AirNet空管系統(tǒng)中目標(biāo)高度跳變案例的分析及解決方案的探討

摘 要：文章針對(duì)AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)行期間出現(xiàn)的目標(biāo)高度跳變案例進(jìn)行分析，從自動(dòng)化系統(tǒng)航跡融合跟蹤處理的角度，提出了抑制高度跳變現(xiàn)象發(fā)生的三種解決方案，包括調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)配置，增加和優(yōu)化系統(tǒng)航跡融合算法。

關(guān)鍵詞：AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)；航跡融合跟蹤；高度跳變；動(dòng)態(tài)加權(quán)

前言

空管自動(dòng)化系統(tǒng)的核心功能是將多監(jiān)視源的數(shù)據(jù)信息融合跟蹤處理后輸出，提供給空中交通管制人員時(shí)時(shí)準(zhǔn)確的目標(biāo)位置信息，然而目標(biāo)航跡的異?，F(xiàn)象會(huì)給管制工作帶來一定程度的影響，文章針對(duì)AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)行期間出現(xiàn)的目標(biāo)高度跳變案例進(jìn)行分析，并詳細(xì)介紹了三種解決方案，包括設(shè)置系統(tǒng)DBM參數(shù)配置，增加單雷達(dá)高度平滑算法及優(yōu)化多雷達(dá)動(dòng)態(tài)加權(quán)模型，為有效控制目標(biāo)高度跳變發(fā)生提供了實(shí)踐指導(dǎo)和理論參考。

1 AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)是由成都民航空管科技發(fā)展有限公司開發(fā)研制的空管自動(dòng)化處理系統(tǒng)，它是基于Linux多任務(wù)操作系統(tǒng)的空管自動(dòng)化系統(tǒng)[1]，采用開放式體系和分布式計(jì)算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中包括了超高分辨率圖形顯示器和高性能的服務(wù)器和工作站，具有處理雷達(dá)數(shù)據(jù)種類多、處理數(shù)據(jù)精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性價(jià)比高、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，目前AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)作為西安區(qū)域管制中心的備用自動(dòng)化系統(tǒng)，發(fā)揮著十分重要的作用。

2 系統(tǒng)航跡融合跟蹤

AirNet空管自動(dòng)化系統(tǒng)能夠處理多部雷達(dá)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)加權(quán)融合算法將不同監(jiān)視源的同一目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)綜合航跡，并對(duì)每個(gè)周期的綜合航跡跟蹤濾波，使處理后的系統(tǒng)航跡更加接近真實(shí)航跡，航跡融合跟蹤流程如圖1所示。

系統(tǒng)首先對(duì)各監(jiān)視源接入的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，確定同一個(gè)航跡的所有數(shù)據(jù)源，并為它們分配相同的系統(tǒng)航跡號(hào)，數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)條件為：相同應(yīng)答機(jī)編碼、且距離、航向差、高度差、速度差均小于系統(tǒng)配置文件中的相關(guān)值；其次將不同數(shù)據(jù)源描述的同一航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，一個(gè)目標(biāo)可以被多部監(jiān)視源探測(cè)到，該點(diǎn)的位置由探測(cè)到它的多個(gè)監(jiān)視數(shù)據(jù)共同確定，系統(tǒng)結(jié)合靜態(tài)權(quán)重和動(dòng)態(tài)權(quán)重采用動(dòng)態(tài)加權(quán)融合的方式，來確定航跡的準(zhǔn)確位置信息，其中動(dòng)態(tài)權(quán)重由雷達(dá)實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控結(jié)果，對(duì)單雷達(dá)目標(biāo)的跟蹤處理效果，以及單雷達(dá)與多雷達(dá)融合信息的比較結(jié)果所決定，靜態(tài)權(quán)重由區(qū)域內(nèi)雷達(dá)地理位置及覆蓋范圍相關(guān)參數(shù)配置決定，靜態(tài)權(quán)重值屬于經(jīng)驗(yàn)值；最后進(jìn)行融合航跡的跟蹤濾波，系統(tǒng)采用了IMM交互式多模型算法，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的CT和CV運(yùn)動(dòng)模型來模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，其中兩個(gè)對(duì)稱的轉(zhuǎn)彎模型分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)的逆時(shí)針和順時(shí)針轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，CT對(duì)應(yīng)目標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)，濾波算法采用卡爾曼濾波。

3 目標(biāo)高度跳變案例

自動(dòng)化系統(tǒng)中監(jiān)視數(shù)據(jù)處理器將融合跟蹤處理后的目標(biāo)航跡輸出至監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示器上，提供給管制和相關(guān)工作人員時(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的目標(biāo)信息，但是在顯示終端上常常會(huì)發(fā)生目標(biāo)航跡的異?，F(xiàn)象，比如目標(biāo)分裂、假目標(biāo)、高度跳變等，在西安區(qū)管中心AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)行期間就發(fā)生過幾次航班高度跳變情況。

