空管监视台站组网规划与优化选址方法研讨

时间：2018-11-27 15:45:10 所属分类：电工技术 浏览量:

下面文章首先简要介绍了我国空管监视台站组网建设发展趋势，总结了传统空管监视台站选址标准流程在实际应用中的不足，接着通过台站组网问题分析与数学建模，基于非支配排序遗传算法提出了一种多源监视体制下监视台站组网与优化选址方法，并且介绍了该方法中

　　下面文章首先简要介绍了我国空管监视台站组网建设发展趋势，总结了传统空管监视台站选址标准流程在实际应用中的不足，接着通过台站组网问题分析与数学建模，基于非支配排序遗传算法提出了一种多源监视体制下监视台站组网与优化选址方法，并且介绍了该方法中监视台站信号覆盖模型化、监视台站覆盖分析和空间信息3项关键技术，最后，通过工程实例应用表明，该方法有效可行，并可优化改进。

　　关键词：空管监视台站,组网规划,优化选址,NSGA-II

　　监视台站作为民航空管通信导航监视基础设施的重要组成部分，其正常运行可有效保证飞行繁忙地区的交通管制需求，为空域和航路结构的调整和优化奠定了坚实基础，对空中交通的安全、容量和效率起到积极作用[1]。

　　我国民航空管交通监视台站规划建设早期以单一的一/二次雷达(PSR/SSR)组网监视为主，PSR/SSR监视台站建设存在对基础设施要求高、部署困难、价格昂贵、监视范围和精度有限等问题，以至于我国东西部雷达监视台站建设不均衡。随着民用航空新技术应用的推广，如广播式自动相关监视(ADS-B)和多点定位系统(MLAT)，我国空管监视向PSR/SSR、ADS-B和MLAT多种组网方式协同综合监视与协同运行发展。

　　与传统的雷达监视技术相比，ADS-B和MLAT技术具有精度误差小、监视能力强、可靠性高、性价比高、安装方便和可扩充性好等明显优势，对于高密度飞行区域的空中交通服务也有着广泛应用前景。空管监视台站的种类和数量均在逐年增加，监视设施发展明显呈现出种类增多、数量增大和分布趋广的发展趋势。同时，我国各种地形复杂多样、交错分布，山区面积广大，使监视台站组网规划和建设更加复杂。

　　监视台站组网规划旨在经费有限情况下和指定规划区域范围内，科学规划一定数量的监视台站，使监视台站覆盖范围最大化覆盖探测区域。现有组网规划大多采用半人工、半自动化方式[2]，即先人工在野外或地图上采集候选点，再利用相关方法计算指定类型设备在该位置的覆盖范围，并将结果与规划区域地图进行叠加，通过不断的人工选取与计算，最终确定最佳候选点。

　　该方法流程复杂、人工成本高且盲区范围判断不准，候选点选取对技术人员的技术和经验要求高，尤其是在规划区域广、规划台站数量大、需考虑已建监视台站情况下，大大增加了组网规划成本和周期。基于上述背景，本文提出一种多源监视体制下基于NSGA-II(带精英策略的非支配排序遗传算法，一种基于遗传算法的多目标优化算法)的监视台站组网与优化选址方法，探讨了台站组网与优化选址过程中涉及的关键技术，以期对多源监视台站组网规划与优化选址实现自动化建设提供借鉴。

　　1模型与约束条件

　　1.1数学模型

　　在指定规划区域范围内，已知探测区域和位置，从一组候选地址中选择若干地址作为规划台站进行建设，使其台站信号覆盖范围在多个高度上覆盖探测区域的面积最大。因此，监视台站组网选址过程是一个求最大值的过程。

　　1.2选址流程与约束条件

　　1.2.1选址流程

　　多目标进化算法NSGA-II由KalyanmoyDeb提出，它同时采用了精英保存策略和多样性保护方法，性能和效率均优于传统遗传算法，且计算较简单[2]。结合监视台站组网优化选址问题，本文在经典的NSGA-II算法基础上进行改进[3]，新增了多约束条件判定评分及个体修正方法，提高了NSGA-II算法的效率和可操作性。

　　1.2.2多约束条件

　　文献[4]对监视台站设置场地进行了规范。结合该规范，本文将监视台站布网环境约束条件归结为站点场地环境、相邻设备距离、盲区和合法布站区域4类约束条件。

　　1)站点场地环境约束：站点所在场地及其环境

　　条件决定是否有利于监视台站工作性能的充分发挥。站点场地周边环境会对台站设备无线电信号产生一定干扰，故该约束条件是站点选址的精选条件。场地约束条件包括建筑物、湖泊、河流、公路、铁路和工厂等。通常每个场地的约束条件均对应一个干扰半径，如在450m范围内不应有金属建筑物、密集的居民楼和高压输电线，在800m范围内不应有能产生有源干扰的电气设施等。该类约束条件可根据实际规划环境进行配置，不局限于此。

