ADS-B數(shù)據(jù)在空管自動化系統(tǒng)中的處理方法分析

鄒國政

（南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，南京 210000）

0 引言

ADS－B技術(shù)最初是為越洋飛行的飛機(jī)在無法進(jìn)行雷達(dá)監(jiān)視的情況下，希望利用衛(wèi)星實施監(jiān)視所提出的。隨著ADS－B技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其性能與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視相比，具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)勢，已被民航組織確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向。結(jié)合民航局空管局下發(fā)的《民航空管自動化系統(tǒng)應(yīng)用ADS－B數(shù)據(jù)的技術(shù)和功能要求》及《民航空管ADS－B及S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用實施計劃》，ADS－B數(shù)據(jù)應(yīng)用于空管自動化系統(tǒng)是大勢所趨，本文從實際出發(fā)，提出的一種在自動化系統(tǒng)接入ADS－B數(shù)據(jù)后的處理流程以及與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的處理辦法，給系統(tǒng)提供更穩(wěn)定的目標(biāo)航跡，給管制員提供更多關(guān)于飛機(jī)和機(jī)載設(shè)備的信息，最終在實際管制工作中得以驗證及應(yīng)用。

1 ADS－B數(shù)據(jù)預(yù)處理

自動化系統(tǒng)在接入ADS－B數(shù)據(jù)后，對接入的監(jiān)視數(shù)據(jù)按照對應(yīng)的格式規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)項分解，提取其中的有用信息，包括目標(biāo)屬性、目標(biāo)位置、目標(biāo)高度、目標(biāo)速度、航空器呼號、二次代碼、時標(biāo)等內(nèi)容，同時對接收到的數(shù)據(jù)項做必要的合法性檢查，長度錯誤的數(shù)據(jù)幀、組裝格式錯誤（或不符合已定義的數(shù)據(jù)格式）的數(shù)據(jù)幀等明顯有問題的數(shù)據(jù)將被過濾掉[1－2]，以此保證異常的監(jiān)視數(shù)據(jù)不會對后續(xù)的單路航跡處理和多路航跡融合造成不良影響。

2 ADS－B數(shù)據(jù)處理功能

2.1 單路監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

自動化系統(tǒng)的單監(jiān)視數(shù)據(jù)處理包括單雷達(dá)航跡的形成和單ADS－B航跡的形成，單ADS－B航跡的形成集成到系統(tǒng)的單航跡數(shù)據(jù)處理功能中。生成并維護(hù)單路ADS－B航跡的處理過程稱為單路ADS－B監(jiān)視數(shù)據(jù)處理[3]。

自動化系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理模塊將接收到的雷達(dá)數(shù)據(jù)根據(jù)格式定義進(jìn)行數(shù)據(jù)項的分解，提取出主要信息，包括目標(biāo)的屬性、位置信息、二次代碼、高度數(shù)據(jù)、目標(biāo)狀態(tài)告警等信息。對這些數(shù)據(jù)項進(jìn)行合法性檢查后，將通過質(zhì)量檢查的目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換其坐標(biāo)系并投影到系統(tǒng)平面上，根據(jù)不同的相關(guān)因子和模型，形成單雷達(dá)目標(biāo)，并且對這些目標(biāo)進(jìn)行跟蹤形成單雷達(dá)航跡。

自動化系統(tǒng)在接收來自于ADS－B數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)的完好性進(jìn)行必要的檢查。在目標(biāo)做相關(guān)時，主要考慮航空器呼號、位置、二次代碼、高度信息、告警信息、目標(biāo)標(biāo)識等屬性的相關(guān)，這里主要是考慮目標(biāo)航空器相關(guān)因子，其它的二次代碼相關(guān)、位置相關(guān)、速度相關(guān)、高度相關(guān)等相關(guān)因子都可以作為輔助因子，航空器呼號的相關(guān)所占的因子很大，其它目標(biāo)的屬性所占的比例很小。當(dāng)確定ADS－B目標(biāo)報告的身份后，根據(jù)位置、高度、速度等信息對目標(biāo)進(jìn)行實時跟蹤，形成單路ADS－B航跡[4－5]。

2.2 多路數(shù)據(jù)融合處理

自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的監(jiān)視源包括雷達(dá)和ADS－B數(shù)據(jù)等監(jiān)視信息，系統(tǒng)的融合處理包括相關(guān)和跟蹤。相關(guān)就是把不同監(jiān)視源發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)經(jīng)過相關(guān)模型的處理，形成唯一的目標(biāo)身份標(biāo)志。在相關(guān)模型中不僅需要考慮雷達(dá)的各種狀態(tài)屬性，包括位置、二次代碼、高度、速度、航跡特性等，還需要考慮ADS－B信息的各種狀態(tài)屬性，包括航空器呼號、位置、二次代碼、高度、速度、航跡特性等，相關(guān)因子和模型會隨著監(jiān)視源的不同而做適應(yīng)性地調(diào)整；當(dāng)有ADS－B參加融合的時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和過程噪聲分布矩陣也會是自適應(yīng)的，跟蹤周期也可以和ADS－B數(shù)據(jù)周期一致。

