ADS-B監視報文參數統計及其所需性能

宮峰勛，李麗桓，馬艷秋

1. 中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300

2. 中國民用航空三亞空中交通管理站，三亞 572000

廣播式自動相關監視(ADS-B)為空域非雷達監視提供技術基礎，為空中交通管制能與交通容量提升提供可能。國際民航成員啟動了ADS-B地面系統裝備工程，且將逐步實施基于ADS-B的非雷達管制。澳大利亞是國際民航組織(ICAO)成員中率先宣布完全采用ADS-B實施空域監視的國家[1]。該國空管部門陸續公布一些ADS-B航跡信息，圖片顯示ADS-B航跡存在不連續現象[2]。近年來，該國宣布還將陸續裝備陸基空管二次雷達等監視設備。2019年3月，美國聯邦航空局發布ADS-B性能用戶指導報告[3]，要求用戶報告ADS-B數據質量，并采用位置導航精確度分類值(NACP)標示ADS-B可用性。可見，美國聯邦航空局也開始擔心ADS-B數據質量問題。ADS-B技術已廣泛應用于空域監視，基于報文質量及其位置數據質量的跟蹤與分析得到國內外研究者普遍關注[4-9]。

目前，數據質量研究多從報文的導航不確定性類別指標統計出發，即提取每份ADS-B報文的位置導航不確定性指標(NUCP)，匯總NUCP數據得到統計分布狀態，當NUCP≥5的比例超過95%即認為符合監視性能要求[10-11]。現有NUCP統計分布狀態研究結果顯示，幾乎所有ADS-B報文的位置參數分布都符合ICAO基于通信監視性能(PBCS)[12]要求。因此，對ADS-B系統快速推廣及星基ADS-B技術進行深入研究，綜合分析ADS-B報文信息項及其數據質量參數的變化狀態，揭示在PBCS與衛星導航廣域增強服務下的ADS-B監視性能非常重要。

1 問題描述

ADS-B航跡普遍存在不連續和跳點現象，導致其空管服務能力受到質疑。

澳大利亞空管服務商Airservces發布了ADS-B監視數據，但未見其發布具體的NUCP統計數據信息。故采用如圖1所示Airservces給出的NUCP數據及異常數據[2]形式。可見，其中既有NUCP=6的優秀狀態，也有NUCP=0的異常狀態。

圖1 澳大利亞公布的NUCP=0的數據分布[2]

圖2為澳大利亞Airservces公布的采用ADS-B監視的動態航跡顯示圖[2]。如圖1和圖2所示，澳大利亞ADS-B監視覆蓋空域上飛機航跡的線性偏離度很小，但動態航跡上還是有明顯的間斷現象。NUCP是否0與動態航跡的間斷、跳點和偏差存在對應關系。

圖3為美國霍尼韋爾所屬HTSI公司公布ADS-B報文數據測試研究報告[13]中給出的NUCP數據統計分布狀態，其中NUCP≥5是其主要分布區間，但也有為數不少的NUCP=0的狀態。圖4為從Flightradar24網站隨機抓取的美國國內航線ADS-B監視航跡狀態。如圖3和圖4所示，美國空域內ADS-B報文給出的航跡偏離度雖然很小，但也存在航跡間斷，同時NUCP=0的情況竟然超過10%。

圖2 澳大利亞空域ADS-B動態航跡[2]

圖3 霍尼韋爾公司公布的NUCP數據統計分布[13]

圖5為文獻[9]研究者給出的國內某終端區ADS-B報文NUCP數據統計分布狀態。圖6為本文所獲取的中國某航路/航線ADS-B監視空域的動態航跡。可見，ADS-B監視的航跡偏差較大，且存在明顯的航跡間斷現象，但是NUCP=0的情況卻僅超過5%。

圖4 美國國內航線ADS-B監視航跡狀態

圖5 文獻[9]公布的NUCP數據分布狀態

如圖1、圖3和圖5所示，從ADS-B報文所提取的位置導航不確定性指標(NUCP)基本圍繞NUCP≥7呈現近似正態分布狀態。同時，也存在一定數量NUCP=0的異常狀態出現。如圖2、圖4和圖6所示，ADS-B動態航跡均存在比較明顯的不連續現象。

圖6 中國航線ADS-B監視航跡狀態

綜上所述，從基于性能監視及航跡質量考慮，ADS-B監視可能不符合所需監視性能要求，即NUCP等作為評估ADS-B監視性能的主要指標，達到DO-260B要求，卻存在ADS-B航跡無法同時滿足ICAO的PBCS規范性要求的問題。