　　2)相邻设备距离约束：由于监视设备特殊性，不同类型的监视设备信号传播存在不同程度旁瓣干扰，从而影响台站探测能力。如PSR/SSR存在一定范围顶空监视盲区，监视高度越高，盲区范围越大。为防止该情况发生，需对相邻设备相隔最小间距进行约束，即距离约束。在规划选址过程中，台站与台站的最小间距需满足距离约束条件[5]，既可保证相邻台站设备信号传播干扰最小化，又可减少相邻设备距离太近造成的顶空盲区重叠，起到顶空补盲作用。

　　3)盲区约束：文献[4]明确规定选择空管远程监视雷达站的配置地点时，应使雷达的顶空盲区避开其保障的主要航路。因此，针对探测目标为航路时，以探测航路为中心左右延展一定覆盖宽度(如10km，表明欲达到某段航路的信号覆盖)形成的区域为航路覆盖区域，该区域为航路探测目标区域，也是PSR/SSR台站选址应避开的区域。

　　4)合法布站区域约束：合法布站区域约束是台站候选点位置选址的前提条件，是对台站布站区域边界的限制，从而减少很多盲目的判断过程。合法布站区域是在规划需求请求时设定，在设定区域内再去掉航路覆盖区域(盲区约束条件)、海湖区域(沿海地区)和境外区域(内陆跨国区域)等区域后，最终得到的区域视为合法布站区域。

　　1.2.3多约束条件判定评分与个体修正

　　多约束条件判定评分是采用奖励机制，对方案群中每组规划方案个体进行约束条件判定，即如满足一类约束条件，则为该方案个体加1分;对所有方案个体判定完毕后，对没有得到满分的方案个体进行位置修正，直至评分为满分。个体位置修正基本原则是需满足上述4类约束条件。为防止修正过程中出现死循环，需设置阈值控制修正的次数和深度;当修正次数超过阈值时，停止修正，即修正失败，返回原修正个体。

　　上述流程中，设备相邻距离修正、盲区修正和场地修正基本修正位置思路一致，设原坐标为(xc，yc)，随机数θ(θ∈(0，2π))，随机数k(k∈(0，1))，修正半径R，修正后新坐标为(x′c，y′c)，则有：(x′c，y′c)=(xc，yc)+kR(cosθ，sinθ)(4)其中，当采用设备相邻距离修正时，R为坐标集合S′起点(x1，y1)距离规划区域外界矩形边界距离最大值;当采用盲区修正时，R为所有目标航路中航路覆盖半径最大值;当采用场地修正时，R为所有场地约束条件中干扰半径最大值。

　　2关键技术

　　2.1监视台站信号覆盖模型化

　　监视台站覆盖模型是进行台站覆盖分析的基础和前提，对空监视设备目前主要有PSR/SSR、ADS-B和MLAT等，不同类型监视设备工作原理和设备特性不同，因而需针对各类监视台站建立信号覆盖模型。监视台站信号覆盖模型主要考虑各安装设备类型的天线方向图、视距传播、设备作用距离、遮蔽角和地形，以及台站的位置和天线高度等因素[1]。

　　监视台站信号模型化基本思路是：将监视设备辐射电磁波的功率或场强在空间各方向的天线增益建立增益模型，然后将增益模型转换为空间各方向的作用距离模型，再通过视距传播原理对作用距离模型进行修正，即同一方向上取最大视距与最大作用距离的最小值作为监视作用距离(此时，作用距离模型即理想的设备信号覆盖模型，仅与设备本身相关)，根据台站所在位置的遮蔽角、地形、台站位置和天线，再次对作用距离模型进行修正，最终得到该类型的监视台站信号模型。

　　2.2监视台站覆盖分析

　　监视台站覆盖分析是台站布局规划建设的重要工具。通过对现有台站或规划台站安装的监视设备相关参数输入，利用指定设备类型的信号覆盖模型，结合遮蔽角或高分辨率地形数据，计算出监视台站最大监视覆盖范围。覆盖分析基本流程为：对指定类型的设备建立台站信号覆盖模型，即作用距离模型，再将作用距离模型转换至与地形同一地理空间坐标系下，利用地形对转换后的作用距离模型进行修正，最终得到的区域为台站信号覆盖区域。

