空管自動化ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)

蔣曉霜

摘 ? 要：文章主要針對空管自動化ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析，在解析ADS-B技術(shù)及其在空管自動化中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，解析ADS-B預(yù)處理系統(tǒng)的構(gòu)成和基礎(chǔ)模塊，就ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)中的各個模塊及功能進(jìn)行詳細(xì)解析，希望能夠提高空管自動化水平，提高空管效率。

關(guān)鍵詞：空管自動化;ADS-B;信號預(yù)處理

我國空運(yùn)迅速普及發(fā)展，加強(qiáng)空管監(jiān)視具有重要意義，有效的空管監(jiān)視不僅能夠有效防止航空器相撞等事故概率發(fā)生，而且對于航空器飛行效率的提升也具有重要意義。伴隨著空運(yùn)流量逐年遞增，為保證航空安全和運(yùn)行效率，空管自動化系統(tǒng)開始應(yīng)用。我國初期采用雷達(dá)數(shù)據(jù)作為自動化系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號，但是我國地域遼闊，在西部部分沙漠、山區(qū)以及環(huán)境惡劣等偏遠(yuǎn)地區(qū)不適宜建設(shè)雷達(dá)，導(dǎo)致部分空域存在盲區(qū)。因此，僅靠雷達(dá)數(shù)據(jù)作為監(jiān)視數(shù)據(jù)并不全面，必須引入新方法和新技術(shù)來輔助加強(qiáng)空管監(jiān)視。國際民航組織針對當(dāng)前空管現(xiàn)狀提出了新航行系統(tǒng)概念，采用多雷達(dá)數(shù)據(jù)源來進(jìn)行空域監(jiān)視，并引入廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）數(shù)據(jù)作為輔助監(jiān)視數(shù)據(jù)源。ADS-B技術(shù)可在部分雷達(dá)盲區(qū)為航空器提供優(yōu)于雷達(dá)間隔標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)視數(shù)據(jù);在雷達(dá)覆蓋區(qū)域，也能以較低代價增強(qiáng)空域監(jiān)視能力，提高航路及終端區(qū)的飛行容量。

1 ? ?ADS-B技術(shù)及其在空管自動化中的應(yīng)用概述

1.1 ?ADS-B技術(shù)及原理

ADS-B技術(shù)是對傳統(tǒng)多雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不僅降低了技術(shù)成本，而且提高了監(jiān)視精度，總體而言ADS-B技術(shù)的靈活性更強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)成本更低，在未來空中交通服務(wù)的發(fā)展和應(yīng)用中具有廣闊前景。ADS-B系統(tǒng)工作體系如圖1所示，作為一種空域監(jiān)視技術(shù)，它充分運(yùn)用了空/空、地/空數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)以及導(dǎo)航衛(wèi)星定位技術(shù)，通過導(dǎo)航衛(wèi)星定位技術(shù)獲得飛機(jī)等航空器的位置、速度等信息，并結(jié)合機(jī)載設(shè)備中的GPS來獲得實時定位。飛機(jī)位置信息能夠?qū)崟r（固定時間間隔）通過地/空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)傳輸?shù)降孛婵罩薪煌ü苤浦行模展苤行模?，以供自動化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確?？展苤行牧私獾孛婧涂罩泻娇掌鬟\(yùn)行情況。同時，地面空管中心還能夠?qū)⑦@些信息通過地/空數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳遞共享，讓運(yùn)行中的航空器了解地面以及空中情況[1]。

