基于ADS-B的空管監(jiān)視系統(tǒng)研究

董曉紅

（新疆民航空管設備有限責任公司，烏魯木齊 830016）

ADS-B是廣播式自動相關監(jiān)視的英文縮寫（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）。其工作原理是機載設備通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，將飛機的四維位置信息及其他識別信息廣播發(fā)送給地面站和同一區(qū)域內的其他飛機，以便管制員對飛機的狀態(tài)進行實時的監(jiān)控。

ADS-B技術通過將衛(wèi)星的定位導航技術、通信技術、民用航空機載設備和地面設備等技術相互貫穿而實現(xiàn)，不僅對航空交通安全的監(jiān)管起到至關重要的作用，而且對飛行員和管制員洞察安全風險的能力、航空監(jiān)視范圍的覆蓋、航空交通安全水平的提高、設備運行效率的提高以及空域容量的提高均有著積極的影響。通過ADS-B還可以實現(xiàn)飛行信息的實時共享，顯著增強了飛行員對周邊飛行環(huán)境的感知，增強航空器的協(xié)同避撞能力。通過綜合應用場面監(jiān)視雷達、多點定位系統(tǒng)的，為終端管制人員提供機場地面交通信息以及跑道侵入信息，提高管制員的情景意識。目前，ADS-B技術已經(jīng)在世界范圍內積極推廣，加快推廣應用ADS-B技術是我國由民航大國向民航強國邁進，建設新一代航空運輸系統(tǒng)的重要任務之一。

一、系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)所需可將總系統(tǒng)分為互不干涉，但能相互融合以此來提高空管監(jiān)視業(yè)務的4個子系統(tǒng)，即飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、ASD-B數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)以及系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)總體設計UML圖

二、ADS-B信號接收和處理模塊設計

ADS-B信號接收和處理模塊主要負責報文的接收和解析，為監(jiān)視數(shù)據(jù)的顯示和飛行數(shù)據(jù)的顯示做支持。

（一）ADS-B報文接收

ADS-B報文接收主要分為兩個部分：一是地面接收站接收相關的無線電報文信號；二是接收站將接收到的報文進行轉發(fā)。由ADS-B報文接收模塊針對轉發(fā)的報文進行接收。表1是對報文接收處理的設計描述。

（二）ADS-B報文解析

ADS-B報文解析主要是針對報文接收模塊中接收到的報文信息進行解析，在進行解析的時候主要是將報文的版本信息等作為依據(jù)來提取接收到的報文中的數(shù)據(jù)。

（1）功能描述。其主要功能是根據(jù)EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR SURVEILLANCE DATA EXCHANGE Part 12 - Category 021對所接收原始的ASD-B報文按要求進行解析，再將解析后的報文處理結果緩存至緩沖區(qū)，提供給報文處理輕量級進程。

（2）性能要求。需要和ADS-B接收線程保持同步，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)解析后不允許丟幀。

（3）算法描述。算法描述主要是把報文解析中提取到的相關數(shù)據(jù)，按照Category 021的格式規(guī)定進行解析，在成功完成解析之后將獲得的解析結果寫入結果緩沖區(qū)。圖2是針對已有數(shù)據(jù)所進行的相關算法說明。

圖2　算法說明

三、監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示模塊設計

（一）概述

監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示（Surveillance Data Display，SDD）系統(tǒng)主要是針對飛行器痕跡進行顯示和告警，相關的用戶可以利用地理矢量對飛行器的痕跡、標牌信息等相關信息進行實時的觀察。此外，還可以顯示航班的相關指揮數(shù)據(jù)，并且能夠很好地進行人機交互。安裝了SDD系統(tǒng)的終端用戶還可以通過SDD系統(tǒng)更好地了解到飛機的飛行狀況等，從而利用該系統(tǒng)對飛機進行有效的指揮管控。

（二）結構設計

（1）系統(tǒng)模塊劃分。表2顯示的是SDD系統(tǒng)的3個工作模塊：用戶命令接口模塊、航跡監(jiān)視視圖模塊和狀態(tài)信息顯示模塊。之所以對SDD系統(tǒng)進行模塊劃分，主要是因為SDD系統(tǒng)內部功能相對復雜，要想保證系統(tǒng)的正常運行，就需要確保各部分之間充分協(xié)作。因此，將該系統(tǒng)進行模塊劃分可以更好地掌握每個模塊的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)較好的系統(tǒng)運行。

（2）架構設計。下面用UML圖展示監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的架構設計，以及各模塊的主要內部層次關系，如圖3所示。

