CN112652195B - 一种基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ads-b飞行监视系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ADS‑B飞行监视系统。本发明的ADS‑B地面站基于太阳能供电和移动通信传输，本发明设计实施灵活可变ADS‑B地面站工作模式，实时监测电池电量与移动通信信号质量，结合ADS‑B报文数量，以及中心服务器指令要求，实现自适应的ADS‑B报文内容选择、压缩和发送。中心服务器可对远端的ADS‑B地面站进行综合管理和优化，基于地理数字高程模型，计算地理极高点，添加至候选布站点，同时，将已设布站点添加至候选布站点，计算候选布站点的ADS‑B地面站信号覆盖范围，并进一步筛选出合适的候选点，完成新设站布站方案生成，结合已设站方案效果，在效果和成本取得均衡，完成综合优化。

Description

一种基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ADS-B飞行监 视系统

技术领域

本发明涉及面向通航需求的大规模ADS-B地面站领域，具体涉及一种基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ADS-B飞行监视系统及其工作模式选择和布站优化方法。

背景技术

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)，中文名称为广播式自动相关监视，是一种基于全球卫星定位系统和利用空地、空空数据链实现交通监控和信息传递的空管监视新技术。ADS-B无需人工操作或询问，可以自动地从相关机载设备获取信息并向其它飞机和地面站广播含有飞机位置、高度、速度和飞机识别码等信息的报文。ADS-B地面站接收报文并发送至中心服务器，进行进一步的报文解析、位置提取、计划关联、飞行告警等操作。

通用航空(General Aviation，简称“通航”)，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，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。通用航空已被国家定性为国家战略性新兴产业，处于急速发展阶段。通航飞行主要在低空空域开展，ADS-B信号受低空建筑物、山区地形遮挡严重，导致ADS-B地面站覆盖范围大大缩小。

面对通航低空飞行所引发的ADS-B监视范围覆盖不足的问题，目前流行的解决方法是采用ADS-B、北斗短报文、移动通信链路多模融合的方法解决，以专利《一种多模式数据链路的通信导航监视系统》(申请号：201410091831.4)为代表，采用了ADS-B通信链路、北斗短报文通信链路以及移动通信链路来传输航空监视信息。在这种方法里，移动通信链路是与ADS-B通信链路并列的空地通信链路，用于独立传输航空监视消息。然而，这种方法也具有局限性，北斗短报文通信频率过低，民用约为1分钟/次，远不能满足航空实时监视需求，移动通信信号覆盖高度有限，往往超过500米就很难有信号。因此，本发明采用另外一个思路，通过增加ADS-B地面站数量来解决监视范围覆盖不足的问题。由于地面站数量大大增加，为每一个地面站修建完善的电力与网络基础设施是一种成本极高的做法，短时间内不具备可实施性，因此一个比较可行的方法是采用太阳能电池作为电力基础设施，采用移动通信作为网络基础设施。针对这种设置，本发明构建一种廉价可行的大规模ADS-B地面站传输、布站与管理方法，满足通航飞行需求。

发明内容

为了解决通用航空ADS-B地面站监视范围覆盖不足的问题，本发明提供一种基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ADS-B飞行监视系统及其工作模式选择和布站优化方法，该方法不仅能够实现基于太阳能供电和移动通信传输的ADS-B地面站，而且能够结合历史ADS-B监视报文与数字高程模型进一步优化ADS-B地面站布局。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明首先提供了基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ADS-B飞行监视系统，其包括若干ADS-B地面站和中心服务器，

所述ADS-B地面站配置有移动通信模块和一个具有太阳能发电模块的电源系统；

所述ADS-B地面站采用移动通信模块与中心服务器建立通信连接；ADS-B地面站具有控制反馈端口、实时报文发送端口、历史报文发送端口，其通过3端口传输方与中心服务器进行信息传输；

所述中心服务器配置有数据管理模块，用于设置选择数据内容；中心服务器配置有地面站管理模块，用于对地面站故障、异常状态进行管理；中心服务器配置有布站方案优化与生成模块，用于对地面站的布站地点进行优化或生成。

进一步的，所述的ADS-B地面站还包括天线模块、存储模块、以及用于选择地面站工作模式的核心计算控制模块，所述的电源系统还包括电池模块；所述太阳能发电模块与电池模块连接；所述电源系统为ADS-B地面站供电。