2 所需性能模型構建

在2010年亞太經合組織全球導航衛星系統實施小組第14次會議上，Deborah博士代表美國聯邦航空局確認，在具備廣域增強服務(WAAS)且當全球導航衛星系統(GNSS)具備99.9%可用性時，存在如圖7所示的導航所需性能(RNP)與監視所需性能(RSP)之間基于航班安全間隔的對應關系[14]。ADS-B應符合這個要求。

ADS-B被視為由導航衛星、機載設備、空地通信鏈路和地面設備等組成的多部件復雜系統，各部件之間存在相依性，其所需性能則由部件數量及部件間耦合關系決定。因此，任一部件性能下降都將導致ADS-B系統整體性能無法達到監視所需性能要求。根據ICAO基于性能的通信和監視手冊可得如圖8所示的RNP、所需通信性能(RCP)、RSP與空中交通管理(ATM)之間的協作支撐關系(T為傳輸時延)。其中較明確刻畫了RNP、RCP、RSP三者之間的相關性支撐關系[15-16]。

于是，ADS-B系統可被視為一個由3個部件組成的二終端(單輸入節點單輸出節點)式串聯系統[17]，且3個部件性能應分別滿足RNP、RCP、RSP要求。則基于ADS-B報文的監視質量由RNP、RCP、RSP及其相關性制約函數CR綜合決定，即ADS-B系統所需性能對應的性能模型可表述為

RADS-B(x)=RRNP(x)RRCP(x)RRSP(x)×

CR(rnp,rcp,rsp)

(1)

式中:RRNP(x)、RRCP(x)和RRSP(x)為ADS-B系統組成部件對應的導航、通信和監視的可用性函數；CR(rnp, rcp, rsp)為導航、通信和監視系統之間的互相關函數。

目前默認ADS-B系統導航、通信和監視的可用性函數不相關，即CR(rnp, rcp, rsp)=1。

1) 當RRNP(x)≥99.9%，條件得到滿足，即RRNP(x)接近常數1且與其他不相關時，式(1)可簡化為

RADS-B(x)=RRCP(x)RRSP(x)CR(rcp,rsp)

(2)

圖7 導航所需性能與監視所需性能的對應關系

圖8 RNP、RCP、RSP與ATM相關性支撐關系

2) 當RRCP(x)≥99.9%，條件得到滿足，令RRCP(x)接近常數1且與其他不相關時，式(2)簡化為

RADS-B(x)=RRSP(x)CR(rsp)

(3)

由式(3)可見，由于RRNP(x)、RRCP(x)接近常數1且彼此不相關，從ADS-B報文獲得的位置數據等信息可用性也就為ADS-B監視可用性。故實際數據分析中多直接用位置導航不確定性等指標替代可用性指標，則式(3)再被簡化為

RADS-B(x)=RRSP(nucp)Cr(rsp)=RRSP(nucp)

(4)

式中：CR(rsp)為自相關函數，令其取1。

因此，目前分析認為只要ADS-B報文中提取的NUCP≥5，則認為ADS-B監視性能達到ICAO相關規范要求。顯然，即便是采用式(4)的形式分析ADS-B監視性能，RRSP(x)函數中變量也不應該僅含有NUCP，還應該包含ADS-B報文中其他參數。即當RRNP(x)、RRCP(x)接近常數1且導航、通信和監視系統之間不相關時，式(4)應修正為

RADS-B(x)=KWAKCRRSP×

(accuracy,integrity,continuity,N)=

KWAKCRRSP(nucp,rept,leak,hop,n)

(5)

式中：RADS-B(x)的變量accuracy、integrity和continuity表示報文定位的準確性、完好性和連續性指標。根據DO-260規范的ADS-B報文用于定位、監視完好性要求，采用nucp表征accuracy變量，位置質量指標報告率(rept)、漏點率(leak)和跳點率(hop)等表征integrity和continuity變量；N為空管自動化系統屏幕刷新周期內報文次數，用n表征。KWA為導航衛星增強狀態參數；KC為通信鏈路性能參數。則式(5)可簡化為

RADS-B(x)=

KWAKCRRSP(nucp,rept,leak,hop,n)

(6)

可見，ADS-B監視準確性、完好性和連續性同時達標，才有可能達到ICAO監視規范要求。

3 所需性能模型仿真分析

空中交通管制(ATC)系統的屏幕刷新周期為5 s， ADS-B報文更新率為1 s[18]，則ATC屏幕刷新周期內有4份ADS-B報文。由于報文間隔時間短，可視1份ADS-B報文重復4次。設每份ADS-B報文各項參數滿足串聯形式，式(6)表示為[17]