1.2 ?ADS-B技術(shù)在空管自動化中的應(yīng)用概述

ADS-B技術(shù)包括發(fā)送（OUT）和接收（IN）兩個信息傳遞方向。

1.2.1 ?ADS-B ?OUT功能

作為ADS-B系統(tǒng)的基本功能，OUT功能主要是接受飛機(jī)等航空器和飛行器的各種信息，包括位置信息、飛行狀態(tài)信息（高度、速度、升降等）等，地面空管中心的自動化系統(tǒng)主要接受和處理由飛行器發(fā)送的各種ADS-B OUT數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整合，實時了解并監(jiān)視空中航空器的運(yùn)行狀況和位置狀況，這一原理和雷達(dá)的原理十分類似。在航空器實現(xiàn)ADS-B OUT功能時，并不需要太多的輔助設(shè)備。

1.2.2 ?ADS-B ?IN功能

ADS-B IN功能實際是在ADS-B OUT功能基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，航空器能夠接受ADS-B OUT功能發(fā)出的信息，包括空管中心給航空器發(fā)送的信息，以及其他航空器通過ADS-B OUT功能發(fā)送的信息。這些信息在駕駛艙交通信息顯示（Cockpit Display of Traffic Information，CDTI）顯示器上進(jìn)行顯示，飛行員可通過讀取CDTI上的信息來了解其他航空器的運(yùn)行狀況，提高空中交通情景意識如沖突告警信息、氣象信息等。ADS-B技術(shù)增強(qiáng)了空域中航空器與航空器之間的相互監(jiān)視能力，由于ADS-B系統(tǒng)的位置信息為自發(fā)廣播式，航空器與航空器之間并不需要進(jìn)行互相問詢，便可接收、處理相關(guān)位置信息，因此，能更高效地提高航空器間的協(xié)同水平。

2 ? ?ADS-B預(yù)處理系統(tǒng)構(gòu)架及處理流程

2.1 ?ADS-B預(yù)處理系統(tǒng)構(gòu)架

ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)實際是ADS-B技術(shù)的前端，也是為了配合ADS-B技術(shù)而衍生出來的，在海洋、沙漠以及偏遠(yuǎn)地區(qū)當(dāng)中接入ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)具有重要意義。通過ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)的引入，不僅能夠?qū)Σ杉盘柕馁|(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視，而且還能夠進(jìn)行處理和過濾，最終得到符合ADS-B系統(tǒng)質(zhì)量要求的信號并傳遞到ADS-B系統(tǒng)當(dāng)中。ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)主要由多個模塊構(gòu)成，包括狀態(tài)監(jiān)控模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、信號融合模塊、GPS時鐘以及質(zhì)量評估模塊，目前，ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)中主要采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計方式進(jìn)行設(shè)計。

2.2 ?ADS-B信號在空管自動化系統(tǒng)中的處理顯示流程

空管自動化系統(tǒng)作為空中交通管制通信和監(jiān)視的重要手段之一，主要功能是讓管制員準(zhǔn)確了解到空中交通的實時動態(tài)信息，包括航空器位置、速度等。要獲得可靠的實時動態(tài)信息就必須要接入高精度監(jiān)視數(shù)據(jù)信息源，而ADS-B技術(shù)可提供更新速度更快、精度更高的監(jiān)視數(shù)據(jù)，為空中交通管制員提供更全面的一手資料。

3 ? ?ADS-B預(yù)處理系統(tǒng)各模塊的功能

3.1 ?協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的功能

ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，將ADS-B原始信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)識別的TCP/IP組播信號，將獲得的信號傳送到A網(wǎng)，B網(wǎng)當(dāng)中。ADS-B原始信號主要包括HDLC和TCP/IP兩種類型格式，而協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要是對原始信號進(jìn)行處理和統(tǒng)一。目前常用的方法是通過接入路由器來實現(xiàn)該功能，采用價格相對低廉的ARM開發(fā)板部署轉(zhuǎn)發(fā)程序就能夠?qū)崿F(xiàn)。

3.2 ?GPS時鐘模塊

該模塊的主要功能是實現(xiàn)GPS原始信號的接收，GPS時鐘模塊也是其他模塊的基礎(chǔ)，主要提供時鐘同步服務(wù)，可通過NTP服務(wù)實現(xiàn)這一功能。一般在普通的ARM開發(fā)板或者是普通的服務(wù)器上就可以部署安裝這一模塊。

