廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視報(bào)文中幾何和氣壓高度數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

安晨暉, 盧曉光, 張 喆, 韓 萍

(中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300300)

隨著中國航空業(yè)的不斷發(fā)展，航班數(shù)量持續(xù)增加，飛機(jī)垂直間隔管理壓力也隨之增大[1-2]。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B)具有成本低、精度高、監(jiān)視能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已被國際民航組織定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向[3-4]。ADS-B可提供飛機(jī)高度數(shù)據(jù)，用于飛機(jī)垂直間隔監(jiān)控，因此對(duì)ADS-B高度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而研究其在降低飛機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)中的應(yīng)用，對(duì)提高航空運(yùn)行安全具有重要意義。

ADS-B報(bào)文中的高度數(shù)據(jù)包括幾何高度和氣壓高度，二者的來源不同。目前采用氣壓高度作為飛機(jī)的飛行高度，但氣壓高度和幾何高度都具有自身的局限性，近年來人們開始進(jìn)行高度數(shù)據(jù)及其質(zhì)量指標(biāo)的研究。2008年Martin等[5]對(duì)不同來源的幾何高度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明不同數(shù)據(jù)來源的幾何高度存在誤差。2010年Falk等[6]對(duì)幾何高度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明ADS-B消息中的幾何高度數(shù)據(jù)可以用于飛機(jī)測(cè)高系統(tǒng)誤差分析。2014年Fisher[7]分析了氣壓和幾何高度的來源和優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了使用幾何高度作為飛機(jī)飛行高度的優(yōu)勢(shì)。2016年Taib等[8]分析了ADS-B消息中幾何和氣壓高度的特征，并將兩高度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出了幾何和氣壓高度的偏差，還討論了可能影響高度數(shù)據(jù)變化的潛在因素。2017年Tesi等[9]分析了捷克地區(qū)的ADS-B數(shù)據(jù)，得出捷克地區(qū)ADS-B高度信息質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。上述工作總結(jié)了ADS-B消息中高度信息的特征和質(zhì)量指標(biāo)，討論了影響高度數(shù)據(jù)變化的因素，但未具體分析基于飛行階段的高度數(shù)據(jù)變化規(guī)律和質(zhì)量指標(biāo)對(duì)高度的影響。質(zhì)量指標(biāo)分析對(duì)應(yīng)用ADS-B時(shí)應(yīng)該注意的問題、ADS-B機(jī)載設(shè)備的加改裝等具有指導(dǎo)意義。

中國目前已經(jīng)完成了大面積的ADS-B地面站建設(shè)，發(fā)布了中國民航ADS-B實(shí)施規(guī)劃[10]。開展ADS-B的數(shù)據(jù)分析對(duì)于數(shù)據(jù)的充分利用具有重要的實(shí)際價(jià)值[11-13]?；诖?，現(xiàn)針對(duì)中國某機(jī)場(chǎng)地面站ADS-B數(shù)據(jù)開展研究，主要分析了幾何和氣壓高度的獲取方法、特征、優(yōu)缺點(diǎn)等，同時(shí)還分析了幾何和氣壓高度差值的影響因素、變化規(guī)律和ADS-B高度數(shù)據(jù)的質(zhì)量指標(biāo)特征，并提出提高空中交通管理(air traffic management, ATM)安全運(yùn)行的建議。

1 幾何和氣壓高度

1.1 獲取方法

飛機(jī)ADS-B應(yīng)答機(jī)定期廣播飛機(jī)的24位地址碼、狀態(tài)信息、位置信息等，其中包含幾何高度、氣壓高度和高度質(zhì)量指標(biāo)等高度相關(guān)信息[14]。飛機(jī)的幾何高度為飛機(jī)與地球橢球相切的平面最小高度，來自飛機(jī)上的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)接收器，并傳輸?shù)紸DS-B應(yīng)答機(jī)。GNSS作用在世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)(world geodetic coordinate system, WGS-84)坐標(biāo)系下，使用WGS-84參考橢球面。WGS-84是全球定位系統(tǒng)的參考系統(tǒng)，它與國際地面參考系統(tǒng)(international terrestrial reference system, ITRS)兼容。氣壓高度是一種位勢(shì)高度，也可以稱為重力勢(shì)高度或壓力高度，來自飛機(jī)上的氣壓高度表。氣壓高度計(jì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參考?jí)毫χ涤?jì)算垂直距離，工作原理是測(cè)量飛機(jī)靜態(tài)端口的大氣壓變化，然后將數(shù)值轉(zhuǎn)換為飛機(jī)氣壓高度。若把氣壓高度表的氣壓刻度調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)，則這時(shí)氣壓高度表所指示的高度稱為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度，航空器在巡航、分層飛行時(shí)，為了防止相撞，均使用標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度。