RADS-B(x)=KWAKC{1-

[R(nucp)×R(rept)×R(leak)×R(hop)]4}

(7)

啟動ADS-B監視性能測試實驗，設置編號為1#和2#的2個間隔20 km、不同生產商的ADS-B地面站，對覆蓋空域內航班ADS-B報告持續監視。連續采集3個月的ADS-B報文，總數量分別達到94、371、820和104、203、710條。提取每一份報文中包括NUCP、NIC、標識等信息項，統計分析它們數據的分布狀態。

3.1 位置質量指標統計

從每份ADS-B報文數據中提取位置質量指標(NUCP)數值，匯總得到NUCP數據歸一化相對分布狀態如圖9所示。計算R(nucp) 時，僅考慮位置導航不確定性NUCP≥5的情形。此時，R(nucp)分別取為(87.07+11.17+0.38)%=98.62%和(88.09+9.45+0.64)%=98.18%。

圖9 ADS-B地面站NUCP統計分布

3.2 質量指標報告率統計

所需數據項數據完好性是指報文中所包含的用戶數據項中實施ADS-B監視的最低要求的數據項完好性[19-20]，包括二次代碼等共8項。

以位置質量指標為例，采用：位置質量指標報告率=含位置質量指標信息的航跡點總數/航跡總點數×100%，可得位置質量指標報告率。

ADS-B報文的航跡數據完好性分析的統計結果如圖10所示。計算RRSP(rept)時，僅考慮航跡數據完好性分布中的最小值。故R(rept)分別取為91.09%和95.16%。

3.3 報文漏點率統計

從離港航班中選擇一個固定航班，統計該航班在不同飛行階段的ADS-B報文漏點率。實際統計中將漏點閾值設為2 s。即若連續n(n≥2) s未收到航跡點，則認為ADS-B報文出現n-1個漏點，漏點數增加n-1。ADS-B報文數據漏點率的統計結果如圖11所示。

圖10 ADS-B報文的航跡數據完好性分布

圖11 ADS-B報文的航班漏點率統計圖

可見，1# ADS-B地面站離港航班實際數據的平均漏點率接近13.07%，2# ADS-B地面站離港航班實際數據的平均漏點率接近12.26%。

計算RRSP(leak)時，取飛行4個階段的平均值，故R(leak)分別取為(100-13.07)%=86.93% 和(100-12.26)%=87.74%。

3.4 數據跳點率統計

ADS-B報文的數據跳點率包含水平跳點率和高度跳點率2個方面。當水平位置誤差和垂直位置誤差大于預先設定閾值(一般設置為300 m)時，則認為該目標為跳點[20]。分別跟蹤一個離港航班和一個進港航班的航跡數據，它們水平和垂直向位置誤差分布如圖12所示。可見，ADS-B報文的水平和垂直方向位置誤差主要集中在0～100 m范圍內。

計算跳點率RRSP(hop)時，僅考慮誤差小于100 m的情況(①因為前面NUCP≥5，②因為航路高度層間隔僅為300 m)，故R(hop)分別取其中最小值，即min{78.12%, 88.57%}=78.12%和min{75.02%, 82.73%}=75.02%。

圖12 航班水平誤差和垂直誤差分布

3.5 報文所需性能估算

ADS-B報文漏點率是將漏點閾值設為2 s時計算得到的。在ATC屏幕刷新周期5 s內，被統計檢測不超過3次，參照二終端式串聯系統可靠性計算原理[17]，式(7)簡化修正為

RADS-B(x)=KWAKC{1-4[1-R(nucp)×

R(rept)×R(hop)]2×[1-R(leak)]2}

(8)

假設ADS-B地面站運行環境滿足要求，可令KWA=KC=1，于是1# ADS-B地面站所需性能為

RADS-B1(x)=1-

4[1-R(nucp)×R(rept)×R(hop)]2×

[1-R(leak)]2=

1-4[1-0.986 2×0.910 9×0.781 2]2×

[1-0.869 3]2=0.993 9=99.39%

(9)

2# ADS-B地面站所需性能為

RADS-B2(x)=

1-4[1-R(nucp)×R(rept)×R(hop)]2×

[1-R(leak)]2=

1-4[1-0.981 8×0.951 6×0.750 2]2×

[1-0.877 4]2=0.994 6=99.46%

(10)