3.3 ?信號融合模塊的功能

在空管自動化ADS-B技術(shù)當(dāng)中不可避免的會涉及多路ADS-B信號，因此，信號融合模塊尤為重要，通過該模塊可實現(xiàn)信號的分配、融合與過濾，最終將多路ADS-B信號融合為1路信號并輸出。目前可以在多臺服務(wù)器上進(jìn)行信號融合模塊的部署，最終在系統(tǒng)當(dāng)中形成多路ADS-B信號輸出。信號融合模塊的引入在保證了ADS-B技術(shù)中能夠?qū)崿F(xiàn)一路或多路信號輸入源的處理的同時，還可通過手工來選擇輸入源或者根據(jù)配置文件來選擇輸入源，并實時監(jiān)測輸入信號的通信質(zhì)量，以及監(jiān)測信號中的CRC、錯/斷幀、格式錯誤、Cat21數(shù)據(jù)必需項缺失等錯誤，并及時發(fā)出告警。

在信號融合模塊當(dāng)中，還能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量較差信號的處理，可在系統(tǒng)當(dāng)中增加信號處理的內(nèi)容，主要包括對質(zhì)量較差信號進(jìn)行手動屏蔽或者自動屏蔽兩種方式。在信號融合模塊當(dāng)中必須要對必需數(shù)據(jù)項（錯/斷幀、CRC錯誤、格式錯誤）進(jìn)行配置，系統(tǒng)中對于不同的數(shù)據(jù)源，配置上也存在一定差別。

3.4 ?評估子系統(tǒng)的功能

評估子系統(tǒng)主要是評估顯示模塊構(gòu)成，通過這一模塊能夠?qū)?shù)據(jù)信息的各項指標(biāo)進(jìn)行判定與分析，并最終給出綜合評估結(jié)果，評估結(jié)果可在顯示器中顯示并進(jìn)行比對。評估的各項指標(biāo)包括系統(tǒng)覆蓋范圍評估、可靠性評估、高度信息評估以及航班號正常率評估、位置精度和速度信息評估等。在進(jìn)行這些信息的比對分析過程中，必須要設(shè)置準(zhǔn)確的參照基準(zhǔn)，在參照基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行比對分析。一般在評估子系統(tǒng)中可采用多雷達(dá)融合航跡作為參照基準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，這種評估方法和實際情況還是具有一定區(qū)別的，還需進(jìn)一步優(yōu)化。

3.5 ?系統(tǒng)軟件模塊

為保證系統(tǒng)功能的最終實現(xiàn)，還需要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，需要選擇目前相對成熟、主流的系統(tǒng)作為平臺，并且為其匹配相應(yīng)的開發(fā)工具來進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。對于ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換、GPS時鐘、信號融合模塊建議采用Linux系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，而對于其他模塊可以采用Windows系統(tǒng)作為開發(fā)平臺[2]。

4 ? ?結(jié)語

ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)作為ADS-B系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要應(yīng)用于信號的預(yù)處理，能夠為ADS-B系統(tǒng)提供信號基礎(chǔ)，將信號預(yù)處理系統(tǒng)和整個系統(tǒng)進(jìn)行融合，最終能夠滿足空管自動化系統(tǒng)的實際需求。同時，通過ADS-B信號預(yù)處理系統(tǒng)還能夠?qū)π盘栠M(jìn)行監(jiān)測和評估，以此來降低ADS-B系統(tǒng)的自動化管理壓力，提高空管水平，降低空管自動化中可能存在的潛在風(fēng)險問題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬安恒.自動化系統(tǒng)中ADS-B報文與數(shù)據(jù)引接分析[J].電子世界，2018（21）：91，93.

[2]牛一波.淺析一種ADS-B數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].民營科技，2018（11）：56.