基于ADS-B的飛行數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

吳春林 陳 勇 邵 紅 藍(lán)德威 李寶鵬

(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 山東青島 266041；2.海軍裝備部重大專項(xiàng)裝備項(xiàng)目管理中心 北京 100000；3.解放軍92074部隊(duì) 浙江寧波 315000)

0 引言

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視)[1]是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)交通監(jiān)控和信息傳遞的空管監(jiān)視新技術(shù)，它充分融合了通信、定位和導(dǎo)航等多種現(xiàn)代信息技術(shù)。裝備了ADS-B設(shè)備的飛機(jī)，可通過數(shù)據(jù)鏈向地面和機(jī)載接收機(jī)廣播準(zhǔn)確的飛機(jī)位置、速度等實(shí)時信息，在增強(qiáng)飛行員、管制員風(fēng)險洞察能力，以及提升整體航空交通安全水平方面發(fā)揮著重要作用[2]。因此，深入研究ADS-B技術(shù)在提升民用航空交通安全水平方面有著重要意義。

針對ADS-B技術(shù)在航空監(jiān)視中的廣泛應(yīng)用[3]，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于ADS-B的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1)該系統(tǒng)通過采集并處理目標(biāo)的4維位置信息(經(jīng)度、緯度、高度和時間)，能夠形成清晰、直觀的二維背景地圖和探測目標(biāo)的航跡以及交通態(tài)勢分布。

2)該系統(tǒng)通過對所采集的ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余點(diǎn)檢測刪除、漏點(diǎn)檢測修正以及異常點(diǎn)識別剔除等數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，使得優(yōu)化后的數(shù)據(jù)能夠更為直觀、準(zhǔn)確地反映出探測目標(biāo)的航行數(shù)據(jù)。

3)該系統(tǒng)能夠?qū)⑻綔y目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲記錄，從而可以實(shí)時重放全部目標(biāo)的航跡數(shù)據(jù)記錄，并以偽雷達(dá)畫面實(shí)時顯示在二維背景地圖中。

系統(tǒng)在設(shè)計時以獲得準(zhǔn)確的飛行航跡為目標(biāo)，以數(shù)據(jù)信息獲取和處理為核心，實(shí)現(xiàn)了對ADS-B信息數(shù)據(jù)的采集、優(yōu)化和顯示功能，為飛機(jī)航行數(shù)據(jù)的分析和研究提供了可靠支撐。

1 總體設(shè)計

ADS-B數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收處理過程如圖1所示，機(jī)載ADS-B發(fā)射機(jī)廣播信號，基于ADS-B的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成ADS-B數(shù)據(jù)信息的接收、處理和顯示。該系統(tǒng)主要分為三個模塊：

圖1 ADS-B數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收處理過程

1) 數(shù)據(jù)采集模塊：由ADS-B接收子模塊和信息提取子模塊構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)ADS-B數(shù)據(jù)信息的解析、有用信息的提取和存儲。

2) 數(shù)據(jù)處理模塊：對數(shù)據(jù)采集模塊傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余點(diǎn)、漏點(diǎn)和異常點(diǎn)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。

3) 數(shù)據(jù)顯示模塊：將從數(shù)據(jù)采集模塊獲得的原始數(shù)據(jù)信息和從數(shù)據(jù)處理模塊得到的處理后數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，以便于飛行航跡和航班信息的直觀展示。

2 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要完成ADS-B信號的接收和ADS-B信號中有用數(shù)據(jù)信息的提取。其中信息提取的關(guān)鍵是對ADS-B數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)有充分的理解，下面就對其進(jìn)行介紹。

ADS-B數(shù)據(jù)幀由多個ADS-B數(shù)據(jù)塊組成，每個數(shù)據(jù)塊包含各個域值[4-5]，如圖2所示。由圖2可知，單條ADS-B報告共14字節(jié)，112Bit。一般來說該報告被分為5個大的數(shù)據(jù)塊。在數(shù)據(jù)采集模塊中，我們主要使用的是ADS-B幀的ICAO地址域和ME消息域數(shù)據(jù)信息。ICAO地址域是單條ADS-B報告的Bit9-Bit32，共24個比特位，對同一航空器而言ICAO地址域具有唯一性；ME消息域是單條ADS-B報告的Bit33-Bit88，共56個比特位，該域包含航空器的諸多元素項(xiàng)。

