空管设备信号覆盖评估系统的研究和分析

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　　摘 要
　　空管设备中的DME测距仪、ILS仪表着落系统（盲降）、甚高频、雷达等设备都是利用视距传播的电磁波来进行工作，怎么才能确保设备信号覆盖的高质量，保障航空安全，是空管技术部门一直以来亟须解决的技术问题。针对空管各类设备信号覆盖对空管安全的重要性，空管设备信号覆盖评估系统基于DEM（Digital Elevation Model）高程数据构建大地空间的三维模型，综合考虑地形、地球曲面、信号在大气传播的折射以及台站周边障碍物遮蔽角等因素评估信号覆盖情况。
　　关键词
　　空管设备;DEM高程数据;信号覆盖评估;遮蔽角
　　中图分类号： V355                     文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 67
　　0 背景
　　由于近年来民航行业的飞速发展，空管设备对于航空安全来说显得更加重要。空管设备中的DME测距仪、ILS仪表着落系统（盲降）、甚高频、雷达等设备都是利用视距传播的电磁波来进行工作。
　　安全是空管行业的首要目标和基础，因此所有空管设备均引用多重保障的运行机制，每一类空管设备信号的好坏都关系着整个航空安全，对空管设备信号的准确评估，从而确定在某一个区域采用某一个台站的设备信号，以达到最优的设备资源配置，更好的保障空管行业的安全发展。
　　1 总体设计
　　各种空管设备的信号覆盖评估主要考虑到两个因素，首先是信号的覆盖范围，主要是受地球球面和地形遮挡的影响;另外一个是空管设备的技术手册中所规定的该设备正常运行所应满足的信号范围标准，例如区域导航DME/DME的运行标准和仪表着陆设备的最小信号范围。
　　基于以上两个因素，该系统首先在WGS84大地坐标系的基础上通过DEM（Digital Elevation Model）高程数据构建大地空间的三维模型，该模型是没有经过投影变形的大地三维空间，然后在该模型上分析地形、地面弧度、大气折射对空管设备信号传播的影响，计算空管设备信号的可达区和盲区。然后，在进行区域导航DME/DME评估的时候，根据ICAO《PBN Manual》中关于DME/DME RNAV的相关标准，设计出DME/DME RNAV区域导航的性能评估方法，包括区域DME/DME有效区分析、飞行程序评估以及优选DME等;而在进行仪表着陆系统评估的时候，根据《中国国家标准——仪表着陆系统（ILS）航向/下滑信标性能要求和测试方法》中能满足设备要求的最小信号覆盖范围的标准，自动分析设备信号的现实覆盖范围是否满足所要求的覆盖范围，并得出分析结论。同时，系统也具备DME/DME现场发布功能，在校飞结果、停机计划以及DME实时监控信息的基础上，实时计算航路的DME/DME覆盖情况。
　　2 关键技术的研究
　　2.1 计算模型的建立
　　信号的覆盖分析评估先是需要构建地球空间模型，构建地球空间模型一般使用大地坐标系和高程系统，利用大地坐标系和高程系统就能够经纬度-高度（BLH）来表达具体地标内容。该系统利用WGS84坐标系来做计算模型的坐标系统。
　　因为电脑的运算一般采用空间直角坐标系，所以必须采用大地坐标系和空间直角坐标系的互相转换;再者系统是以平面的数据反馈给用户，所以也必须采用大地坐标系和平面地图之间的转换，就是地图投影。
　　2.1.1 大地坐标系和空间直角坐标系的转换
　　2.1.2 大地坐标系和平面地图的转换
　　由于需要把地球空间信息和运算结果更直观展示出来，所以要把大地坐标系投影到平面地图，本系统采用墨卡托的投影方法，又称正轴等角圆柱投影，这是地图投影方法中使用范围最广的方法之一。投影采用等角投影，投影出来的经线和纬线互相垂直，如图1所示。
　　假设一个垂直方向圆柱体切于或割于球体，根据同角的前提把经纬网投影到圆柱体，然后把它铺成二维面，就是二维面经纬线网。处理后经线是一条条南北向的相同间隔的平行直线，纬线则是一条条东西向的平行直线，并且每条纬线距离由中间向两边扩大。一点上所有方位的距离比都相同，就是说不存在角度变化，但是面积变化十分明显，跟着离开基准纬线中心而变大。
　　2.1.3 不同坐标系之间的转换
　　为了看齐国际的标准，我国民航使用WGS84坐标系来做区域导航的大地坐标系统，它的精度较高、使用范围广，是GPS测量使用的坐标系。不过，不一样国家地区不一样的年代使用的大地坐标系都不同，不一样的坐标系统使用不一样的椭球体参数，如表1所示。我们常用的有北京54、国家80等坐标系，所以对于以北京54或者国家80坐标系表示的地理信息，必须把它转换成WGS84坐标系，通常方法有4参数法和7参数法。
　　2.2 DEM高程数据的处理
　　本系统采用的高程数据为DEM，DEM是数字高程模型的简称，它是地形曲面的数字化表达，是在计算机存储介质上真实描述和模拟的地形曲面实体，使用DEM数据有利于计算机的存储和计算。
