基于ADS-B樣機接收的天津空域航空數據流量分析及未來流量預測

摘" 要：隨著航空業的快速發展，機場空域數據和流量統計變得越來越重要。ADS-B系統（廣播式自動相關監視系統）是當前最常用的空中交通管理系統之一，其可以在交通機載發出數據后，通過接收機將數據傳遞到地面控制中心。該文將從ADS-B樣機組成及基本原理、源碼接收及其解碼解析處理、航空軌跡數據分析、流量統計分析和簡單預測5方面展開介紹基于ADS-B接收機的濱海國際機場空域數據流量統計及預測未來流量。

關鍵詞：ADS-B報文;流量檢測;航空;空域數據;源碼解析

中圖分類號：V355.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0078-06

Abstract： With the rapid development of the aviation industry， the airport airspace data and traffic statistics are becoming more and more important. ADS-B （Automatic Dependent Surveillance - Broadcast） technology is one of the most commonly used air traffic management systems， which can transmit the data to the ground control center after sending the data on the traffic onboard. This paper will introduce the flow statistics and prediction of future traffic flow based on ADS-B receiver from five aspects of ADS-B prototype， source code receiving and decoding analysis processing， aviation trajectory data analysis， flow statistical analysis and simple prediction.

Keywords： ADS-B message; traffic detection; aviation; airspace data; source code analysis

天津濱海國際機場，位于中國北方的天津市，是一座現代化的國際航空樞紐，承擔著重要的航空運輸任務。隨著市場需求的增加，濱海國際機場所處的空域數據和流量統計變得越來越重要，以確保空中交通的流暢性和安全性。因此，通過ADS-B技術對濱海國際機場的空域數據和流量統計進行分析和研究，具有十分重要的意義。

1" 背景介紹

1.1" 空域數據統計

通過ADS-B接收機收集和分析濱海國際機場的空域數據，可以得出每小時/每天空域內不同高度層次的航空器數量，以及不同高度層次的航空器飛行速度和高度等統計數據。這些數據可供空中交通管理局進行飛行管制，并對流量進行控制。

1.2" 空域數據統計

基于ADS-B技術獲取的航空器位置、速度、高度信息可以用于統計濱海國際機場每小時/每天的流量，包括起降航班數量、飛行方式、航班目的地城市及機型等。這些數據可用于優化機場航班起降時間和流量，從而提高機場的航空交通效率。

1.3" 數據分析

通過對收集到的ADS-B數據進行分析，可以了解機場情況并制定相應的策略。例如，分析機場擁堵及航班延誤情況，基于統計數據優化航班起降時間，調整航空器航線，以提高機場效率和降低運營成本。

2" ADS-B的樣機組成和工作原理

ADS-B是廣播式自助相關監視技術的簡稱，是一套基于飛機的監視技術，主要用于實現對空探測。飛機安裝ADS-B系統后可以實現與飛機之間的信息共享，同時也可以向地面傳遞這些數據，包括經緯度、速度、航行方向和高度爬升率等信息。地面站可通過這些信息的統計與解析來實現對空中交通動態流量的預測分析。

ADS-B樣機主要是由接收機模塊、處理模塊組成，接收機模塊應用ADS-B IN系統來實現接收和處理飛機信息。ADS-B系統其實是實現地面接收，衛星和飛機鏈接的一個涉及三空間層次的綜合系統。在ADS-B系統中的一條完整信息的時間長度為120 μs，前導脈沖占8 μs，數據位信息占112 μs，數據脈沖在前導脈沖后會生成112 bit的報文。這個報文在ADS-B接收系統軟件處理模塊的報文檢測模塊進行解析處理，再由數據位處理模塊接收信號進行解碼，從而獲得信號中所包含的信息。ADS-B IN系統的作用是接受并處理由ADS-B OUT機載發射器所廣播的各架飛機的實時信息，實現地面對空的實時監控。通過飛機向地傳遞的飛機實時ADS-B報文信息供地面站統計和處理，就可以實現實時監控和預測空域的流量。ADS-B的樣機組成和工作原理如圖1所示。

