牛一波

（中國民用航空總局河南空中交通管理分局，鄭州 451162）

0 引言

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-broadcast)是中國空管近年大力推行的空中交通監(jiān)視技術(shù)，相對傳統(tǒng)的二次雷達(dá)，ADS-B 具有投資小、數(shù)據(jù)豐富、更新率快等特點[1-3]，是未來空管監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主角。但是在實際工作中由于發(fā)射功率和工作方式等因素影響，ADS-B 的威力范圍卻不如二次雷達(dá)，因此一個特定的空域需要更多的ADS-B 地面站才能完成完整的信號覆蓋。信號覆蓋分析是ADS-B 地面站組網(wǎng)運行的關(guān)鍵[4]，目前，ADS-B 信號的覆蓋仿真研究是業(yè)內(nèi)研究的熱點，但是多數(shù)研究只停留于理論研究，實際針對覆蓋分析的應(yīng)用研究較少[5]，無法大面推廣應(yīng)用。本文從實際出發(fā)，分析ADS-B 信號覆蓋影響的因素，設(shè)計一種基于GIS 的ADS-B 信號覆蓋分析計算軟件，該系統(tǒng)通過C#實現(xiàn)，能夠為ADS-B 地面站的建設(shè)和ADS-B 應(yīng)用的數(shù)據(jù)故障分析提供技術(shù)支持。

1 ADS-B信號覆蓋影響因素

當(dāng)前主流的研究提出影響ADS-B信號覆蓋的因素主要有以下幾方面[6]。

（1）地空通信中地形的影響。目標(biāo)是否能被ADS-B地面站探測到取決于其與ADS-B地面站之間的直線范圍是否有障礙物遮擋，故要求軟件設(shè)計計算時必須考慮由地形遮蔽引起的視線截止距離。

（2）反射物反射造成的影響。由于ADS-B的發(fā)射頻率為超短波，繞射能力較弱，實際應(yīng)用中容易被反射物反射，造成信號干擾，這也是覆蓋計算必須考慮的問題。

（3）天線性能的影響。信號的接收和發(fā)射需要經(jīng)過饋線系統(tǒng)，天線的性能也會影響到信號的覆蓋范圍。

由于ADS-B地面站的天線性能主要取決于設(shè)備廠家的設(shè)計和工藝，因此此處只考慮前兩者的影響。

通常ADS-B的視線截止距離可以由下式得出：

式中：θ為遮蔽角，為天線中心點和該點所在水平面向上算起的點播信號被地形遮擋垂直張角，是某個方向上能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的最高低角。當(dāng)然，實際軟件設(shè)計中需要考慮電磁波繞射問題對遮蔽角進(jìn)行修正，將其繞射因素為1時所對應(yīng)的電波射線的仰角作為修正后的遮蔽角，主要考慮ADS-B地面工作波長和遮蔽角對應(yīng)的斜距。

對于反射問題，系統(tǒng)需要考慮地球曲率的影響推導(dǎo)接地點合成場強。航空器與地面站通信過程中，收發(fā)兩點在視距傳播范圍內(nèi)是在地面站接收信號和反射信號的合成，如圖1所示。

圖1 實際信號傳輸

圖中A為反射點；ht和hr分別是飛行高度和地面站天線高度；ht′和hr′分別為飛行高度和地面站天線高度；d1和d2分別為飛機和地面站投影點于反射點之間的距離。根據(jù)電磁波的工作原理，考慮地球曲率的影響，最大視距dmax為：

設(shè)地球半徑為R0，等效高度分別為：

則接收點的功率和場強分別為：

式中：Gt為機載天線增益；Pt為機載發(fā)射機的功率；Df為地球球面擴展因子（由另外公式計算）；λ為ADS-B 工作波長。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于上述原因分析，系統(tǒng)設(shè)計主要分為以下幾個模塊：信息輸入模塊、地形分析模塊、地圖顯示模塊、可見分析模塊和覆蓋分析模塊。其中，信息輸入模塊主要用于通過USGS DEM/SRTM/等高線/機場分析工具地形等格式文件導(dǎo)入文件，該類文件可以標(biāo)注ADS-B 地面站的站點名稱、站點類型、海拔高度以及大地經(jīng)緯度等信息；地形信息模塊則用于分析DEM 格式的矢量地圖，提取相應(yīng)的障礙物信息；地圖顯示模塊用于地圖顯示處理，提供了WGS-84坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，并有經(jīng)緯度網(wǎng)格可選；可見和覆蓋分析模塊主要根據(jù)上述的影響因素進(jìn)行軟件的計算并給出覆蓋圖。

