ADS-B數(shù)據處理中心目標融合研究

馮 巖，周祿華，楊 愷，鄒國政

（南京萊斯信息技術股份有限公司，江蘇南京 210007）

0 引言

廣播式自動相關監(jiān)視（Autornatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）具有更新速率快、位置精度高和建設成本低等優(yōu)勢，是國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）確定的未來主要監(jiān)視技術之一。2018年年底，中國民航東部和西部ADS-B工程完成竣工及驗收，建設內容包括在全國范圍內建設308套ADS-B地面站，在7個地區(qū)空管局和三亞區(qū)管中心建設二級數(shù)據處理中心，在空管分局（站）建設數(shù)據站［1］。ADS-B工程的建設彌補了我國中西部地區(qū)雷達覆蓋不足的現(xiàn)狀，同時也提高了東部地區(qū)監(jiān)視冗余備份的能力。多ADS-B地面站多目標融合是數(shù)據站和數(shù)據處理中心的核心功能，相比空管自動化系統(tǒng)中的ADS-B與航管雷達的融合，ADS-B數(shù)據處理中心的目標融合有其自身的特點。本文將參照國內外相關標準、規(guī)范，并結合在實際工程中遇到的問題，詳細論述ADS-B數(shù)據處理中心中的目標相關和融合算法。

1 ADS-B工程系統(tǒng)架構

我國民用航空管理空中交通管理局采用分層分級的管理模式，東西部ADS-B工程中的系統(tǒng)架構契合了這一點，如圖1所示。

ADS-B工程系統(tǒng)架構包括三級數(shù)據站、二級和一級數(shù)據中心組成。三級數(shù)據站引接本分局站內ADS-B地面站信號并融合上傳至二級數(shù)據處理中心。二級數(shù)據處理中心除引接數(shù)據站的融合數(shù)據外，也可根據需要引接某些關鍵地面站的數(shù)據。8個二級數(shù)據處理中心的融合數(shù)據及關鍵數(shù)據站在一級數(shù)據處理中心做進一步融合，形成覆蓋全國范圍內的ADS-B 信號［2］。

多級數(shù)據處理中心的設計，可有效過濾網絡流量，避免過多站點、過大流量接入空管自動化系統(tǒng)。同時，多個接入站點ADS-B數(shù)據的相互比較和融合，使得數(shù)據處理中心有能力為后端自動化系統(tǒng)提供更加準確、全面的數(shù)據。

圖1 ADS-B工程系統(tǒng)結構

2 多目標相關

2.1 相關因子

ICAO 24位地址碼是S模式應答機的編碼,是飛機在ICAO注冊的全球唯一識別代碼。理論上來說，全球不可能有兩架相同地址碼的飛機，但在實際運行中發(fā)現(xiàn)，由于應答機S模地址設置錯誤、地面站解碼錯誤等因素的影響，相同地址碼的飛機并不少見。因此，地址碼不能用來作為區(qū)分不同目標的唯一判定因子。距離大于6海里的重復S模地址，應當認為是兩個目標。同高度飛行的航空器之間的最小水平間隔不得小于10公里［3］，所以距離也是區(qū)分兩個相同地址碼目標的重要因子。為避免在不同高度層兩個相同地址碼的目標因水平距離過近而發(fā)生錯誤相關的可能，高度、二次代碼、航班號等信息也需要作為目標相關的輔助判定因子，但需要注意的是該類信息并不總是存在或同一周期不同地面站的內容并不總是相同。

不同于自動化系統(tǒng)多雷達融合中的時間對準，ADS-B數(shù)據站或數(shù)據處理中心（以下統(tǒng)稱“數(shù)據處理中心”）在目標相關時需要做“相同周期”的判斷。同一目標，相同周期，不同地面站Asterix CAT021中位置信息（I021/130或I021/131）應該“相同”，日時間信息（如021/073）不應偏差過大。需要注意的是，地面靜止或測試點目標每個周期的位置一般“不變”，所以位置信息不能作為“相同周期”的唯一判定因子。

2.2 地面站數(shù)據檢查

各地面站提供有效、準確、全面的數(shù)據，是提高融合效果的關鍵。因此數(shù)據處理中心需要具備對常用和關鍵數(shù)據項內容做合法性檢查和互相交叉驗證的能力。