通過對這些信息的統計和處理，地面站再進一步建立飛機航行數據庫的管理系統作為原始數據調用來源，再對原始數據進行統計分析，實現對空域流量的實時監控，以輔助飛行員能更加及時清楚地了解周圍空域的交通情況，提高飛行效率，降低飛行風險。首先我們通過ADS-B樣機接收采集的數據，用航班號進行分組統計整理來生成航班的行跡路線來預測飛機的過點時間，再導入數據庫進行特征性分析，得到航路點、航路段和空域的飛機預測修訂，根據周期性時間段進行統計任務，獲取實時最新的流量信息，并實時反饋給管理員，也能及時調整系統預測更加準確的空域流量。通過接收飛機飛行計劃和實時對飛機飛行狀態的檢測，就可以預測空域的飛行流量，以便修正飛機的飛行速度和過點時間等，能讓飛行員和地面管理人員提前做出反應和規劃航路，以保證該空域的飛行安全，大大降低了飛機失事的風險。

3" 源碼解析生成具體報文信息

設備：RTL電視棒，天線，SDR內存卡。

原理：本次項目使用的ADS-B系統的數據幾乎都是使用的1090ES地空數據鏈，其中應用層使用的是DF-17數據編碼，下面將簡要概述報文中對飛機經緯度的解碼原理。

空中的位置信息包括了編碼后的經緯度和高度信息，其類型字段值為9到18。表1中列出ME字段結構。空中位置信息ME字段結構見表1。

CPR編碼作為設計的位置編碼方式，目的是提高ADS-B消息傳輸效率，由于飛機在正常飛行情況下，表示經緯度的編碼在一段時間內不會發生較大的變化，如此將造成消息傳輸的效率低。如果采用CPR編碼的方法，通過對地球進行區域的劃分，然后只對劃分后的區域進行2種不同方式的編碼，避免了高階位的重復發送，在接收端通過比較不同類型的編碼消息，得出位置信息，如此一來就提高了傳輸效率。

CPR的編碼方式是根據經緯度進行兩極劃分，首先會把全球的緯度劃分為奇、偶2種區段;其次把全球經度也劃分為奇、偶2種區段;最后把劃分完成的緯度奇、偶區段和經度奇、偶區段進行一個二次劃分，劃分為更小的箱塊，無論是經度區還是緯度區，一個區段內，箱塊的個數固定。CPR采用劃分后目標所在的箱塊中心值來表示實際經緯度位置，箱塊的編號就是CPR的編碼。

高度就決定了編碼的精度。CPR最終的編碼結果是用經度與緯度的奇偶編碼箱塊編號表示。

解碼流程：①打開已經下載好的文件夾，插入電視棒，安裝驅動程序。②找到并打開zadig.exe;找到解碼軟件，打開rtl1090文件夾下的rtl1090，新建一個快捷方式。打開解碼軟件，開始start，開始接收數據。接收時需留在table選項卡。③打開virtualradar（安裝地圖顯示軟件）;然后安裝DatabaseWriterPluginSetup（顯示飛機的插件），路徑要和VirtualRadarSetup一樣;打開database（安裝地圖顯示擴展），接收信號的源碼界面如圖2所示。④開始運行軟件。單機點開Tools，尋找Plugins并單擊，啟用唯一的一個擴展，初步完成（Tools-gt;Plugins-gt;Options-gt;Create Database-gt;OK）。打開鏈接（界面默認語言是英語，單位是英尺，我們可以將其改為熟悉的語言和計量單位，比如說中文、米、公里和公里/小時等，還有一些其他選項可以自行設定），地圖縮放或者移動到你所在的地區，如果有飛機，地圖上就能顯示。點中飛機變黃的可以顯示飛行的軌跡和信息。

4" 數據處理

4.1" ADS-B采集航空數據原理

ADS-B數據一般都是由航空器所攜帶的ADS-B 信號輸出設備發出即時飛行數據從而被地面ADS-B接收器獲取，并集中發送到服務器后臺運算后，處理成ASTERIX CAT021格式的數據。本實驗采集的數據是2023年2月4日由ADS-B樣機在以天津濱海國際機場為中心，以100 km為半徑范圍所收集到的數據，圖3（僅部分數據）為采集到的航班號、數據采集時間、高度、航向角、速度及經緯度等信息。