其次，本发明还公开了一种所述系统的ADS-B地面站工作模式选择方法，其包括如下步骤：

1)ADS-B地面站开始主任务循环，首先测量剩余电量，并评估续航时间，如果续航时间小于设置的时间阈值，则判断该ADS-B地面站电量不足，进入低功耗模式，进入低功耗模式前，向中心服务器发送电量不足的告警信息，进入低功耗模式后，每隔T1时间周期性地测量剩余电量，评估电池是否得到电源补充；若续航时间大于阈值，则进入步骤2)

2)测量ADS-B地面站所接收到的移动通信信号强度，如果小于阈值，说明基本断网，不具备数据传输条件，进入仅存储模式，存储所接收到ADS-B报文信息，并标记未发送数据，进入仅存储模式后，每隔T2时间周期性地测量移动通信信号，重新评估数据传输的可能性；

移动信号强度大于阈值时，进一步尝试与中心服务器建立TCP连接，采用3端口连接方式，分别为控制反馈端口、实时报文发送端口、历史报文发送端口，如果连接不成功，则重新进入仅存储模式，重新测量移动通信信号强度，以及重新连接服务器；

3)连接服务器成功后，判断中心服务器是否有明确指令，是则按指令执行；

如果中心服务器不存在明确指令，则判断是否存在未发送数据，如果不存在，则进入仅发送实时报文模式，否则进入实时报文发送+历史报文发送模式；无论进入哪种模式，都会在T3时间后，重新开始主任务循环。

本发明还公开了一种所述系统的地面站布站优化方法，其包括如下步骤：

中心服务器基于地理数字高程模型，计算地理极高点，并将地理极高添加至候选布站点；

中心服务器将已设布站点添加至候选布站点；逐一计算候选布站点的ADS-B地面站信号仿真覆盖范围；根据信号仿真覆盖情况从中筛选出合适的候选点，生成一个或多个新设站布站方案；

针对已设站点，基于已设站点历史ADS-B报文数据，计算已设站点信号真实覆盖范围，对比同一站点的信号仿真覆盖范围，对差异超过设定值的站点进行标记，检查其硬件是否有故障，检查站点周围是否存在遮挡；

从成本和效果综合比较已设站布站方案和新设站布站方案，得到最优化方案。

与现有技术相比，本发明方案中每个地面站通过3个端口与中心服务器建立连接，分别为控制反馈端口，实时报文发送端口，历史报文发送端口，为了避免干扰，实时报文与历史报文分成2个端口传输；本发明设计实施灵活可变ADS-B地面站工作模式，实时监测电池电量与移动通信信号质量，结合ADS-B报文数量，以及中心服务器指令要求，实现自适应的ADS-B报文内容选择、压缩和发送；本发明基于数字高程模型，筛选地理极高点，计算已有布站点和地理极高点的ADS-B信号受遮挡情况，结合历史ADS-B监视报文，实现已设站的优化布站，或新设站的布站方案自动化生成。本发明不仅能够在无基础设施覆盖的区域实现低成本的ADS-B地面站监视，而且能够自动化生成、优化单体至大规模ADS-B地面站的布站方案。

附图说明

图1为本发明方法的总体流程图；

图2为本发明系统的结构图；

图3为工作模式选择流程图；

图4为布站优化流程图；

图5为地理极高点计算过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ADS-B飞行监视系统包括若干ADS-B地面站和中心服务器，

所述ADS-B地面站配置有移动通信模块和一个具有太阳能发电模块的电源系统；

所述ADS-B地面站采用移动通信模块与中心服务器建立通信连接；ADS-B地面站具有控制反馈端口、实时报文发送端口、历史报文发送端口，其通过3端口传输方与中心服务器进行信息传输；

所述中心服务器配置有数据管理模块，用于设置选择数据内容；中心服务器配置有地面站管理模块，用于对地面站故障、异常状态进行管理；中心服务器配置有布站方案优化与生成模块，用于对地面站的布站地点进行优化或生成。

本系统中的地面站适用于在无基础设施覆盖的区域，比如山顶，实施基于太阳能电池供电与移动通信模块联网的ADS-B地面站的传输、布站与管理。典型结构如图2所示，ADS-B地面站采用太阳能发电模块与电池作为电源，给ADS-B地面站供电；ADS-B地面站采用移动通信模块，与中心服务器建立连接，采用3端口传输方式，其中控制反馈端口是双向传输，用于控制信息与反馈信息的传输，实时报文发送端口与历史报文发送端口用于发送报文数据，为了避免干扰，实时报文与历史报文分成2个端口传输；中心服务器设有数据管理模块，可设置选择数据内容，比如实时数据，指定时间阶段的历史数据等；中心服务器设有地面站管理模块，对地面站故障、异常状态进行管理；中心服务器设有布站方案优化与生成模块，对地面站的布站地点进行优化或生成。

