空管自動化系統(tǒng)引接ADS-B信號后目標異常問題分析

胡今晶

摘要：伴隨空管自動化行業(yè)的高速發(fā)展，S模式雷達、ADS-B等多種監(jiān)視新技術(shù)廣泛應用，自動化系統(tǒng)已實現(xiàn)多監(jiān)視源的融合，進而實現(xiàn)對單一目標位置的精確計算。因此，對多雷達融合機制的深入研究，有助于自動化系統(tǒng)運行維護人員快速分析日常運行問題。本文結(jié)合運行實際，闡述了對ADS-B原始數(shù)據(jù)中位置信息的解析以及西安區(qū)域管制中心所轄主備用自動化系統(tǒng)多雷達融合處理中航向數(shù)據(jù)的融合機制，希望對航跡融合問題的深入排查分析提供有力幫助。

關(guān)鍵詞：空管自動化系統(tǒng);多雷達融合;航向融合;異常現(xiàn)象;監(jiān)視數(shù)據(jù);目標航向。

1 ADS-B系統(tǒng)原理

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是國際民航組織確定的未來主要監(jiān)視技術(shù)。ADS-B 基于衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信，提供了更加安全、高效的空中交通監(jiān)視手段，能有效提高管制員和飛行員的運行態(tài)勢感知能力，擴大監(jiān)視覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運行效率。

ADS-B的工作原理是通過機載系統(tǒng)導出飛機定位的四維位置信息（包括經(jīng)度、緯度、高度和時間）以及其他的必要飛行參數(shù)，地面基站通過對接收的報文信息進行解析，并將位置和高度信息實時在監(jiān)視器上顯示，從而實現(xiàn)對飛機動態(tài)的實時監(jiān)視。它是集現(xiàn)代最先進的數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星導航和監(jiān)視技術(shù)千一體的新一代航行系統(tǒng)的先進技術(shù)，主要用于空中交通管理對航空器飛行動態(tài)的跟蹤監(jiān)視，其工作原理如圖所示1.1所示。

ADS-B系統(tǒng)是一種雙向數(shù)據(jù)鏈的廣播監(jiān)視系統(tǒng)，不僅用于空對地的下行通信鏈路，下傳飛機位置報告，而且也能實現(xiàn)飛行員同管制員之間直接雙向數(shù)據(jù)通信和上傳飛行報文信息。裝備 ADS-B設備的飛機，依靠機載導航設備全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和其他機載信息源（如慣性導航系統(tǒng)等）獲取自身位置、速度等信息以及其他飛行所需信息，并通過數(shù)據(jù)鏈周期性地向周邊自動廣播出去，供外界對其進行監(jiān)視。同時，該系統(tǒng)也能接收鄰近目標飛機的廣播信息，使得飛行員能更好地了解空中附近其他飛機的飛行動態(tài)，并自主地保持合適的安全間隔，能有效地保障飛機的飛行安全和防止目標飛機的非法入侵。

2 主備用自動化系統(tǒng)多雷達融合航向信息融合機制

空管自動化系統(tǒng)是以計算機為核心，實現(xiàn)對雷達、飛行計劃、氣象等信息的自動化處理系統(tǒng)。通過人機交互界面為管制員提供對整個管制區(qū)內(nèi)飛行活動的監(jiān)視、預測和告警信息，從而大大提高了空域的使用效率，增強了空中飛行的安全度，減輕了管制員的工作負荷。空管自動化系統(tǒng)的核心是多雷達航跡融合與飛行計劃處理。

西安區(qū)管主用INDRA自動化系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理模塊設有MAIN組和FALLBACK組。其中每組配置兩臺RDCU服務器，用于進行監(jiān)視數(shù)據(jù)前端處理，每臺RDCU負責處理一路監(jiān)視原始數(shù)據(jù);配置兩臺SDP，熱備份互為冗余。MAIN組采用卡爾曼濾波，F(xiàn)ALLBACK組采用α-β濾波方法。

備用民航二所自動化系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理模塊設有兩臺SDFP服務器，進行監(jiān)視數(shù)據(jù)前端處理，兩臺MSDP服務器，進行監(jiān)視數(shù)據(jù)融合處理，一臺BSDP服務器，進行監(jiān)視數(shù)據(jù)旁路處理。民航二所自動化系統(tǒng)對各監(jiān)視源接入的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)處理，確定同一個航跡的所有數(shù)據(jù)源，并為它們分配相同的系統(tǒng)航跡號。相關(guān)條件為：相同應答機編碼、且距離、航向差、高度差、速度差均小于配置文件中的相關(guān)值。