　　2.3空间信息

　　1)空间数据库：是一个通用的软件系统，是传统数据库的扩展，除了应具有传统数据库所有功能外，还需具备对空间数据的描述、存储、检索和修改等能力，确保数据的一致性、完整性和安全性，并提供依据空间数据的位置和范围定位的工具[6]。

　　当前主流空间数据库通常采用关系数据库或对象关系数据库管理，如Oracle的Sqptial、PostgreSQL的PostGIS、SuperMapSDX+、ArcGISSDE和Map-InfoSpatialWare等数据库内嵌组件或第三方空间引擎，既可按属性或空间条件对数据进行各种查询并返回需要的数据，还可提供长事务、版本和拓扑关系维护等高级功能。优化选址过程涉及地理因素面广、类型多、数据量大，系统采用上述空间关系数据库管理空间数据和属性数据，实现空间-属性数据一体化存储与管理。

　　2)空间信息可视化：是地理信息系统(GIS)的一个重要研究方向。利用空间可视化技术能够帮助规划人员分析、查询大量空间数据信息，并以直观的电子地图形式显示结果，如台站位置、周边环境(河流、湖泊、居民区和道路等)、规划台站与已建台站设备信号组合覆盖情况、航路覆盖，以及各类管制区和终端区等。

　　3实例应用

　　以ADS-B类监视台站为例，空域监视高度分别为1800和3300m，台站部署范围为某管制区域，规划台站组网数初始化为9个。3种探测目标区域要求如下：目标1：某管制区，要求整个区域满足1重覆盖;目标2：某机场自定义区域，要求2重覆盖;目标3：相邻某机场自定义区域，要求2重覆盖。本文采用NSGA-II算法，随机产生40个部署方案组成初始群体，交叉率和变异概率分别为0.8和0.08，经100次迭代的遗传操作、约束判定与个体修正、适应度计算、非支配排序和拥挤度排序处理后，得到在1800m空域监视高度上，目标1的1重覆盖达99%，目标2和目标3的2重覆盖可达100%;在3300m空域监视高度上，目标1的1重覆盖达100%，目标2和目标3的2重覆盖可达100%。算法运行结果得到的最优部署方案基本满足了覆盖要求。

　　4结束语

　　随着民用航空日益发展及通用航空全面推广，多源监视体制下监视覆盖网络的科学建设和规划是一个复杂的工程问题，计算量大，人工或半自动化选址方法已很难满足日益变化的规划需求，自动化和计算机化的监视台站组网规划与优化选址方法是未来发展方向。本文引入经典NSGA-II多目标遗传算法，并对监视台站组网选址问题进行了分析和数据建模，设计了监视台站优化选址主体流程，并通过真实场景的仿真实例验证了该方法在组网规划与优化选址中的有效性。

　　参考文献(References)：

　　[1]李建，祝亮.监视覆盖分析与台站规划系统研究与实现[J].民航科技，2012(6)：68-71.LIJian，ZHULiang.Researchandimplementationofsurveillancecoverageanalysisandstationplanningsys-tem[J].CivilAviationScience&Technology，2012(6)：68-71.(inChinese)

　　[2]DEBK，PRATAPA，AGARWALS，etal.Afastandelitistmultiobjectivegeneticalgorithm：NSGA-II[J].IEEETransactionsonEvolutionaryComputation，2002，6(2)：182-197.

　　[3]孙清清，祝亮，李建，等.基于多约束NSGA2算法的空管监视台站优化选址[J].电讯技术，2014，54(10)：1366-1371.SUNQingqing，ZHULiang，LIJian，etal.OptimalsiteselectionofATCsurveillancestationsbasedonmulti-constrainedNSGA2[J].TelecommunicationEn-gineering，2014，54(10)：1366-1371.(inChinese)

　　[4]中国民用航空局.民用航空通信导航监视台(站)设置场地规范：MHT-4003.1—2014[S].北京：中国民用航空局，2014.

　　[5]王中杰，李侠，周启明，等.基于多约束条件遗传算法的雷达网优化部署[J].系统工程与电子技术，2008，30(2)：265-268.WANGZhongjie，LIXia，ZHOUQiming，etal.Opti-maldeploymentofradarnetworkbasedonmulti-con-strainedGA[J].SystemsEngineeringandElectronics，2008，30(2)：265-268.(inChinese)

　　[6]陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，1999.

　　电子方向期刊推荐：《系统工程与电子技术》(月刊)创刊于1979年，是由中国航天科工集团公司二院，中国宇航学会 中国系统工程学会主办的刊物。本刊始终以传播新技术、促进学术交流为宗旨，坚持深度与广度、理论与应用相结合的方针，努力反映系统工程和电子技术两大领域及相关学科的最新成就。

　　

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