氣壓高度表的預(yù)設(shè)壓力值取決于飛機(jī)是否高于或者低于過渡高度，其為特定的修正海平面氣壓(QNH)高度，在此高度或以下，航空器的垂直位置按照QNH高度表示，在此高度以上，按照國際標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(QNE，15 ℃時(shí)為1 013.25 hPa)，高度表示。飛機(jī)起飛前，空中交通管制(air traffic control，ATC)提供過渡高度和QNH數(shù)值，飛行員須將氣壓高度計(jì)參考值設(shè)置為QNH。當(dāng)飛機(jī)爬升到過渡高度時(shí)，須將參考值由QNH調(diào)整為(QNE)，然后繼續(xù)爬升至巡航高度。飛機(jī)著陸時(shí)，ATC提供新的QNH和過渡高度，下降到過渡高度時(shí)，飛行員須再次將參考值設(shè)置為新的QNH，直至安全降落。

1.2 氣壓和幾何高度的特點(diǎn)

目前所有飛機(jī)都配備了氣壓高度表，其可靠性高，僅測(cè)量大氣壓力，不依賴衛(wèi)星等設(shè)備，因此飛機(jī)使用氣壓高度作為飛機(jī)的飛行高度。但氣壓高度仍然具有自身的局限性，例如，飛行員需要定期進(jìn)行QNE和QNH的設(shè)置，這容易使飛行員產(chǎn)生混淆，造成人為差錯(cuò)。若未能及時(shí)更正高度計(jì)參考值的設(shè)置，會(huì)造成飛行高度報(bào)告錯(cuò)誤，易發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。高度計(jì)設(shè)置的QNH需要ATC提供，此數(shù)值僅在ATC發(fā)送QNH信息附近具有較高的精度，當(dāng)飛機(jī)遠(yuǎn)離報(bào)告站時(shí)，其準(zhǔn)確度將逐漸下降。并且氣壓高度表易受天氣條件影響，當(dāng)大氣條件與標(biāo)準(zhǔn)氣壓條件不同時(shí)，精確度就會(huì)下降。

基于以上討論，并避免過度依賴一種類型的高度數(shù)據(jù)，人們提出使用幾何高度進(jìn)行高度分離。幾何高度直接從GNSS獲得，無需飛行員進(jìn)行高度表設(shè)置，因此其不會(huì)發(fā)生高度表設(shè)置錯(cuò)誤。幾何高度的準(zhǔn)確度和靈敏度不會(huì)隨著高度的增加而降低，并且不依賴于大氣條件，無論天氣條件如何惡劣都能保持足夠的準(zhǔn)確性。然而幾何高度依賴于GNSS，由于GNSS易受干擾和多徑影響，幾何高度數(shù)據(jù)可能在某一時(shí)間段完全丟失，從而影響飛行安全。相對(duì)于氣壓高度，幾何高度仍具有準(zhǔn)確度高和不受天氣條件影響等特點(diǎn)，目前的研究已證明ADS-B消息中幾何高度符合垂直間隔管理要求[15-16]。幾何高度可以對(duì)氣壓高度的安全性和準(zhǔn)確性進(jìn)行交叉檢查，對(duì)飛機(jī)現(xiàn)有高度系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析流程

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用某地面站ADS-B數(shù)據(jù)開展研究，收集的數(shù)據(jù)為原始的CAT 021格式報(bào)文數(shù)據(jù)。按照CAT 021標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，共解析出664架航班。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，664架樣本飛機(jī)中有659架報(bào)告了幾何高度數(shù)據(jù)，占總樣本的99.247%。ADS-B消息中存在的數(shù)據(jù)字段取決于ADS-B的版本，本實(shí)驗(yàn)664架飛機(jī)有DO-260、DO-260A、DO-260B 3個(gè)版本，其中DO-260共435架，占65.512%，DO-260A共19架，占2.861%，DO-260B共210架，占31.627%。對(duì)飛機(jī)的爬升、爬升-巡航、巡航、巡航-下降、下降5個(gè)飛行階段進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

2.2 分析流程

分析過程主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理，報(bào)文解析，高度數(shù)據(jù)分析，高度質(zhì)量指標(biāo)分析等，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow chart

