多雷達與ADS—B數據融合處理方法的研究與優化

肖玉 成捷 賀姿

摘要：監視數據的融合處理是整個空管自動化系統的基礎。本文重點研究了NUMEN3000自動化系統對雷達和ADS-B這2種監視數據的融合處理方法，對單路航跡、合成航跡和綜合航跡的處理方法進行了論述。對沈陽區管新增ADS-B監視數據參與融合時出現的目標分裂問題進行了分析，提出了高度過濾、降低航班號權重、設置丟棄閥值的解決方案，最終解決了由于目標分裂產生的短期沖突告警的問題。

關鍵詞：空管自動化系統；ADS-B；航跡融合；目標分裂；NUMEN3000

中圖分類號：V355.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0042-02

1 概述

NUMEN3000自動化系統作為沈陽區管的主用自動化系統，于2015年10月投入使用。在使用初期，系統主要接入雷達信號，ADS-B（廣播式自動相關監視）信號一直是應急手段未參與融合。2018年5月，隨著沈陽ADS-B二級數據中心的建成，其處理完的ADS-B綜合信號作為一路ADS-B信號接入NUMEN3000系統使用。在ADS-B數據接入后，管制界面上的航跡目標就會經常出現短期沖突告警（STCA），給管制工作帶來了比較大的麻煩。針對這一情況，在認真研究系統監視數據處理方法的基礎上，進行了分析，找到了原因并提出了解決方法。

2 監視數據的處理方法研究

系統接收到各路監視數據后，在前置處理機上進行預處理，預處理后的數據傳送給監視數據處理機（SDP）。SDP先進行單路數據處理，生成單路航跡，然后將多個單路航跡進行融合，生成綜合航跡。前置處理機包括雷達數據前置處理機（RFP）和ADS-B數據前置處理機（SFP）。

2.1 監視數據的預處理

監視數據的預處理在前置處理機上完成，其中RFP負責普通航管雷達數據的預處理，SFP負責ADS-B數據的預處理，主要對接入的監視數據進行數據項分解，提取有用信息，包括目標屬性、位置、高度、速度、地址碼、時標等內容，同時對接收到的數據項做合法性檢查，有明顯問題的數據將被過濾掉。

2.2 監視數據的處理

監視數據的處理在SDP上完成，包括單路航跡和綜合航跡的處理。單路航跡是指由每部監視信息源（包括雷達和ADS-B）單獨提供，系統進行處理后生成的具有前后關聯性的目標信息。綜合航跡是指系統將多路的單路航跡進行橫向融合，最后生成的能最佳表述目標狀態的唯一目標信息。系統把綜合航跡分為2種：合成航跡和綜合航跡。雷達和ADS-B這2種監視數據首先形成各自的合成航跡，然后再融合成綜合航跡，如圖1所示。單路航跡和合成航跡只具有監視功能，綜合航跡提供所有功能服務。下面進行單路航跡、合成航跡和綜合航跡處理方法的詳細論述。

2.2.1 單路航跡處理

（1）目標相關。系統接收到預處理的監視數據，首先進行坐標轉換，然后進行單路航跡的跟蹤處理，包括已存在航跡目標的更新和新航跡目標的生成。如果系統判定出最新接收到的目標信息與上個周期系統中某個航跡目標指的是同一航空器，則認為此次收到的目標信息為此航跡目標的更新信息，此過程即目標相關。

單路航跡的目標相關需要檢查6個要素，包括地址碼、二次代碼（SSR）、航班號（ACID）、航跡號、位置和高度，采用最近領域法[1]和統計加權法[2]，即根據兩目標信息在各方面的相似程度，例如地址碼、航跡號、航班號或SSR是否一致、位置和高度的接近程度，然后依據這幾個要素的權重進行綜合考慮，得出是否應該相關。如果目標相關未通過，則建立一個新的單路航跡目標。

（2）其他參數。如果監視數據中包含速度，則采用此速度，如沒有則采用系統計算速度。高度采用報告高度。單路航跡信息的更新頻率與該路監視數據源的更新周期相同。對于每一路監視數據，系統可以通過覆蓋范圍、新目標抑制區和ADS-B信號的質量檢查等方式來控制單路航跡質量。對于每路單路航跡，可定義其是否參與融合，不參與融合的單路航跡不會影響到綜合航跡。

2.2.2 合成航跡處理

（1）目標相關與航跡融合。系統接收經過處理的單路航跡，首先進行目標相關，合成航跡的目標相關與單路航跡的判定方式類似，需要檢查5個要素，包括地址碼、SSR、航班號、位置和高度，需要判定多個已確認的目標信息是否和某個已存在的合成航跡為同一目標。如屬于同一目標則做時空對準處理，然后采用融合式的卡爾曼濾波方法進行綜合處理，根據自動動態調整的融合加權系數，選出最能表達實際情況的目標態勢描述，來更新合成航跡。如果目標相關沒有通過則建立新的合成航跡。