圖2 軟件設(shè)計方案

在接收到的ADS-B信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊后，該模塊就會從ICAO地址域和ME消息域中獲取飛機(jī)的ICAO域代碼、所處位置的經(jīng)緯度、飛行高度等系統(tǒng)后續(xù)處理所需要的數(shù)據(jù)，隨后將上述信息傳入數(shù)據(jù)處理模塊并存入數(shù)據(jù)庫中。

3 數(shù)據(jù)處理模塊

在ADS-B數(shù)據(jù)信息傳輸過程中，由于傳輸損耗、地形阻擋和電磁干擾等因素的影響， ADS-B接收子模塊接收到的數(shù)據(jù)信息可能會存在很多錯誤，例如出現(xiàn)冗余點(diǎn)、漏點(diǎn)和異常點(diǎn)等。因此，為了正確顯示航班信息和飛行航跡，必須對接收到的ADS-B數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來盡可能消除前述錯誤[6-7]。

3.1 數(shù)據(jù)信息冗余點(diǎn)、漏點(diǎn)和異常點(diǎn)處理

本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息冗余點(diǎn)、漏點(diǎn)和異常點(diǎn)這三種典型的數(shù)據(jù)錯誤點(diǎn)都進(jìn)行了處理，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示，并予以描述。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

1)數(shù)據(jù)輸入：將采集的ADS-B數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)處理模塊。

2)冗余點(diǎn)處理：系統(tǒng)采集的ADS-B數(shù)據(jù)中可能會存在多個含有相同信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即冗余點(diǎn)。這些點(diǎn)不能提供有用信息，反而會額外占用系統(tǒng)的存儲和計算資源。因此，在對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理時，首先要進(jìn)行冗余點(diǎn)處理，即將經(jīng)緯度信息相同的多余數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除。

3)數(shù)據(jù)提取：遍歷數(shù)據(jù)庫提取滿足要求的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

4)漏點(diǎn)處理：主要是在遍歷數(shù)據(jù)庫時，通過插值法對缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。具體實(shí)現(xiàn)方法為：當(dāng)存在兩個時間間隔大于一秒的數(shù)據(jù)點(diǎn)時，認(rèn)定這兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在漏點(diǎn)。根據(jù)兩點(diǎn)之間的時間間隔以及經(jīng)緯度、飛行高度等數(shù)據(jù)的差值，計算出插值所需的增量信息，再進(jìn)行插值處理。

5)濾波處理：主要是通過跟蹤濾波來計算數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)測值，用于后續(xù)異常點(diǎn)的處理，每一次數(shù)據(jù)點(diǎn)處理都要通過α-β濾波來計算預(yù)測值并且更新迭代系數(shù)。

6)異常點(diǎn)處理：主要是通過預(yù)測值與觀測值之間的差值來處理。兩者差值較大時，說明觀測值失真需要剔除；差值較小時，將兩個數(shù)據(jù)按照系數(shù)進(jìn)行加權(quán)。

7)數(shù)據(jù)儲存：將處理完成的新數(shù)據(jù)信息存儲至數(shù)據(jù)庫中。

3.2 跟蹤濾波

為了盡可能得到準(zhǔn)確的飛行航線，在對ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，該系統(tǒng)還需要進(jìn)行航跡跟蹤計算，即通過當(dāng)前接收的ADS-B數(shù)據(jù)來對下一時刻目標(biāo)的位置進(jìn)行預(yù)測，其主要步驟包括平滑計算和外推計算。平滑計算是對目標(biāo)的當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行估計，以得到當(dāng)前時刻坐標(biāo)的平滑值；外推計算是對目標(biāo)的外推坐標(biāo)進(jìn)行估計，以得到下一時刻坐標(biāo)的預(yù)測值。需要說明的是，第3.1節(jié)異常點(diǎn)處理采用的是預(yù)測值。

在上述平滑計算和外推計算中，通常采用α-β濾波器或Kalman濾波器[8-9]。α-β濾波器是一種可用于狀態(tài)估計、數(shù)據(jù)平滑的濾波器；與Kalman濾波器相比，α-β濾波不依賴系統(tǒng)的具體模型，使用簡單，且能使系統(tǒng)始終保持對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤。因此，考慮到計算復(fù)雜度和跟蹤性能。

