S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘? 要： 為了提升S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)在空管自動化系統(tǒng)的利用效率和運行穩(wěn)定性，提出一種基于αβγ的航跡濾波算法和相關S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)處理與解析的算法模型。主要研究報文關鍵數(shù)據(jù)項的解析，利用算法模型進行監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和航跡平面投影。依據(jù)所研究的算法，設計了一款S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多路監(jiān)視源信道的接入，能實時分析數(shù)據(jù)質(zhì)量，統(tǒng)計相關誤碼率，具備真實反映目標航跡運動態(tài)勢等功能。實驗結果表明：該系統(tǒng)工程實現(xiàn)較為簡潔，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，能協(xié)助技術維護人員及時發(fā)現(xiàn)S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源的異常情況，為推動S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)廣泛應用提供了一種可行、有效的監(jiān)測方式，在空管單位或地方塔臺具有一定的應用價值。

關鍵詞： 自動化系統(tǒng);S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源;質(zhì)量分析;航跡解析;功能實現(xiàn)

中圖分類號： TP391.9 ???文獻標識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.047

本文著錄格式：陳愷. S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（07）：228-234

Design and Implementation of Quality Analysis System for Mode S Monitoring Data

CHEN Kai

（Guangxi Sub-bureau of Central South Air Traffic Management Bureau of CAAC， Nanning， Guangxi 530000， China）

【Abstract】： In order to improve the utilization efficiency and operational stability of Mode S monitoring data in air traffic control automation system， an algorithm model based on alpha-bet-gama trace filtering algorithm and related Mode S monitoring data processing and analysis is proposed. The analysis of key data items in the message is studied， and the algorithm model is adopted to monitor the quality of data and the flight plane projection. According to the algorithm studied， an air traffic control Mode S monitoring data quality analysis system is designed， which supports the access of multiple monitoring source channels， can analyze the data quality in real time， statistics related error rate， and has the functions of truly reflecting the movement of the target trail. The experimental results show that： The engineering of this system is more concise， has good stability and robustness， can assist technical maintenance personnel to find the abnormality of Mode S monitoring data source in time， as well as provides a feasible and effective monitoring method for promoting the wide application of Mode S monitoring data， suggesting a certain application value in air traffic control units or local towers.

【Key words】： ATC; Mode S; Quality analysis; Track analysis; Function realization

0? 引言

中國民航S模式應用是當前民航領域研究熱點，基于S模式的監(jiān)視源設備主要包括S模式雷達、多點定位系統(tǒng)以及ADS-B地面站等設備，S模式技術在空管中的應用將對航空器安全運行將提供更為有力的支持手段。主要可以解決以下問題：（1）航空器識別問題：S模式應答機具備24位地址編碼可有效解決目前A/C雷達識別錯誤、自動化系統(tǒng)相關錯誤等問題;（2）雷達信號質(zhì)量問題：S模式應用可以大大提高信號的干擾和串擾的解碼能力，減少雷達假目標的產(chǎn)生，高度信息和編碼信息的識別更準確^[1]。（3）飛行意圖監(jiān)控問題：S模式可以監(jiān)控航空器的水平意圖，如航向、空速等意圖信息^[2];（4）地空情景意識問題：航空器的姿態(tài)信息、QNH設定、TCASRA信息等可以通過S模式數(shù)據(jù)鏈下送出來，可以提供給管制員進行提示及參考，共享空地情景意識。

鑒于S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)的優(yōu)越性，目前國內(nèi)空管自動化系統(tǒng)普遍引接S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)進行航跡融合，在實現(xiàn)航空器高精度下行數(shù)據(jù)鏈（DAPS）傳輸?shù)耐瑫r，也帶來S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源信號質(zhì)量監(jiān)測的困難。任意一路S模式監(jiān)視源的異常數(shù)據(jù)輸出均會導致自動化系統(tǒng)出現(xiàn)融合航跡目標分裂、位置和高度跳變，以及產(chǎn)生假目標，這些異常情況會嚴重影響現(xiàn)場管制對航空器的實時指揮。

因此，如何準確有效地分析和評估S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)源信道傳輸質(zhì)量成為當前民航系統(tǒng)比較重要的課題，特別適用于S模式監(jiān)視源傳輸時所要求的高速率、時效性。基于上述原因，一套能對監(jiān)視信號進行實時分析、評估與顯示，使用戶最終得到一個能夠客觀反映監(jiān)視信號質(zhì)量分析結果的軟件系統(tǒng)對于提升空管設備保障力度和飛行安全裕度極為重要。