由式(9)和式(10)計算結果可見，在ATC屏幕刷新的單個周期內，2個ADS-B地面站監視性能均未達到ICAO的PBCS規范性中的最低要求。也就是，在默認WAAS服務存在、系統導航通信所需性能為1、導航通信和監視的可用性相關函數為1的情形下，2個ADS-B地面站監視所需性能估計值均未達到圖7所示的監視可用性需達到99.9%的數值要求。

用式(5)估算捷克理工大學2017年公布的ADS-B報文數據[21]所用ADS-B地面站的所需性能。該文獻采用ICAO的ADS-B性能認證版本2統計ADS-B報文數據，參數包含導航完好性等級(NIC)、監視完好性等級(SIL)和導航精確度等級(NAC)等參數，直接給出accuracy、integrity和continuity的對應參數，且統計獨立時，參照二終端式串聯系統可靠性計算原理[17]及典型串聯二終端系統，式(5)可改寫為

RADS-B(x)=

KWAKCRRSP(accuracy,integrity,continuity,N)≈

KWAKCRRSP(nacp,nic,sic,n)≈

KWAKC[R(nacp)R(nic)R(sic)]n

(11)

取NACP≥5情形，R(nacp)=(0.08+42.91+50.59+3.93)%=97.51%；取NIC≥5情形，R(nic)=(0.03+2.38+88.23+7.25)%=97.89%； 取SIC≥3情形，R(sic)=(1.09+95.60)% =96.69%。由于文獻[21]未提供屏幕刷新頻率，故分2種情形估算：

1) ADS-B報文每秒刷新1次。令KWA=KC=1， 由式(11)可得

RADS-B(x)=R(nacp)R(nic)R(sic)=

0.975 1×0.978 9×0.966 9=

0.922 9=92.29%

(12)

2) ADS-B報文每秒刷新2次，

RADS-B(x)=[R(nacp)R(nic)R(sic)]2=

(0.975 1×0.978 9×0.966 9)2=

0.851 8=85.18%

(13)

在不考慮WAAS服務及通信性能影響時，捷克理工大學所用ADS-B地面站所需性能的估計值為92.29%。由式(9)、式(10)和式(12)結果所示，通過報文方式實現監視，各類ADS-B地面站所需性能不一，但均未能達到圖7要求的99.9%。

ADS-B運行依托衛星導航，其應用需考慮WAAS服務影響。圖13所示為美國FAA公布的每日實時廣域增強系統覆蓋區域服務狀態[22]，其中HPL為水平保護限值。

圖13 北美地區空域具有廣域增強實時覆蓋圖

可見，僅北美地區空域有WAAS服務且等級最高，亞歐非地區沒有覆蓋服務，故3.5節估算中令KWA=1不合適，即KWA的實際數值要小于1，且標示1 090 MHz通信鏈路狀態的KC也要小于1。因此，再考慮上述因素及系統初始可用性時，式(9)、式(10)和式(12)計算結果都將更小，都無法達到ICAO的Doc9684[23]關于應答檢測概率99%和圖7所示可用性要求。

4 結 論

通過對2個ADS-B地面站接收到的近2億條ADS-B報文數據項統計分析結果，并利用構建的ADS-B系統監視所需性能模型，估算了2個ADS-B地面站以及捷克理工大學所用ADS-B地面站的所需性能參數，結論如下：

1) 測試空域ADS-B報文NUCP指標統計分布峰值基本出現于NUCP=7時，且NUCP=6和NUCP=7兩項之和都超過95%，但漏點率仍以較高概率出現。

2) 在缺少WAAS服務下，ADS-B監視所需性能會下降。與具有WAAS服務的美國空域相比，航跡偏離程度大且間斷明顯增多。

3) 默認WAAS服務存在，1#和2# ADS-B站以及捷克理工大學的監視所需性能均未達到圖7所示可用性的要求。

4) ADS-B報文中數據項較多，是導致ADS-B監視所需性能下降、未能達到圖7所示可用性要求的主要原因之一。

5) ATC系統單位刷新周期內ADS-B報文的廣播次數或者報文重復率增多，未能有效提升ADS-B監視所需性能。

6) 單純提升NUCP指標或NACP指標，對ADS-B監視系統性能的提升效果有限。

綜上所述，ADS-B系統監視性能各異，同時ADS-B監視系統在獨立承擔空中交通管制所需的空域監視性能方面需要進一步提升。建議與其他監視手段配合實現管制空域的可靠、連續、無縫監視。

致 謝

本論文中部分航跡數據采集工作得到團隊成員汪瀚淼、楊琳和曹雅茹等研究生的協助，特此感謝。