3 ADS-B消息中高度數(shù)據(jù)的特征

首先，比較幾何和氣壓高度的差異；其次，分析兩高度數(shù)據(jù)和高度差值基于飛行階段的變化趨勢(shì)；最后，利用一元線性回歸和逐步回歸分析了高度差值的主要影響因素。

3.1 高度差異統(tǒng)計(jì)

研究中，664架樣本飛機(jī)都報(bào)告了ADS-B消息，其中659架飛機(jī)在整個(gè)飛行過程中報(bào)告了幾何和氣壓高度。部分飛機(jī)的幾何和氣壓高度在一段時(shí)間內(nèi)數(shù)值均為0，進(jìn)一步檢查表明這些飛機(jī)一直都在滑行。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)起飛和降落時(shí)，起飛達(dá)到或降落至180～305 m時(shí)，才會(huì)報(bào)告或停止報(bào)告幾何和氣壓高度。飛機(jī)在跑道上滑行時(shí)，雖然仍廣播ADS-B數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)項(xiàng)中不包含幾何和氣壓高度。此外，5架飛機(jī)在整個(gè)飛行過程沒有報(bào)告幾何高度，但報(bào)告了氣壓高度，進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，2架飛機(jī)處于巡航狀態(tài)，另外3架飛機(jī)出現(xiàn)ADS-B數(shù)據(jù)廣播異常的情況。

根據(jù)國際民航組織的規(guī)定，每組飛機(jī)的平均測(cè)高系統(tǒng)誤差(altimetry system error, ASE)必須小于24.384 m，且平均值的絕對(duì)值加上3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差必須小于74.676 m[7,17]。實(shí)際數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，幾何和氣壓高度之間的絕對(duì)差異范圍為0～284.074 m，平均為154.838 m，如圖2所示，664架樣本飛機(jī)中只有1.204%的高度偏差小于74.676 m。

圖2 幾何和氣壓高度之間的偏差Fig.2 Deviation between geometric and barometric altitude

3.2 飛行階段分析

根據(jù)時(shí)間繪制每架飛機(jī)的幾何和氣壓高度，如圖3和圖4所示，幾何高度一般比氣壓高度更大，造成這種現(xiàn)象的原因是實(shí)際大氣溫度高于標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度[18]。飛機(jī)在1 500 m以下時(shí)，出現(xiàn)氣壓高度大于幾何高度的情況，幾何和氣壓高度的差異隨著飛機(jī)爬升逐漸增大，隨著飛機(jī)降落逐漸減小，且當(dāng)飛機(jī)起飛或降落時(shí)波動(dòng)較為劇烈，巡航時(shí)較為穩(wěn)定。

圖3 飛機(jī)1爬升時(shí)幾何和氣壓高度與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Geometric and barometric altitude plot against time for aircraft 1 while climbing

圖4 飛機(jī)2降落時(shí)幾何和氣壓高度與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Geometric and barometric altitude plot against time for aircraft 2 while descending

飛機(jī)巡航時(shí)，幾何高度的數(shù)值會(huì)受到地理位置的影響，從而影響到幾何和氣壓高度的差值大小。如圖5所示，飛機(jī)3巡航時(shí)，由(46.857°E，126.532°N)飛往(40.576°E，123.563°N)，幾何高度呈階梯型升高，氣壓高度基本不變，高度差值隨著幾何高度變化，呈現(xiàn)出階梯型增加的變化趨勢(shì)，反方向飛行時(shí)，出現(xiàn)階梯下降的趨勢(shì)。飛機(jī)巡航時(shí)按照等壓面飛行，而等壓面是起伏不平的，飛機(jī)實(shí)際飛行高度也隨著等壓面起伏，因此氣壓高度保持不變，幾何高度出現(xiàn)隨地理位置升高的現(xiàn)象。CAT 021標(biāo)準(zhǔn)中氣壓高度的最低有效位(least significant bit，LSB)為7.62 m,幾何高度為1.905 m[19]，所以高度差值呈現(xiàn)出階梯形變化。

圖5 飛機(jī)3巡航時(shí)幾何和氣壓高度與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Geometric and barometric altitude plot against time for aircraft 3 while cruising

