作者：楊曉嘉  民航局第二研究所

0 引言

高質(zhì)量發(fā)展是“十四五”乃至更長時期我國經(jīng)濟社會發(fā)展的主題，立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局，推動高質(zhì)量發(fā)展是貫穿“十四五”規(guī)劃綱要的邏輯主線?！秶覄?chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》指出，“要把數(shù)字化、智能化作為提升產(chǎn)業(yè)競爭力的技術(shù)基點” ?！缎聲r代民航強國建設(shè)行動綱要》提出，“要形成安全、高效、智慧、協(xié)同的現(xiàn)代化空中交通管理體系” 。民航“十四五”規(guī)劃更是以“安全為底線、智慧民航建設(shè)為主線”，將“智慧民航建設(shè)有新突破”納入總體工作思路，作為開拓四個新局面的其中之一。數(shù)字化和智慧化的創(chuàng)新方式，是建設(shè) “四強空管”和“四型機場”，實現(xiàn)民航高質(zhì)量發(fā)展的基本要求和關(guān)鍵技術(shù)。

民用客機起飛和降落的幕后至少有30多個環(huán)節(jié)協(xié)同保障，其中的一環(huán)就是保證空管安全運行的基礎(chǔ)設(shè)施：空管通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象臺站，其安全運行和性能精度直接影響飛行安全。但信號極易受周邊環(huán)境，尤其是大型建筑物與山體的遮蔽與多徑干擾，導(dǎo)致設(shè)備信號降級與限用。近年來，中國民航出現(xiàn)多起導(dǎo)航臺受建筑物遮蔽或多徑干擾無法正常運行的事件，北京大興機場35L跑道因跑道側(cè)方機庫導(dǎo)致儀表著陸系統(tǒng)Ⅲb類無法投產(chǎn)運行，上海虹橋機場18L跑道因跑道側(cè)方公務(wù)機樓導(dǎo)致信號限用，重慶機場因大型航站樓03L跑道航向信標(biāo)Ⅲ類設(shè)計方案調(diào)整為Ⅰ類，多個全向信標(biāo)/測距儀臺因電磁環(huán)境保護問題導(dǎo)致限用甚至被迫搬遷，多部一二次監(jiān)視雷達因周邊障礙物導(dǎo)致假目標(biāo)增多。同時隨著民航新基建的推進、世界級機場群、以樞紐機場為核心的臨空經(jīng)濟區(qū)的發(fā)展，空管通信導(dǎo)航監(jiān)視臺站周邊建設(shè)激增勢必會造成電磁環(huán)境更加復(fù)雜。如圖 1所示。

圖1  通信導(dǎo)航監(jiān)視臺站遮蔽與多徑干擾案例示意圖

1 電磁環(huán)境保護現(xiàn)狀

國家在民航領(lǐng)域相繼出臺了一系列政策對導(dǎo)航臺電磁環(huán)境進行保護，2016年國務(wù)院發(fā)布的672號令明確規(guī)定“機場的周邊區(qū)域，不得新建阻斷無線電信號傳輸?shù)母叽蠼ㄖ保?019年民航局發(fā)布《民用航空導(dǎo)航臺（站）設(shè)置場地規(guī)范（試行）》，明確指出針對新增機庫、航站樓等大型障礙物，應(yīng)通過計算機仿真確認其對導(dǎo)航設(shè)備的影響，2021年發(fā)布的《運輸機場凈空區(qū)域內(nèi)建設(shè)項目凈空審核管理辦法》更是規(guī)定，在審核機場凈空區(qū)域內(nèi)的建設(shè)項目時，對電磁環(huán)境和無線電臺（站）信號可能存在影響的建設(shè)項目，需提供電磁環(huán)境影響評估報告。

但當(dāng)前電磁環(huán)境保護面臨以下難題：

1）發(fā)現(xiàn)難度大，電磁環(huán)境保護常年處于被動。

當(dāng)前障礙物的發(fā)現(xiàn)，或通過臺站電磁環(huán)境巡視人員肉眼發(fā)現(xiàn)再經(jīng)儀器測量，或飛行校驗發(fā)現(xiàn)臺站飛行校驗數(shù)據(jù)變差排查，或地方規(guī)劃報給民航主管部門，總之沒有主動手段發(fā)現(xiàn)周邊障礙物，更無標(biāo)準(zhǔn)手段分析障礙物是否滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或?qū)е屡_站信號惡化。如果地方規(guī)劃不征求民航的意見，通過飛行校驗或設(shè)備運行過程中信號出現(xiàn)限用時發(fā)現(xiàn)問題，由于缺乏周邊障礙物數(shù)據(jù)，排查時間成本會很大，退而言之花費巨大精力找到干擾信號的障礙物，由于其已經(jīng)存在，拆除或整改的協(xié)調(diào)難度大，成本高，處于被動地位。