民航二所自動化系統(tǒng)中，當一個目標可以被多部監(jiān)視源探測到，該目標的位置由探測到它的多個監(jiān)視數(shù)據(jù)共同確定。配置每部監(jiān)視源在各個區(qū)域的靜態(tài)權(quán)重;另外，對單監(jiān)視源目標進行濾波產(chǎn)生的協(xié)方差以及單雷達測試目標偏移量、通道延時可形成動態(tài)權(quán)重。結(jié)合靜態(tài)權(quán)重和動態(tài)權(quán)重，采用加權(quán)融合的方式來確定目標的準確位置。

西安區(qū)管主備用自動化系統(tǒng)航向融合模式為動態(tài)加權(quán)平均算法，即多部探測到該目標的雷達數(shù)據(jù)按照權(quán)重進行累加，最終得到融合航跡的航向數(shù)據(jù)。其中動態(tài)加權(quán)權(quán)重由雷達實時質(zhì)量監(jiān)控結(jié)果，對單雷達目標的跟蹤處理效果，以及單雷達信息與多雷達融合信息的比較結(jié)果所決定。

實時質(zhì)量監(jiān)控由監(jiān)視數(shù)據(jù)前端處理模塊實現(xiàn)，主要包括通道狀態(tài)檢查、幀校驗、服務信息連續(xù)性檢驗、數(shù)據(jù)必備項檢查、測試目標驗證、數(shù)據(jù)項有效性驗證、航跡連續(xù)性檢驗。其中，對動態(tài)權(quán)重有貢獻的主要為通道狀態(tài)檢查和測試目標驗證。

自動化系統(tǒng)融合航跡的位置、航向等信息的刷新周期為4秒，當系統(tǒng)收到對于同一目標、相同雷達源的數(shù)據(jù)時，航向融合參考的數(shù)據(jù)源均為最新一個到達自動化系統(tǒng)的雷達數(shù)據(jù)包。

3 異常現(xiàn)象研究及分析

3.1 異常現(xiàn)象統(tǒng)計

2020年INDRA自動化系統(tǒng)接入ADS-B二級數(shù)據(jù)中心融合信號后，自動化系統(tǒng)SDD界面中，本場起飛航班偶有目標位置跳變等異常現(xiàn)象。截止2021年3月4日，問題統(tǒng)計如表1所示。

技術(shù)人員分別回放INDRA自動化系統(tǒng)和民航二所自動化系統(tǒng)錄像發(fā)現(xiàn)，目標位置跳變期間，可被本場雷神二次、INDRA二次、移動雷達和ADS-B信號多重覆蓋。目標跳變期間，二次雷達融合目標正常顯示在南跑道，ADS-B信號跳變至北跑道，進而造成北跑道落地航班出現(xiàn)錯相關(guān)等異常情況。

3.2 監(jiān)視數(shù)據(jù)排查分析

西安區(qū)管INDRA自動化系統(tǒng)引接的雙路ADS-B信號在負四米機房網(wǎng)絡傳輸設備落地后，接入二層交換機，經(jīng)二層交換機分路后分別傳輸至INDRA自動化系統(tǒng)四臺RDCU監(jiān)視數(shù)據(jù)前端處理服務器。

參照ASTERIX數(shù)據(jù)協(xié)議標準，對發(fā)生航向漂移期間的雷神二次、INDRA二次和移動雷達的ASTERIX原始數(shù)據(jù)進行逐一分析，分析結(jié)果如下：

ADS-B二級數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)分析：

通過對ADS-B二級數(shù)據(jù)中心錄像進行回放，回放發(fā)現(xiàn)問題航班在ADS-B二級數(shù)據(jù)中心的融合ADS-B目標位置自起飛后持續(xù)正常，沿南跑道正常飛行。隨后對ADS-B二級數(shù)據(jù)中心原始數(shù)據(jù)包進行詳細解析。

經(jīng)過對ADS-B二級數(shù)據(jù)中心原始數(shù)據(jù)的分析及與INDRA自動化系統(tǒng)錄像對比，發(fā)現(xiàn)ADS-B二級數(shù)據(jù)中心輸出的ADS-B融合航跡在12：38：44時目標位置位于南跑道（如圖2中的位置A），而INDRA自動化系統(tǒng)SDD終端上該目標顯示在北跑道范圍內(nèi)（如圖2.1中的位置B），初步分析ADS-B二級數(shù)據(jù)中心輸出的ADS-B融合航跡與INDRA自動化系統(tǒng)處理后的ADS-B融合航跡位置不一致[1]。

