A-SMGCS在機場的應用研究

干浩亮，吳世桂，陳 龍，宋 凱，王盈君遙，韓澤宇

（重慶機場集團有限公司，重慶 401120）

0 引言

中國經濟的高速增長促進了中國民航業的快速發展，各地機場起降航班流量迅猛增加。航班流量的增加使航空運輸保障部門承受了很大的壓力，而民航運輸機場作為整個航空運輸鏈條的重要環節，其場面的運行保障水平直接影響著飛行安全和效率。目前我國大型樞紐機場已形成了多條跑道和多座航站樓同時運行的復雜格局。機場飛行區內跑道、滑行道和聯絡道布局也日趨復雜，此外機場場面內飛行器和作業車輛的活動也日益頻繁，地面運行十分繁忙，如何有效提升管制人員對機場場面活動目標的監視能力，降低安全隱患，成為機場場面監視亟待解決的問題。

目前，在低能見度、機場場面布局復雜和交通密度大情況下，為了實現機場場面自動化管理，增大機場地面容量，一種新型的具有劃時代意義的系統——高級地面活動引導和控制系統（Advanced Surface Movement Guidance Control System ，A-SMGCS）已經在世界各國機場廣泛應用[1]。A-SMGCS 通過對多點定位（Multilateration，MLAT）、場面監視雷達（Surface Movement Radar，SMR）、廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）等信息進行融合及識別，為管制員提供全面的機場場面態勢感知能力。同時，系統提供跑道入侵、場面目標危險接近、禁區闖入、違反管制指令等危險交通活動的及時預警，為管制員做出正確、高效管制決策服務，從而在不降低機場運行安全性前提下，顯著地增強機場運行效率和機場容量[2]。

1 機場場面監視技術現狀

現在使用的機場場面監視技術主要有SMR、ADS-B和MLAT 系統。

1.1 SMR 系統

SMR由發射機、接收機、信號處理機、終端設備以及天線等部分組成。SMR 連續不斷地發射脈沖信號，接收機在間隔時間接收到脈沖信號，并利用發射脈沖與回波信號之間的間隔時間，達到測定目標距離和方位的目的。使用SMR對機場場面上的航空器和保障車輛進行監視，一定程度上緩解了管制員、飛行員和車輛駕駛員的安全壓力，但是SMR是一次雷達，在使用中存在幾個問題：

（1）不能直接確定飛機識別代碼；

（2）由于信號傳播多徑效應，產生的假目標較多；

（3）由于機場建筑物遮擋，存在盲區；

（4）工程造價高，維護成本高。

1.2 ADS-B系統

ADS-B是未來民航空管監視技術發展的主要方向，已成為國內空中交通管制運行中的重要監視設備。ADS-B已經被證明是傳統雷達的低成本替代品，它可以讓飛行員和空中交通管制員以更高的精度“看到”和控制飛機。與雷達不同的是，具有ADS-B功能的飛機使用一個普通的全球導航衛星系統接收器從全球導航衛星系統星座獲得其精確位置，然后將該位置與航班信息相結合，例如速度、航向、高度和航班號。這些信息隨后被同時廣播到其他具備ADS-B功能的飛機、ADS-B地面站或衛星通信收發器，然后這些收發器將飛機的位置和附加信息實時轉發給空中交通管制中心，ADS-B監視系統架構如圖1所示。另外，與雷達不同的是，ADS-B的精度不會隨距離、大氣條件或目標高度而嚴重降低，更新間隔也不取決于機械天線的轉速或可靠性。ADS-B系統在使用中存在以下缺點：

（1）當前不是所有飛機都配備ADS-B應答機；

（2）由于其依賴全球導航衛星系統對目標進行定位，所以ADS-B本身不具備對目標位置的驗證功能，如果航空器給出的位置信息有誤，地面站設備（系統）無法辨別；

（3）ADS-B信號容易受到干擾欺騙。

1.3 MLAT 系統

MLAT 技術是一項已經應用了幾十年的成熟技術。它最初是為軍事目的而開發的，目的是通過一種稱為到達時差（TimeDifferenceof Arrival，TDOA）的方法精確定位飛機，因為許多軍事飛機并不希望被監視到。MLAT系統在機場區域布設多個遠端接收站，這些遠端接收站監聽飛機機載設備的“應答”信號，由于各飛機與各地面接收站的距離不同，各地面站在不同的時間收到它們的“應答”信號。采用現代計算機處理技術，利用這些到達時間差可以精確計算飛機的位置。MLAT系統不需要額外的機載航空電子設備，因為它使用模式A/C和S應答機以及軍用敵我識別和ADS-B應答機的應答，其監視原理如圖2所示。但是MLAT 系統也面臨一些待解決的問題：依賴機載電子設備，對傳輸依賴較大，需要大量的站點。

2 A-SMGCS關鍵技術

隨著SMR、ADS-B和MLAT系統逐漸在世界各地機場推廣使用，這些技術手段有效提升了管制人員對機場場面活動目標的監視能力，但是單一的監視手段在實際應用總是存在一些不足之處，未來的場面監視技術應該具備以下能力：