1 ?系統(tǒng)實現(xiàn)方法與整體結構

本設計基于JAVA和Swing技術，采用C/S開發(fā)框架和模塊化的程序設計思想，將系統(tǒng)劃分為以下幾個主要部分：（1）數(shù)據(jù)接收模塊;（2）監(jiān)視數(shù)據(jù)校驗參數(shù)設置模塊;（3）監(jiān)視數(shù)據(jù)格式解析與處理模塊;（4）監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模塊;（5）實時告警模塊;（6）航跡目標態(tài)勢顯示模塊;（7）記錄與回放模塊。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)關鍵算法研究與設計

2.1 ?航跡濾波算法

alpha-bet-gama濾波（αβγ濾波）是一種可用于狀態(tài)估計、數(shù)據(jù)平滑的濾波器，在位置x、速度v的基礎上引入加速度a^[3]，特別適用于航空器飛行的剖面模型。αβγ濾波的形式和kalman濾波相近，但是其最突出的優(yōu)點是它不依賴系統(tǒng)的具體模型，在工程實現(xiàn)上適用于單路監(jiān)視源的航跡跟蹤處理。 其模型如下：

2.2 ?監(jiān)視數(shù)據(jù)解析算法

通常一個監(jiān)視數(shù)據(jù)報文可以包含一個或多個航跡目標的數(shù)據(jù)塊，各個數(shù)據(jù)塊可以屬于不同的種類。一個數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)種類（CAT）、數(shù)據(jù)長度（LEN）以及若干個記錄所組成。每一個記錄由可變字長（FSPEC）和航跡數(shù)據(jù)項所組成，其數(shù)據(jù)幀結構如圖3所示^[6]。

本設計需要解析不同種類和不同狀態(tài)的監(jiān)視數(shù)據(jù)報文，可根據(jù)CAT和FSPEC為標志位進行監(jiān)視數(shù)據(jù)解析，具體流程如下：

（1）根據(jù)CAT定義該數(shù)據(jù)報文為航跡目標數(shù)據(jù)報文還是服務質(zhì)量報文（如CAT=048為S模式雷達數(shù)據(jù)報文;CAT=034為S模式雷達服務報文等）;

（2）目標可能出現(xiàn)的所有FSPEC標志位定義，并在接收初始單路監(jiān)視航跡數(shù)據(jù)幀時采用冒泡排序法按從小到大對FSPEC標志位出現(xiàn)位置進行排序，并依次存入排序數(shù)組Array，記錄初始航跡數(shù)據(jù)幀的長度Length;

（3）在解碼子函數(shù)中對不同F(xiàn)SPEC標志位的目標進行數(shù)據(jù)解析，獲取目標的航跡信息;

（4）然后將Array[0]所存儲的標志位與FSPEC字符標志位進行比對，進入對應的目標解析函數(shù)隊列，并以本次FSPEC字符出現(xiàn)位置前的固定初始位置進行目標數(shù)據(jù)解碼;

（5）本次目標數(shù)據(jù)解析完畢后，將已解析的目標數(shù)據(jù)包丟棄，按下一個FSPEC字符出現(xiàn)位置前的固定初始位置截取余下數(shù)據(jù)包，組成新的航跡數(shù)據(jù)幀長度Length;

（6）重復（1）至（5）步驟，直至數(shù)據(jù)幀長度Length小于vsp設定值。

2.3 ?監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量對比算法

系統(tǒng)需要評估監(jiān)視數(shù)據(jù)的質(zhì)量主要包含以下內(nèi)容：

（1）雷達信號幀格式的有效性，包括幀長度、CRC 校驗等，判斷其是否出現(xiàn)錯誤;

（2）雷達正北信息和扇區(qū)信息的有效性、連續(xù)性及時效性;