（2）其他參數。合成航跡的速度由系統計算得出，高度是擇優選取某單路監視數據的高度，并遵循盡量不切換監視源的原則。雷達合成航跡的更新周期為4秒。ADS-B合成航跡更新周期為1秒。系統可以通過設定參數來控制合成航跡的質量，例如是否參與融合、設置目標報告不可靠區域等方式。

2.2.3 綜合航跡處理

（1）目標相關與融合算法。收到系統處理完的合成航跡時，系統首先進行目標相關，算法與合成航跡算法一致。如屬于同一目標則再次進行卡爾曼濾波處理，同時更新綜合航跡。如果目標相關沒有通過則建立新的綜合航跡。

（2）其他參數。系統綜合航跡的更新周期有兩種：如果沒有ADS-B合成航跡參與融合，則更新周期為4秒；如果有則更新周期為1秒。系統設置了融合可信度，“高”為參與融合，“低”為不參與融合。現階段雷達的合成航跡為“高”，ADS-B的為“低”，表示如果2種航跡都能覆蓋到某個目標，輸出雷達，不輸出ADS-B。如果只有ADS-B能發現目標，不再考慮融合可信度，只要ADS-B被允許參與融合，則直接輸出ADS-B航跡。

3 新增ADS-B后出現的問題及優化

針對ADS-B參與到系統融合，系統對ADS-B信號進行了控制，檢查位置的不確定性（NUCp），如果該值小于VSP（系統可調節參數）值則告警，在標識符上顯示空心三角形。同時將ADS-B航跡的融合可信度設置為“低”。雖然經過上述的準備，但是在加入ADS-B信號的短時間內，塔臺、進近和區調就出現了多架航班目標分裂的情況。通過分類研究，得出產生目標分裂的原因，下面進行具體的論述。

3.1 塔臺航班出現目標分裂

塔臺附近有2部雷達覆蓋，沒有ADS-B地面站，最近的地面站距離約20公里，所以低空的ADS-B信號不穩定，由于某些ADS-B信號沒有SSR，即使航班號相同，系統也會判定為2個目標，這2個目標距離非常近所以產生了STCA告警。針對這種情況，對ADS-B二級數據中心輸出的數據進行了高度過濾，濾除了1000米以下的ADS-B信號，解決了塔臺因為接入ADS-B數據導致的目標分裂問題。

3.2 進近和區調的航班出現目標分裂

對具體航班進行分析，發現雷達合成航跡的航班號與ADS-B的不一致，例如雷達的是CSH9272，ADS-B的是FM9272。由于雷達合成航跡沒有地址碼，ADS-B的沒有SSR，所以融合時使用航班號、位置、高度。由于航班號不一致，即使位置和高度很近，在進行綜合航跡處理時系統認為是2個目標，這2個目標距離非常近所以產生了STCA告警。通過告知機組修改ADS-B機載設備的航班號與雷達的一致后，STCA告警消失。針對現階段ADS-B機載設備航班號不規范的問題，系統降低了航班號在進行融合計算時的權重，該問題得到解決。

3.3 設置ADS-B信號丟棄閥值

現階段系統對質量不好的ADS-B信號的只告警，不做丟棄處理，所以系統會存在一些質量不好的ADS-B信號。當雷達航跡出現異常使用ADS-B時，可能會出現高度跳變、速度異常等異常情況。針對該種問題，由于東北地區的雷達覆蓋情況良好，系統設定ADS-B信號的丟棄閥值，避免這類問題的發生。

通過以上3個方面的處理，再將ADS-B信號參與融合時，系統綜合航跡穩定，沒有出現由于ADS-B信號的原因產生的STCA告警的情況。

4 結論與展望

本文從技術維護人員的角度出發，重點研究了NUMEN3000自動化系統監視數據處理方法。對新增ADS-B監視數據參與融合時，出現的目標分裂問題進行了研究，提出了高度過濾、降低航班號權重、設置丟棄閥值的解決方案。希望本文對以后的NUMEN3000自動化系統的監視數據的維護有所幫助。

參考文獻

[1]M F Hassan.A Decentralized Computational Algorithm for a Decentralized Linear Quadratic Caussian Control Problem[J].IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems，1982，27（4）：61-65.

[2]王哲明.AeroTrac自動化系統ADS-B信號的接入和配置[J].科技創新導報，2010，（19）：34+36.