（1）能在低能見度條件下提供連續、完整的場面目標監視；

（2）能提供豐富的監視信息；

（3）能提供沖突預警和告警；

（4）具有更高的精度和安全性。

為解決該問題，A-SMGCS技術應運而生。A-SMGCS系統能夠接入ADS-B、MLAT、SMR等多種傳感器監視數據并進行融合、識別處理；能夠對跑道入侵、滑行道沖突、禁區闖入等典型沖突場景進行沖突檢測與告警；系統提供友好的人機交互接口方便管制員對場面態勢的查看、限制區域的編輯、飛行進程單的操作，使管制員得到翔實的機場場面態勢信息，從而輔助管制員快速地做出管制決策。系統組成及數據流如圖3所示。

2.1 監視數據處理

監視數據處理是A-SMGCS 系統一個基本功能，通過對監視傳感器數據（SMR、MLAT、ADS-B等）進行處理實現對飛機或車輛的定位和識別，讓管制人員能夠獲得目標的實時態勢信息，包括監視數據預處理和融合處理[3]。

2.1.1 監視數據預處理

（1）監視數據的接入和解析。A-SMGCS系統能夠接入并處理SMR、二次雷達、ADS-B、MLAT等點跡、航跡數據以及點航跡混合數據，可以處理的數據格式包括ASTERIX協議的CAT10、CAT21、CAT34等和MH/T-4008的001、002、003等。系統解碼程序能根據報文協議格式，將報文數據解碼成為目標對象。處理后的目標對象包含數據源識別信息、目標識別信息、時間信息、位置信息、位置精度信息、狀態信息和錯誤/告警信息等。

（2）異常數據處理。系統具有處理異常數據的功能，單個傳感器輸入的異常數據對系統航跡不產生影響。系統檢查輸入數據的長度編碼、區域和系統識別碼，對編碼錯誤的數據和非法數據進行過濾；檢查數據的關鍵數據項，如位置、C模式高度、速度、雷達二次應答機編碼有效性等，對于不合格數據進行過濾處理；對雷達數據、ADS-B數據關鍵項進行實時檢查時參考飛行器性能以及ICAO相關標準，當接收到的數據項值超過上述范圍后，系統會將該項數據置為無效。

（3）數據坐標轉換。由于各個監視傳感器沒有統一的坐標系基準，不同監視傳感器數據測得的目標位置數據都在各自坐標系中。場面監視雷達采用的是以雷達自身為原點的極坐標系下的斜距、方位角和仰角。ADS-B 目標位置采用WGS-84 坐標系的經緯度，MLAT 目標位置采用該系統參考點為原點的笛卡爾坐標系。為了對各路監視數據進行處理，系統會將各傳感器得到的目標位置信息統一轉換到WGS-84 大地直角參考坐標系中，以便于后續的數據融合處理。監視數據預處理流程如圖4 所示。

2.1.2 監視數據融合

監視數據融合系統包括對監視數據預處理后的各類數據（SMR 數據、ADS-B 數據、MLAT 數據）的融合處理、航跡動態跟蹤、初始航跡抑制、目標識別等功能。

（1）航跡關聯。系統通過對各傳感器航跡數據的識別信息、位置、速度、加速度、目標大小等特征信息的處理，實現場面近距離目標間航跡關 聯[4]。協作式監視源（如ADS-B 和MLAT）航跡關聯首先依據目標監視信息中的識別信息判斷是否為同一目標。識別信息包括目標24 位地址碼、二次代碼、呼號、目標類型等，若識別信息不同則判斷為不同航跡，若識別信息一致，則計算航跡間一定時間內的間距，若距離小于設定的閾值，則判斷為同一航跡。非協作式監視源（如SMR）關聯主要依據目標的位置、速度、加速度等信息判斷是否為同一目標的航跡。

（2）航跡融合。在A-SMGCS 系統中，航跡融合作為一個非常有力的多源數據處理工具，將來自SMR、ADS-B 和MLAT 等多個監視傳感器的數據進行融合，獲得比單一監視傳感器更精確和完整的目標監視信息，從而提供管制人員機場場面的全面交通態勢信息。航跡融合通過構建目標狀態矢量的動力學模型和觀測模型，采用多種數據濾波算法，對多路監視傳感器的數據進行融合，生成系統綜合航跡信息[5]。綜合航跡充分利用了各個監視傳感器數據的互補性和冗余性，較單一傳感器的航跡更為精確和穩定。

2.2 飛行數據處理

飛行數據處理功能主要實現了接收和處理AFTN 電報、同步ATC 計劃、人工創建計劃、維護計劃的整個生命周期，飛機計劃與航跡相關、管制的移交和協調、管制扇區的管理等。

