星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鳳鑫 劉海濤 李保國(guó) 孫 沂

1(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300300)2(中星中航通用航空產(chǎn)業(yè)投資有限公司 云南 昆明 650211)3(民航安徽空管分局 安徽 合肥 230041)

0 引 言

星基廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(星基ADS-B)是實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)航空器監(jiān)視的主要技術(shù)手段[1]。2014年MH370航班失聯(lián)事件后，為解決傳統(tǒng)陸基監(jiān)視系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)陸地偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋及南北兩極航空器監(jiān)視覆蓋的問(wèn)題，國(guó)際民航組織(ICAO)提出了星基監(jiān)視的概念，將ADS-B接收機(jī)部署于低軌道衛(wèi)星中，并利用多顆低軌道衛(wèi)星形成覆蓋全球的星基ADS-B系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的陸基監(jiān)視系統(tǒng)相比，星基ADS-B系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、不受地理環(huán)境限制、可滿足航空器持續(xù)監(jiān)視等多方面優(yōu)勢(shì)[1,7]。

2008年德國(guó)航空航天中心提出了星基ADS-B的概念，并于2013年5月發(fā)射了首顆搭載ADS-B接收機(jī)的PROBA-V實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，驗(yàn)證了星基ADS-B技術(shù)的可行性[2]；2013年11月丹麥GomSpace公司發(fā)射GomX-1實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，用于低軌衛(wèi)星ADS-B信號(hào)的接收實(shí)驗(yàn)[3]；2015年9月，國(guó)防科技大學(xué)發(fā)射了“天拓三號(hào)”實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，基于該實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星開展星基ADS-B信號(hào)接收方面的研究[3]；2018年美國(guó)Aireon公司Iridium-NEXT 66顆在軌衛(wèi)星部署完成[4]，并于2019年4月在北大西洋上空全面投入運(yùn)行，提供星基ADS-B數(shù)據(jù)服務(wù)。

為解決星基ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能指標(biāo)評(píng)測(cè)問(wèn)題，參考EUROCONTROL相關(guān)技術(shù)規(guī)范[8]，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件。首先闡明了監(jiān)視性能評(píng)估技術(shù)指標(biāo)及評(píng)估方法，隨后介紹了星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件的總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)接入與處理模塊、航跡顯示模塊及監(jiān)視性能評(píng)估模塊的設(shè)計(jì)思路，最后利用“天拓三號(hào)”實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)星基ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能評(píng)估軟件進(jìn)行測(cè)試。

1 相關(guān)研究

目前國(guó)內(nèi)外航空監(jiān)視系統(tǒng)性能評(píng)估軟件分為兩類，一類針對(duì)空管自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)視性能進(jìn)行評(píng)估，如EUROCONTROL的SASS-C，通過(guò)導(dǎo)入多源監(jiān)視數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)得到參考數(shù)據(jù)，再將評(píng)估數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)比較判斷其是否符合EUROCONTROL當(dāng)前監(jiān)視性能標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍較廣，局限性在于需要多種監(jiān)視數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)源，且授權(quán)、維護(hù)費(fèi)用較高[5]；第二類是以雷達(dá)系統(tǒng)評(píng)估為主的專用評(píng)估工具，如Intersoft-Electronics公司開發(fā)的RASS系列工具和FAA開發(fā)的RBAT，能夠?qū)走_(dá)系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析，但不適用于星基ADS-B系統(tǒng)[6]。

在星基ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能評(píng)估方面，尚無(wú)明確的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2]提出了目標(biāo)檢測(cè)概率、目標(biāo)識(shí)別概率等性能參數(shù)的評(píng)估方法，對(duì)PROBA-V衛(wèi)星載荷于北大西洋、太平洋等越洋航線上的監(jiān)視性能進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[4]給出載荷覆蓋范圍、可用性、傳輸延遲、更新間隔等性能參數(shù)評(píng)估方法，對(duì)銥星系統(tǒng)相關(guān)性能進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[7]通過(guò)將“天拓三號(hào)”實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星下傳位置數(shù)據(jù)與航路中心線比較，證明了星基ADS-B航跡數(shù)據(jù)誤差符合正態(tài)分布。

2 監(jiān)視性能評(píng)估方法

參照空管自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)接入最低標(biāo)準(zhǔn)[8]，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)星基ADS-B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的條件[3,9]，從水平位置、氣壓高度、航跡速度三方面，給出星基ADS-B系統(tǒng)更新概率、更新間隔、目標(biāo)丟失概率、航跡誤差的統(tǒng)計(jì)方法。