（1）地面站丟失二次代碼時，021/040數(shù)據項應缺失，不應賦值“0000”，MODE A0000是有效的二次代碼。同樣的，當?shù)孛嬲緛G失高度時，021/140或021/145數(shù)據項應缺失，不應賦值為0。

（2）I021/040數(shù)據項中GBS置1時，表示地面目標。ADS-B地面目標不應有高度信息，021/160數(shù)據項中的速度值也不應過大。

（3）地面站從收到報文到組裝成Asterix CAT021最大處理延遲為50 ms［4］，如果數(shù)據處理中心接收到地面站數(shù)據中I021/073等日時間信息與系統(tǒng)GPS時間差異過大，則其可能為問題地面站?？赡艿脑蛴芯W絡設備故障、傳輸鏈路帶寬不足、地面站處理延遲過大、地面站GPS失效等。

（4）同一目標在相同周期，不同地面站的數(shù)據項I021/130或I021/131內容應該“相同”，如某地面站跟其他地面站“不相同”的情況，則其可能為問題地面站?？赡艿脑蛴性摰孛嬲镜募m檢錯成功率不高等。

（5）同一空中非測試點目標，如果各地面站位置“相同”，則日時間信息I021/073等也應該在同一周期。如某地面站跟其他地面站日時間偏差過大，則其可能為問題地面站?？赡艿脑蛴械孛嬲咎幚硌舆t過大、地面站GPS失效等。另外需要注意的是，如果應答機下傳的位置信息中時間標志TIME=1，表示下發(fā)的位置報文固定延遲0.2 s，地面站在收到該類報文時需要做相應處理。

3 多目標融合

3.1 融合功能

數(shù)據處理中心的核心功能是將相關為同一目標、在同一周期的各地面站數(shù)據融合成信息內容更全、更準的綜合信息。融合主要包括如下功能。

（1）不同Asterix CAT021版本的轉換。ADS-B地面站的常見輸出格式版本有0.26，1.4，1.5，2.1，2.4等，不同版本數(shù)據項類別有所不同，數(shù)據處理中心融合后的目標需按照統(tǒng)一的版本輸出。

（2）缺失數(shù)據的互相補充。同一目標應答機廣播的報文內容是一樣的，但由于建筑物遮擋、信號交織等因素的影響，單個地面站并不能收到或解析成功每個周期的報文信息，數(shù)據處理中心將多個地面站的目標數(shù)據融合，以便獲得更新周期連續(xù)、數(shù)據項內容更豐富的目標數(shù)據。

（3）更新數(shù)據內容的判斷。應答機廣播的某個類別的報文可能未被地面站收到或解析成功，如二次代碼、航班號等，此時地面站在組裝Asterix CAT021時會保持一定時間的歷史內容。ADS-B數(shù)據處理中心無法通過單個地面站獲知該數(shù)據項內容是否為歷史保持內容，但可通過多個地面站當前和歷史內容的相互比較，盡可能地將更新的數(shù)據內容作為綜合信息輸出。

3.2 二次代碼更新判斷

以二次代碼為例說明更新數(shù)據內容的判斷機制。機載應答機廣播二次代碼的周期為1.0 s，如地面站未收到或未能解析成功相關報文，在組裝Asterix CAT021時會保持一定時間的歷史信息，超過保持時間則在組裝時缺失021/040數(shù)據項。當ADS-B數(shù)據處理中心發(fā)現(xiàn)當前周期有地面站報告的二次代碼與上一周期綜合二次代碼不同時，將其列為“準更新二次代碼”。為盡可能消除因解碼錯誤或飛行員在輸入二次代碼時中間過渡數(shù)值的影響，“準更新二次代碼”可經過n個周期的“確認”機制（n可取值為3）?！按_認”周期內的綜合二次代碼仍保持原二次代碼，之后綜合二次代碼為“準更新二次代碼”。