2.2.1 民航電報處理

系統自動接收電報后，首先對報文進行驗證，過濾重復或過期的報文，避免系統負荷加大。然后將有效電報保存到數據庫中，并可以供實時顯示、查詢。系統在對報文類型進行識別后，按照行業固定電報格式標準進行報文的解析，提取出航班狀態、起飛機場、落地機場、航班號等重要信息，以此來創建或更新飛行計劃。在對報文進行解析時，如果發現報文的格式錯誤或缺少對應的基礎信息，則會給出相應的錯誤告警提示，對錯誤報文或不完整報文，用戶可以進行修改，并將處理正確的報文按標準格式對外輸出并保存。

2.2.2 飛行計劃處理

系統將依據重復性飛行計劃和接收到的實時飛行電報，自動生成系統飛行計劃。飛行計劃生成后，系統根據接收到的報文或人工修改的數據以及飛行所處的階段自動管理飛行計劃狀態。飛行計劃狀態包括將來、準備、激活、結束、取消等。飛行計劃處理功能主要處理重復性飛行計劃、次日飛行計劃、當日飛行計劃以及執行的飛行計劃，并接收監視數據處理系統發過來的綜合航跡自動更新飛行計劃的狀態和飛行計劃內的機型、預計起飛時間、飛行規則等信息。系統將處理過的飛行計劃信息分發給有關用戶席位進行飛行計劃列表顯示、飛行計劃航跡顯示、電子進程單顯示、紙質進程單打印，進行飛行沖突探測以及進行管制中心和扇區之間的管制移交。

2.2.3 飛行計劃與航跡相關

飛行計劃與航跡相關即為航跡掛標牌，系統實時接收綜合航跡，并查找匹配的飛行計劃，一旦航跡與飛行計劃相關，則飛行計劃信息就會顯示在綜合航跡上，管制人員就可以直觀查看所管制航跡的飛行計劃。飛行計劃與航跡相關按照如下順序和優先級進行計算：

（1）S 模式雷達或ADS-B 信息中24 位地址碼；

（2）相同的二次代碼。如果航跡中不存在呼號信息，二次代碼將被用于相關；

（3）相同的航班號。如果航跡中存在航班號信息，該信息將與飛行計劃中的航班號信息進行比較，通過航跡與飛行計劃中的航班號相關。

為了保證自動相關不發生錯誤，并在此條件下盡量提高系統的自動相關率，系統主要考慮了以下四種因素：

（1）計劃航跡與真實航跡的時間偏差；

（2）計劃航跡與真實航跡的速度偏差；

（3）計劃航跡與真實航跡位置誤差；

（4）計劃航跡與真實航跡的方向偏差。

3 A-SMGCS 在重慶機場中的應用

目前重慶機場有T1、T2 和T3A 三座航站樓和三條跑道，成為國內第四家具有三條跑道同時運行機場。飛行區內有停機位174 個，其中近機位92個，遠機位92 個；平行滑行道9 條，東西區垂直聯絡滑行道9 條，垂直跑道穿越道22 條，快速脫離道23 條，場面布局十分復雜。此外重慶機場特有的跑道布局，使機場場面運行更加復雜，即第一跑道、第二跑道間隔較小，兩條跑道同時運行時只能一條負責起飛，另一條負責降落；第三跑道與第二跑道（第一跑道）為獨立平行運行跑道，可以同時負責飛機的起降。T3A 航站樓U 型機坪增加了場面運行的復雜性且高大建筑物遮擋管制視線，這些都對重慶機場的場面運行效率、安全水平、容量造成極大的壓力。

A-SMGCS 系統在重慶機場建成投用后，通過引接多種場面監視傳感器數據，處理并融合可得到高精度的目標定位，通過自動/人工識別，可將目標與飛行計劃相關，使管制員得到翔實的機場交通態勢信息，而有效地避免場面活動目標沖突的發生，顯著地增強管制員對場面交通態勢的感知能力。同時，重慶機場A-SMGCS 系統不是一個孤立的系統，該系統可作為重慶機場現有場面監視技術手段的有效補充，可實現場面運行狀態展示、數據分析及報警，重慶機場各運行保障單位使用“一張圖”共同構建統一機場場面活動與調度系統，從而全面提升重慶機場場面的運行效率和安全管理水平，降低航班延誤，減少飛機滑行時間。

4 結語

目前，民用運輸機場被認為是空中交通管制自動化管理的薄弱環節，機場航班延誤造成空中交通管制的總體延誤。民航業的迅猛發展，巨大航班量對機場場面運行造成機場擁堵、航班延誤，場面交通安全風險極大。因此，最大限度地提升機場場面監視和控制能力顯得尤為重要。重慶機場A-SMGCS 系統利用信息化技術，通過對現有的場面監視傳感器數據（SMR、MLAT 和ADS-B 等）集成和處理，實現對機場場面航空器和保障車輛等運動目標的自動化監視，能夠顯著提升機場的容量，大大提升場面運行的安全保障能力，降低航班延誤和減少航班滑行時間，提高機場的運行管理效率。