（3）目標航跡超過作用距離的位置跳變、SSR 跳變、高度跳變、航向跳變、假目標等。

2.3.1? 扇區(qū)丟失計算

雷達服務報文主要包含正北和扇區(qū)信息，系統(tǒng)首先分析I002/000字段，若字段數(shù)值為001，則為正北報;為002，則為扇區(qū)報。一般一個雷達周期可分為16扇或32扇，為了便于說明，假設雷達扇區(qū)等于32，因此，從0度開始編號，每個扇區(qū)為11.25度，雷達在正常轉(zhuǎn)速下每轉(zhuǎn)到11.25度就會發(fā)送一份扇區(qū)報文，I002/020字段為發(fā)送該份扇區(qū)報所屬扇區(qū)號，I002/030字段為該路雷達發(fā)送報文的時間戳。因此，判斷扇區(qū)連續(xù)性的關鍵要素是扇區(qū)號和報文的發(fā)送時間是否保持連續(xù)性。

2.4 ?監(jiān)視數(shù)據(jù)目標顯示算法設計

監(jiān)視數(shù)據(jù)目標顯示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(tǒng)判定出最新接收到的目標信息與上個周期系統(tǒng)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，系統(tǒng)將刷新此目標的狀態(tài)描述，更新MMI界面的目標信息，否則系統(tǒng)將根據(jù)此次目標信息建立一個新的航跡目標^[8]。

航跡目標WGS-84坐標系需要經(jīng)過高斯投影^[9]轉(zhuǎn)成平面坐標系，其部分核心代碼如下所示。在進行系統(tǒng)處理中心為原點的直角坐標系投影時，可將航跡MMI顯示等效為一個畫布，畫布最小顯示元素定義為航跡目標可移動的最小單位，為了保證航跡位置經(jīng)過濾波平滑處理后在MMI界面顯示的連續(xù)性，需要將處理后的平面投影航跡位置數(shù)據(jù)類型定義成double型。當監(jiān)視數(shù)據(jù)解析模塊處理相同航跡號（TrackID）時，系統(tǒng)首先進行航跡位置空間窗和航跡信息（SSR、速度等）相似度確認，確認無誤后，進而修正同一目標的航跡信息。利用JAVA編程語言的HashMap表^[10]存儲最新航跡數(shù)據(jù)信息，后臺線程每2秒自動刷新航跡表，使用drawOval（）和drawString（）函數(shù)進行目標航跡MMI界面繪制，并調(diào)用repaint（）模塊進行航跡畫布重繪，實現(xiàn)航跡目標的動態(tài)顯示。

public Point LatAndLonToXY（Lon L0， Lat Latitude， Lon Longitude）

{

double oriPoint_L =GeoPoint（L0.Degree，L0.Minute， L0.Second）;

double e = Math.sqrt（1-Math.pow（small_b/small_a， 2））;

double e1 = Math.sqrt（Math.pow（small_a/small_b， 2）-1）;

double M = GetM（e，curfixPoint_B）;

double N = small_a/Math.sqrt（1-Math.pow（e，2）*

Math.pow（Math.sin（curfixPoint_B），2））;

double x = FN+k0*（M+ N*Math.tan（curfixPoint_B）*（Math.pow（Big_A，2）/2 + （5-T+9*C+4*Math. pow（C，2））*

Math.pow（Big_A，4）/24） + （61-58*T+Math.pow（T，2）+ 600*C-330*Math.pow（e1，2））*Math.pow（Big_A，6）/720）;

double y = FE+k0*N*（Big_A+（1-T+C）*Math. pow（Big_A，3）/6+ （5-18*T+Math.pow（T，2）+72*C-58* Math.pow（e1，2））*Math.pow（Big_A，5）/120）

Point p = new Point（（int）y，（int）x）;

return p;

}

3? 實驗結果與分析

按照上述設計方案和算法原理研制了基于JAVA的空管S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分析當前主流雷達格式（含S模式）數(shù)據(jù)和ADS-B數(shù)據(jù)。圖6是監(jiān)視數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主界面，該系統(tǒng)通過接收外部監(jiān)視數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如MPCS802雷達同步串口轉(zhuǎn)換器）的UDP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，可最多同時支持16信道監(jiān)視數(shù)據(jù)實時分析，分析結果通過統(tǒng)計方式呈現(xiàn)給用戶。其主要功能為：

（1）當系統(tǒng)正常接收外部UDP監(jiān)視數(shù)據(jù)時，接收模塊不斷刷新接收界面;