2.1 測(cè)量間隔

測(cè)量間隔(Measurement interval，MI)用于評(píng)估監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)項(xiàng)更新概率，而非監(jiān)視性能評(píng)估參數(shù)[8]。根據(jù)星基ADS-B系統(tǒng)主要應(yīng)用于洋區(qū)、極地、偏遠(yuǎn)地區(qū)的特點(diǎn)，執(zhí)行最低水平間隔5海里評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置MI為8 s[11]。

2.2 水平位置/氣壓高度更新概率

水平位置/氣壓高度更新概率(Probability of update，PU)定義為監(jiān)視系統(tǒng)在每一個(gè)規(guī)定的測(cè)量間隔內(nèi)提供目標(biāo)水平位置/氣壓高度有效數(shù)據(jù)的概率[8]，以水平位置為例，其統(tǒng)計(jì)方法如下：

1) 以水平位置起始點(diǎn)為首個(gè)測(cè)量間隔中心，按規(guī)定測(cè)量間隔對(duì)航跡進(jìn)行時(shí)間分割，分割方法如圖1所示。

圖1 水平位置更新概率示意圖

2) 計(jì)算當(dāng)前航跡測(cè)量間隔的總數(shù)量NT。

3) 計(jì)算測(cè)量間隔中存在有效水平位置數(shù)據(jù)項(xiàng)的測(cè)量間隔數(shù)量NR。其中有效數(shù)據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)為：(1) 數(shù)據(jù)項(xiàng)具備正確的目標(biāo)身份標(biāo)識(shí)；(2) 數(shù)據(jù)項(xiàng)具備正確的時(shí)間信息；(3) 在水平間隔為5海里空域時(shí)，水平位置誤差小于2 100 m；(4) 在垂直間隔最低標(biāo)準(zhǔn)2 000英尺空域時(shí)，氣壓高度誤差小于300英尺。

4) 按式(1)計(jì)算單航跡水平位置更新概率PU：

(1)

5) 計(jì)算監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)整體水平位置更新概率PUA，如式(2)所示，其中N為監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的航跡總數(shù)。

2.3 目標(biāo)丟失概率

目標(biāo)丟失概率定義為監(jiān)視系統(tǒng)連續(xù)丟失目標(biāo)位置消息的概率[8]。如圖2所示，當(dāng)兩個(gè)連續(xù)的完整目標(biāo)報(bào)告時(shí)間間隔大于26.4 s(MI×3×110%)時(shí)，目標(biāo)處于丟失狀態(tài)。

圖2 目標(biāo)丟失示概率示意圖

對(duì)于星基ADS-B系統(tǒng)，完整的目標(biāo)報(bào)告應(yīng)具備有效水平位置和氣壓高度。目標(biāo)丟失概率RG計(jì)算方法如下：

首先，計(jì)算監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)航跡的測(cè)量間隔總和NA，如式(3)所示:

(3)

然后，計(jì)算目標(biāo)丟失概率RG，如式(4)所示：

(4)

式中：NG為每次目標(biāo)丟失所占的測(cè)量間隔數(shù)量；g為目標(biāo)丟失發(fā)生的頻數(shù)。

2.4 水平位置誤差均方根

水平位置誤差(Horizontal position error)定義為目標(biāo)水平位置測(cè)量值與相應(yīng)的水平位置參考值間的二維歐氏距離[8]，式(5)為水平位置誤差均方根(Root-Mean-Square，RMS)的計(jì)算公式：

(5)

式中：n為水平位置總數(shù)；E為水平位置誤差。速度矢量、氣壓高度誤差均方根的統(tǒng)計(jì)方法與水平位置相同。

2.5 更新間隔

更新間隔(Update Interval，UI)定義為監(jiān)視系統(tǒng)連續(xù)兩次正確接收目標(biāo)位置消息的時(shí)間間隔[9]。更新間隔統(tǒng)計(jì)方法如下：

計(jì)算相鄰兩條ADS-B位置消息的更新間隔TUI，如式(6)所示：

TUI=ti-ti-1

(6)

式中：ti為該目標(biāo)第i條位置消息的正確接收時(shí)刻；ti-1為該目標(biāo)第i-1條位置消息的正確接收時(shí)刻。

根據(jù)EUROCAE相關(guān)技術(shù)規(guī)范，在低密度航線上(Low-Density En-Route)，空中交通管制系統(tǒng)要求位置消息的更新間隔以96%概率小于8 s[13]，按式(7)計(jì)算96%的位置消息更新間隔T96%：

P(TUI≤T96%)=96%

(7)

3 軟件框架設(shè)計(jì)

