ADS-B監視與程序管制融合研究

◆趙澤榮 李雨嶠 李占宏

ADS-B監視與程序管制融合研究

◆趙澤榮1李雨嶠2李占宏1

（1.中國民用航空飛行學院 四川 618307；2.東南大學 江蘇 211189）

為了實現程序管制的信息化，本文在ADS-B監視系統可視化的基礎上，融合了程序管制功能，采用C++與Opengl ES結合的開發平臺，開發了程序管制的人機交互系統。該系統不僅能記錄管制員在程序管制下的操作指揮流程，而且也提供了事后回放功能，特別是在監視信息中斷的情況下，監視系統恢復到程序管制指揮功能。該系統不僅是程序管制的指揮工具，而且也是監視系統的備份，同時，該系統也可以作為管制員進行教學和復訓的實戰訓練工具。

ADS-B；程序管制；融合處理；人機交互

1 概述

隨著民航運輸業的快速發展，空中流量大幅度增加，為了減輕管制員的工作負擔，提高飛行效率，雷達監控、雷達管制等主動式管制已經成為基本管制手段[1]。如今正在推行的ADS-B監視技術，將會替代雷達管制成為下一代集通信、監視和導航為一體的空中交通管理系統[2]。但屬地化管理的中小型機場由于受航班量、經濟條件等限制，缺乏雷達等先進監控設備，仍主要依靠程序管制。相對于雷達管制，程序管制常被認為是“被動式服務”、“瞎子指揮”，因無法直觀顯示空中動態、需要機組配合通報、采用固定程序[3]。不論采用什么方式指揮飛機，程序管制都是每個管制員必須熟練掌握的基本技能，而“擺棋子”是增強管制員空中交通運行情況的輔助手段。所謂“擺棋子”是管制員通過旗子代表目標，在紙質航圖上標識飛機的大概位置，是一種比較傳統的空中交通指揮方式，它是其他指揮系統失效后的最原始的備份方法。到目前為止，“擺棋子”這種傳統方法僅局限為實物的方式，雖然可靠，但有很多的缺陷，如缺乏靈活性、效率低等，最關鍵的是操作不可重現，對指揮的失誤原因和責任的界定沒有依據。隨著計算機技術的發展，軟硬件的可靠性大大提高，“擺棋子”的傳統程序管制方法可以通過計算機進行可視化呈現，實現人機界面交互。因此本文采用C++與Opengl ES結合的開發平臺，按照“擺棋子”的流程，關聯飛行計劃，設計開發一套替代“擺棋子”程序管制的實物軟件，提高程序管制員的工作效率，同時，可引進ADS-B數據和雷達數據，當雷達系統和ADS-B監視系統失效的情況下，軟件切換到“擺棋子”狀態，并在界面呈現當前目標所在的位置，管制員根據當前目標的分布情況，按照程序管制的方式進行指揮飛機，而且該軟件可以作為管制員進行教學的程序管制訓練工具。

2 系統軟件設計及實現

現階段中國管制員培養院校都配備了雷達管制模擬機、程序管制模擬機及機場塔臺管制模擬機，但通常都要求由“機長位”進行操作配合[4]。通過一個“機長位”對應一個管制員位、多個“機長位”對應多個“管制員位”等組合方式來實現模擬的管制場景，而且對“機長位”操作者的操作技能要求很高。這樣的訓練都是為了增加管制員對管制間隔的理解及提高管制意識，只是停留在對管制原理的理解及技能的訓練，而且這樣的模擬訓練和實際的管制操作有一定的差別，為了彌補這樣的不足，本軟件的設計主要從實踐的角度出發，引入真實的飛行數據，學員或工作人員可以采用雷達管制的方式來指揮飛行，同時在飛行數據中斷的情況下，采用程序管制來指揮飛機。

2.1 系統構架

為了實現ADS-B監視與程序管制的融合，需要獲取ADS-B數據，并對ADS-B監視數據的處理及顯示等。系統構架如圖1所示。在圖1中，地面站接收飛機廣播的ADS-B監視數據，并把ADS-B監視數據按照一定的協議標準組報，發送給ADS-B監視數據服務器，監視和程序管制終端通過登錄ADS-B監視數據服務器獲取數據，通過解析ADS-B監視數據，可以知道目標在空域中的分布情況，也為程序管制的初始空域分布提高了經緯度坐標、高度、航向及速度等參數，為程序管制流程的實現奠定了基礎。

圖1 系統構架示意圖

2.2 監視和程序管制終端軟件設計

監視和程序管制終端包括了系統參數初始化模塊、系統顯示參數配置處理模塊、網絡數據接收處理模塊、ADS-B報文解析模塊[5]、監視目標顯示處理模塊、程序管制目標顯示處理模塊、系統數據保存模塊及數據回放處理模塊。其功能示意圖如圖2所示。下面對每個功能模塊作詳細的論述。

