ADS-B數據處理中心目標融合研究

馮 巖，周祿華，楊 愷，鄒國政

（南京萊斯信息技術股份有限公司，江蘇南京 210007）

0 引言

廣播式自動相關監視（Autornatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）具有更新速率快、位置精度高和建設成本低等優勢，是國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）確定的未來主要監視技術之一。2018年年底，中國民航東部和西部ADS-B工程完成竣工及驗收，建設內容包括在全國范圍內建設308套ADS-B地面站，在7個地區空管局和三亞區管中心建設二級數據處理中心，在空管分局（站）建設數據站［1］。ADS-B工程的建設彌補了我國中西部地區雷達覆蓋不足的現狀，同時也提高了東部地區監視冗余備份的能力。多ADS-B地面站多目標融合是數據站和數據處理中心的核心功能，相比空管自動化系統中的ADS-B與航管雷達的融合，ADS-B數據處理中心的目標融合有其自身的特點。本文將參照國內外相關標準、規范，并結合在實際工程中遇到的問題，詳細論述ADS-B數據處理中心中的目標相關和融合算法。

1 ADS-B工程系統架構

我國民用航空管理空中交通管理局采用分層分級的管理模式，東西部ADS-B工程中的系統架構契合了這一點，如圖1所示。

ADS-B工程系統架構包括三級數據站、二級和一級數據中心組成。三級數據站引接本分局站內ADS-B地面站信號并融合上傳至二級數據處理中心。二級數據處理中心除引接數據站的融合數據外，也可根據需要引接某些關鍵地面站的數據。8個二級數據處理中心的融合數據及關鍵數據站在一級數據處理中心做進一步融合，形成覆蓋全國范圍內的ADS-B 信號［2］。

多級數據處理中心的設計，可有效過濾網絡流量，避免過多站點、過大流量接入空管自動化系統。同時，多個接入站點ADS-B數據的相互比較和融合，使得數據處理中心有能力為后端自動化系統提供更加準確、全面的數據。

圖1 ADS-B工程系統結構

2 多目標相關

2.1 相關因子

ICAO 24位地址碼是S模式應答機的編碼,是飛機在ICAO注冊的全球唯一識別代碼。理論上來說，全球不可能有兩架相同地址碼的飛機，但在實際運行中發現，由于應答機S模地址設置錯誤、地面站解碼錯誤等因素的影響，相同地址碼的飛機并不少見。因此，地址碼不能用來作為區分不同目標的唯一判定因子。距離大于6海里的重復S模地址，應當認為是兩個目標。同高度飛行的航空器之間的最小水平間隔不得小于10公里［3］，所以距離也是區分兩個相同地址碼目標的重要因子。為避免在不同高度層兩個相同地址碼的目標因水平距離過近而發生錯誤相關的可能，高度、二次代碼、航班號等信息也需要作為目標相關的輔助判定因子，但需要注意的是該類信息并不總是存在或同一周期不同地面站的內容并不總是相同。

不同于自動化系統多雷達融合中的時間對準，ADS-B數據站或數據處理中心（以下統稱“數據處理中心”）在目標相關時需要做“相同周期”的判斷。同一目標，相同周期，不同地面站Asterix CAT021中位置信息（I021/130或I021/131）應該“相同”，日時間信息（如021/073）不應偏差過大。需要注意的是，地面靜止或測試點目標每個周期的位置一般“不變”，所以位置信息不能作為“相同周期”的唯一判定因子。

2.2 地面站數據檢查

各地面站提供有效、準確、全面的數據，是提高融合效果的關鍵。因此數據處理中心需要具備對常用和關鍵數據項內容做合法性檢查和互相交叉驗證的能力。

（1）地面站丟失二次代碼時，021/040數據項應缺失，不應賦值“0000”，MODE A0000是有效的二次代碼。同樣的，當地面站丟失高度時，021/140或021/145數據項應缺失，不應賦值為0。

（2）I021/040數據項中GBS置1時，表示地面目標。ADS-B地面目標不應有高度信息，021/160數據項中的速度值也不應過大。

（3）地面站從收到報文到組裝成Asterix CAT021最大處理延遲為50 ms［4］，如果數據處理中心接收到地面站數據中I021/073等日時間信息與系統GPS時間差異過大，則其可能為問題地面站。可能的原因有網絡設備故障、傳輸鏈路帶寬不足、地面站處理延遲過大、地面站GPS失效等。

（4）同一目標在相同周期，不同地面站的數據項I021/130或I021/131內容應該“相同”，如某地面站跟其他地面站“不相同”的情況，則其可能為問題地面站。可能的原因有該地面站的糾檢錯成功率不高等。

（5）同一空中非測試點目標，如果各地面站位置“相同”，則日時間信息I021/073等也應該在同一周期。如某地面站跟其他地面站日時間偏差過大，則其可能為問題地面站。可能的原因有地面站處理延遲過大、地面站GPS失效等。另外需要注意的是，如果應答機下傳的位置信息中時間標志TIME=1，表示下發的位置報文固定延遲0.2 s，地面站在收到該類報文時需要做相應處理。

3 多目標融合

3.1 融合功能

數據處理中心的核心功能是將相關為同一目標、在同一周期的各地面站數據融合成信息內容更全、更準的綜合信息。融合主要包括如下功能。

（1）不同Asterix CAT021版本的轉換。ADS-B地面站的常見輸出格式版本有0.26，1.4，1.5，2.1，2.4等，不同版本數據項類別有所不同，數據處理中心融合后的目標需按照統一的版本輸出。

