场面监视雷达系统在浦东国际机场的应用

一、概述    
    上海市是我国目前唯一因民用航空运输繁忙而在一个城市建设两个机场的城市。同时上海又处于远东地区的中心，其优越的地理位置和快速发展的经济必将进一步促进航空事业的发展，为浦东国际机场成为国内直至远东枢纽机场奠定了良好的基础。事实上，目前浦东机场已经成为我国规划机场中规模最大、场地条件及净空条件最好的机场。        
    一方面繁忙的空中交通由空管局统一调度管制，另一方面机场的跑道、滑行道及停机坪上的飞机和车辆的交通在可以预见的将来，也会是十分繁忙的，而站坪这部分的交通管制在中国现有的机场都是简单地依靠目视指挥，辅以一些内通设备来完成，基于浦东机场定位高度的考虑，这是远远不够的，必须建立一个与整个机场相配套的站坪指挥中心，决不能仅仅局限于满足现在的基本需求，甚至只是照搬已有的站坪指挥中心的建设模式来规划方案，而应立足于枢纽机场的需要和地位作出相应的考虑。
    浦东机场是一个各方面条件均不错的机场，但其位于东海之滨，就气象条件而言稍嫌不足，特别是影响飞行正常的大雾有可能造成整个机场陷于瘫痪。据陈家镇气象资料显示， 当地全年雾日接近40天，平均持续时间为2.6小时，而且影响大雾消除的风力逐年减弱，因此如何克服雾日对安全飞行的影响，满足能见度条件不良情况下的指挥需求是非常重要的。 
    浦东机场本期站坪指挥中心的指挥范围东西约500m，北向约1700m。指挥视点离最近的指挥机位达280m，显然采用目视指挥，在复杂天气情况下是无法完全达到Ⅰ类标准（能见度800m）和Ⅱ类标准（能见度400m），Ⅲ类标准更是无法满足。而浦东机场最终的建设目标是建成有四条4E级跑道的满足Ⅲ类盲降的一流机场，若是因为站坪指挥中心功能的局限而妨碍了Ⅲ类盲降系统的实际，出现的问题将是飞行员和飞机、机场上的ILS系统、助航灯光系统均满足Ⅲ类盲降的要求，而飞机进入站坪后的指挥无法在Ⅲ类天气情况下进行，势必造成整个机场的利用率的降低。 
    所以站坪指挥中心急需建立适应恶劣天气情况下的管制体制，而这个体制的实现必须依赖场面监视雷达系统。 
     
二、场面监视雷达系统的应用背景
    最近20年全球的航空运输业发展得非常快，航空公司的规模日益壮大，导致机场内飞机起降次数猛增，如何在有限的空间、多变的天气条件下管理好越来越多的飞机及相应增加的地服车辆，成为各国机场当局必须考虑的问题。 
    一方面在一些庞大且复杂的机场，例如法国巴黎的戴高乐机场、英国伦敦的希斯罗机场等，在各种天气情况下同时有二、三条甚至四条跑道起降着来自不同航空公司的客机，在运营的实际操作中不可避免地存在飞机穿越跑道、滑行道的情况，按照我们的设想很有可能出现场面的拥挤甚至整个系统运作的延误，而这些机场又是如何保持高利用率、高可靠性的呢? 
