CN115547117A - 一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，包括亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元和亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元。该系统可以应用于商业航天与军民用航空协作中心，优势在于在亚轨道可重复飞行器上装载支持增强ADS‑B技术的ADS‑B应答器，目的在于使用亚轨道可重复使用飞行器监视系统，精准跟踪亚轨道可重复使用飞行器，协调军民用飞机和亚轨道可重复使用飞行器，并降低商业航天飞行操作对军民用航空空域的影响和潜在危害，实现商业航天和军民用航空一体化。
Description
技术领域
本发明属于亚轨道可重复使用飞行器的监视服务技术领域，尤其是涉及一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统。
背景技术
在航天发射或再入活动期间，中国民用航空局会发布具有固定边界、持续时间较长、范围较大的临时飞行限制区，并禁止军用飞机和民用飞机进入临时飞行限制区。由于目前商业航天发射活动不频繁，临时飞行限制区对国家空域系统的军用航空和民用航空活动影响较小。在未来，中国将大力发展商业航天领域，亚轨道可重复使用飞行器发射活动将更加频繁，建立商业航天与军民用航空协作系统将成为趋势。现有商业航天通信网络虽然能够为亚轨道可重复使用飞行器提供精准的跟踪服务，但与空管自动化系统不兼容。如果国家航天局负责空域授权，则会降低国家空域系统的兼容性和容量，导致临时飞行限制区不再能够协调商业航天与军民用航空。
目前，ADS-B技术作为空中交通监视服务技术，已广泛应用于民航飞机，其自动、相关、监视、广播等功能对中国高密度交通空域非常重要。为了建立商业航天与军民用航空协作系统，需要在原有ADS-B技术的基础上设计面向亚轨道可重复使用飞行器的增强ADS-B监视系统，并在亚轨道可重复飞行器上装载支持增强ADS-B技术的ADS-B应答器，为航空用户提供先进的监视服务，将态势感知信息实时共享给亚轨道可重复使用飞行器、民用飞机、军用飞机和空中交通管制员，实现商业航天与军民用航空无缝集成。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，以提高亚轨道可重复使用飞行器的监视服务技术，降低商业航天发射对我国空域系统的影响。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，包括亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元和亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元；
所述亚轨道可重复使用飞行器监测单元，用于利用增强ADS-B技术向地面端和其他配备ADS-B应答器的飞行器广播配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的监视数据，并和亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元、亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元进行实时数据交互；
所述亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元，用于利用增强ADS-B技术从其他配备ADS-B应答器的飞行器和地面端接收ADS-B报文信息，并向配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的交通信息显示屏提供监视数据，并和亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元进行实时数据交互；
所述亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元，用于预测飞行器爆炸瞬间碎片波及区域，并向地面端发送告警信息，使军民用飞行器提前避开危险区域，并和亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元进行实时数据交互。
进一步的，所述其他配备ADS-B应答器的飞行器，包括支持增强ADS-B技术的亚轨道可重复使用飞行器、以及支持ADS-B技术的军民用飞机及运载火箭；
所述亚轨道可重复使用飞行器监测单元中的监视数据，包括配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度、爬升率、下降率、以及紧急情况指示；
所述亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元中的监视数据，包括其他配备ADS-B应答器的军民用飞机的识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度、爬升率、下降率、以及紧急情况指示；
