南京ADS-B數(shù)據(jù)站功能及接入自動化系統(tǒng)的分析

宮利蘋

摘 要：南京ADS-B數(shù)據(jù)站系統(tǒng)共引接了十個ADS-B地面站信號，是連接地面站和數(shù)據(jù)用戶之間的橋梁，為所轄地區(qū)的中低空管制中心、進(jìn)近、塔臺等空管部門提供ADS-B實(shí)時綜合監(jiān)視信息，同時實(shí)現(xiàn)對本區(qū)域內(nèi)ADS-B地面站的監(jiān)控。本文闡述了ADS-B數(shù)據(jù)站的架構(gòu)及功能，并針對ADS-B數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)的差異性，分析了ADS-B數(shù)據(jù)接入自動化系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)融合上的難點(diǎn)和潛在風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：ADS-B數(shù)據(jù)站;系統(tǒng)架構(gòu);數(shù)據(jù)處理;自動化系統(tǒng)

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0041-02

0 引言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)屬于非獨(dú)立協(xié)同式監(jiān)視，與傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視相比，它可以提供更多的監(jiān)視目標(biāo)信息，定位精度高，數(shù)據(jù)更新率快，建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)成本低。

ADS-B技術(shù)從整體上可分為數(shù)據(jù)源、傳輸鏈路和信號接收處理三大部分。現(xiàn)階段ADS-B地面接收處理部分包括ADS-B地面站和數(shù)據(jù)處理中心。ADS-B地面站輸出的數(shù)據(jù)更新頻率快，數(shù)據(jù)量大，如果直接將多個地面站輸出的多路ADS-B數(shù)據(jù)接入本地空管自動化系統(tǒng)，將大大增加空管自動化系統(tǒng)處理的負(fù)載，風(fēng)險很大。因此，需要建設(shè)ADS-B數(shù)據(jù)處理中心，它具有融合輸出、提供防偽和抗干擾能力。在設(shè)計(jì)時采用層級傳輸?shù)脑瓌t，將全國ADS-B傳輸網(wǎng)絡(luò)分為三個層級：一級數(shù)據(jù)中心（主備）、二級數(shù)據(jù)處理中心（高空管制單位）和數(shù)據(jù)站（空管分局站）。

南京ADS-B數(shù)據(jù)站共引接了十個ADS-B地面站，并在2018年底完成ADS-B實(shí)時綜合監(jiān)視數(shù)據(jù)接入到自動化系統(tǒng)中。

1 ADS-B數(shù)據(jù)站系統(tǒng)架構(gòu)

ADS-B數(shù)據(jù)站從結(jié)構(gòu)上可以分為三個部分：數(shù)據(jù)引接、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出。

數(shù)據(jù)引接是指接入多個ADS-B地面站，如南京ADS-B數(shù)據(jù)站，共引接了10個ADS-B地面站。各地面站經(jīng)過兩路不同的傳輸鏈路分別接入輸入交換機(jī)A和輸入交換機(jī)B。為了避免各地面站ADS-B數(shù)據(jù)相互串?dāng)_，在輸入交換機(jī)上設(shè)置了VLAN，保證各地面站信號的隔離。同時在輸入交換機(jī)后增加防火墻，保證網(wǎng)路安全。信號引接如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理部分是整個數(shù)據(jù)站的核心，采用了三網(wǎng)絡(luò) （A/B/C網(wǎng)）冗余結(jié)構(gòu)，服務(wù)器均采用雙機(jī)熱備份方式工作，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠。數(shù)據(jù)處理部分的服務(wù)器如圖2所示。

數(shù)據(jù)輸出可以根據(jù)不同用戶的需求，定制輸出不同參數(shù)的ADS-B數(shù)據(jù)。南京ADS-B數(shù)據(jù)站輸出的融合數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出防火墻和交換機(jī)后送給了本地自動化系統(tǒng)和華東二級數(shù)據(jù)處理中心。

2 ADS-B數(shù)據(jù)站主要功能

ADS-B數(shù)據(jù)站引接多個地面站的實(shí)時目標(biāo)監(jiān)視數(shù)據(jù)，通過目標(biāo)相關(guān)判斷后，將同一目標(biāo)的多路數(shù)據(jù)融合形成實(shí)時綜合監(jiān)視信息，為管制中心、進(jìn)近、塔臺等空管部門提供使用，同時對本區(qū)域內(nèi)ADS-B地面站進(jìn)行監(jiān)視。

系統(tǒng)各服務(wù)器的主要功能如表1所示。

2.1 引接監(jiān)視數(shù)據(jù)