2）安全隱患大，設(shè)備常年處于限用狀態(tài)運行。

臺站因電磁環(huán)境問題出現(xiàn)限用或者飛行校驗不通過，勢必通過調(diào)試設(shè)備滿足運行需求，嚴(yán)重的設(shè)備調(diào)試也無濟于事，因此設(shè)備常年在限用狀態(tài)下使用，安全長期存在隱患。

3）判斷標(biāo)準(zhǔn)繁多，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的判斷工具。

空管通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象設(shè)備數(shù)量眾多，不僅位于飛行區(qū)內(nèi)，部分設(shè)備還位于飛行區(qū)外，電磁環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)繁多計算復(fù)雜，僅航向信標(biāo)、下滑信標(biāo)、全向信標(biāo)、地基增強系統(tǒng)等導(dǎo)航臺站的電磁環(huán)境保護要求就各不相同，更不用說再加上監(jiān)視、通信與氣象臺站，即使民航專業(yè)人員都很少能完全掌握所有通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象臺站的電磁環(huán)境保護要求。圖 2是航向信標(biāo)的兩個保護標(biāo)準(zhǔn)。

 圖2  航向信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)電磁環(huán)境保護區(qū)示意圖

因此，電磁環(huán)境保護目前沒有統(tǒng)一、直觀的標(biāo)準(zhǔn)分析工具，由于空管通導(dǎo)監(jiān)氣象設(shè)備，不同臺站控制標(biāo)準(zhǔn)不同，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)的，還可以通過人工判斷，但如果某個障礙物位于多個臺站的電磁環(huán)境保護區(qū)，則需要逐個核對和計算，工作量大且易出錯。如果在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之外，更是缺乏判斷工具。

綜上所述，為解決經(jīng)濟發(fā)展與民航空管持續(xù)安全運行的矛盾，更好地保護空管臺站電磁環(huán)境，更好地支撐“四強空管”和“四型機場”建設(shè)，實現(xiàn)電磁環(huán)境數(shù)字化保護與智慧監(jiān)管，自主研發(fā)民航電磁環(huán)境數(shù)字化保護與智能監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”）。系統(tǒng)通過建立多源異構(gòu)民航典型障礙物要素模型，實現(xiàn)通導(dǎo)監(jiān)氣象設(shè)備電磁環(huán)境數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過智慧化手段，實現(xiàn)設(shè)備電磁環(huán)境的持續(xù)監(jiān)測和保護，從而創(chuàng)新監(jiān)管方式，從“傳統(tǒng)監(jiān)管”到“精準(zhǔn)監(jiān)管”，從“人工決策”到“數(shù)據(jù)決策”，解決當(dāng)前通導(dǎo)監(jiān)氣象設(shè)備從“被動應(yīng)對型”向“主動保障型”發(fā)展的關(guān)鍵難題。

2 構(gòu)建障礙物全要素模型，實現(xiàn)電磁環(huán)境保護數(shù)字化

系統(tǒng)通過建立多源異構(gòu)民航典型障礙物要素模型，實現(xiàn)臺站、障礙物和電磁環(huán)境保護區(qū)域的全三維顯示，且可以通過屬性信息，包括臺站位置、障礙物高度、電磁環(huán)境保護區(qū)范圍等，對其進行編輯和管理。如圖 3所示。

圖3  數(shù)字化模型顯示示意圖

為實現(xiàn)智能非現(xiàn)場監(jiān)管，系統(tǒng)配置障礙物全景圖像，身在辦公室就能監(jiān)測障礙物現(xiàn)場情況，如圖 4所示。

圖4  障礙物全景示意圖

3 創(chuàng)新提出基于航空無線電傳播原理的電磁環(huán)境控高算法，確保臺站信號不惡化

根據(jù)不同的機場參數(shù)，包括天線陣型號與高度、跑道長度等，實時生成天線陣垂直與水平方向圖，DVOR反射網(wǎng)高5 m與10 m，天線高1.2 m垂直方向圖如圖 5所示。

圖5   DVOR反射網(wǎng)高5 m與10 m，天線高1.2 m垂直方向示意圖

跑道長3 000 m，航向信標(biāo)距離跑道末端300 m，Normac 12單元天線陣，天線高度3 m的水平與垂直方向圖如圖 6所示。

 

圖6  LOC距離跑道末端300 m，跑道長3 000 m，天線高3 m水平和垂直方向示意圖

結(jié)合天線陣方向圖與航空無線電信號傳播算法分析障礙物控高，確保障礙物不會導(dǎo)致通信導(dǎo)航監(jiān)視臺站設(shè)備信號降級。

除此之外，系統(tǒng)還能開展通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象臺進行電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)分析、視距分析與凈空分析，確保障礙物滿足各種標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7  四大分析展示示意圖