部分飛機(jī)巡航時(shí)，幾何高度、氣壓高度和高度差值都存在上下波動(dòng)的情況。如圖6所示，飛機(jī)4在巡航過程中，幾何和氣壓高度分別在11 780～11 872 m 和11 598～11 620 m范圍內(nèi)波動(dòng)，幾何和氣壓高度差值在22.86 m處上下波動(dòng)，且具有明顯的階梯分層。飛機(jī)巡航時(shí)，為了維持飛機(jī)的相對(duì)穩(wěn)定舒適，允許飛機(jī)有小范圍的偏差，以維持飛機(jī)油門狀態(tài)的恒定，造成了幾何和氣壓高度都小范圍內(nèi)波動(dòng)的現(xiàn)象。

圖6 飛機(jī)4巡航時(shí)幾何和氣壓高度與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Geometric and barometric altitude plot against time for aircraft 4 while cruising

為探討高度差值的相關(guān)性，對(duì)其進(jìn)行一元線性回歸分析。

Yt=axt+b

(1)

式(1)中：t為t期自變量；Yt為因變量的估計(jì)值；xt為自變量的值；a、b為方程的參數(shù)。

參數(shù)a、b的求解公式為

(2)

(3)

式中：xi和Yi分別為求和時(shí)第i個(gè)自變量和第i個(gè)因變量；n為自變量的個(gè)數(shù)。

由一元線性回歸曲線可以看出飛機(jī)4的高度差值隨著幾何高度的增大逐漸增大。一些飛機(jī)在巡航階段小范圍內(nèi)呈現(xiàn)高度差異，如圖7所示，飛機(jī)5的高度差異在4個(gè)主要數(shù)值處波動(dòng)，最大差值為205.74 m，最小差值為182.88 m，且隨時(shí)間逐漸減小，但是減小幅度很小。當(dāng)飛機(jī)處于巡航狀態(tài)時(shí)，氣壓高度較為穩(wěn)定，上下波動(dòng)的范圍較小，而幾何高度的波動(dòng)范圍較大，一般呈現(xiàn)出遞增或遞減的情況。因此，飛機(jī)巡航時(shí)，幾何高度的波動(dòng)是影響幾何和氣壓高度差異的重要因素。

飛機(jī)在巡航時(shí)會(huì)切換巡航高度層，此時(shí)幾何和氣壓高度的差值也會(huì)隨著高度層切換發(fā)生變化。如圖8所示，飛機(jī)6從氣壓高度11 613 m切換到 11 003 m 后再次切換到9 174 m飛行。在兩次逐漸降低巡航高度的過程中，幾何和氣壓高度的差值較巡航時(shí)，上下波動(dòng)更加劇烈，并且呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，這與飛機(jī)降落時(shí)高度差值呈下降趨勢(shì)的規(guī)律是相反的。如圖9所示，飛機(jī)7從氣壓高度8 108 m切換到8 412 m飛行，在逐漸升高巡航高度的過程中，幾何和氣壓高度的差值上下波動(dòng)劇烈，并且呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這與飛機(jī)爬升時(shí)高度差值呈增加趨勢(shì)的規(guī)律是相反的。

圖9 飛機(jī)7巡航時(shí)切換巡航高度層Fig.9 Switching cruise level while aircraft 7 cruising

如圖10所示，飛機(jī)8的幾何和氣壓高度差異在起飛、巡航、降落3個(gè)階段呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，巡航時(shí)最大，起飛和降落時(shí)差異相近，為巡航的一半左右。這和前面討論的結(jié)論一致，飛機(jī)的飛行階段對(duì)幾何和氣壓高度差異的影響較大。由于氣壓高度的局限性，當(dāng)出現(xiàn)極端天氣條件、人為操作氣壓高度表失誤和氣壓高度不可用等情況，可以利用幾何高度和基于飛行階段的高度差值變化規(guī)律對(duì)氣壓高度進(jìn)行安全性和有效性的交叉檢查，并對(duì)氣壓高度進(jìn)行修正。

圖10 飛機(jī)8不同飛行階段的高度差平均數(shù)值Fig.10 Aircraft 8 average value of altitude difference in different flight phases

3.3 逐步回歸分析

逐步分析法是以多元回歸為基礎(chǔ)，利用最小二乘法建立因變量和自變量的多元回歸方程，并求解回歸系數(shù)的一種方程，其優(yōu)點(diǎn)是可以得出每一個(gè)變量對(duì)模型方程方差影響的大小[20-21]。假設(shè)因變量為Y，則它與自變量X1,X2,…,Xn之間的回歸方程可以表示為

y=β0+β1X1+β2X2+…+βnXn+ε

(4)

式(4)中：y為因變量Y的估計(jì)值；β0,β1,…,βn為回歸方程的待定系數(shù)；ε為服從正態(tài)分布N(0,δ2)的隨機(jī)誤差。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算因變量和自變量間的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)不同變量間的相關(guān)系數(shù)增廣成n×n階矩陣。