表1　ADS-B報文接收設計描述

表2　SDD主窗口示意圖

圖3　監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)架構設計

四、飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)設計

（一）概 述

飛行數(shù)據(jù)顯示（Flight Data Display，F(xiàn)DD）系統(tǒng)主要是負責管理和顯示飛行計劃，并且根據(jù)不同的狀況對飛行計劃進行及時的調整和改進等。此外，F(xiàn)DD系統(tǒng)還要負責管理電報相關方面的內容，具體的管理內容主要包括：顯示已收到的報文，糾正錯誤的報文等。鑒于FDD系統(tǒng)承擔的多項工作內容，F(xiàn)DD系統(tǒng)成為了空管系統(tǒng)中的重要組成部分。

由于FDD系統(tǒng)在空管系統(tǒng)中占據(jù)很重要的地位，因此在針對FDD系統(tǒng)進行設計的時候主要是圍繞需求分析結果進行的。為了更詳細、更全面地介紹FDD系統(tǒng)在空管系統(tǒng)中起到的作用，本文從多個方面進行分析。

（二）結構設計

（1）系統(tǒng)模塊劃分。表3是針對FDD系統(tǒng)的整體系統(tǒng)模塊進行的分析，為了更加清晰地表明每一個不同模塊所負責的任務，針對系統(tǒng)模塊的分析主要從飛行計劃管理、值班檔案處理和電報管理這3個方面進行功能上的對比分析，在運行過程中，這3個模塊相互獨立。

（2）架構設計。為了更加清楚地看到各個模塊之間的聯(lián)系，本文通過查閱資料采取了UML圖來描述系統(tǒng)的架構設計。如圖4所示，最頂層的是飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，正如上文中提到的，F(xiàn)DD是空管系統(tǒng)的一個重要組成部分，因此要想更好地進行分析就要從整體的飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)著手，飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)又包含了3個子模塊：飛行計劃管理模塊、檔案管理模塊和AFTN電報管理模塊。在3個子模塊中又分別包含不同的內容：飛行計劃管理中主要包含了顯示、編輯、新建、搜索以及打印等功能；檔案管理主要包含文件管理和顯示等功能；AFTN電報管理主要包括了報文模板；再往下層，文件顯示功能主要包含了一個第三方開源庫 Poppler，其主要負責文件的打開和讀寫及提供PDF文件的解析等內容。

圖4　飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)架構設計

表3　飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)模塊設計

五、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計

（一）概 述

系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控（System Management Control，SMC）主要是負責將讀取到的結果進行圖形化的表示。具體的監(jiān)控設備主要有席位主機、打印機及路由器等。

SMC監(jiān)控系統(tǒng)要想很好地實現(xiàn)監(jiān)控，就需要利用SNMP協(xié)議來完成。要想針對某一設備進行監(jiān)控，就需要該監(jiān)控設備同意該協(xié)議，SMC系統(tǒng)主要是先利用目標設備的IP等對監(jiān)控目標發(fā)起SNMP查詢，通過查詢了解該監(jiān)控目標是否已經(jīng)同意和支持SNMP協(xié)議。除此之外還可以根據(jù)查詢結果了解到該監(jiān)控目標的參數(shù)信息等，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)達到了告警標準，就需要及時發(fā)出告警，避免出現(xiàn)風險等。

（二）結構設計

（1）模塊劃分。表4顯示的是系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控模塊設計分析，分析內容主要涉及兩個方面：設備監(jiān)控和管理模塊、用戶管理模塊。

表4　系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)模塊設計計

（2）架構設計。圖5是SMC的架構結構分析，該監(jiān)視系統(tǒng)主要分為兩個方面：狀態(tài)監(jiān)控和用戶管理。其中，狀態(tài)監(jiān)控主要包括網(wǎng)元管理和監(jiān)控，用戶管理主要包括數(shù)據(jù)庫操作。

六、結束語

圖5　系統(tǒng)運行狀態(tài)系統(tǒng)架構設計

綜上所述，ADS-B系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)而言更加具有優(yōu)勢，是國際民航空管監(jiān)視系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。由于其成本較低，建設較為方便，很值得相關領域的專業(yè)人士進行研究。我國對ADS-B技術在民航領域的應用較晚，目前正逐步形成以雷達、ADS-B為核心的民航監(jiān)視網(wǎng)絡，隨著低空空域的逐漸開放，ADS-B技術在空管系統(tǒng)的應用上有很大的機遇和發(fā)展空間。本文主要研究的是基于ADS-B設計的空管監(jiān)視系統(tǒng)，包含了空管監(jiān)視系統(tǒng)中的關鍵功能，在小規(guī)模的空管監(jiān)視中依舊可以起到較大的作用。