（2）監(jiān)視數(shù)據(jù)出錯統(tǒng)計表實時統(tǒng)計某路監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析項：包含信號中斷情況、延時情況、格式錯誤、CRC 錯誤、正北/扇區(qū)丟包情況、目標數(shù)量、最遠覆蓋距離、二次代碼/高度的有效性/交織率、目標連續(xù)更新率等;

（3）航跡信息選擇表則顯示被選擇監(jiān)視源的目標數(shù)據(jù)解析情況，包含航跡目標的航跡號、坐標、速度、航向角等，使用戶直觀掌握目標航跡關鍵信息的解析情況;

（4）提供包含信號中斷、CRC、幀長度錯誤、格式錯誤等異常告警;具備正北報文、扇區(qū)跨越報文丟失統(tǒng)計功能，并用來參考估計鏈路丟包情況;具備 SAC/SIC、二次代碼、高度、位置等重要數(shù)據(jù)的跳變監(jiān)控功能;

圖8和圖9分別為采用本文所提出濾波算法和未采用濾波算法的航跡對比圖。從圖8可知，目標航跡的歷史點跡平滑，速度矢量線擺動較小，未出現(xiàn)明顯的航跡斷續(xù)現(xiàn)象;圖9中航跡出現(xiàn)斷續(xù)，歷史點跡之間的間隔大小不相同，并出現(xiàn)明顯的航跡矢量線擺動。

4 ?結語

本文研究了監(jiān)視數(shù)據(jù)處理方法，給出了詳細的計算模型和設計思路，依據(jù)所研究的算法，設計了基于JAVA的S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性，現(xiàn)已在民航廣西空管分局投產(chǎn)使用，用戶體驗良好，能有效協(xié)助技術維護人員實時分析已接入自動化系統(tǒng)的S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)源質(zhì)量情況，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)視信號源的異常情況。后期將繼續(xù)研究如何監(jiān)測S模式監(jiān)視數(shù)據(jù)增強型DAPS下行數(shù)據(jù)，如機組選擇高度、QNH設定、TCASRA等信息的完整性和正確性，并結合實際應用，進一步完善系統(tǒng)的附加功能。

參考文獻

<！--[if ！supportLists]-->[1]?????? <！--[endif]-->都佰勝， 王旭輝. 航管S模式雷達中的導前檢測技術[J]. 民航學報， 2018， 2（03）： 37-40.

<！--[if ！supportLists]-->[2]?????? <！--[endif]-->萬世昌. 基于HDFS跟蹤的雷達控制系統(tǒng)魯棒性增強技術[J]. 計算機測量與控制， 2019， 27（12）： 75-78.

<！--[if ！supportLists]-->[3]?????? <！--[endif]-->李志國， 李旭明， 王運鋒.

一種改進的擴展卡爾曼濾波[J].

現(xiàn)代電子技術， 2016， 39（02）： 9-11.

<！--[if ！supportLists]-->[4]?????? <！--[endif]-->李毅， 李珊珊. 應用勒貝格積分和卡爾曼濾波的移動目標檢測跟蹤算法[J]. 現(xiàn)代電子技術， 2018， 41（23）： 62-66+71.

<！--[if ！supportLists]-->[5]?????? <！--[endif]-->許文君. 空管自動化系統(tǒng)及數(shù)據(jù)融合方法研究[D]. 南京郵電大學， 2019.

<！--[if ！supportLists]-->[6]?????? <！--[endif]-->朱海波， 張軍峰， 劉杰， 等. 民用航空器四維航跡預測技術綜述[J]. 航空計算技術， 2017， 47（02）： 54-58.

<！--[if ！supportLists]-->[7]?????? <！--[endif]-->華煒. 淺析標準雷達數(shù)據(jù)格式ASTERIX[J]. 民航科技， 2001， 2： 14-18.

<！--[if ！supportLists]-->[8]?????? <！--[endif]-->李璐. 某型空管二次雷達顯示軟件設計與實現(xiàn)[D]. 電子科技大學， 2017.

<！--[if ！supportLists]-->[9]?????? <！--[endif]-->C.F.高斯. 算術探究英文版[M]. 北京： 世界圖書出版公司， 2016： 135-143.

<！--[if ！supportLists]-->[10]??? <！--[endif]-->李剛. 瘋狂Java講義[M]. 5版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2019： 93-94.

<！--[if gte vml 1]> <！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->