(5)

式(5)中：R為相關(guān)系數(shù)矩陣；rij為變量i、j的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣，計(jì)算各自變量的偏回歸平方和，用來表示自變量的貢獻(xiàn)系數(shù)。

(6)

式(6)中：pi為第i個(gè)自變量對(duì)因變量的貢獻(xiàn)系數(shù)；riY為第i個(gè)自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)；rii為相關(guān)系數(shù)矩陣對(duì)角線上第i行i列元素。

實(shí)驗(yàn)選取經(jīng)度、緯度、幾何高度、氣壓高度為自變量，高度差值為因變量，經(jīng)計(jì)算得到各因子的貢獻(xiàn)系數(shù)，從大到小依次為：幾何高度，氣壓高度，經(jīng)度，緯度，如表1所示。

表1 飛機(jī)9影響因素的貢獻(xiàn)系數(shù)Table 1 Contribution factor of aircraft 9 influencing factors

4 ADS-B消息中高度數(shù)據(jù)的質(zhì)量指標(biāo)分析

ADS-B消息中不僅包含飛機(jī)的幾何和氣壓高度，還包含高度信息的質(zhì)量指標(biāo)，這對(duì)保障飛行安全至關(guān)重要[16]。ADS-B的版本從零版本發(fā)展到第二版本(DO-260、DO-260A、DO-260B)，越新的版本包含越多的質(zhì)量信息，這能極大地增強(qiáng)飛機(jī)的安全。高度數(shù)據(jù)的質(zhì)量指標(biāo)包含3個(gè)重要方面：氣壓高度的導(dǎo)航完整性類別(navigation integrity category for barometric altitude, NICBARO)，導(dǎo)航源完整性級(jí)別[surveillance (version 1) or source (version 2) integrity level, SIL]和幾何高度精度(geometric altitude accuracy, GVA)[9]。DO-260版本的ADS-B消息不包括NICBARO、SIL、GVA等信息，如表2所示。

表2 ADS-B版本0、1和2中高度質(zhì)量指標(biāo)的可用性Table 2 Availability of altitude quality indicators in ADS-B versions 0, 1 and 2

歐洲空管局和美國聯(lián)邦航空局最新規(guī)定都要求ADS-B應(yīng)答機(jī)達(dá)到DO-260B版本，美國規(guī)定自2020年1月1日起在空域中實(shí)施DO-260B。如圖11所示，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)的664架樣本飛機(jī)中，共435架飛機(jī)的ADS-B版本為DO-260，占總樣本的65.512%，共19架飛機(jī)的ADS-B版本為DO-260A，占總樣本的2.861%，共210架飛機(jī)的ADS-B版本為DO-260B，占總樣本的31.627%。因此，多數(shù)航班的ADS-B都不滿足最新的DO-260B版本要求。

圖11 ADS-B版本的飛機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.11 ADS-B version of the number of aircraft statistics

4.1 氣壓高度導(dǎo)航完整性分析

NICBARO指示ADS-B消息中氣壓高度是否與另一個(gè)壓力高度源交叉檢查，可用于氣壓高度的完整性分析，其受到ADS-B接收機(jī)的影響，包含0和1兩種情況(1為已進(jìn)行檢查，0為未檢查)。

664架樣本航班中，有435架飛機(jī)為DO-260版本，其報(bào)告NICBARO的數(shù)值只能為0或不報(bào)告該字段，19架飛機(jī)為DO-260A版本，210架飛機(jī)為DO-260B版本，兩個(gè)版本都可以報(bào)告完整的NICBARO消息。如圖12所示，664架樣本航班全部報(bào)告了NICBARO字段，只有208架進(jìn)行了氣壓高度的高度源交叉檢查。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)其ADS-B接收機(jī)的版本，其中229架DO-260A和DO-260B版本的航班中，有208架報(bào)告的數(shù)值為1，證明其進(jìn)行了氣壓高度的交叉檢查，占比為90.830%。即使飛機(jī)ADS-B接收機(jī)滿足條件，仍有近10%的飛機(jī)沒有進(jìn)行高度源交叉檢查，未驗(yàn)證氣壓高度的完整性。

圖12 NICBARO數(shù)值的飛機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.12 Statistics on the number of aircraft with NICBARO values