（2）缺失數據的互相補充。同一目標應答機廣播的報文內容是一樣的，但由于建筑物遮擋、信號交織等因素的影響，單個地面站并不能收到或解析成功每個周期的報文信息，數據處理中心將多個地面站的目標數據融合，以便獲得更新周期連續、數據項內容更豐富的目標數據。

（3）更新數據內容的判斷。應答機廣播的某個類別的報文可能未被地面站收到或解析成功，如二次代碼、航班號等，此時地面站在組裝Asterix CAT021時會保持一定時間的歷史內容。ADS-B數據處理中心無法通過單個地面站獲知該數據項內容是否為歷史保持內容，但可通過多個地面站當前和歷史內容的相互比較，盡可能地將更新的數據內容作為綜合信息輸出。

3.2 二次代碼更新判斷

以二次代碼為例說明更新數據內容的判斷機制。機載應答機廣播二次代碼的周期為1.0 s，如地面站未收到或未能解析成功相關報文，在組裝Asterix CAT021時會保持一定時間的歷史信息，超過保持時間則在組裝時缺失021/040數據項。當ADS-B數據處理中心發現當前周期有地面站報告的二次代碼與上一周期綜合二次代碼不同時，將其列為“準更新二次代碼”。為盡可能消除因解碼錯誤或飛行員在輸入二次代碼時中間過渡數值的影響，“準更新二次代碼”可經過n個周期的“確認”機制（n可取值為3）。“確認”周期內的綜合二次代碼仍保持原二次代碼，之后綜合二次代碼為“準更新二次代碼”。

一般情況下，二次代碼在短時間內只會改變一次，不會多次改變。一旦綜合二次代碼做了更新，此時應進入“鎖定”狀態。也就是說，之后一定時間內無論是否有地面站收到該已經更新的二次代碼，綜合二次代碼均不改變。為避免解鎖后出現前二次代碼“回跳”的現象，“鎖定”時間應參考地面站的保持時間。為避免長時間“鎖定”而影響綜合二次代碼的及時更新，地面站的保持時間應選擇合適的值，建議20～25 s為宜。

3.3 “相對時間差”法

多級數據處理中心的設計，增多了數據延遲的節點。規定數據處理中心處理延時應不大于300 ms，而ADS-B的廣播周期為0.5 s，為避免二級或一級數據處理中心的融合信號和其他ADS-B地面站做進一步融合時出現“周期錯開”的現象，數據處理中心系統的處理延遲應盡可能地減小［5］。

為減少系統處理延遲，同時在同一周期中讓盡可能多的地面站參與融合，數據處理中心融合時可采用“相對時間差”法。數據處理中心記錄收到各地面站Asterix CAT021數據時的系統時間，當數據處理中心發現某目標在同周期內相關的第N個地面站接收到數據的時間與第1個的差值超過門限，數據處理中心將該N個地面站數據做融合處理。同時，系統定時檢查當前系統時間與各目標相關的第1個地面站接收時間的差值，超過門限則將已經相關成功的各地面站數據做融合處理。

“相對時間差”門限值需考慮實際接入各地面站的相對延遲大小，一般可在三級數據站設置為50 ms，二級數據處理中心設置為80 ms。

3.4 融合報文組裝規范

數據處理中心將多個地面站的報文融合后再次組裝為Asterix CAT021數據時，除參照相應版本的格式要求外，數據項內容也需符合相關標準、規范。

（1）地址碼相同的兩個目標，容易發生二次代碼、航班號等信息在該兩個目標之間“互換”的現象。因此數據處理中心的系統目標發現有重復地址碼時，除將I021/040數據項中的ATP賦值為1外，還可在組裝時不發送二次代碼、航班號等信息。

（2）I021/200數據項中 Unlawful Interference/No Communications/General Emergency分別對應二次代碼7500/7600/7700。數據處理中心融合后的系統目標發現有這三類二次代碼時，I021/200數據項中PS子項應做相應的賦值。

（3）Asterix CAT021數據項應包括I021/130或I021/131，但不能同時包括I021/130和I021/131。因此數據處理中心在輸出位置信息時，應選擇其中一個作為數據項輸出。

（4）數據項I021/161為航跡號，該數據項在組裝Asterix CAT021是可選的。如組裝該數據項，數據處理中心需將融合后的系統目標統一編號。需要注意的是，在某些條件下地面目標的廣播周期為5.0 s。為避免地面目標航跡號的頻繁中斷，數據處理中心在做綜合目標生命周期管理時，應選擇合適的時間閾值。

4 結語

按照《中國民用航空ADS-B實施規劃》要求，我國于2020—2025年實現高空航路航線、終端（進近）管制區域、全部運輸機場塔臺實的ADS-B連續可靠監視覆蓋［6］。2019年發布的《民航空管自動化系統應用ADS-B及S模式雷達數據的技術和功能要求》也明確和規范了ADS-B數據在新一代空管自動化系統中應用的技術和功能要求［7］。作為空管自動化系統的前端數據源，ADS-B數據處理中心將在空管系統中扮演越來越重要的角色。文中結合相關技術標準、規范對融合算法的研究，對數據處理中心的廣泛應用，有重要意義。