    另一方面在一些气象条件差的机场如挪威奥斯陆机场由于地理、气候条件的原因大雪天气多，荷兰阿姆斯特丹机场由于靠近海港雨雾天气多，浦东国际机场也同样存在雾天较多的天气情况。这些情况下目视指挥管制工作将十分困难，甚至无从下手，这样站坪上飞机、车辆的流量受到限制，对于国际性的航空港的营运来讲，站坪指挥工作无疑是一个潜在的瓶颈。 
    场面监视雷达就是为了解决这两方面的问题而首先在国外的一些大型机场得到了广泛的应用。 
    事实上整个航管雷达工程包括一、二次雷达工程和场面监视雷达工程。一、二次航管雷达是浦东国际机场首期航管工程的重要配套项目，探测距离一次雷达为100公里，二次雷达360公里，对实现浦东机场塔台、进近的雷达管制、提高调度指挥的自动化，保证飞行安全起着重要的作用，而场面监视雷达是作为一、二次雷达的有力的补充，是实现Ⅱ/Ⅲ精密进近和现场指挥的重要配套设施之一。 
    场面监视雷达是一种用于监视场面上飞机及车辆的雷达，随着计算机技术的发展，显示器上显示的不再是一个个目标点，它通过与外来数据的相关处理，不仅仅可以使管制员从荧光屏上区分飞机和车辆，而且可以辨别运行航班号、飞机机型、速度、将停靠的登机桥，可谓一目了然。它也是机场实施低能见度运行的基本条件。场面监视雷达在航空界的应用已经非常广泛，在法国戴高乐机场、英国希斯罗机场、马来西亚吉隆坡机场、韩国釜山机场，包括新建的香港Chek Lap Kok机场都有应用。根据以上情况的综合考虑，浦东机场成为国内第一个采用场面监视雷达系统来确保站坪指挥安全、高效进行的机场。 
     
三、系统方案论证 
    1.系统的功能有描述 
    经过一系列的调研工作，结合浦东机场的特点，将场面监视雷达系统能实现的功能总结如下： 
    （1）监视功能（对跑道、滑行道及停机坪上活动的飞机和车辆定位并挂牌）； 
    （2）控制功能（检测控制区域内潜在的冲突并报警）； 
    （3）引导功能（通过管制员控制滑行道中心线、停止线灯光等引导飞机和车辆）； 
    （4）路线控制功能有（手工或自动调整滑行道的分配，从而提高滑行道的利用率，增加机场容量）。 
    以上功能的实现仅仅依靠场面监视雷达系统本身是不可能的，因为场面监视雷达是一次雷达，它获得的只是目标点的信号，这是远远不够，它应该完成的是各种数据的综合处理， 最终在管制席位的显示终端上显示机场的电子地图、站坪内的飞机和车辆的挂牌信息等，供管制员处理各种情况。因此场面监视雷达系统必须有信息来源，信息一定是外部系统提供的， 于是就出现了与外部系统的接口问题。
    2.外部接口 
    为了分析问题条理清楚，笔者把场面监视雷达系统的工作从另一个角度加以区分，依次是管理航班、管理滑行道、管理突发事件。 
    （1）管理航班 
    首先对管理航班的功能实现作外部接口分析。航班分为离港航班和到港航班两种，航班的挂牌信息必须从外部系统取。到港航班的挂牌信息包括飞机机型、速度、航班号、呼号以及将要停靠的机位等等。由FLIHGT DEPARTURE PROCES SYSTEM（FDPS）提供飞行计划信息；由进近雷达提供飞机的速度、方向、检测的时间等：由机位分配系统提供机位的分配情况。 
    离港航班的挂牌的完成与到港航班有所不同，尽管离港航班的挂牌信息也应包括飞机的航班号、机型、呼号等信息，但是这些信息的来源与到港航班的不同，它的过程应该是离港系统的航班关闭信息发出后或登机桥撤离后，系统自动地查阅离港动态的航班信息，从而获得机型、航班号及呼号等信息；另外离港航班的挂牌信息还应包括机位信息、飞机开始滑行时间等。由离港系统提供航班关闭信息、登机口控制信息及动态航班信息；由机位分配系统提供飞机的机位信息；由塔台控制提供塔台与飞机的通话，包括开始滑行时间、准备起飞时间等。 
    （2）管理滑行道 
    管理滑行道的工作需要通过控制滑行道中心线灯光、停止线灯光等来实现引导功能，并能实现各种报警。例如，当飞机滑行路线错误时，通过感应装置报警，并由席位控制打开正确的滑行道中心线灯光，实现引导。路线控制功能也应通过灯光控制来实现。例如，当出现大雨、大雪等能见度较低的天气，一旦滑行道被占用，可以通过控制滑行道中心线灯光的明、灭来通知飞机。所以该功能的实现与助航灯光控制系统存在接口。 
    （3）管理突发事故 
