S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘? 要： 為了提升S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)在空管自動(dòng)化系統(tǒng)的利用效率和運(yùn)行穩(wěn)定性，提出一種基于αβγ的航跡濾波算法和相關(guān)S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)處理與解析的算法模型。主要研究報(bào)文關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)的解析，利用算法模型進(jìn)行監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和航跡平面投影。依據(jù)所研究的算法，設(shè)計(jì)了一款S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多路監(jiān)視源信道的接入，能實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)相關(guān)誤碼率，具備真實(shí)反映目標(biāo)航跡運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)潔，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，能協(xié)助技術(shù)維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源的異常情況，為推動(dòng)S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用提供了一種可行、有效的監(jiān)測(cè)方式，在空管單位或地方塔臺(tái)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)化系統(tǒng);S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源;質(zhì)量分析;航跡解析;功能實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)： TP391.9 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.047

本文著錄格式：陳愷. S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（07）：228-234

Design and Implementation of Quality Analysis System for Mode S Monitoring Data

CHEN Kai

（Guangxi Sub-bureau of Central South Air Traffic Management Bureau of CAAC， Nanning， Guangxi 530000， China）

【Abstract】： In order to improve the utilization efficiency and operational stability of Mode S monitoring data in air traffic control automation system， an algorithm model based on alpha-bet-gama trace filtering algorithm and related Mode S monitoring data processing and analysis is proposed. The analysis of key data items in the message is studied， and the algorithm model is adopted to monitor the quality of data and the flight plane projection. According to the algorithm studied， an air traffic control Mode S monitoring data quality analysis system is designed， which supports the access of multiple monitoring source channels， can analyze the data quality in real time， statistics related error rate， and has the functions of truly reflecting the movement of the target trail. The experimental results show that： The engineering of this system is more concise， has good stability and robustness， can assist technical maintenance personnel to find the abnormality of Mode S monitoring data source in time， as well as provides a feasible and effective monitoring method for promoting the wide application of Mode S monitoring data， suggesting a certain application value in air traffic control units or local towers.

【Key words】： ATC; Mode S; Quality analysis; Track analysis; Function realization

0? 引言

中國(guó)民航S模式應(yīng)用是當(dāng)前民航領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，基于S模式的監(jiān)視源設(shè)備主要包括S模式雷達(dá)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)以及ADS-B地面站等設(shè)備，S模式技術(shù)在空管中的應(yīng)用將對(duì)航空器安全運(yùn)行將提供更為有力的支持手段。主要可以解決以下問(wèn)題：（1）航空器識(shí)別問(wèn)題：S模式應(yīng)答機(jī)具備24位地址編碼可有效解決目前A/C雷達(dá)識(shí)別錯(cuò)誤、自動(dòng)化系統(tǒng)相關(guān)錯(cuò)誤等問(wèn)題;（2）雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題：S模式應(yīng)用可以大大提高信號(hào)的干擾和串?dāng)_的解碼能力，減少雷達(dá)假目標(biāo)的產(chǎn)生，高度信息和編碼信息的識(shí)別更準(zhǔn)確^[1]。（3）飛行意圖監(jiān)控問(wèn)題：S模式可以監(jiān)控航空器的水平意圖，如航向、空速等意圖信息^[2];（4）地空情景意識(shí)問(wèn)題：航空器的姿態(tài)信息、QNH設(shè)定、TCASRA信息等可以通過(guò)S模式數(shù)據(jù)鏈下送出來(lái)，可以提供給管制員進(jìn)行提示及參考，共享空地情景意識(shí)。

鑒于S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)的優(yōu)越性，目前國(guó)內(nèi)空管自動(dòng)化系統(tǒng)普遍引接S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡融合，在實(shí)現(xiàn)航空器高精度下行數(shù)據(jù)鏈（DAPS）傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也帶來(lái)S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的困難。任意一路S模式監(jiān)視源的異常數(shù)據(jù)輸出均會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)融合航跡目標(biāo)分裂、位置和高度跳變，以及產(chǎn)生假目標(biāo)，這些異常情況會(huì)嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)管制對(duì)航空器的實(shí)時(shí)指揮。

