng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 系統(tǒng)載車平臺設(shè)計

整個系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由1輛雷達(dá)車和1輛終端車構(gòu)成，雷達(dá)車上裝有一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、ADS-B、系統(tǒng)標(biāo)校等設(shè)備，終端車上裝有空管自動化系統(tǒng)，雷達(dá)車與終端車之間通過網(wǎng)絡(luò)和電纜進(jìn)行連接，所有控制和顯示都在終端車上完成。圖2為雷達(dá)車和終端車布局圖。

圖2 雷達(dá)車和終端車布局圖

一二次雷達(dá)的電子設(shè)備和空管自動化設(shè)備載車平臺設(shè)計沒有太多的難點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于較大的雷達(dá)天線(一次雷達(dá)天線口徑為5 500 mm × 3 047 mm，二次雷達(dá)天線口徑為5 300 mm × 340 mm × 310 mm)既超高也超寬，無法滿足道路運(yùn)輸條件[6]。所以系統(tǒng)載車平臺設(shè)計的重點(diǎn)是雷達(dá)天線在運(yùn)輸狀態(tài)和工作狀態(tài)之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換的能力。

運(yùn)輸時天線處于倒伏狀態(tài)，工作時天線處于舉升狀態(tài)，這樣就可以解決天線超高的問題，為此設(shè)計了電動天線倒伏機(jī)。但倒伏時天線仍然超寬，解決的辦法是將一次雷達(dá)天線設(shè)計為3塊拼裝，中塊寬度為2 400 mm，左右2個邊塊對稱，寬度均為1 550 mm；將二次雷達(dá)天線設(shè)計為2塊拼裝。運(yùn)輸時，將一次天線整體向后倒伏，手工拆除左右邊塊及二次天線，將邊塊放置在電子方艙上部的邊塊箱中，二次天線放置在電子方艙中的空位處，滿足道路運(yùn)輸條件。圖3為雷達(dá)車工作狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)示意圖。系統(tǒng)要求在無吊車等輔助設(shè)備的情況下，4 h以內(nèi)人工完成安裝架設(shè)或撤收。

圖3 雷達(dá)車工作狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)

天線反射體結(jié)構(gòu)如圖4所示。天線在運(yùn)輸狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是通過中塊背筋上的螺旋升降機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。中塊于P0點(diǎn)與天線轉(zhuǎn)臺鉸接，通過連接在P1點(diǎn)的推拉桿作用，繞P0點(diǎn)轉(zhuǎn)動，以調(diào)整天線的姿態(tài)；左右兩邊塊呈對稱結(jié)構(gòu)，利用定位、快速鎖定機(jī)構(gòu)與中塊連成一體。

圖4 天線反射體結(jié)構(gòu)圖

雷達(dá)車由運(yùn)輸狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換還應(yīng)解決系統(tǒng)快速標(biāo)校的問題，這里標(biāo)校主要指天線水平標(biāo)校和天線方位標(biāo)校。天線水平標(biāo)校的基本原理是調(diào)平控制機(jī)依據(jù)天線轉(zhuǎn)臺上的水平傳感器的信息自動調(diào)節(jié)雷達(dá)車上加裝的4套支撐腿的長度來實(shí)現(xiàn)調(diào)平。天線方位標(biāo)校的原理是通過2個分開放置在電子設(shè)備方艙頂部的GPS獲取2個GPS天線連線與地球北的夾角數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)修正雷達(dá)方位碼盤的正北數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)方位標(biāo)校。

2.2 可快速拼接撤收的碳纖維天線設(shè)計

固定式空管雷達(dá)天線沒有機(jī)動性要求，天線反射面多由金屬材料構(gòu)成，重量較重，架設(shè)時還需用吊車進(jìn)行輔助安裝。因?yàn)檩d車系統(tǒng)要求天線邊塊能夠快速人工拆裝，所以天線在滿足電性能指標(biāo)的情況下重量應(yīng)盡可能輕。

碳纖維是由有機(jī)母體纖維采用高溫分解法在1 000 ℃～3 000 ℃高溫的惰性氣體下制成的，呈黑色，堅硬，具有強(qiáng)度高、重量輕等特點(diǎn)，其比重不到鋼的1/4，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000 MPa，亦高于鋼。因此碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可以達(dá)到2 000 MPa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59 MPa/(g/cm3)左右，同時，碳纖維的比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，因此，碳纖維復(fù)合材料的“輕而強(qiáng)”和“輕而硬”的力學(xué)特性可滿足車載系統(tǒng)的要求。

碳纖維復(fù)合材料天線由反射面和背筋構(gòu)成，與蒙皮加筋板結(jié)構(gòu)的金屬天線不同，其天線面精度取決于反射面板的成型精度。結(jié)合碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工成型特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一方面從保證面板自身結(jié)構(gòu)剛性入手，另一方面從保證天線體整體剛度入手，面板和背筋均采用A夾層形式。面板表面為T300碳纖維層，中間夾層為鋁蜂窩，碳纖維層厚度為0.6 mm，鋁蜂窩厚度為30 mm；背筋表面為M40J碳纖維層，中間夾層為泡沫，碳纖維層厚度為1 mm，泡沫層厚度為40 mm，碳纖維表面未進(jìn)行涂覆。