所述地面端，包括商业航天企业、空管局、军民航机场、卫星发射中心、以及商业航天与军民用航空协作中心。
进一步的，所述增强ADS-B技术包括
在亚轨道可重复使用飞行器上安装1090ES和UAT数据链路；
根据不同飞行阶段进行信息更新率的自适应，使消息更新周期与亚轨道可重复使用飞行器的速度相匹配，规定在亚轨道可重复使用飞行器的上升和下降阶段：当亚轨道可重复使用飞行器速度为5～7.5马赫时，信息更新率为0.85～1秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为7.5～10马赫时，信息更新率为0.7～0.85秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为10～12.5马赫时，信息更新率为0.6～0.7秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为12.5～15马赫时，信息更新率为0.5～0.6秒/次；
修改UAT中的高度字段；
设置数据延迟的总数据延迟不超过1.0秒，未补偿数据延迟在1.0秒内不超过0.3秒；
增强亚轨道可重复使用飞行器的通信信号质量；
通过接收机中的ADS-B GBT和机载ADS-B补偿多普勒效应；
在亚轨道可重复使用飞行器经历等离子体效应之前，标称轨道可以作为ADS-B意向信息。
进一步的，所述修改UAT中的高度字段具体包括：
使用保留的消息类型，专门为亚轨道可重复使用飞行器的飞行操作定义新的消息或消息类型；
引入一个高度类型位，在不同的场景下，在同一消息字段中显示不同的数字。
进一步的，所述增强亚轨道可重复使用飞行器的通信信号质量包括：
增加ADS-B传输功率的最低要求；
将天线分集引入亚轨道可重复使用飞行器；
用一个高增益、低损耗和高带宽的天线传输ADS-B信号。
进一步的，所述预测飞行器爆炸瞬间碎片波及区域，通过ε-足迹表示所有碎片轨迹所占据的最小4D(空间-时间)区域，将碎片轨迹问题改写成机会约束优化问题，通过违例参数与经验违例参数设定与包含约束移除的情景法变体求解，获取ε-足迹得知更准确的碎片分散情况，据碎片分布密度实时处理成含有风险等级的椭圆区域，帮助军民用飞行器驾驶员提前做出是否通过潜在危险区域的决策。
进一步的，所述系统实现过程如下：
步骤1：在亚轨道可重复使用飞行器上安装具备增强ADS-B技术的ADS-B应答器；
步骤2：利用增强ADS-B OUT技术，实现亚轨道可重复使用飞行器的高精度跟踪和监视功能，利用增强ADS-B IN技术，实现亚轨道可重复使用飞行器的态势感知功能；
步骤3：根据亚轨道可重复使用飞行器碎片预测分布的范围，实时发出告警信号。
相对于现有技术，本发明所述的一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统具有以下优势：
(1)本发明提供了面向亚轨道可重复使用飞行器的增强ADS-B技术，有助于用户端和地面端了解亚轨道可重复使用飞行器的飞行轨迹、再入地点和时间，有助于军民用飞机避开潜在的碎片场；
(2)本发明在装载ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器上使用增强ADS-B技术，使亚轨道可重复使用飞行器能够通过ADS-B应答器直接与军民用飞机、地面控制站通信，实现了亚轨道可重复使用飞行器的监视服务技术，有助于实现在同一空中交通系统中商业航天飞行业务和军民用航空飞行业务的无缝集成，降低了商业航天密集发射期间亚轨道可重复使用飞行器对国家空域系统的影响。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的系统组成图；
图2为本发明的增强ADS-B概念图；
图3为本发明的增强ADS-B技术改进图；
图4为本发明的亚轨道可重复使用飞行器监视系统实现过程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1、2所示，本发明提供了一种基于增强ADS-B技术的亚轨道可重复使用飞行器监视系统，具体包括亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元和亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元；
具体的，亚轨道可重复使用飞行器监测单元，利用增强ADS-B OUT技术向地面端和其他配备ADS-B应答器的飞行器广播配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的监视数据；从亚轨道可重复使用飞行器监测单元中获取本亚轨道可重复使用飞行器的识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度、爬升率、下降率、紧急情况指示等数据，并实时传输给亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元，向其他飞行器告知上述监测数据；