2015年11月4日11：37西安區(qū)管中心區(qū)調(diào)01扇管制員反應(yīng)在AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)SDD上CHH7869（A3565）航班出現(xiàn)高度跳變，由8200m跳變至7900m，隨后技術(shù)人員通過系統(tǒng)回放單雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)在雷神二次雷達(dá)下11：35：42和11：36：27出現(xiàn)兩次高度丟失，分別持續(xù)2秒左右，對(duì)比回放Indra自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)在此期間目標(biāo)狀態(tài)顯示正常，但在單雷達(dá)下高度值不穩(wěn)定，后來技術(shù)人員將收集到的信息反饋給廠家，并得到分析結(jié)果為單雷達(dá)信號(hào)不穩(wěn)定，在航跡融合過程中雷達(dá)權(quán)重配置存在問題。

10月13日11：18區(qū)調(diào)四扇管制員反映AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)SDD上EPA6297（A4254）航班發(fā)生高度跳變，高度由10210m跳變至9510m，后來經(jīng)過技術(shù)人員分析，該航班主要在indra雷達(dá)和雷神雷達(dá)的共同覆蓋范圍下，而通過對(duì)比回放發(fā)現(xiàn)indra雷達(dá)信號(hào)不穩(wěn)定導(dǎo)致了航班的高度跳變。

9月26日10：33區(qū)調(diào)管制員反應(yīng)CDG4797航班高度跳變，經(jīng)技術(shù)人員回放分析目標(biāo)在indra單雷達(dá)下高度發(fā)生跳變，在雷神單雷達(dá)下顯示正常，因此還是由于單部雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致，在系統(tǒng)融合過程中雷達(dá)的權(quán)重分配存在一定缺陷，導(dǎo)致融合后的目標(biāo)高度發(fā)生跳變。

目標(biāo)高度發(fā)生跳變的原因可能緣于飛機(jī)的機(jī)動(dòng)變化、雷達(dá)信號(hào)的質(zhì)量和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，然而從這幾次目標(biāo)高度跳變的案例來看，部分雷達(dá)信號(hào)的不穩(wěn)定是導(dǎo)致跳變發(fā)生的根本原因，同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)航跡融合處理的機(jī)制也需要更多優(yōu)化；目標(biāo)高度跳變往往給管制員的管制工作帶來影響，尤其是在航班量劇增、指揮壓力較大的時(shí)候，這種情況的發(fā)生可能產(chǎn)生潛在的空中安全隱患。

4 針對(duì)高度跳變的解決方案

由于雷達(dá)故障和信號(hào)不穩(wěn)定的排故與修復(fù)困難較大，因此主要從AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)入手探討針對(duì)高度跳變的解決方案，最大程度地減小目標(biāo)高度跳變給管制工作帶來的影響。

方案一：調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫參數(shù)，減小目標(biāo)高度跳變帶來的影響，AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)可以檢查目標(biāo)的高度，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，簡(jiǎn)單地修正不滿足要求的數(shù)據(jù)過高、劇變等，通過測(cè)試使用可以在DBM服務(wù)器上設(shè)置突變高度和突變接受次數(shù)，在離線配置文件中可設(shè)置高度突變的高度差值h和次數(shù)n，當(dāng)高度突變大于這個(gè)設(shè)置的高度差值h且連續(xù)超過n次時(shí)，才采用新的高度，由此來防止高度短時(shí)間的跳變。

從流程圖2中可以看出，當(dāng)目標(biāo)高度發(fā)生跳變時(shí)，檢查其突變高度幅值是否超過設(shè)定的突變高度，然后若這種跳變連續(xù)超過設(shè)定的突變次數(shù)，系統(tǒng)才會(huì)采用跳變后的高度值，其中突變高度和突變次數(shù)可設(shè)置。這種方案是通過AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)單的高度跟蹤功能，人為調(diào)整系統(tǒng)DBM配置參數(shù)實(shí)現(xiàn)的，可以一定程度地降低高度頻繁跳變對(duì)管制工作帶來的影響，但是系統(tǒng)融合機(jī)制未作出調(diào)整，同時(shí)存在對(duì)真實(shí)高度變化的誤判，因此不能從根源上消除目標(biāo)高度跳變現(xiàn)象。

方案二：增加高度線形平滑算法，在MSDP系統(tǒng)航跡融合前，增加對(duì)各個(gè)單雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)高度變化率檢測(cè)，若目標(biāo)前后兩個(gè)掃描周期的高度變化值超過閾值，那么可以認(rèn)為目標(biāo)高度變化存在異常，最后通過對(duì)前幾次高度值進(jìn)行線形平滑后重新估算本次高度，再進(jìn)行系統(tǒng)航跡融合。