本文在進(jìn)行航跡跟蹤計算時采用了α-β濾波器，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 α-β濾波器框圖

(1)

濾波器的初始條件為

(2)

由圖4和式(1)可知，α是預(yù)測值和觀測值差值的加權(quán)系數(shù)。當(dāng)α=0時，平滑值等于預(yù)測值；當(dāng)α=1時，平滑值等于觀測值；當(dāng)0<α<1時，平滑值等于預(yù)測值和觀測值的加權(quán)結(jié)果。β對速度值的平滑作用類似。

4 數(shù)據(jù)顯示模塊

在該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中，由于同一ADS-B信號攜帶的數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)庫中存在兩種不同形式，即原始ADS-B數(shù)據(jù)信息和經(jīng)處理后的ADS-B數(shù)據(jù)信息。因此，本文在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示模塊中，設(shè)計了實(shí)時數(shù)據(jù)和和數(shù)據(jù)分析兩種顯示模式。

4.1 實(shí)時數(shù)據(jù)顯示模式

實(shí)時數(shù)據(jù)顯示模式使用原始ADS-B數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是直接從ADS-B接收子模塊中采集得到的，不經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊而直接傳至數(shù)據(jù)顯示模塊。在該模式下，可以做到對飛機(jī)飛行航線和航班信息的實(shí)時顯示，但可能會存在冗余點(diǎn)、漏點(diǎn)和異常點(diǎn)的情形，導(dǎo)致最終形成的飛行航跡和航班信息部分丟失或者發(fā)生錯誤。

圖5和圖6分別為數(shù)據(jù)顯示模塊中飛行航線及航班信息的顯示界面。從圖5可以看出，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)共監(jiān)測到5架民航飛機(jī)，按照民航飛機(jī)與數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的遠(yuǎn)近，其ICAO代碼分別為781A9B、780FOF、78095F、780713和780DAC，與每架飛行關(guān)聯(lián)的緯度、經(jīng)度、高度、距離和接收時間信息在圖6中得到了展示。

圖5 飛行航線顯示界面

圖6 航班信息顯示界面

4.2 數(shù)據(jù)分析顯示模式

數(shù)據(jù)分析顯示模式使用經(jīng)處理后的ADS-B數(shù)據(jù)信息，該數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊的處理后，再傳至數(shù)據(jù)顯示模塊。在該模式下，由于經(jīng)處理后，原數(shù)據(jù)中的冗余點(diǎn)、漏點(diǎn)和異常點(diǎn)現(xiàn)象被清除，因此可以得到優(yōu)化后的飛行航線和航班信息，從而對飛機(jī)航行數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的分析。

5 系統(tǒng)運(yùn)行及分析

本系統(tǒng)在實(shí)際的民航ADS-B環(huán)境下進(jìn)行了多次測試。具體測試中，我們在東經(jīng)108.832384°，北緯34.0224204°處1200m高的山上進(jìn)行該系統(tǒng)的ADS-B數(shù)據(jù)接收測試，飛行數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖6所示。在圖7中，系統(tǒng)接收機(jī)與飛機(jī)間距離大于400km，得到了民航飛機(jī)的4維位置信息，并且數(shù)據(jù)間隔也基本在1s以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對飛機(jī)航行信息的采集處理。在多次實(shí)地測試中，我們主要考慮接收到的ADS-B信號的實(shí)時性和準(zhǔn)確性指標(biāo)，從得到的飛機(jī)航班信息的實(shí)時數(shù)據(jù)顯示結(jié)果和數(shù)據(jù)分析顯示結(jié)果可以看出，此系統(tǒng)在實(shí)時性和準(zhǔn)確性方面都有著優(yōu)異的性能。

圖7 1200m ADS-B接收數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，本文提出的基于ADS-B的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)從ADS-B的幀結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過對ADS-B信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，不僅可以實(shí)時顯示飛機(jī)的飛行航線和航班信息，還可以通過對ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到完整的、準(zhǔn)確的飛機(jī)航線和航班信息。這些數(shù)據(jù)信息不僅對民航中的飛行管制有所幫助，還對我國未來新航行系統(tǒng)的建設(shè)有著一定的參考價值。