星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件是集數(shù)據(jù)接收、解析、處理、存儲(chǔ)、顯示、監(jiān)視性能指標(biāo)評(píng)估于一體的自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)。軟件基于面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)，采用Visual Studio 2017開發(fā)平臺(tái)，基于MFC建立人機(jī)交互界面，其總體框架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件總體架構(gòu)

軟件由數(shù)據(jù)接入處理模塊，監(jiān)視性能評(píng)估模塊及航跡顯示模塊組成。數(shù)據(jù)接入及處理模塊用于完成星基ADS-B數(shù)據(jù)的接入、解析、數(shù)據(jù)融合及存儲(chǔ)工作。航跡顯示模塊用于實(shí)現(xiàn)星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件地理信息繪制及航跡顯示功能。監(jiān)視性能評(píng)估模塊完成空中位置、速度矢量更新概率、更新間隔、誤差均方根、目標(biāo)丟失概率等監(jiān)視性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析及顯示功能。

4 功能模塊設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)接入與處理模塊

數(shù)據(jù)接入與處理模塊由數(shù)據(jù)接收、消息解析、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四個(gè)單元構(gòu)成。

數(shù)據(jù)接收單元負(fù)責(zé)接入衛(wèi)星向地面?zhèn)魉偷脑糀DS-B消息，接入方式為消息記錄文件導(dǎo)入或ADS-B地面接收機(jī)TCP通信傳輸。采用多個(gè)獨(dú)立接入線程共享內(nèi)容緩沖區(qū)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與傳輸，保證了星基ADS-B數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入及處理。

消息解析單元對(duì)接入的每條ADS-B消息進(jìn)行解析。星基ADS-B系統(tǒng)采用DF-17數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)航班某一時(shí)刻速度、位置、航班號(hào)等狀態(tài)信息單獨(dú)編碼為112 bit的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行下傳[12]。該單元首先記錄消息接收時(shí)間，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)、并按照RTCA DO260-B標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行消息解析。

數(shù)據(jù)融合單元將解析結(jié)果融合為航班飛行狀態(tài)，解決方法為創(chuàng)建包括消息接收時(shí)間、ICAO地址碼、消息類型、航班號(hào)、空中位置、速度、航向、導(dǎo)航完整類別在內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，消息解析完畢后根據(jù)ICAO地址碼查找該航班上一時(shí)刻飛行狀態(tài)，替換相應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元將數(shù)據(jù)處理結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Sever以滿足大量數(shù)據(jù)管理的需求，采用ADO(ActiveX Data Objects)對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，通過(guò)調(diào)用自定義存儲(chǔ)過(guò)程完成數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建、刪除等數(shù)據(jù)整理工作。

4.2 地理信息及航跡顯示模塊

地理信息及航跡顯示模塊用于實(shí)現(xiàn)軟件背景地圖和目標(biāo)航跡的顯示，顯示內(nèi)容包括行政區(qū)域、河流、航路、鐵路、危險(xiǎn)區(qū)、近進(jìn)區(qū)等。軟件啟動(dòng)時(shí)預(yù)先加載Shapefile文件作為地理信息數(shù)據(jù)來(lái)源，采用MFC的CDC類實(shí)現(xiàn)圖形繪制功能，基于消息映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)地圖拖動(dòng)、縮放等功能。

實(shí)現(xiàn)地理信息及航跡的繪制需要將繪制點(diǎn)的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕顯示坐標(biāo)，解決方法為首先采用墨卡托投影完成大地坐標(biāo)與平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，再將投影直角坐標(biāo)系按照地圖比例尺轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)系即可得到屏幕顯示坐標(biāo)[14-15]。

4.3 監(jiān)視性能評(píng)估模塊

監(jiān)視性能評(píng)估為軟件的核心功能，該模塊首先通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)信息得到航班相關(guān)飛行狀態(tài)記錄，隨后采用卡爾曼濾波對(duì)原始航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到參考航跡，以此完成監(jiān)視性能的評(píng)估工作，最后以直方圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方式顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

監(jiān)視性能評(píng)估流程如圖4所示，選擇需要評(píng)估的航班，根據(jù)ICAO地址在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索該航班當(dāng)天所有航行狀態(tài)記錄，篩選出空中位置消息和速度消息，根據(jù)速度消息對(duì)航行狀態(tài)進(jìn)行分類，判斷依據(jù)為：(1) 當(dāng)縱向速度大于等于每分鐘200英尺且小于等于每分鐘8 000英尺時(shí)，航班處于爬升/下降狀態(tài)；(2) 當(dāng)橫向加速度大于等于1.5 m/s2時(shí)，航班處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)。式(8)給出了橫向加速度為1.5 m/s2時(shí)角速度W(單位：°/s)與速度V(單位：節(jié))的關(guān)系[8]：