系統(tǒng)能夠接收多類多路監(jiān)視數(shù)據(jù)，對經(jīng)過單路監(jiān)視數(shù)據(jù)處理的單路航跡報告；在判別后，確定這些航跡信息是否屬于同一個目標(biāo)，如屬同一目標(biāo)則時空對準(zhǔn)后采用融合式方法進(jìn)行綜合處理，根據(jù)自動動態(tài)調(diào)整的融合加權(quán)系數(shù)，選出最能表達(dá)實際情況的目標(biāo)態(tài)勢描述，最終生成新綜合航跡或更新舊綜合航跡，并盡可能保證綜合航跡的連續(xù)、平滑，不因某路監(jiān)視數(shù)據(jù)的異常而造成綜合航跡異常[6]。

2.3 ADS－B數(shù)據(jù)項處理方法

（1）航空器呼號處理

空管自動化系統(tǒng)處理ADS－B數(shù)據(jù)中的航空器呼號數(shù)據(jù)項后，根據(jù)數(shù)據(jù)格式以及內(nèi)部約定傳輸要求，提取其中的航空器呼號；根據(jù)目標(biāo)屬性以及相關(guān)因子的關(guān)系，為航空器呼號分配合理的相關(guān)因子，使得同一批航跡信息都能正確地相關(guān)為同一目標(biāo)，形成單航跡信息，并且根據(jù)這些單航跡信息來對多路航跡信息進(jìn)行相關(guān)處理，形成融合方式下唯一且正確的目標(biāo)身份；同時單航跡跟蹤和多航跡跟蹤會對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤更新，形成最新最真實的單跟蹤航跡和多跟蹤航跡。

（2）位置信息處理

空管自動化系統(tǒng)處理ADS－B數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)項后，根據(jù)數(shù)據(jù)格式以及內(nèi)部約定傳輸要求，提取其中的經(jīng)緯度位置信息或者高精度位置信息，根據(jù)目標(biāo)屬性以及相關(guān)因子的關(guān)系，為航空器的目標(biāo)信息分配合理的相關(guān)因子；根據(jù)綜合相關(guān)因子的結(jié)果，使得同一批航跡信息都能正確地相關(guān)為同一目標(biāo)，形成單航跡信息，并且根據(jù)這些單航跡信息來對多路航跡信息進(jìn)行相關(guān)處理，形成融合方式下唯一且正確的目標(biāo)身份；同時單航跡跟蹤和多航跡跟蹤會對根據(jù)接收到的最新位置信息，對目標(biāo)當(dāng)前的狀態(tài)，特別是位置進(jìn)行跟蹤更新，形成最新、最真實的單跟蹤航跡和多跟蹤航跡[7]。系統(tǒng)的綜合信息的更新可以根據(jù)設(shè)定的允許參加融合的權(quán)限來對目標(biāo)的位置進(jìn)行更新處理。

（3）二次代碼處理

空管自動化系統(tǒng)處理ADS－B數(shù)據(jù)中的二次代碼數(shù)據(jù)項后，根據(jù)數(shù)據(jù)格式提取其中的二次代碼，并且根據(jù)每個比特位的特性，分析改二次代碼是否有效，當(dāng)二次代碼有效的時候，根據(jù)目標(biāo)屬性以及相關(guān)因子的關(guān)系，為航空器的目標(biāo)信息分配合理的二次代碼相關(guān)因子；根據(jù)綜合相關(guān)因子的結(jié)果，使得同一批航跡信息都能正確地相關(guān)為同一目標(biāo)，形成單航跡信息，并且根據(jù)這些單航跡信息來對多路航跡信息進(jìn)行相關(guān)處理，形成融合方式下唯一且正確的目標(biāo)身份；同時單航跡跟蹤和多航跡跟蹤會對根據(jù)接收到的二次代碼信息，對目標(biāo)當(dāng)前的狀態(tài)屬性進(jìn)行更新，形成最新、最真實的單跟蹤航跡和多跟蹤航跡。當(dāng)二次代碼無效的時候，系統(tǒng)會對此次二次代碼的可信度保持待定狀態(tài)，等待其他信息源以及后續(xù)周期的數(shù)據(jù)檢驗。