如图1所示，为本发明总体方法流程，ADS-B地面站实时不间断接收ADS-B报文信息，同步实施信号发送速率上限计算、实时ADS-B报文数量计算、电量续航评估，并结合考虑中心服务器指令，综合计算ADS-B地面站工作模式，比如无网条件下采用仅存储模式、大容量实时ADS-B报文下采用仅实时发送模式、小容量ADS-B报文下采用实时发送+历史报文回传模式、特殊情况下采用仅历史报文回传模式等。ADS-B地面站依据选定的工作模式运行，并实时反馈工作状态，供ADS-B地面站动态更新工作模式。进一步地，中心服务器可对远端的ADS-B地面站进行综合管理和优化，基于地理数字高程模型，计算地理极高点，添加至候选布站点，同时，将已设布站点添加至候选布站点，计算候选布站点的ADS-B地面站信号覆盖范围，并进一步筛选出合适的候选点，完成新设站布站方案生成。针对已设站，基于历史ADS-B报文数据，计算真实覆盖范围，对比同点的仿真计算覆盖范围，标记异常项。结合已设站方案效果，以及新设站布站方案效果，在效果和成本取得均衡，完成综合优化。

工作模式的选择如图3所示，ADS-B地面站开始主任务循环，首先测量剩余电量，并评估续航时间，如果续航时间小于设置的时间阈值，则判断该ADS-B地面站电量不足，进入低功耗模式，进入低功耗模式前，会向中心服务器发送电量不足的告警信息。进入低功耗模式后，每隔T1时间周期性地测量剩余电量，评估电池是否得到电源补充。

续航时间大于阈值后，进一步测量移动信号强度，这里所指的移动通信指由中国移动、中国电信、中国联通等电信运营商提供2G、3G、4G、5G等数据通信服务。测量ADS-B地面站所接收到的移动通信信号强度，如果小于阈值，说明基本断网，不具备数据传输条件，进入仅存储模式，存储所接收到ADS-B报文信息，并标记未发送数据。同样，进入仅存储模式后，每隔T2时间周期性地测量移动通信信号，重新评估数据传输的可能性。

移动信号强度大于阈值后，进一步尝试与中心服务器建立TCP连接，采用3端口连接方式，分别为控制反馈端口、实时报文发送端口、历史报文发送端口，如果连接不成功，则重新进入仅存储模式，重新测量移动通信信号强度，以及重新连接服务器。

连接服务器成功后，判断中心服务器是否有明确指令，是则按指令执行，常见指令包括快速回调指定时间阶段报文、仅发送实时报文、发送实时报文+发送指定时间阶段报文、进入休眠模式等指令。

如果中心服务器不存在明确指令，则判断是否存在未发送数据，如果不存在，则进入仅发送实时报文模式，否则进入实时报文发送+历史报文发送模式。无论进入哪种模式，都会在T3时间后，重新开始主任务循环，以便进一步判断电量等参数。

在进入实时报文发送+历史报文发送模式时，优先保障实时报文发送，在网络带宽有余量的情况下，发送历史报文数据，因此历史报文发送速度应采用自适应调整方式。

综合管理与优化流程如图4所示，基于地理数字高程模型，计算地理极高点，添加至候选布站点，同时，将已设布站点添加至候选布站点，计算候选布站点的ADS-B地面站信号覆盖范围，并进一步筛选出合适的候选点，完成新设站布站方案生成。针对已设站，基于历史ADS-B报文数据，计算真实覆盖范围，对比同点的仿真计算覆盖范围，标记异常项。结合已设站方案效果，以及新设站布站方案效果，在效果和成本取得均衡，完成综合优化。

基于地理数字高程模型的地理极高点计算，计算过程如图5所示，分为初步计算、竞争与合并2个步骤。数字高程模型((Digital Elevation Model,DEM))表示区域D上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为：

V_ij＝(X_i,Y_j,Z_ij),(i＝1,2,3,...n,j＝i＝1,2,3,...m)