因此，如何準(zhǔn)確有效地分析和評(píng)估S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)源信道傳輸質(zhì)量成為當(dāng)前民航系統(tǒng)比較重要的課題，特別適用于S模式監(jiān)視源傳輸時(shí)所要求的高速率、時(shí)效性?；谏鲜鲈颍惶啄軐?duì)監(jiān)視信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、評(píng)估與顯示，使用戶最終得到一個(gè)能夠客觀反映監(jiān)視信號(hào)質(zhì)量分析結(jié)果的軟件系統(tǒng)對(duì)于提升空管設(shè)備保障力度和飛行安全裕度極為重要。

1 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法與整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)基于JAVA和Swing技術(shù)，采用C/S開(kāi)發(fā)框架和模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)主要部分：（1）數(shù)據(jù)接收模塊;（2）監(jiān)視數(shù)據(jù)校驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊;（3）監(jiān)視數(shù)據(jù)格式解析與處理模塊;（4）監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模塊;（5）實(shí)時(shí)告警模塊;（6）航跡目標(biāo)態(tài)勢(shì)顯示模塊;（7）記錄與回放模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)關(guān)鍵算法研究與設(shè)計(jì)

2.1 ?航跡濾波算法

alpha-bet-gama濾波（αβγ濾波）是一種可用于狀態(tài)估計(jì)、數(shù)據(jù)平滑的濾波器，在位置x、速度v的基礎(chǔ)上引入加速度a^[3]，特別適用于航空器飛行的剖面模型。αβγ濾波的形式和kalman濾波相近，但是其最突出的優(yōu)點(diǎn)是它不依賴系統(tǒng)的具體模型，在工程實(shí)現(xiàn)上適用于單路監(jiān)視源的航跡跟蹤處理。 其模型如下：

2.2 ?監(jiān)視數(shù)據(jù)解析算法

通常一個(gè)監(jiān)視數(shù)據(jù)報(bào)文可以包含一個(gè)或多個(gè)航跡目標(biāo)的數(shù)據(jù)塊，各個(gè)數(shù)據(jù)塊可以屬于不同的種類。一個(gè)數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)種類（CAT）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（LEN）以及若干個(gè)記錄所組成。每一個(gè)記錄由可變字長(zhǎng)（FSPEC）和航跡數(shù)據(jù)項(xiàng)所組成，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示^[6]。

本設(shè)計(jì)需要解析不同種類和不同狀態(tài)的監(jiān)視數(shù)據(jù)報(bào)文，可根據(jù)CAT和FSPEC為標(biāo)志位進(jìn)行監(jiān)視數(shù)據(jù)解析，具體流程如下：

（1）根據(jù)CAT定義該數(shù)據(jù)報(bào)文為航跡目標(biāo)數(shù)據(jù)報(bào)文還是服務(wù)質(zhì)量報(bào)文（如CAT=048為S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)報(bào)文;CAT=034為S模式雷達(dá)服務(wù)報(bào)文等）;

（2）目標(biāo)可能出現(xiàn)的所有FSPEC標(biāo)志位定義，并在接收初始單路監(jiān)視航跡數(shù)據(jù)幀時(shí)采用冒泡排序法按從小到大對(duì)FSPEC標(biāo)志位出現(xiàn)位置進(jìn)行排序，并依次存入排序數(shù)組Array，記錄初始航跡數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度Length;

（3）在解碼子函數(shù)中對(duì)不同F(xiàn)SPEC標(biāo)志位的目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，獲取目標(biāo)的航跡信息;

（4）然后將Array[0]所存儲(chǔ)的標(biāo)志位與FSPEC字符標(biāo)志位進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的目標(biāo)解析函數(shù)隊(duì)列，并以本次FSPEC字符出現(xiàn)位置前的固定初始位置進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)解碼;

（5）本次目標(biāo)數(shù)據(jù)解析完畢后，將已解析的目標(biāo)數(shù)據(jù)包丟棄，按下一個(gè)FSPEC字符出現(xiàn)位置前的固定初始位置截取余下數(shù)據(jù)包，組成新的航跡數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度Length;

（6）重復(fù)（1）至（5）步驟，直至數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度Length小于vsp設(shè)定值。