其中，其他配备ADS-B应答器的飞行器，包括但不限于支持增强ADS-B技术的亚轨道可重复使用飞行器、支持ADS-B技术的军民用飞机及运载火箭等；监视数据，包括但不限于飞行器的识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度、爬升率、下降率、紧急情况指示等；地面端，包括但不限于商业航天企业、空管局、军民航机场、卫星发射中心、商业航天与军民用航空协作中心等。
具体的，亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元，利用增强ADS-B IN技术从其他配备ADS-B应答器的飞行器和地面端接收ADS-B报文信息，并向配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的交通信息显示屏提供监视数据；从亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元中获取其他亚轨道可重复使用飞行器以及军民用飞机的识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度、爬升率、下降率、紧急情况指示等数据，并实时传输给亚轨道可重复使用飞行器监测单元，向本亚轨道可重复使用飞行器告知上述监测数据。
根据亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元中监测到的紧急情况指示，从亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元中获取具有紧急情况指示异常的亚轨道可重复使用飞行器识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度等数据，并实时传输给亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元，准确预测亚轨道可重复使用飞行器爆炸瞬间碎片波及区域；将飞行器爆炸瞬间碎片波及区域位置实时传输给亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元，告知具有紧急情况指示异常的亚轨道可重复使用飞行器爆炸瞬间碎片波及区域范围。
其中，本发明的增强ADS-B技术，在ADS-B的基础上，对系统层面和技术层面进行改进；
系统层面，包括但不限于数据链、消息更新率、数据格式、数据延迟等；技术层面，包括但不限于天线、多普勒效应、等离子体效应。
所述数据链层面，在亚轨道可重复使用飞行器上安装双链路，包括1090ES和UAT，以支持增强ADS-B技术的应用；
所述消息更新率层面，安装具备增强ADS-B技术的发射设备的亚轨道可重复使用飞行器需要更高的消息更新率来保持相同的定位精度性能，实现亚轨道可重复使用飞行器高精度跟踪功能；
所述数据格式层面，根据亚轨道可重复使用飞行器的发射高度跨越大的特点，修改UAT中的高度字段，以便可以正确显示亚轨道可重复使用飞行器的飞行高度；
所述数据延迟层面，亚轨道可重复使用飞行器上的增强ADS-B系统的数据延迟分为总延迟和未补偿延迟，需要至少保持相同的系统精度；
所述天线层面，增加1090ES和UAT所需的最低传输功率，将高性能天线分集引入到亚轨道可重复使用飞行器，以便更好地传输ADS-B信号；
所述多普勒效应层面，亚轨道可重复使用飞行器的多普勒效应发生在亚轨道可重复使用飞行器的上升和下降阶段，需要通过接收机中的ADS-B GBT和机载ADS-B进行补偿；
所述等离子体效应层面，亚轨道可重复使用飞行器的等离子体效应会衰减射频信号，导致无线电通信完全中断，在亚轨道可重复使用飞行器经历等离子体效应之前，标称轨道可以作为ADS-B意向信息，该信息可以从亚轨道可重复使用飞行器发送到ADS-B GBT和周围的军民用飞机。
具体的，亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元，用于预测飞行器爆炸瞬间碎片波及区域，并向地面端发送告警信息，使军民用飞行器提前避开危险区域；
其中，所述预测飞行器爆炸瞬间碎片波及区域，通过ε-足迹表示所有碎片轨迹所占据的最小4D(空间-时间)区域，将碎片轨迹问题改写成机会约束优化问题，通过违例参数与经验违例参数设定与包含约束移除的情景法变体求解，获取ε-足迹得知更准确的碎片分散情况，据碎片分布密度实时处理成含有风险等级的椭圆区域，帮助军民用飞行器驾驶员提前做出是否通过潜在危险区域的决策。
本发明所述的增强ADS-B技术改进过程如图3所示。
在亚轨道可重复使用飞行器上安装1090ES和UAT数据链路，以支持增强ADS-B技术应用于亚轨道可重复使用飞行器，使增强ADS-B技术满足更高的高度和速度运行要求，同时扩展消息类型以扩充补足，有助于用户端和地面端了解亚轨道可重复使用飞行器的轨迹、再入地点和时间，有助于军民用飞机避开潜在的碎片场。