    管理突发事件的工作可以通过管制员设置电子地图中的禁区，结合挂牌信息，显示在席位上。在事件未发生时予以避免，在事件突发后明确责任。此项工作的完成无需外部接口。 
    另外，为了保证站坪调度的高效、安全、站坪上为数不少的地服车辆的监控必须采取技术手段解决。机场当局已经考虑启用GPS车辆监控系统，为了在一个调度席位终端前实现对站坪内移动物体的监管工作，这就要求场面监视雷达系统为GPS车辆监控系统留有接口。 
    终上所述，系统的外部接口需要连接FDPS、进近雷达、机位分配系统、离港系统、助航灯光系统、GPS车辆监管系统、ATC。 
    3. 系统方案设计 
    从系统实现的角度，分为三个模块：监视模块、引导及控制模块、操作及显示模块， 考虑到系统的完整性，在系统的网络上设置了管理控制级（SUPERVISOR）可以对整个系统进行维护、管理，考虑到完成一些特殊任务的需要，系统还是提供了可选的远程显示模块。从技术实现角度在监视模块中有雷达头、收发机和雷达视频处理单元，在引导控制模块和操作显示模块中有负责控制、显示的单元。 
    以下主要对雷达头的选型做一定的分析。由于雷达头的选择直接影响系统的作用范围、 精度及适应不同天气条件的能力，通过一段时期的调研，获得了较为准确的数据资料，以下对X波段和Ku波段的雷达从技术性能上作一定的比较： 
    （1）由波瓣宽度的比较，Ku波段雷达的定位精度高于X波段雷达； 
    （2）由于Ku波段雷达的工作频率15.7GHz—16.7GHz远远高于X波段雷达的工作频率 9.0GHz—9.5GHz，Ku波段雷达比X波段雷达更不易受干扰，在大雨、大雪的天气情况下仍然有良好的效果； 
    （3）由于Ku波段雷达的垂直波束俯角比X波段雷达的大，可知Ku波段雷达有较好的俯视角可以覆盖更近的区域； 
    （4）由于Ku波段雷达的重量（760Kg）比X波段雷达的重量（1500Kg）要轻740Kg，而且尺寸也要比X波段雷达小，对于在建的站坪指挥大楼的屋顶结构没有很大影响，另外据有关报道X波段雷达的噪声和振动比Ku波段雷达大，对管制员可能有会有一定的影响。 
     综合考虑以上各方面的因素，Ku波段雷达在一些关键的技术性能上优于X波段雷达。 
    四、系统总结 
    设计的思路是考虑让昂贵的场面雷达设备真正地物尽其用，能够有力地支援站坪指挥中心的管制功能，保证该管制中心的工作能够不受盲区、天气变化的影响，确保站坪内飞机、车辆交通的畅通、高效，提高机位、滑行道的利用率，降低营运成本，从而吸引更多的航空公司包括外航入驻浦东机场。 
    系统方案最关键的是要求保证管制员能够在管制席位的显示终端上，得到已经完成挂牌的飞机和车辆的信息，能够看见飞机、车辆的移动路线方向，并加以区分；对进入地图上的禁区的飞机和车辆能够报警并通过内话设备实现控制，即系统的监视功能和控制功能这两项在本期工程内必须实现。
    另外，系统方案中的引导功能和路线控制功能是考虑到整个系统的功能的完整性而设置的。事实上，通过与助航灯光系统的接口完成对滑行道灯光的控制及滑行道的分配，从实现的角度来讲会有一定的困难。根据调研的结果得知，这方面在世界各大机场均没有先例。通常情况下，引导和路线控制的实现前提都是滑行路线已经确定。可以说在飞行计划中对任何一个航班出入中国任何一个机场的滑行路线都有明确的规定，一旦遇到特殊的天气情况（大雨、大雪及大雾）则依赖塔台与飞机之间的VHF通信进行调度。但是，事实上中国现有的机场都不能满足Ⅱ/Ⅲ类天气情况下的营运，遇到了大雨、大雪及大雾，只有关闭机场。这与浦东国际机场的角色定位是完全不相称的，此方案中之所以纳入了通过对助航灯光的控制来实现引导及路线控制功能的设计思想，也是从浦东国际机场要成为远东枢纽机场的建设目标角度考虑的。 
    在本文中仅对场面监视雷达系统本身进行了介绍。该系统的引进在浦东国际机场站坪指挥中如何应用，如何发挥其高效的指挥作用，以达到系统最初的所有设计目标，仍是一个实际应用的课题。另外，由于浦东机场的地理位置比较靠近长江口，据调研海事雷达采用的是X波段的雷达，可能与机场的场面监视雷达的频率有串扰。据了解荷兰鹿特丹机场和港口也靠得比较近，而且他们也采用的是X波段（Ku波段）的雷达管制机场站坪和海事，这个问题应该作详细的考察调研，作为日后浦东建立国际航运中心（航空、航海）的借鉴。