一般情況下，二次代碼在短時間內只會改變一次，不會多次改變。一旦綜合二次代碼做了更新，此時應進入“鎖定”狀態(tài)。也就是說，之后一定時間內無論是否有地面站收到該已經更新的二次代碼，綜合二次代碼均不改變。為避免解鎖后出現(xiàn)前二次代碼“回跳”的現(xiàn)象，“鎖定”時間應參考地面站的保持時間。為避免長時間“鎖定”而影響綜合二次代碼的及時更新，地面站的保持時間應選擇合適的值，建議20～25 s為宜。

3.3 “相對時間差”法

多級數(shù)據處理中心的設計，增多了數(shù)據延遲的節(jié)點。規(guī)定數(shù)據處理中心處理延時應不大于300 ms，而ADS-B的廣播周期為0.5 s，為避免二級或一級數(shù)據處理中心的融合信號和其他ADS-B地面站做進一步融合時出現(xiàn)“周期錯開”的現(xiàn)象，數(shù)據處理中心系統(tǒng)的處理延遲應盡可能地減?。?］。

為減少系統(tǒng)處理延遲，同時在同一周期中讓盡可能多的地面站參與融合，數(shù)據處理中心融合時可采用“相對時間差”法。數(shù)據處理中心記錄收到各地面站Asterix CAT021數(shù)據時的系統(tǒng)時間，當數(shù)據處理中心發(fā)現(xiàn)某目標在同周期內相關的第N個地面站接收到數(shù)據的時間與第1個的差值超過門限，數(shù)據處理中心將該N個地面站數(shù)據做融合處理。同時，系統(tǒng)定時檢查當前系統(tǒng)時間與各目標相關的第1個地面站接收時間的差值，超過門限則將已經相關成功的各地面站數(shù)據做融合處理。

“相對時間差”門限值需考慮實際接入各地面站的相對延遲大小，一般可在三級數(shù)據站設置為50 ms，二級數(shù)據處理中心設置為80 ms。

3.4 融合報文組裝規(guī)范

數(shù)據處理中心將多個地面站的報文融合后再次組裝為Asterix CAT021數(shù)據時，除參照相應版本的格式要求外，數(shù)據項內容也需符合相關標準、規(guī)范。

（1）地址碼相同的兩個目標，容易發(fā)生二次代碼、航班號等信息在該兩個目標之間“互換”的現(xiàn)象。因此數(shù)據處理中心的系統(tǒng)目標發(fā)現(xiàn)有重復地址碼時，除將I021/040數(shù)據項中的ATP賦值為1外，還可在組裝時不發(fā)送二次代碼、航班號等信息。

（2）I021/200數(shù)據項中 Unlawful Interference/No Communications/General Emergency分別對應二次代碼7500/7600/7700。數(shù)據處理中心融合后的系統(tǒng)目標發(fā)現(xiàn)有這三類二次代碼時，I021/200數(shù)據項中PS子項應做相應的賦值。

（3）Asterix CAT021數(shù)據項應包括I021/130或I021/131，但不能同時包括I021/130和I021/131。因此數(shù)據處理中心在輸出位置信息時，應選擇其中一個作為數(shù)據項輸出。

（4）數(shù)據項I021/161為航跡號，該數(shù)據項在組裝Asterix CAT021是可選的。如組裝該數(shù)據項，數(shù)據處理中心需將融合后的系統(tǒng)目標統(tǒng)一編號。需要注意的是，在某些條件下地面目標的廣播周期為5.0 s。為避免地面目標航跡號的頻繁中斷，數(shù)據處理中心在做綜合目標生命周期管理時，應選擇合適的時間閾值。

4 結語

按照《中國民用航空ADS-B實施規(guī)劃》要求，我國于2020—2025年實現(xiàn)高空航路航線、終端（進近）管制區(qū)域、全部運輸機場塔臺實的ADS-B連續(xù)可靠監(jiān)視覆蓋［6］。2019年發(fā)布的《民航空管自動化系統(tǒng)應用ADS-B及S模式雷達數(shù)據的技術和功能要求》也明確和規(guī)范了ADS-B數(shù)據在新一代空管自動化系統(tǒng)中應用的技術和功能要求［7］。作為空管自動化系統(tǒng)的前端數(shù)據源，ADS-B數(shù)據處理中心將在空管系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色。文中結合相關技術標準、規(guī)范對融合算法的研究，對數(shù)據處理中心的廣泛應用，有重要意義。