原有ADS-B技术的数据更新速率一般为1～5秒/次，最快可达到0.5秒/次。在亚轨道可重复使用飞行器的上升和下降阶段，亚轨道可重复使用飞行器是在与军民用飞机相同的环境中飞行的，可能会出现轨道交通拥堵情况；如果数据更新速率保持不变，消息更新周期与更高的亚轨道可重复使用飞行器速度相结合会导致更大的定位误差；因此，增强ADS-B根据不同飞行阶段进行信息更新率的自适应，使消息更新周期与亚轨道可重复使用飞行器的速度相匹配以减少定位误差，实现亚轨道可重复使用飞行器高精度跟踪功能。规定如下规则：当亚轨道可重复使用飞行器速度为5～7.5马赫时，信息更新率为0.85～1秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为7.5～10马赫时，信息更新率为0.7～0.85秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为10～12.5马赫时，信息更新率为0.6～0.7秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为12.5～15马赫时，信息更新率为0.5～0.6秒/次。
原有ADS-B消息结构中的“发射器类别”没有为以亚轨道可重复使用飞行器为代表的空间飞行操作指定特定的消息或消息类型，导致了ADS-B消息格式限制问题，因此改进原有ADS-B消息中的高度字段来改善消息格式限制问题，以便显示亚轨道可重复使用飞行器的更高的飞行高度，修改高度字段有两种解决方案：
1、使用保留的消息类型，专门为亚轨道可重复使用飞行器的飞行操作定义新的消息或消息类型；例如，在分辨率为25英尺的情况下，分配36位编码高度，以便显示高达330000英尺的高度；
2、引入一个高度类型位，在不同的场景下，在同一消息字段中显示不同的数字；例如，当亚轨道可重复使用飞行器低于101350英尺时，决策位将设置为零，高度字段正常工作，“高度>101337.5英尺”更改为“高度＝101350英尺”。当亚轨道可重复使用飞行器高于101350英尺时，高度类型位将设置为1，并指示高度字段显示“超高高度”；然后，相同的12位字段将被指定为显示101375英尺到330000英尺的高度。
由于亚轨道可重复使用飞行器的飞行速度比军民用飞机快，因此，相同的数据延迟将导致更大的定位误差和更差的系统精度，所以，设置增强ADS-B技术的数据延迟总数据延迟不超过1.0秒，增强ADS-B技术的未补偿数据延迟在1.0秒内不超过0.3秒以匹配系统精度。
增强亚轨道可重复使用飞行器的通信信号质量，以减少ITAR对GPS(ADS-B依赖于GPS)的限制，提出以下三种方案：
1、增加ADS-B传输功率的最低要求；例如，1090ES和UAT所需的最低传输功率应分别至少为500瓦和100瓦；
2、将天线分集引入亚轨道可重复使用飞行器；
3、使用一个高增益、低损耗和高带宽的天线传输ADS-B信号。
通过接收机中的ADS-B GBT和机载ADS-B补偿多普勒效应以减少频偏：
亚轨道可重复使用飞行器在上升和下降过程中的最大理论速度为1701.48米/秒，计算1090秒的理论最大多普勒频移：
UAT的最大理论多普勒频移为
其中，fo是信号频率，c是光速。1090ES转发器工作在1090MHz，频率偏差为1MHz，而UAT转发器工作在978MHz，频率偏差为20PPM。因此，UAT转发器产生的ADS-B信号的最大频率误差为|Δf|＝978M×20PPM＝19560Hz。
步骤7、在亚轨道可重复使用飞行器经历等离子体效应前，标称轨道可以作为ADS-B信号信息从亚轨道可重复使用飞行器发送到ADS-B GBT和周围的飞机。GBTs可以使用卡尔曼滤波和DST等技术，在接下来的几分钟内预测亚轨道可重复使用飞行器的位置，为其形成动态STC，并将这些信息发送给周围的飞机发出警告。
本发明的一种基于增强ADS-B技术的亚轨道可重复使用飞行器监视系统实现过程如图4所示；
步骤1、在亚轨道可重复使用飞行器上安装具备增强ADS-B技术的ADS-B应答器，其实现过程如下：
步骤1.1、在亚轨道可重复使用飞行器上安装增强ADS-B信号接收和发送软件，以及与北斗接收机相连的ADS-B应答器；
步骤1.2、当打开亚轨道可重复使用飞行器的应答器时，增强ADS-B的自动、广播、监视、相关功能会自动开启；
步骤1.3、当选择亚轨道可重复使用飞行器上的应答器IDENT(识别)功能时，增强ADS-B会发送识别信号。
步骤2、利用增强ADS-B OUT技术，实现亚轨道可重复使用飞行器的高精度跟踪和监视功能，其实现过程如下：
步骤2.1、根据增强ADS-B技术中消息更新率、数据格式以及天线方面的改进，配有高性能天线的亚轨道可重复使用飞行器每隔0.5秒广播ADS-B信息(包括引入高度类型的空中位置信息、空中速度信息)，并将信息发送至周围的军民用飞机和空中交通管制系统，当亚轨道可重复使用飞行器垂直飞行，军民用飞机水平飞行时，高性能天线有助于提高通信信号的质量；