系統(tǒng)能同時接收處理多個地面站發(fā)送過來的ADS-B數(shù)據(jù)，每個地面站可通過兩路不同的傳輸鏈路接入到輸入交換機(jī)A和B中。主通道參與多路ADS-B數(shù)據(jù)融合處理，備通道不參與多路融合，只做必要的質(zhì)量監(jiān)視。系統(tǒng)可以自動或人工切換主備通道，不影響數(shù)據(jù)的正常處理。

系統(tǒng)除了引接需要的ASTERIX CAT021類目標(biāo)數(shù)據(jù)、023類格式數(shù)據(jù)和247類版本數(shù)據(jù)外，還可以引接雷達(dá)數(shù)據(jù)或綜合航跡數(shù)據(jù)，在可疑目標(biāo)驗(yàn)證處理中使用。

2.2 監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

2.2.1 單路ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)的解析和處理

系統(tǒng)除了對多路ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理外，還會對單路的ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和跟蹤處理。單路處理后的數(shù)據(jù)可以在目標(biāo)態(tài)勢界面上選擇查看，如果輸出的綜合監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，可以通過檢查單路數(shù)據(jù)來判斷故障點(diǎn)，方便技術(shù)維護(hù)人員排查故障原因。

2.2.2 多路ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)的融合

對于多路允許參與融合的ADS-B目標(biāo)信息，系統(tǒng)經(jīng)過目標(biāo)相關(guān)判別后，確定這些目標(biāo)信息是否屬于同一個目標(biāo)，如屬同一目標(biāo)則進(jìn)行融合處理，生成系統(tǒng)綜合目標(biāo)信息。與單路目標(biāo)類似，用戶也可在態(tài)勢界面上選擇觀察綜合目標(biāo)情況。融合處理后的ADS-B目標(biāo)應(yīng)盡量不出現(xiàn)位置回跳、二次代碼/航班號來回切換的情況。

系統(tǒng)對接收到的多路ADS-B目標(biāo)數(shù)據(jù)，優(yōu)先在高版本地面站中選擇距離目標(biāo)最近的站點(diǎn)作為優(yōu)選站點(diǎn)。如果沒有高版本的基站數(shù)據(jù)，或者說只有0.26版本的數(shù)據(jù)，則選擇離目標(biāo)最近的站點(diǎn)作為優(yōu)選站點(diǎn)，除航班號、二次代碼、高度、速度、航向等信息外，其他信息使用優(yōu)選站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選站點(diǎn)中可能并不包含航班號、二次代碼、高度、速度和航向信息，或者即使包含了該信息，但也可能是被保持的歷史數(shù)據(jù)。這幾種類型的數(shù)據(jù)由收到的所有基站信息融合而成。當(dāng)某一個基站中包含該信息時，則綜合航跡包含該信息。當(dāng)不同基站含有的同類信息不同時，如某些基站收到了更新的二次代碼，但有些基站未收到，使得不同基站的二次代碼不同，綜合選擇時盡可能的選擇更新的二次代碼作為綜合數(shù)據(jù)。

2.2.3 旁路ADS-B數(shù)據(jù)處理

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中，設(shè)置了旁路數(shù)據(jù)處理流程。目的是當(dāng)數(shù)據(jù)站出現(xiàn)系統(tǒng)性故障不能使用時，可以通過旁路輸出ADS-B信號提供給用戶使用。旁路處理配置了單獨(dú)的處理服務(wù)器，不經(jīng)過運(yùn)行子網(wǎng)，直接將輸入的ADS-B地面站數(shù)據(jù)與輸出相連。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

2.3.1 異常數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)對每個數(shù)據(jù)通道都進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視，當(dāng)某個通道數(shù)據(jù)流量過大，超過門限值時，系統(tǒng)將自動關(guān)閉此通道并在監(jiān)控終端進(jìn)行提示，在流量正常時自動打開此通道恢復(fù)處理。

對于同時處理的單路目標(biāo)和綜合目標(biāo)的個數(shù)，系統(tǒng)設(shè)置有最大門限值，超過門限值即發(fā)生溢出時，系統(tǒng)將在監(jiān)控終端提示的同時進(jìn)行新目標(biāo)丟棄過濾等過載處理，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

對于格式錯誤、長度超長或過短、實(shí)際長度和聲明不符、SAC和SIC碼與設(shè)置的參數(shù)不符、時標(biāo)檢驗(yàn)不通過、缺少必傳數(shù)據(jù)項(xiàng)等異常數(shù)據(jù)幀，系統(tǒng)會直接丟棄，不會進(jìn)入后續(xù)處理流程。