　　本系统使用DEM数据是SRTM3，SRTM为一类DEM数据，全称是Shuttle Radar Topography Mission，是經美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）一起测量的，SRTM数据里每经纬度方格形成一个文件，精度有一秒和三秒两类，所以叫SRTM1与SRTM3。现在可以免费获得我国领土的 SRTM3文件，格式是ASCII编码。SRTM3数据的组织为5度×5度作为一个高程文件，每个文件中以3秒为间隔对5度×5度的区域进行划分，形成一个6001×6001的矩阵，矩阵中的每一个格子中的值即表示该格子的平均高程。SRTM3高程数据使用的高程基准为EGM96，是海拔高程基准的一种。目的让系统可以自动拿到高程数据，所以要对它的格式进行解释和存储。 　　中国疆土辽阔，所以高程数据量非常大，目的是提高运算的速度和减少存储空间，所以要对高程数据做更进的处理和压缩，利用二进制对高度值进行重新编码，达到减少数据占用空间的目的。
　　2.3 覆盖算法设计
　　以大地空间模型为基准，全部信号覆盖运算均是在模拟真实环境的空间中运行的，不是在投影地图上运算，所以没有投影带来的失真问题。同时，由于大气在不同的海拔高度密度不同，全部电磁波射线在大气的传播都存在折射的问题，把射线的轨迹变成曲线，因此要是直接采用直线视线来考虑地形的遮蔽就有部分的误差，所以要对覆盖范围来做修正[1]。
　　计算结果经过投影显示在平面地图上，可以采用不同的投影满足不同需求，但不影响信号覆盖的分析结果。
　　如图2所示，计算覆盖的过程首先把台站当作圆心，沿360度方位角，每间隔5度角取一个垂直面，利用高程数据计算该截面的地形图，接着模拟不一样仰角的电波射线在这个平面中的传播轨迹，和受地形遮挡的问题，就能够知道该垂直面的信号覆盖情况。在确定每一个垂直面的覆盖范围后，就能够知道每一个高度层的水平面的覆盖范围，如果有确定的高度层，则要求出每个垂直面在该高度的最遠覆盖点，把这些点连接起来就能够知道该高度的水平覆盖范围[2]。
　　2.3.1 截取垂直截面
　　把台站的坐标当作中心点，正北方向是零度方位角，每经过一定的角度，取该方位角的垂直截面，随后再计算出这个垂直截面的地形曲线图。
　　如图3所示，设台站位置为P0（X0，Y0，Z0），取正北方向上的一点P1n（X1n，Y1n，Z1n），连接这两点，以一定的间隔在取该线段取点，组成点的集合{P1m（X1m，Y1m，Z1m）|1≤m≤n}，这些点即为截面点。
　　对于这些点，先求出其经纬度BL，再通过高程数据即可得出该点的高程H，确定了BLH后再根据转换公式转化为XYZ，这就是地形的曲线{Tim（x，y，z）|1≤m≤n}。
　　如图4所示，以直线P0（X0，Y0，Z0）-O为转轴，P1n（X1n，Y1n，Z1n）为旋转点，旋转一定的方位角，得到，利用上面的方法就可以计算出在此方位角上的截面。计算出垂直截面就可以算出该截面的遮蔽角。
　　2.3.2 最大遮蔽角的计算
　　要计算设备天线顶端坐标P0到某个点Px的遮蔽角，设地球球心原点为O（0，0，0），R1=P0到O的距离，R2=Px到O的距离，R3=P0到Px的距离，使用正弦定理，可得出夹角Px-P0-O的值a。a-90即为遮蔽角的值。
　　在垂直截面上所有点都算一次，求出在某个高度层最大的遮蔽角。
　　2.3.3 大气折射修正及垂直覆盖范围
　　2.3.4 水平覆盖范围计算
　　确定某一高度的水平面，算出每个垂直面在这个高度的最远覆盖点，把这部分点投影到二维地图，然后连接起来就能算出该高度的水平面覆盖范围[5-6]。
　　3 未来展望
　　目前系统基于DEM（Digital Elevation Model）高程数据构建大地空间的三维模型，综合考虑地形、地球曲面、信号在大气传播的折射以及台站周边障碍物遮蔽角等因素评估信号覆盖情况。
　　不过本系统还未考虑电磁波传播过程中绕射、散射以及不同材质物体对电磁波的影响等复杂特性，因此系统计算的设备信号覆盖范围与实际情况存在一定的误差，接下来将进一步研究电磁波的不同特性，尝试将这些特性纳入系统的计算方法中。并且目前系统使用的数字高程是90米×90米精度的，精度方面还可以继续提高为30米×30米的;系统对经纬度的描述是精确到秒的个位，在提高数字高程精度的基础上，可考虑将经纬度描述的精度提升到秒的小数点后一位或两位。
　　参考文献
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　　[4]刘子孺，陈加清.龙格-库塔方法在雷达射线描迹中的应用[J].火力与指挥控制，2009，34（8）：175-177.
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