步骤2.2、利用北斗定位数据确定亚轨道可重复使用飞行器的卫星定位，监视系统测量位置来确定数据延迟总数据，即亚轨道可重复使用飞行器位置的时间与亚轨道可重复使用飞行器ADS-B应答机传输位置信息的时间之间的时间差，使增强ADS-B技术的数据延迟总数据延迟不超过1.0秒；
步骤2.3、空中交通管制部门使用监视系统来接收亚轨道可重复使用飞行器的增强ADS-B报文信息(包括引入高度类型的空中位置信息、空中速度信息)和军民用飞行器的ADS-B报文信息(包括未引入高度类型的空中位置信息、空中速度信息)，报文信息作为二次雷达的重要补充信息，有助于了解亚轨道可重复使用飞行器和军民用飞行器的位置及其周边的交通情况，管理空中交通流量。
步骤3、利用增强ADS-B IN技术，实现亚轨道可重复使用飞行器的态势感知功能，其实现过程如下：
步骤3.1、亚轨道可重复使用飞行器利用ADS-B IN功能，接收其他配备ADS-B的飞行器和地面端发送的信息；
步骤3.2、向亚轨道可重复使用飞行器的交通信息显示屏提供其他配备ADS-B的飞行器的运行状况；
步骤3.3、在装有飞行程序的亚轨道可重复使用飞行器飞行过程中，实时监测200平方公里范围内的军民用飞行器以及其他亚轨道可重复使用飞行器；
步骤3.4、当装有飞行程序的亚轨道可重复使用飞行器检测出200平方公里范围内不存在军民用飞行器以及其他亚轨道可重复使用飞行器时，则亚轨道可重复使用飞行器按原计划轨迹飞行；
步骤3.5、当装有飞行程序的亚轨道可重复使用飞行器检测出200平方公里范围内的存在军民用飞行器以及其他亚轨道可重复使用飞行器时，则亚轨道可重复使用飞行器将根据告警信号等级进行改航，改航角度和方向如下：若无告警信号，则不改航；若告警信号等级为1A级，则向左改航10°；若告警信号等级为1B级，则向右改航10°；若告警信号等级为2A级，则向左改航20°；若告警信号等级为2B级，则向右改航20°；若告警信号等级为3A级，则向左改航30°；若告警信号等级为3B级，则向右改航30°。
步骤4、根据亚轨道可重复使用飞行器碎片预测分布的范围，实时发出告警信号，其实现过程如下：
步骤4.1、三维ε-足迹扩展至四维来表示所有碎片轨迹所占据的最小4D(空间-时间)区域，t时刻碎片分散情况由椭球集εε表示：
其中，A，c分别为椭球中心矩阵，椭球形状矩阵。
步骤4.2、将碎片轨迹问题改写成机会约束优化问题，计算除一组概率ε外所有可能的碎片轨迹的椭球εε(A,c)最小体积问题表示为：
式中：向量δ表示具有不确定性影响碎片分散情况的物理参量，xδ(t)表示碎片精确位置。
设(A*,c*)是(1)的解，即：
式中：
表示最小体积椭圆体，代表与违例参数ε有关的足迹，根据足迹实时处理成含有风险等级的椭圆区域；
步骤4.3、若军民用飞行器的原计划航线恰好穿过亚轨道可重复使用飞行器解体碎片分布区域及周围区域，则监视系统利用将向商业航天与军民用航空协作中心发出告警信号(1A级～3A级、1B级～3B级)；
步骤4.4、商业航天与军民用航空协作中心的空中交通管制员根据告警信号的等级，实时向军民用飞行器发出改航指令,改航角度和方向如下：若告警信号等级为1A级，则向左改航10°；若告警信号等级为1B级，则向右改航10°；若告警信号等级为2A级，则向左改航20°；若告警信号等级为2B级，则向右改航20°；若告警信号等级为3A级，则向左改航30°；若告警信号等级为3B级，则向右改航30°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，其特征在于：包括亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元和亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元；
所述亚轨道可重复使用飞行器监测单元，用于利用增强ADS-B技术向地面端和其他配备ADS-B应答器的飞行器广播配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的监视数据，并和亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元、亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元进行实时数据交互；
所述亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元，用于利用增强ADS-B技术从其他配备ADS-B应答器的飞行器和地面端接收ADS-B报文信息，并向配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的交通信息显示屏提供监视数据，并和亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元进行实时数据交互；