（1）系統初始化模塊：系統啟動時，加載航線、導航點數據庫；讀取地形背景圖；加載程序管制及監視目標顯示的配置屬性；讀取登錄服務器的配置信息等。

（2）系統顯示參數配置處理模塊：為用戶提供航線、導航點的顯示配置接口，方便用戶設置適合自己的顯示模式；同時也為用戶提供了監視模式和程序管制模式下目標的顯示方式設置，包括目標的形狀、大小、顏色及標牌的顯示內容等。

（3）網絡數據接收模塊處理：主要是根據初始化時讀取的登錄服務器配置信息，開啟網絡的處理功能，并登錄服務器獲取ADS-B監視數據，為了確保數據的安全性及登錄的合法性，在登錄服務器時，需要登錄驗證處理，而且接收到的ADS-B數據是加密處理過的，因此需要對數據包進行解密。

（4）ADS-B報文解析模塊：主要是解析1090ES模式的CAT21報文[6]及UAT模式的CAT33報文[7]。

（5）監視目標顯示模塊：根據的顯示配置參數和姿態數據，在界面顯示目標，并相應用戶對所有操作，如標牌拖動、目標測距及鼠標鍵對目標的操作設置等。

（6）程序管制目標的顯示處理模塊：顯示目標的在電子航圖上的位置，并響應用戶移動目標到航圖的任何位置，記錄下用戶對目標的每個操作細節，而且可以提供給用戶設置目標的報告時間點、高度等，當目標到達預定的報告時間或高度時，界面會給管制員提示。

（7）系統參數保存模塊：該模塊處理系統需要保存的數據，主要有日志信息、顯示配置信息、ADS-B監視數據及程序管制操作的詳細過程等。

（8）數據回放模塊：該模塊需要回放的數據有ADS-B監視數據和程序管制操作流程數據，由于數據格式的不統一，需要進行時間上的匹配處理。在回放的時候，提供了快速、暫停、查詢等功能，便于事后原因的查找及分析。

圖2 終端功能模塊示意圖

軟件啟動時，根據圖3所示的程序流程圖，讀取系統初始化參數，響應用戶登錄服務器，并獲取ADS-B監視數據，解析報文并更新目標顯示隊列；當啟動數據回放功能時，暫停網絡數據對目標顯示隊列的更新，讀取需要回放的監視數據及程序管制操作日志，并更新目標顯示隊列；當用戶對目標和界面的顯示進行設置時，根據設置的顯示類型，把設置的顯示參數分別更新到程序管制目標顯示屬性隊列、航圖顯示屬性隊列和監視目標顯示屬性隊列；整個界面的刷新通過定時器完成，輪換目標顯示隊列并匹配顯示屬性參數，實現監視目標的顯示處理、程序管制目標顯示處理和背景航圖顯示處理。

3 系統驗證及案例分析

為了驗證該融合系統的可行性及適用性，按照圖1所示的構架，搭建了測試平臺。ADS-B監視和程序管制終端登錄了服務器，獲取了ADS-B數據，并在監視界面按照監視模式顯示目標在空域中的交通狀態。如圖4所示，效果圖是在斷開監視數據的情況下，目標在空域中的分布情況，現在的顯示模式為程序管制，在該圖中，目標的顯示是按照“棋子”模式代替，而標牌顯示了目標的呼號、速度及高度[8]，管制員可以把速度為0的目標清場，以減少當前界面的交通復雜度。如果想獲得目標的詳細參數，可以把鼠標放在目標上，當呈現“手形”狀態時，就會顯示目標的詳細參數；同時管制員可以在該狀態下，移動目標到任何地方，這時管制員可以按照程序管制的原理來移動目標達到要求的位置，而且監視界面會記錄了管制一切的操作。當管制員把飛機指揮到落地后，可以拖動目標到左下角的回收站中，從而刪除了目標在界面上的顯示，從而減輕管制員的心理壓力。在程序管制的過程中，該界面提供了對目標時間報告點、高度報告點、等待位置報告點等參數設置的接口，當目標達到一定的時間門限后，在界面上會提醒管制員，該目標應該到了進行空中對話的要求，有利于管制員對多個目標的交通指揮。

圖3 程序設計流程圖

圖4 ADS-B監視和程序管制測試效果圖

4 結束語

隨著信息化技術的發展，許多傳統的工作方式都可以通過計算機替代。本文通過計算機可視化技術實現了ADS-B監視與程序管制的融合處理，并開發了人機交互處理軟件，該軟件在沒有ADS-B監視數據時，可以作為獨立的程序指揮系統，否則就是ADS-B監視系統的備份。該軟件不僅可以實際應用，而且也可以作為管制員培訓時的實踐工具。以后的工作就是完善并提高該系統的自動化程度，增加語音識別技術和程序管制評估等功能，使該軟件更好地滿足管制員的工作需求。

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[4]張曉燕，馬江濤.ATC3 在管制員模擬培訓中的應用分析[J].中國民航大學學報，2013，31（3）：27-30.

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[8]趙澤榮.基于vxWorks的UAT機載報文編碼實現[J].控制工程，2016，23（6）：944-948.