圖4 監(jiān)視性能評(píng)估流程

W=1.67/V

(8)

為評(píng)估星基ADS-B系統(tǒng)航跡誤差，需要得到參考航跡，軟件基于卡爾曼濾波算法，根據(jù)前一時(shí)刻目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量值對(duì)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，得到參考航跡[16]，以水平位置為例，計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 參考位置點(diǎn)建立流程

由于卡爾曼濾波適用于線性、離散系統(tǒng)，星基ADS-B系統(tǒng)輸出的水平位置所在坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系，速度矢量信息所在坐標(biāo)系為平面直角坐標(biāo)系，需要對(duì)位置信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。采用大地主題解算的方法，以首個(gè)空中位置點(diǎn)為平面直角坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)前兩點(diǎn)大地坐標(biāo)求出前兩點(diǎn)大地線長(zhǎng)及方位角，推算第二個(gè)空中位置點(diǎn)平面直角坐標(biāo)，以此類推完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，且誤差檢核結(jié)果在10-16～10-12之間，可以有效避免坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差[17]。

4.4 圖形界面設(shè)計(jì)

為更加直觀地顯示監(jiān)視性能評(píng)估結(jié)果，設(shè)計(jì)了支持人機(jī)交互的可視化圖形界面，如圖6-圖9所示，分別展示了軟件界面、航行情報(bào)顯示界面、航跡顯示界面和評(píng)估結(jié)果可視化界面。

圖6 星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件界面

圖7 航行情報(bào)顯示

圖8 航跡顯示界面

圖9 評(píng)估結(jié)果可視化界面

圖7顯示為航行情報(bào)信息表格，每一行容納一架航班消息統(tǒng)計(jì)信息并實(shí)時(shí)刷新，ICAO地址、接收消息數(shù)量、航班號(hào)、監(jiān)視起始時(shí)間、監(jiān)視結(jié)束時(shí)間按列分別顯示。圖8顯示為地理信息、航班原始航跡、參考航跡。圖9以直方圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方式顯示監(jiān)視性能評(píng)估結(jié)果，其中直方圖的橫軸為監(jiān)視性能參數(shù)范圍，縱軸為在此范圍內(nèi)的消息數(shù)量。

5 應(yīng)用驗(yàn)證

采用國(guó)防科技大學(xué)“天拓三號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展星基ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能評(píng)估工作。對(duì)衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，效果如圖10所示。

圖10 “天拓三號(hào)”衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)顯示

為分析星基ADS-B系統(tǒng)對(duì)越洋航班的監(jiān)視能力，選取衛(wèi)星接收機(jī)2016年10月23日下傳數(shù)據(jù)中途經(jīng)大西洋的7架航班航行情報(bào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 “天拓三號(hào)”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估結(jié)果

可以看出，在單載荷覆蓋范圍下，星基ADS-B系統(tǒng)對(duì)航班的平均監(jiān)視時(shí)間為134 s；在監(jiān)視時(shí)間內(nèi)，7架航班位置消息更新概率大于97%、水平位置誤差均方根小于550 m，均滿足ATM系統(tǒng)5海里間隔監(jiān)視性能標(biāo)準(zhǔn)[8]。

為評(píng)估星基ADS-B系統(tǒng)在單載荷覆蓋范圍下的監(jiān)視性能，對(duì)“天拓三號(hào)”2016年10月17日至24日下傳數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，篩選出位置消息數(shù)量大于50的航跡共4 281條，統(tǒng)計(jì)每條航跡水平位置均方根誤差及位置更新間隔，匯總統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 水平位置誤差均方根誤差分布

圖12 位置更新概率分布

可以看出，在7日數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)圖中水平位置誤差均方根小于550 m。位置更新概率大于90%的比例為76.9%。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)星基ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能評(píng)估需求，參考民航現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)星基ADS-B監(jiān)視性能評(píng)估軟件，并利用“天拓三號(hào)”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)視性能評(píng)估軟件進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明：(1) 單顆衛(wèi)星載荷覆蓋范圍下，水平位置誤差均方根小于550 m，滿足ATM系統(tǒng)5海里間隔監(jiān)視性能標(biāo)準(zhǔn)；(2) 7日數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)中，位置更新概率大于90%的比例為76.9%，表明在單顆衛(wèi)星載荷覆蓋下，星基ADS-B系統(tǒng)存在航空器位置消息接收數(shù)量不足的問(wèn)題。