其中X_i，Y_j是平面坐标，Z_ij是(X_i,Y_j)d对应的高程。如果某一点的高程比所有临近点的高程都要大，则表示该点为地理极高点，用函数的形式表示为：

{V_ij|Z_ij＞Z_i+a,j+b,a∈{-1,1},b∈{-1,1}}

设定最小半径R_vmin，进行竞争与合并，该地理极高点必须在以其为圆心，半径为R_vmin圆形范围内为最大高程值，用函数的形式表示为：

将已设布站点的坐标添加至候选点集合，逐一计算候选点的覆盖范围。计算主要分为2步，①计算最大接收距离，主要考虑ADS-B地面站性能参数和地球曲率影响，②计算可视域，主要考虑地形遮挡。

最大接收距离D_r计算。先计算最大直视距离D_v，采用文献“卢春兰，杨涛，余同彬，等.电波与光波传输技术[M].北京:人民邮电出版社,2013”所提到的公式：

单位:米

其中h₁、h₂分别代表ADS-B天线架设高度、飞机高度，2个高度均是相对于当地平均海拔高的高度。进一步结合ADS-B地面站最大接收距离参数D_R，最大接收距离D_r取2者中的小值，具体表示为：

D_r＝min(D_v,D_R)

可视域计算，在最远接收距离D_r参数约束下，计算候选点集合中的可视域范围。可视域计算，即根据指定的视点、最远视距(本方法中设定为最远接收距离D_r)和距地标高度，考虑地形遮挡，计算出该点向四周瞭望，所能看到的最大范围。采用目前比较成熟的可视域计算方法，比如武汉大学吴艳兰提出的基于参考面的可视域算法。

基于可视域计算结果，按照最小盲区原则，筛选候选点，生成新设站布站方案。基于历史ADS-B报文数据，计算已设站点的实际接收范围，与该点可视域计算结果进行对比，对差异较大的点进行标记，检查其硬件是否有故障，检查其周围是否存在建筑遮挡等情况。结合已设站方案效果，以及新设站布站方案效果，在效果和成本取得均衡，完成综合优化。

Claims (1)

1.一种基于太阳能供电和移动通信传输的大规模ADS-B飞行监视系统的地面站布站优化方法，所述的大规模ADS-B飞行监视系统包括若干ADS-B地面站和中心服务器，

所述ADS-B地面站配置有移动通信模块和一个具有太阳能发电模块的电源系统；

所述ADS-B地面站采用移动通信模块与中心服务器建立通信连接；ADS-B地面站具有控制反馈端口、实时报文发送端口、历史报文发送端口，其通过3端口传输方与中心服务器进行信息传输；

所述中心服务器配置有数据管理模块，用于设置选择数据内容；中心服务器配置有地面站管理模块，用于对地面站故障、异常状态进行管理；中心服务器配置有布站方案优化与生成模块，用于对地面站的布站地点进行优化或生成；

其特征在于，所述的地面站布站优化方法包括如下步骤：

中心服务器基于地理数字高程模型，计算地理极高点，并将地理极高添加至候选布站点；计算地理极高点包括如下步骤：

数字高程模型表示区域D上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为：

V_ij＝(X_i,Y_j,Z_ij),(i＝1,2,3,...n,j＝i＝1,2,3,...m)

其中X_i，Y_j是平面坐标，Z_ij是(X_i,Y_j)对应的高程；如果某一点的高程比所有临近点的高程都要大，则表示该点为地理极高点；

设定最小半径R_vmin，进行竞争与合并，地理极高点必须在以其为圆心，半径为R_vmin圆形范围内为最大高程值，用函数的形式表示为：

中心服务器将已设布站点添加至候选布站点；逐一计算候选布站点的ADS-B地面站信号仿真覆盖范围；根据信号仿真覆盖情况从中筛选出合适的候选点，生成一个或多个新设站布站方案；具体为：

1)计算ADS-B地面站最大接收距离D_r；

2)根据指定的视点、最远接收距离D_r和距地标高度，考虑地形遮挡，计算出在最远接收距离约束下，该候选布站点向四周瞭望，所能看到的最大范围作为该候选布站点的可视域计算结果，即该候选布站点信号仿真覆盖范围；

3)候选点集合中各点的可视域计算结果即为候选点集合的信号仿真覆盖范围；基于候选点集合的可视域计算结果，按照最小盲区原则，筛选候选点，生成新设站布站方案；

针对已设站点，基于已设站点历史ADS-B报文数据，计算已设站点信号真实覆盖范围，对比同一站点的信号仿真覆盖范围，对差异超过设定值的站点进行标记，检查其硬件是否有故障，检查站点周围是否存在遮挡；

从成本和效果综合比较已设站布站方案和新设站布站方案，得到最优化方案。

Images