INDRA自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析：

為進一步確認目標位置跳變產(chǎn)生問題的故障節(jié)點，技術(shù)人員進行了INDRA自動化系統(tǒng)RDCU服務器錄像回放分析。經(jīng)過回放發(fā)現(xiàn)RDCU錄像中位置跳變航班的ADS-B信號自南跑道起飛后，持續(xù)沿南跑道直線飛行進入一邊，未發(fā)生位置跳變現(xiàn)象，分析確認INDRA自動化系統(tǒng)引接的ADS-B融合信號正常，INDRA自動化系統(tǒng)RDCU服務器對ADS-B信號的前端預處理正常，初步判定目標位置跳變原因為INDRA自動化系統(tǒng)SDP服務器多雷達融合處理異常導致[1]。

民航二所自動化系統(tǒng)接收ADS-B原始數(shù)據(jù)包分析：

為進一步確認自動化系統(tǒng)引接的ADS-B數(shù)據(jù)狀態(tài)，技術(shù)人員選取2月23日個別ADS-B原始數(shù)據(jù)包進行解析，同時與民航二所自動化系統(tǒng)多雷達融合處理和顯示結(jié)果進行對比，分析結(jié)果如下：

1）本場離港航班第一個數(shù)據(jù)包

通過對比確認，ADS-B原始數(shù)據(jù)包中航班號、24位地址碼、二次代碼、目標飛行高度、速度、航向、位置信息與自動化系統(tǒng)SDD終端顯示均一致。

2）離港航班飛行高度3000米時的數(shù)據(jù)包

通過對比確認，ADS-B原始數(shù)據(jù)包中航班號、24位地址碼、二次代碼、目標飛行高度、速度、航向、位置信息與自動化系統(tǒng)SDD終端顯示均一致。

3）飛越航班飛行高度9000米時的數(shù)據(jù)包

通過對比確認，ADS-B原始數(shù)據(jù)包中航班號、24位地址碼、二次代碼、目標飛行高度、速度、航向、位置信息與自動化系統(tǒng)SDD終端顯示均一致。

4）本場進港航班最后一個數(shù)據(jù)包

通過對比確認，ADS-B原始數(shù)據(jù)包中航班號、24位地址碼、二次代碼、目標飛行高度、速度、航向、位置信息與自動化系統(tǒng)SDD終端顯示均一致[1]。

3.3 目標航向漂移原因分析及改進建議

3.3.1 原因分析

通過對各高度層、多種飛行姿態(tài)航班的ADS-B原始數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)ADS-B二級數(shù)據(jù)中心輸出至自動化系統(tǒng)的ADS-B原始數(shù)據(jù)中航班號、24位地址碼、二次代碼數(shù)據(jù)等目標識別信息與自動化系統(tǒng)處理結(jié)果一致，高度、速度、航向、NUC精度值等動態(tài)數(shù)據(jù)與自動化系統(tǒng)處理結(jié)果一致。

綜上，判定INDRA自動化系統(tǒng)ADS-B目標位置跳變是由于INDRA自動化系統(tǒng)中個別目標的多雷達航跡融合結(jié)果異常導致。

3.3.2 改進建議

1）廠家已提供新版本軟件，新版本軟件中已修復ADS-B信號引起的本場跑道范圍內(nèi)目標異常問題，新版軟件發(fā)布后可解決該問題;

2）已于3月5日晚在ADS-B二級數(shù)據(jù)中心設置ADS-B信號屏蔽區(qū)緩解該問題，至今再未發(fā)生ADS-B目標漂移的問題;

3）加強對INDRA自動化系統(tǒng)ADS-B信號的狀態(tài)監(jiān)控和巡視，發(fā)現(xiàn)異常情況及時進行處置。

4 結(jié)束語

通過對自動化系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)前端處理、融合處理以及對雷達原始數(shù)據(jù)的深入分析，可實現(xiàn)對空管日常運行中出現(xiàn)的目標異常問題（目標丟失、目標分裂、假目標、航向跳變、高度跳變等）的快速定位，豐富問題排查方法。同時，可通過對問題的精確定位，促進各運行單位有效管控運行隱患，避免對管制運行安全造成影響。

未來，伴隨ADS-B、S模式雷達的廣泛應用，技術(shù)人員可通過對監(jiān)視原始數(shù)據(jù)的解析，全面掌握監(jiān)視數(shù)據(jù)源和機載設備間的雙向交互信息，進而為管制用戶提供更加高效可靠的監(jiān)視數(shù)據(jù)保障手段。

參考文獻：

[1]西安區(qū)域管制中心AirNet空管自動化備份系統(tǒng)技術(shù)手冊