所述亚轨道可重复使用飞行器碎片预测及告警单元，用于预测飞行器爆炸瞬间碎片波及区域，并向地面端发送告警信息，使军民用飞行器提前避开危险区域，并和亚轨道可重复使用飞行器监测单元、亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元进行实时数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，其特征在于：
所述其他配备ADS-B应答器的飞行器，包括支持增强ADS-B技术的亚轨道可重复使用飞行器、以及支持ADS-B技术的军民用飞机及运载火箭；
所述亚轨道可重复使用飞行器监测单元中的监视数据，包括配备ADS-B应答器的亚轨道可重复使用飞行器的识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度、爬升率、下降率、以及紧急情况指示；
所述亚轨道可重复使用飞行器态势感知单元中的监视数据，包括其他配备ADS-B应答器的军民用飞机的识别号、经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、速度、爬升率、下降率、以及紧急情况指示；
所述地面端，包括商业航天企业、空管局、军民航机场、卫星发射中心、以及商业航天与军民用航空协作中心。
3.根据权利要求1所述的一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，其特征在于：所述增强ADS-B技术包括
在亚轨道可重复使用飞行器上安装1090ES和UAT数据链路；
根据不同飞行阶段进行信息更新率的自适应，使消息更新周期与亚轨道可重复使用飞行器的速度相匹配，规定在亚轨道可重复使用飞行器的上升和下降阶段：当亚轨道可重复使用飞行器速度为5～7.5马赫时，信息更新率为0.85～1秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为7.5～10马赫时，信息更新率为0.7～0.85秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为10～12.5马赫时，信息更新率为0.6～0.7秒/次；当亚轨道可重复使用飞行器速度为12.5～15马赫时，信息更新率为0.5～0.6秒/次；
修改UAT中的高度字段；
设置数据延迟的总数据延迟不超过1.0秒，未补偿数据延迟在1.0秒内不超过0.3秒；
增强亚轨道可重复使用飞行器的通信信号质量；
通过接收机中的ADS-B GBT和机载ADS-B补偿多普勒效应；
在亚轨道可重复使用飞行器经历等离子体效应之前，标称轨道可以作为ADS-B意向信息。
4.根据权利要求3所述的一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，其特征在于：所述修改UAT中的高度字段具体包括：
使用保留的消息类型，专门为亚轨道可重复使用飞行器的飞行操作定义新的消息或消息类型；
引入一个高度类型位，在不同的场景下，在同一消息字段中显示不同的数字。
5.根据权利要求3所述的一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，其特征在于：所述增强亚轨道可重复使用飞行器的通信信号质量包括：
增加ADS-B传输功率的最低要求；
将天线分集引入亚轨道可重复使用飞行器；
用一个高增益、低损耗和高带宽的天线传输ADS-B信号。
6.根据权利要求1所述的一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，其特征在于：所述预测飞行器爆炸瞬间碎片波及区域，通过ε-足迹表示所有碎片轨迹所占据的最小4D(空间-时间)区域，将碎片轨迹问题改写成机会约束优化问题，通过违例参数与经验违例参数设定与包含约束移除的情景法变体求解，获取ε-足迹得知更准确的碎片分散情况，根据碎片分布密度实时处理成含有风险等级的椭圆区域，帮助军民用飞行器驾驶员提前做出是否通过潜在危险区域的决策。
7.根据权利要求1所述的一种亚轨道可重复使用飞行器监视系统，其特征在于：所述系统实现过程如下：
步骤1：在亚轨道可重复使用飞行器上安装具备增强ADS-B技术的ADS-B应答器；
步骤2：利用增强ADS-B OUT技术，实现亚轨道可重复使用飞行器的高精度跟踪和监视功能，利用增强ADS-B IN技术，实现亚轨道可重复使用飞行器的态势感知功能；
步骤3：根据亚轨道可重复使用飞行器碎片预测分布的范围，实时发出告警信号。
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| US20220036748A1 (en) * | 2018-11-27 | 2022-02-03 | Leonardo S.P.A. | Suborbital space traffic control system with radar system and ads-b receiver |
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2022
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