2.3 ?監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比算法

系統(tǒng)需要評(píng)估監(jiān)視數(shù)據(jù)的質(zhì)量主要包含以下內(nèi)容：

（1）雷達(dá)信號(hào)幀格式的有效性，包括幀長(zhǎng)度、CRC 校驗(yàn)等，判斷其是否出現(xiàn)錯(cuò)誤;

（2）雷達(dá)正北信息和扇區(qū)信息的有效性、連續(xù)性及時(shí)效性;

（3）目標(biāo)航跡超過(guò)作用距離的位置跳變、SSR 跳變、高度跳變、航向跳變、假目標(biāo)等。

2.3.1? 扇區(qū)丟失計(jì)算

雷達(dá)服務(wù)報(bào)文主要包含正北和扇區(qū)信息，系統(tǒng)首先分析I002/000字段，若字段數(shù)值為001，則為正北報(bào);為002，則為扇區(qū)報(bào)。一般一個(gè)雷達(dá)周期可分為16扇或32扇，為了便于說(shuō)明，假設(shè)雷達(dá)扇區(qū)等于32，因此，從0度開(kāi)始編號(hào)，每個(gè)扇區(qū)為11.25度，雷達(dá)在正常轉(zhuǎn)速下每轉(zhuǎn)到11.25度就會(huì)發(fā)送一份扇區(qū)報(bào)文，I002/020字段為發(fā)送該份扇區(qū)報(bào)所屬扇區(qū)號(hào)，I002/030字段為該路雷達(dá)發(fā)送報(bào)文的時(shí)間戳。因此，判斷扇區(qū)連續(xù)性的關(guān)鍵要素是扇區(qū)號(hào)和報(bào)文的發(fā)送時(shí)間是否保持連續(xù)性。

2.4 ?監(jiān)視數(shù)據(jù)目標(biāo)顯示算法設(shè)計(jì)

監(jiān)視數(shù)據(jù)目標(biāo)顯示處理包括已存在航跡目標(biāo)的更新和新航跡目標(biāo)的生成。如果系統(tǒng)判定出最新接收到的目標(biāo)信息與上個(gè)周期系統(tǒng)中某個(gè)航跡目標(biāo)指的是同一航空器，則認(rèn)為此次收到的目標(biāo)信息為此航跡目標(biāo)的更新信息，系統(tǒng)將刷新此目標(biāo)的狀態(tài)描述，更新MMI界面的目標(biāo)信息，否則系統(tǒng)將根據(jù)此次目標(biāo)信息建立一個(gè)新的航跡目標(biāo)^[8]。

航跡目標(biāo)WGS-84坐標(biāo)系需要經(jīng)過(guò)高斯投影^[9]轉(zhuǎn)成平面坐標(biāo)系，其部分核心代碼如下所示。在進(jìn)行系統(tǒng)處理中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系投影時(shí)，可將航跡MMI顯示等效為一個(gè)畫布，畫布最小顯示元素定義為航跡目標(biāo)可移動(dòng)的最小單位，為了保證航跡位置經(jīng)過(guò)濾波平滑處理后在MMI界面顯示的連續(xù)性，需要將處理后的平面投影航跡位置數(shù)據(jù)類型定義成double型。當(dāng)監(jiān)視數(shù)據(jù)解析模塊處理相同航跡號(hào)（TrackID）時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行航跡位置空間窗和航跡信息（SSR、速度等）相似度確認(rèn)，確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)而修正同一目標(biāo)的航跡信息。利用JAVA編程語(yǔ)言的HashMap表^[10]存儲(chǔ)最新航跡數(shù)據(jù)信息，后臺(tái)線程每2秒自動(dòng)刷新航跡表，使用drawOval（）和drawString（）函數(shù)進(jìn)行目標(biāo)航跡MMI界面繪制，并調(diào)用repaint（）模塊進(jìn)行航跡畫布重繪，實(shí)現(xiàn)航跡目標(biāo)的動(dòng)態(tài)顯示。

public Point LatAndLonToXY（Lon L0， Lat Latitude， Lon Longitude）

{

double oriPoint_L =GeoPoint（L0.Degree，L0.Minute， L0.Second）;

double e = Math.sqrt（1-Math.pow（small_b/small_a， 2））;

double e1 = Math.sqrt（Math.pow（small_a/small_b， 2）-1）;

double M = GetM（e，curfixPoint_B）;

double N = small_a/Math.sqrt（1-Math.pow（e，2）*

Math.pow（Math.sin（curfixPoint_B），2））;

double x = FN+k0*（M+ N*Math.tan（curfixPoint_B）*（Math.pow（Big_A，2）/2 + （5-T+9*C+4*Math. pow（C，2））*