2.1 系統(tǒng)控件設(shè)計及操縱

系統(tǒng)基于GIS實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，通過GPS獲取精確坐標(biāo)位置、高程點和障礙物高度進(jìn)行地形分析，最終生成DEM地形數(shù)據(jù)[7-8]。為了后續(xù)分析的需要，系統(tǒng)將突出分為機場空域和航路空域兩類。在機場區(qū)域范圍數(shù)據(jù)的處理精度可以小于1 m，航路區(qū)域范圍數(shù)據(jù)的處理精度可以小于100 m。地圖功能包含放大、縮小、移動和測距等基本操作。本系統(tǒng)開發(fā)主要采用C#和ArcEngine 結(jié)合進(jìn)行，ArcEngine 可以提供GIS嵌入式軟件應(yīng)用開發(fā)功能，為GIS的開發(fā)提供了便捷。通過控件的拉入及屬性設(shè)置可以快速實現(xiàn)系統(tǒng)功能，在窗體中依次添加以下控件：（1）ArcGIS Windows Forms 的ToolbarControl；（2）菜單和工具欄的StatusStrip；（3）容器的SplitContainer；（4） TabControl 中的SplitContainer 和TabPages；（5） DataGrid-View 和地圖的 MapControl；（6） 圖層的 TOCControl 等。以上控件設(shè)置相應(yīng)的控件屬性，如Dock 設(shè)置為Fill 或Top，Aligment屬性設(shè)置為Bottom等。

以上步驟添加的控件還只是單獨存在，而程序需要各控件間協(xié)同工作，因此要進(jìn)行控件綁定，分別設(shè)置ToolbarControl、TOCControl 控件的 Buddy 屬性設(shè)置為 axMapControl1，實現(xiàn)工具條和圖層控件與地圖控件的關(guān)聯(lián)。地圖處理方面可以采用ArcGIS 的鷹眼控件。程序?qū)⑺械貓D圖層添加到鷹眼控件中。

for(int i ＝ 1;i ＜＝ this.axMapControlATC1.LayerCount;i++)

{

this.axMapControlATC.AddLayer(this.axMapControlATC1.get_Layer(this.axMapControlATC1.LayerCount-i));

}

設(shè)置MapControl 顯示范圍至數(shù)據(jù)的全局范圍并刷新鷹眼控件地圖，為鷹眼控件MapControl1 添加OnExtentUpdated 事件，此事件是在主Map 控件的顯示范圍改變時響應(yīng)，從而相應(yīng)更新鷹眼控件中的矩形框。最后，為鷹眼控件添加相應(yīng)的鼠標(biāo)事件函數(shù)，實現(xiàn)鷹眼與主Map 控件互動。

2.2 系統(tǒng)的覆蓋分析

GIS 生成的DEM 文件是系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為了降低系統(tǒng)的運行開銷，系統(tǒng)設(shè)計計算范圍為空管自動化系統(tǒng)（ADS-B信號接入的主要應(yīng)用系統(tǒng)）的管制范圍外擴50 km的范圍，并且提供用戶接口針對當(dāng)前管制單位關(guān)注的具體機場、航路進(jìn)行設(shè)置，在航路左右40 km內(nèi)和機場半徑50 km內(nèi)考慮系統(tǒng)分析。如此而來，針對當(dāng)?shù)氐墓苤艫DS-B信號覆蓋分析可以降低系統(tǒng)計算量。DEM提供了計算范圍內(nèi)的所有地形數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶輸入的ADS-B地面站經(jīng)緯度，系統(tǒng)可以直接生成ADS-B地面站的具體高程，按照ADS-B地面站廠家給出的地面站威力范圍和計算范圍的結(jié)合計算系統(tǒng)將得出具體的信號覆蓋計算范圍。

考慮覆蓋范圍內(nèi)的障礙物影響，應(yīng)用式（1）～（5），系統(tǒng)將得出當(dāng)前ADS-B地面站的具體覆蓋范圍數(shù)據(jù)集。針對數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)通過圖形繪制將信號覆蓋分析顯示在MAP 控件中。對于多個地面站的組網(wǎng)，系統(tǒng)提供了ADS-B地面站群的自動選址功能?；谏鲜鲇嬎銛?shù)據(jù)集，系統(tǒng)將在選擇范圍內(nèi)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)集列表，只需要計算列表內(nèi)部數(shù)據(jù)集重復(fù)最小的組合即可，該組合將直接給出具體的ADS-B地面站部署方案。

為了驗證系統(tǒng)分析性能，系統(tǒng)在現(xiàn)場運行的ADS-B數(shù)據(jù)站中接入ADS-B 數(shù)據(jù)，并提供ADS-B 信號解析顯示功能。ADS-B 數(shù)據(jù)是基于UDP 組播的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過C#實現(xiàn)UDP 數(shù)據(jù)接收并根據(jù)ADS-B CAT021 數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析，所有ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)將被加入具體站點標(biāo)識，在C#中通過數(shù)據(jù)列表加入，顯示只需要遍歷列表,并根據(jù)不同站點標(biāo)識采用不同顏色顯示（與該站點的信號覆蓋顯示顏色一致）即可。實驗表明，信號覆蓋分析的計算與實際ADS-B數(shù)據(jù)接收基本一致，重疊率高達(dá)95%。

3 結(jié)束語

本文從實際出發(fā)，提出一種基于C#和ArcEngine 的ADS-B 信號覆蓋分析系統(tǒng)，系統(tǒng)通過操縱C#和GIS 控件實現(xiàn)對地形分析和數(shù)據(jù)處理，最終系統(tǒng)基于論文分析的ADS-B信號影響原因?qū)崿F(xiàn)了對ADS-B信號覆蓋的分析功能。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效，目前已為相關(guān)ADS-B地面站建設(shè)提供服務(wù)，能夠提高ADS-B組網(wǎng)建設(shè)的準(zhǔn)確性和可行性。