經(jīng)實(shí)際測量，本文的碳纖維天線單個邊塊重量約30 kg，中塊重量約60 kg。天線邊塊4人配合就可實(shí)現(xiàn)人工撤拼。

天線的邊塊與中塊之間通過快速定位鎖緊裝置進(jìn)行連接，這樣可以保證天線的面精度達(dá)到一定水平；天線中塊和饋源組合之間的相對位置固定保證了天線波瓣的一致性。天線成型后與饋源組合一起進(jìn)行了天線波瓣近場測試，實(shí)測天線增益≥34 ± 0.5 dB，波瓣寬度為1.45 ± 0.1°，空域覆蓋≥40°，滿足電訊性能要求。表1和表2為天線實(shí)測數(shù)據(jù)。

表1 天線增益表

表2 天線參數(shù)表

3 應(yīng)用試驗(yàn)情況

3.1 機(jī)動性情況

車載式空中交通管理系統(tǒng)的機(jī)動性就是為了解決雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)與工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，本文按照下面的步驟分別進(jìn)行了實(shí)測實(shí)驗(yàn)。

架設(shè)步驟：1)電纜鋪設(shè)、邊塊及二次天線準(zhǔn)備；2)支撐腿展開、調(diào)平；3)去轉(zhuǎn)臺鎖，推動轉(zhuǎn)盤至左邊塊安裝位置；4)安裝左邊塊；5)推動轉(zhuǎn)盤至右邊塊安裝位置；6)安裝右邊塊；7)安裝二次天線；8)天線翻轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)鎖定。

撤收步驟：1)天線解鎖倒伏至運(yùn)輸狀態(tài)；2)拆掉二次天線，放至固定架；3)拆卸左邊塊，放至邊塊箱固定；4)拆卸右邊塊，放至邊塊箱固定；5)收起支撐腿，收起墊木；6)天線鎖定，轉(zhuǎn)盤鎖定；7)收電纜。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：在無吊車等輔助設(shè)備的情況下，架設(shè)時間和撤收時間均小于4 h。

3.2 系統(tǒng)具有的功能及達(dá)到的目標(biāo)

經(jīng)測試和評估，認(rèn)為該系統(tǒng)達(dá)到以下主要目標(biāo)：1)系統(tǒng)到達(dá)指定工作地點(diǎn)后能夠快速展開，通過自動架設(shè)、調(diào)平、定北，達(dá)到工作狀態(tài)；2)系統(tǒng)具備一二次點(diǎn)航跡數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)及飛行計劃報文的融合能力；3)一次雷達(dá)覆蓋≥100 km(雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率Pd=0.8，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)虛警率Pfa=10-6，目標(biāo)反射截面積σ=2m2，SWI類目標(biāo))；(4)二次雷達(dá)覆蓋≥250km(Pd=0.9)。

4 結(jié)束語

按照本文介紹的車載式空中交通管理系統(tǒng)的機(jī)動設(shè)計方法研制的樣機(jī)已通過民航空管局的驗(yàn)收測試。該項設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)在于大口徑可撤拼輕質(zhì)碳纖維天線的設(shè)計，碳纖維材料較輕的重量使得人工撤拼大口徑反射面天線成為可能，此外，碳纖維天線與金屬材料天線相比在加工成本和加工周期方面也有一定優(yōu)勢。實(shí)踐表明，系統(tǒng)載車平臺優(yōu)化和輕質(zhì)化可撤拼碳纖維天線的研制是中小機(jī)場車載式空中交通管理系統(tǒng)的機(jī)動性應(yīng)用的有效途徑之一。

[1] 謝玉蘭, 陳文秀. 美國空管自動化系統(tǒng)介紹[J]. 空中交通管理, 2007(6): 39-41.

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何啟躍(1959-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)闊o線電通信。

王千騏(1963-)，男，研究員級高級工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)工程。

牛忠文(1966-)，男，碩士，研究員級高級工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。

任 翔(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)工程。

趙 科(1988-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)工程。

Key Techniques of Vehicular Air Traffic Management System

HE Qi-yue，WANG Qian-qi，NIU Zhong-wen，REN Xiang，ZHAO Ke

(AnhuiSunCreateElectronicsCo.,Ltd.,Hefei230088,China)

After an earthquake or other strong natural disaster, airport fixed air traffic management system may suffer from serious damage. Vehicular air traffic management system can help airport rapidly recover the traffic after disaster. In this paper, the primary radar, secondary radar, ADS-B and air traffic control automationequipment are integrated into a truck platform by the methods such as radar vehicle mobility design and carbon fiber antenna (with rapid mounting and dismounting capability) design to satisfy the system mobility requirements. Prototype system is experimentally verified that its functional performance meets the emergency requirements of common small and medium-sized airport. Time used for mounting and dismounting can be controlled within 4 hours. It provides a vehicular emergency production for air traffic management.

vehicular air traffic management system; mobility design; carbon fiber antenna

2016-05-12

TN82

A

1008-5300(2016)04-0043-04