（4）高度信息處理

空管自動化系統(tǒng)處理ADS－B數(shù)據(jù)中的有關(guān)高度數(shù)據(jù)項后，根據(jù)數(shù)據(jù)格式以及內(nèi)部約定傳輸要求，提取其中的目標(biāo)飛行高度信息，并且正確識別高度來源，根據(jù)目標(biāo)屬性以及相關(guān)因子的關(guān)系，為航空器的目標(biāo)信息分配合理的高度信息相關(guān)因子；根據(jù)綜合相關(guān)因子的結(jié)果，使得同一批航跡信息都能正確地相關(guān)為同一目標(biāo)，形成單航跡信息，并且根據(jù)這些單航跡信息來對多路航跡信息進(jìn)行相關(guān)處理，形成融合方式下唯一且正確的目標(biāo)身份；同時單航跡跟蹤和多航跡跟蹤會對根據(jù)接收到的高度信息，對目標(biāo)當(dāng)前的高度狀態(tài)屬性進(jìn)行更新，形成最新、最真實的單跟蹤航跡和多跟蹤航跡。

（5）告警信息處理

空管自動化系統(tǒng)處理ADS－B數(shù)據(jù)中的目標(biāo)告警狀態(tài)項后，對每個數(shù)據(jù)位進(jìn)行解析，從中獲取最詳盡的告警信息，包括緊急情況、非法干擾、通信失效等告警信息，系統(tǒng)的單航跡信息處理和多融合航跡信息處理都能及時地更新這些告警信息，并在發(fā)出告警時顯示在標(biāo)牌上。

3 監(jiān)視數(shù)據(jù)融合

對于目標(biāo)融合使用了基于場景的模糊層次分析法（FAHP，運籌學(xué)中的著名算法）。當(dāng)ADS－B信號參與自動化系統(tǒng)的融合后，系統(tǒng)目標(biāo)的來源就不再是單一的雷達(dá)信號，圖1所示為自動化系統(tǒng)在接入ADS－B數(shù)據(jù)后與雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合處理結(jié)構(gòu)?？展茏詣踊到y(tǒng)獲得一個新的目標(biāo)報告后，不論是雷達(dá)目標(biāo)還是ADS－B目標(biāo)，必須判定其是否和已存在的其他多個目標(biāo)報告為同一目標(biāo)描述，先綜合各方面因素確定當(dāng)前場景，再根據(jù)當(dāng)前場景下各因素（例如目標(biāo)之間的位置距離、高度差等情況）對于最終判定結(jié)果的不同影響程度；綜合考慮后計算出新目標(biāo)報告是否和某個已存在目標(biāo)為同一目標(biāo)描述的可能性，并與自動化系統(tǒng)設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，判定是否是已存在目標(biāo)還是新建立目標(biāo)[8]?？紤]到的因素有目標(biāo)所在區(qū)域、地址碼、航班號、二次代碼、位置（時空對準(zhǔn)后的水平距離）高度差（垂直距離）、歷史融合記錄。

圖1 雷達(dá)數(shù)據(jù)與ADS－B數(shù)據(jù)融合處理結(jié)構(gòu)

在目標(biāo)融合判定中，同一因素在不同場景下，對于最終結(jié)果的影響程度不同。例如在機(jī)場附近區(qū)域中，二次代碼/地址碼等ID的異同對融合結(jié)果影響很大，地址碼不同的多個目標(biāo)絕對不會融合為同一目標(biāo)，地址碼相同的將被融合；如果沒有報告地址碼，則二次代碼將被著重考慮，二次代碼不一致不會進(jìn)行目標(biāo)融合。同樣是地址碼相同，如果目標(biāo)位于高空航路，也并非一定融合為一個目標(biāo)（例如目標(biāo)之間距離較遠(yuǎn)）；二次代碼的情況也類似，此時需要綜合考慮距離、高度差等情況，二次代碼的異同并非決定因素（巡航飛行時目標(biāo)有時會修改二次代碼，或是某監(jiān)視源報告錯誤）。因此，各個因素之間并非簡單的“與”或者“或”的關(guān)系，目標(biāo)融合時需要考慮各種因素對其的影響[9－10]。

4 結(jié)束語

本文從實際應(yīng)用出發(fā)，基于傳統(tǒng)一、二次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理辦法，提出了一種在增加ADS－B數(shù)據(jù)后的多監(jiān)視源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理辦法，通過對兩種監(jiān)視源數(shù)據(jù)的特點進(jìn)行靈活地合理設(shè)計，使得空管自動化系統(tǒng)能更好地使用好ADS－B數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動化系統(tǒng)對低空區(qū)域及無雷達(dá)覆蓋區(qū)域的監(jiān)視，ADS－B技術(shù)被大范圍應(yīng)用到民航系統(tǒng)，利用GPS定位和數(shù)據(jù)流技術(shù)并集成到空管自動化系統(tǒng)中，對空、地目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和指揮，將極大地保障飛行安全，提高運行效率，增大空中交通流量。