根據(jù)機(jī)型不同，各類飛機(jī)的最大爬升率為7至22.7m/s，按照目標(biāo)航跡點(diǎn)建立航跡的判別準(zhǔn)則和航管雷達(dá)的掃描周期4s計(jì)算，間隔時(shí)間內(nèi)最大高度變化為84至272m[2]，那么可以根據(jù)理論上的最大高度變化值設(shè)置檢測(cè)閾值，高度線形平滑算法原理如下：

其中？駐i是雷達(dá)兩次相鄰掃描周期目標(biāo)的高度差值，當(dāng)高度差值超過檢測(cè)閾值時(shí)，采用前幾個(gè)掃描周期的高度值進(jìn)行線形平滑，估算出當(dāng)前時(shí)刻的高度值并修正本次目標(biāo)高度，鑒于通用航空器線性的速度變化，可以擬設(shè)高度值hi與時(shí)間ti之間存在著如下線形關(guān)系：

其中系數(shù)a和b可以通過i個(gè)時(shí)間和原始雷達(dá)目標(biāo)高度值之間構(gòu)成的i個(gè)配對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)獲得，即（t1，h1），（t2，h2），…，（ti，hi）。采用最小二乘法擬合法測(cè)計(jì)算系數(shù)a和b的值。

這種方案理論上能夠消除目標(biāo)高度異常跳變的現(xiàn)象，使目標(biāo)融合后高度更加接近線性變化，但是同時(shí)可能引入與真實(shí)的高度偏差，增加了對(duì)真實(shí)高度的誤判。

方案三：優(yōu)化雷達(dá)動(dòng)態(tài)權(quán)重分配算法，AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)的融合過程中對(duì)于各個(gè)雷達(dá)的權(quán)重因子由動(dòng)態(tài)權(quán)重和靜態(tài)權(quán)重兩方面計(jì)算得到，根據(jù)系統(tǒng)融合機(jī)制，目標(biāo)融合輸出的高度值來源于靜態(tài)權(quán)重高的雷達(dá)報(bào)告高度和有效雷達(dá)報(bào)告高度，但是從以上幾起高度跳變案例可以看到，動(dòng)態(tài)權(quán)重因子的分配更多地傾向于靜態(tài)權(quán)重高，信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定的雷達(dá)，權(quán)重因子調(diào)整的靈活度較低，不能有效地降低對(duì)靜態(tài)權(quán)重高的雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量發(fā)生突發(fā)時(shí)的依賴。這里可以引入一種支持度矩陣的數(shù)學(xué)模型，這種模型可以更加靈活的進(jìn)行雷達(dá)動(dòng)態(tài)權(quán)重的分配。

假設(shè)n部雷達(dá)從不同方位測(cè)量同一目標(biāo)參數(shù)，第i個(gè)雷達(dá)k時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)為xi（k），其中i=1，2，…，n。若xi（k）與xj（k）之間差值較大，表明此時(shí)刻這兩部雷達(dá)的測(cè)量值相互支持度較低，若xi（k）與xj （k）值很接近，表明此時(shí)刻這兩部雷達(dá)的測(cè)量值相互支持度較高。這個(gè)測(cè)量值的真實(shí)性就越好，定義這種多雷達(dá)測(cè)量值之間的關(guān)系為支持度?？梢岳媚：侠碚撝械碾`屬函數(shù)定義k時(shí)刻的支持度函數(shù)sij（k），便于歸一量化處理[3]：

這種動(dòng)態(tài)加權(quán)系數(shù)的計(jì)算取決于每一次支持度矩陣的構(gòu)造計(jì)算，最然對(duì)系統(tǒng)時(shí)時(shí)計(jì)算量有一定要求，但是兼顧到了多部雷達(dá)同一時(shí)刻測(cè)量值的相互支持程度和各雷達(dá)與上一時(shí)刻測(cè)量值的支持程度，在權(quán)系數(shù)的調(diào)整上更加的精確靈活，對(duì)突然信號(hào)質(zhì)量差、測(cè)量量支持度較低的雷達(dá)提供了更好的過濾，理論上可以有效地抑制高度等參數(shù)跳變。

5 結(jié)束語

文章首先介紹了AirNet空管自動(dòng)化系統(tǒng)和系統(tǒng)航跡融合跟蹤的原理，其次分析了AirNet常態(tài)化運(yùn)行期間目標(biāo)高度跳變的典型案例，最后針對(duì)以上案例提出了三種解決方案，包括調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)配置，增加和優(yōu)化系統(tǒng)航跡融合算法，為系統(tǒng)技術(shù)維護(hù)工作提供了理論支持，同時(shí)也為工程技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了理論參考。

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作者簡(jiǎn)介：張滿（1987-），男，陜西西安人，助理工程師，工作于民航西北空管局技術(shù)保障中心，通信導(dǎo)航監(jiān)視方向。