為了進(jìn)一步查看幾何和氣壓高度的差值與NICBARO的相關(guān)性，將樣本飛機(jī)按照NICBARO的數(shù)值進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。如圖13所示，456架NICBARO=0的飛機(jī)中，只有8架飛機(jī)高度差值小于74.676 m，208架NICBARO=1的飛機(jī)中，高度差值全部大于 74.676 m。因此，NICBARO與幾何和氣壓高度的絕對(duì)差值之間沒有明顯的相關(guān)性。但是，NICBARO=1的飛機(jī)中，有161架飛機(jī)的高度偏差位于140～200 m，占比為77.404%，高度差異的分布更密集。而NICBARO=0的飛機(jī)高度偏差更為分散，上下波動(dòng)范圍也更廣。實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，NICBARO數(shù)值雖目前和高度差異沒有明顯的相關(guān)性，但對(duì)表征飛機(jī)高度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性仍具有積極作用。

圖13 NICBARO與幾何和氣壓高度偏差之間的相關(guān)性Fig.13 Correlation between NICBARO and geometric and barometric altitude deviations

4.2 幾何高度精度分析

如表3所示，GVA編碼以數(shù)值0～3表示，數(shù)值越大精度越高。數(shù)值0表示精度未知或者>45 m，數(shù)值1表示≤45 m，數(shù)值2和數(shù)值3表示<45 m。如圖14所示，664架樣本飛機(jī)中，GVA的數(shù)值全部為0，210架飛機(jī)為DO-260B版本，可以報(bào)告GVA數(shù)據(jù)，但報(bào)告的數(shù)值也為0。因此ADS-B幾何高度的精度未知或者>45 m，樣本數(shù)據(jù)的664架航班中，飛機(jī)的幾何高度的精度都較低。

表3 GVA編碼解釋Table 3 GVA code explanation

圖14 GVA數(shù)值的飛機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.14 Statistics on the number of aircraft with GVA values

5 結(jié)論

通過分析ADS-B消息中高度數(shù)據(jù)的特征，圍繞幾何和氣壓高度的產(chǎn)生原理、優(yōu)缺點(diǎn)和質(zhì)量指標(biāo)，以及不同飛行階段對(duì)高度數(shù)據(jù)的影響和質(zhì)量指標(biāo)與高度數(shù)據(jù)的相關(guān)性開展研究，得到以下結(jié)論。

(1)樣本飛機(jī)中幾何和氣壓高度之間的絕對(duì)差異范圍為0～284.074 m，平均為154.838 m，其中只有1.204%的高度偏差小于74.676 m，多數(shù)飛機(jī)不滿足垂直間隔管理要求。

(2)幾何和氣壓高度的差值受飛行階段的影響較大。飛機(jī)爬升時(shí)，高度差值逐漸升高，飛機(jī)下降時(shí)，高度差值逐漸下降，飛機(jī)巡航時(shí)的高度差值一般大于爬升和下降階段。并且飛機(jī)爬升和下降時(shí)，高度差值的波動(dòng)較為劇烈，巡航時(shí)波動(dòng)較為平緩。飛機(jī)在巡航階段切換高度層，升高時(shí)高度差值呈下降趨勢(shì)，下降時(shí)高度差值呈上升趨勢(shì)。當(dāng)出現(xiàn)極端天氣條件、人為操作氣壓高度表失誤等情況，上述結(jié)論可以對(duì)氣壓高度進(jìn)行安全性和有效性的交叉檢查，當(dāng)氣壓高度完全失效時(shí)，可以推測(cè)出氣壓高度的數(shù)值，保證飛機(jī)安全飛行。

(3)僅目前數(shù)據(jù)而言，NICBARO的數(shù)值與幾何和氣壓高度的差值沒有明顯的相關(guān)性，但對(duì)表征飛機(jī)高度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性仍具有積極作用。國內(nèi)多數(shù)飛機(jī)不滿足導(dǎo)航源完整性級(jí)別和幾何高度精度級(jí)別的要求，盡快作出相關(guān)要求能很好地提升ATM的安全性。

(4)大部分樣本飛機(jī)ADS-B的接收機(jī)版本都不是DO-260B，而質(zhì)量指標(biāo)僅在DO-260B版本中全部可用，因此為飛機(jī)盡早配備DO-260B十分重要。

未來的研究工作包括繼續(xù)歸納氣壓和幾何高度的特征及與質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)性，以及幾何和氣壓高度的數(shù)據(jù)融合、交叉驗(yàn)證、ASE測(cè)量等，以此提供更精確穩(wěn)定的飛機(jī)高度數(shù)據(jù)。