2.3.2 可疑目標(biāo)驗(yàn)證

系統(tǒng)能夠通過基站有效范圍、TDOA驗(yàn)證和雷達(dá)驗(yàn)證來甄別可疑的ADS-B目標(biāo)報告。被判定為可疑的目標(biāo)在態(tài)勢界面上予以醒目的提示，并說明判定依據(jù)。在向系統(tǒng)外輸出數(shù)據(jù)時，可人工指定被系統(tǒng)判定為可疑目標(biāo)的數(shù)據(jù)是否輸出。

這三種驗(yàn)證方式在對最終目標(biāo)是否可疑的結(jié)論上具有不同的優(yōu)先級。覆蓋符合性驗(yàn)證具有最高的優(yōu)先級，TDOA時標(biāo)定位驗(yàn)證其次，覆蓋交叉驗(yàn)證最低。驗(yàn)證流程如圖3所示。

2.3.3 數(shù)據(jù)幀實(shí)時分析

系統(tǒng)能夠同時對所有通道發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行各種指標(biāo)的實(shí)時統(tǒng)計(jì)，用戶可隨時選擇查看任意某通道數(shù)據(jù)的某項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并可對本通道歷史情況進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，或是對多個通道之間進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

2.4 定制數(shù)據(jù)輸出

系統(tǒng)可以根據(jù)不同用戶的特定需求，輸出指定參數(shù)的ADS-B數(shù)據(jù)。輸出的數(shù)據(jù)可以是融合后的綜合航跡，也可以是單路處理后的航跡數(shù)據(jù)。其他參數(shù)如：數(shù)據(jù)格式、更新周期、延遲時間、指定航空公司、輸出的空域和高度限制都可以根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。

3 ADS-B數(shù)據(jù)接入自動化系統(tǒng)的分析

ADS-B數(shù)據(jù)在應(yīng)用上的主要優(yōu)勢有三點(diǎn)：一是更新頻率快;二是位置高度等各項(xiàng)目標(biāo)態(tài)勢信息的數(shù)值最小粒度比較小;三是可提供給自動化系統(tǒng)的信息遠(yuǎn)多于A模式代碼和C模式高度的普通二次雷達(dá)。然而，如果自動化系統(tǒng)沒有做適應(yīng)性處理，上述這些優(yōu)點(diǎn)反而可能會帶來各種問題。

在ADS-B數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合處理時，不能簡單地將ADS-B數(shù)據(jù)視為一路數(shù)據(jù)格式特異、更新較快的雷達(dá)數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理，要考慮ADS-B數(shù)據(jù)與普通雷達(dá)數(shù)據(jù)之間的差異性特點(diǎn)。

ADS-B數(shù)據(jù)更新頻率與雷達(dá)數(shù)據(jù)更新頻率不同，考慮到人的反應(yīng)速度和空管業(yè)務(wù)實(shí)際情況，自動化的綜合航跡采用原來的固定4秒更新周期。但是在數(shù)據(jù)融合時要考慮ADS-B更新快，位置、高度等方面的更新相對于雷達(dá)更及時，一般也是更準(zhǔn)確，但是這些優(yōu)點(diǎn)處理不當(dāng)時也會對目標(biāo)的融合關(guān)聯(lián)有負(fù)面影響。由于ADS-B更新較快、每次更新的數(shù)據(jù)變化不會很大，雷達(dá)目標(biāo)位置誤差相對較大又較難抵消，因此時空對準(zhǔn)處理必須非常精細(xì)，這是個很難調(diào)節(jié)平衡的過程。

另外，ADS-B的目標(biāo)位置是用經(jīng)緯度表示的，其數(shù)值的最小粒度最小可達(dá)10的負(fù)7次方這個量級。在目標(biāo)高度上，最小粒度真正達(dá)到了格式規(guī)范要求的25英尺（非S模式雷達(dá)的C模式高度受限于采樣和編碼方式，能做到的最小粒度為100英尺）。從這兩方面來說，ADS-B數(shù)據(jù)相對于雷達(dá)數(shù)據(jù)具有天然的優(yōu)越性，然而數(shù)值的最小粒度較小并不代表數(shù)據(jù)一定精確，實(shí)際應(yīng)用中還是有一些問題需要解決。這些都需要自動化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)融合時做相應(yīng)考慮和處理。

南京ADS-B數(shù)據(jù)接入自動化系統(tǒng)后，還需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)。

4 結(jié)語

新監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用需經(jīng)過運(yùn)行試驗(yàn)與驗(yàn)證，在東部航線地區(qū)，現(xiàn)階段仍然以空管二次監(jiān)視雷達(dá)作為主用監(jiān)視手段，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視作為空中交通服務(wù)的補(bǔ)充監(jiān)視手段。隨著飛行流量的持續(xù)增加，為了提升空域監(jiān)視管理的整體水平，保障空域安全，新監(jiān)視技術(shù)將發(fā)揮更加重要的作用。

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