4 智能監(jiān)測電磁環(huán)境變化，障礙物監(jiān)管變被動為主動

通過周期性障礙物的數(shù)據(jù)更新，刷新設(shè)備電磁環(huán)境保護情況，實現(xiàn)電磁環(huán)境穩(wěn)定性的持續(xù)監(jiān)測。民航新基建的不斷推進，臨空經(jīng)濟區(qū)的不斷發(fā)展，政府城市新區(qū)的不斷規(guī)劃，使通導(dǎo)監(jiān)氣象設(shè)備的電磁環(huán)境持續(xù)變化，愈發(fā)復(fù)雜。為避免建設(shè)完成后才發(fā)現(xiàn)對設(shè)備造成影響，系統(tǒng)可以周期性掃描周邊障礙物的變化情況，對有變化的障礙物進行著重分析，結(jié)合多期數(shù)據(jù)，評估其影響（是否從無到有，從低到高，從無影響到有影響），預(yù)測其趨勢，從而提前發(fā)現(xiàn)問題，以便民航把握主動權(quán)，采取措施，將安全隱患提前解除，實現(xiàn)安全關(guān)口前移。如圖 8所示。

圖8  智能監(jiān)測功能展示示意圖

5 規(guī)劃分析功能為擬建項目提供建設(shè)支持

當(dāng)前機場或通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象臺站選址時，不掌握周邊障礙物數(shù)據(jù)，無法評估周邊障礙物是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，機場或通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象臺站周邊擬規(guī)劃建筑，要對所有通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象臺站進行綜合分析，需要各個專業(yè)出具意見。

立足規(guī)劃分析功能的需求，系統(tǒng)開發(fā)了規(guī)劃機場、規(guī)劃臺站和規(guī)劃障礙物限高三大分析功能，為新機場建設(shè)，現(xiàn)有機場新建障礙物，新建臺站選址提供一體化解決方案。

1）優(yōu)化流程和算法，實現(xiàn)機場地形一鍵導(dǎo)入。

系統(tǒng)在提取機場地勢設(shè)計圖CAD數(shù)據(jù)特征和飛行區(qū)典型地物基礎(chǔ)上，通過簡單參數(shù)輸入，即可完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和高斯投影變換，實現(xiàn)機場設(shè)計地勢的一鍵導(dǎo)入，以便進行后續(xù)分析，如圖 9所示。

圖9  設(shè)計地勢圖一鍵導(dǎo)入示意圖

2）規(guī)劃障礙物限高，建設(shè)前控制，有效避免建成后整改。

系統(tǒng)可通過兩種方式添加規(guī)劃障礙物：導(dǎo)入和在線繪制。且自帶建筑物、風(fēng)車、航空器、高壓塔架、高壓線等三維模型，添加規(guī)劃障礙物后，計算與規(guī)劃障礙物有關(guān)的電磁環(huán)境保護區(qū)，得到其限高數(shù)據(jù)。

圖10  規(guī)劃障礙物示意圖

圖11  規(guī)劃障礙物限高結(jié)論示意圖

3）規(guī)劃臺站分析，為臺站選址提供參考。

系統(tǒng)根據(jù)不同臺站類型，定制不同輸入?yún)?shù)。新建臺站可進行標(biāo)準(zhǔn)分析、視距分析和電磁環(huán)境分析，在臺站電磁環(huán)境保護區(qū)內(nèi)存在有影響的障礙物，可在規(guī)劃階段對臺址或者障礙物進行位置調(diào)整或方案優(yōu)化，從而將影響降到最低。

6 結(jié)束語

通信導(dǎo)航監(jiān)視氣象設(shè)備電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)不同，且運行方式存在差異，所以將復(fù)雜電磁環(huán)境保護數(shù)字化、可視化、數(shù)據(jù)化，可以為設(shè)備維護方、機場運行方、管理審批方和地方規(guī)劃提供直觀的視覺參考和分析數(shù)據(jù)，從而在建設(shè)前進行規(guī)劃分析、建設(shè)中進行智能監(jiān)測、建設(shè)后進行穩(wěn)定性評估，提供閉環(huán)的一體化解決方案，將空管通導(dǎo)監(jiān)氣象設(shè)備電磁環(huán)境保護從“被動應(yīng)對型”轉(zhuǎn)向“主動保障型”，從“傳統(tǒng)監(jiān)管”轉(zhuǎn)向“精準(zhǔn)監(jiān)管”，從“人工決策”轉(zhuǎn)向“數(shù)據(jù)決策”，是電磁環(huán)境數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智慧化運行的創(chuàng)新性嘗試，有利地支持了“四強空管”和“四型機場”建設(shè)，對于確保航空安全，支持民航強國戰(zhàn)略，有力推進國民經(jīng)濟發(fā)展，促進民航與地方經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展具有十分重要研究意義。

來源：文圖：《民航科技》