Math.pow（Big_A，4）/24） + （61-58*T+Math.pow（T，2）+ 600*C-330*Math.pow（e1，2））*Math.pow（Big_A，6）/720）;

double y = FE+k0*N*（Big_A+（1-T+C）*Math. pow（Big_A，3）/6+ （5-18*T+Math.pow（T，2）+72*C-58* Math.pow（e1，2））*Math.pow（Big_A，5）/120）

Point p = new Point（（int）y，（int）x）;

return p;

}

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述設(shè)計(jì)方案和算法原理研制了基于JAVA的空管S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分析當(dāng)前主流雷達(dá)格式（含S模式）數(shù)據(jù)和ADS-B數(shù)據(jù)。圖6是監(jiān)視數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主界面，該系統(tǒng)通過(guò)接收外部監(jiān)視數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如MPCS802雷達(dá)同步串口轉(zhuǎn)換器）的UDP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，可最多同時(shí)支持16信道監(jiān)視數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，分析結(jié)果通過(guò)統(tǒng)計(jì)方式呈現(xiàn)給用戶。其主要功能為：

（1）當(dāng)系統(tǒng)正常接收外部UDP監(jiān)視數(shù)據(jù)時(shí)，接收模塊不斷刷新接收界面;

（2）監(jiān)視數(shù)據(jù)出錯(cuò)統(tǒng)計(jì)表實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)某路監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析項(xiàng)：包含信號(hào)中斷情況、延時(shí)情況、格式錯(cuò)誤、CRC 錯(cuò)誤、正北/扇區(qū)丟包情況、目標(biāo)數(shù)量、最遠(yuǎn)覆蓋距離、二次代碼/高度的有效性/交織率、目標(biāo)連續(xù)更新率等;

（3）航跡信息選擇表則顯示被選擇監(jiān)視源的目標(biāo)數(shù)據(jù)解析情況，包含航跡目標(biāo)的航跡號(hào)、坐標(biāo)、速度、航向角等，使用戶直觀掌握目標(biāo)航跡關(guān)鍵信息的解析情況;

（4）提供包含信號(hào)中斷、CRC、幀長(zhǎng)度錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤等異常告警;具備正北報(bào)文、扇區(qū)跨越報(bào)文丟失統(tǒng)計(jì)功能，并用來(lái)參考估計(jì)鏈路丟包情況;具備 SAC/SIC、二次代碼、高度、位置等重要數(shù)據(jù)的跳變監(jiān)控功能;

圖8和圖9分別為采用本文所提出濾波算法和未采用濾波算法的航跡對(duì)比圖。從圖8可知，目標(biāo)航跡的歷史點(diǎn)跡平滑，速度矢量線擺動(dòng)較小，未出現(xiàn)明顯的航跡斷續(xù)現(xiàn)象;圖9中航跡出現(xiàn)斷續(xù)，歷史點(diǎn)跡之間的間隔大小不相同，并出現(xiàn)明顯的航跡矢量線擺動(dòng)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文研究了監(jiān)視數(shù)據(jù)處理方法，給出了詳細(xì)的計(jì)算模型和設(shè)計(jì)思路，依據(jù)所研究的算法，設(shè)計(jì)了基于JAVA的S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性，現(xiàn)已在民航廣西空管分局投產(chǎn)使用，用戶體驗(yàn)良好，能有效協(xié)助技術(shù)維護(hù)人員實(shí)時(shí)分析已接入自動(dòng)化系統(tǒng)的S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源質(zhì)量情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)視信號(hào)源的異常情況。后期將繼續(xù)研究如何監(jiān)測(cè)S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)增強(qiáng)型DAPS下行數(shù)據(jù)，如機(jī)組選擇高度、QNH設(shè)定、TCASRA等信息的完整性和正確性，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的附加功能。

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