4.2" SPSS數據對比分析

獨立樣本t檢驗是針對2組不相關樣本（各樣本量可以相等也可以不相等），檢驗其在某數值型指標上，均值之間的差異。該檢驗方法需要滿足2個前提，即2組樣本服從正態分布，且樣本之間不相關，互不干擾。下面為利用統計學中的四步法進行獨立樣本t檢驗，對收集到的數據進行分析的步驟。

步驟一：提出原假設和備擇假設。

H0：樣本均值（）和總體均值（μ）相等。

H1：樣本均值（）和總體均值（μ）不相等。

步驟二：構造t統計量。

當2組樣本的方差相等時

式中：n1為樣本組1的樣本量，n2為樣本組2的樣本量，S由2組樣本的方差構成，計算公式為

在原假設滿足的情況下，t統計量服從自由度為n1+n2-2 的t分布。

當2組樣本的方差不相等時

式中：df為方差不相等時，t統計量的自由度的計算公式如下

步驟三：計算t統計量。

利用設備接收到的測量數據及官網收集到的實際數據，可得到測試數據與官網數據的組統計量，SPSS計算結果見表2。

根據步驟二中的計算公式，便可以輕松地得到t統計量的值與Sig值，見表3。需要注意的是，在計算t統計量之前，應該檢驗2樣本之間的方差是否相等。

步驟四：對比結果。

表3中，航向、節、速度中Sig值均大于0.05，說明測量數據與官網數據有較小差異，測量結果相對精準。經度、緯度、高度中Sig值均小于0.05，說明測量數據與官網數據存在較大差異，測量結果存在偏差。

4.3" 分析結果

由測量結果可以看出，儀器在測量經度、緯度、高度數據時出現一定偏差。對此，分析結果如下。

本次實驗所得數據是2023年2月4日以天津濱海國際機場為中心，以100 km半徑范圍所收集到的數據，其經度、緯度跨度較小，對儀器精度有一定要求。其次，在測量過程中，部分數據缺失，導致實際可用樣本數量較少，而且本次實驗時間范圍僅為2月4日一天，數據存在一定偶然性，例如部分航班路線出現重合，采集數據時航班的飛行情況各有所異等偶然事件。

由于ADS-B樣機采集到的數據信息在傳輸過程中會受到多種因素的干擾，如傳輸損耗、海拔差異、地形阻擋、異常天氣及其他電磁信號干擾等，ADS-B樣機的接收子模塊接收到的航班飛行數據信息可能會存在較大誤差或錯誤數據，例如出現漏點、冗余點、異常點等等。因此，為了得到更為準確的航班信息和飛行航跡，在查閱有關文獻后，本文得出了以下異常數據處理辦法。

4.3.1" 冗余點處理

由于信號干擾，ADS-B樣機采集到的飛行數據中可能會存在冗余點，即具有多個相同信息的數據組。這些數據會系統占用額外的計算資源及存儲空間，提供大量重復無用的信息。因此，要對獲取到的數據信息進行冗余點處理，即將經緯度信息相同的多余數據點刪除，避免由于重復點產生誤差，導致實驗結果不準確。

4.3.2" 異常點處理

在ADS-B樣機數據采集過程中，可能會獲取一些異常的數據點。本文可以通過計算觀測值與預測值之間的差值大小來進行處理。如果預測值與觀測值之間的差值較大，說明該觀測值異常，需要將本組數據清除;如果差值較小時，就將2組數據按照系數進行加權處理。

4.3.3" 濾波處理

主要是通過跟蹤濾波來計算數據點的預測值，用于后續異常點的處理，每一次數據點處理都要通過α-β濾波來計算預測值并且更新迭代系數。

總而言之，由于在天津濱海國際機場方圓100 km以內航跡重復度較高，航路交叉點較多，航班運行相互影響程度較大，以及ADS-B樣機采集數據時周圍環境等因素，收集飛行數據具有一定難度，這就要求采集到的數據需要進一步進行處理方能正常使用。同時，收集飛行數據時應考慮時間范圍，在條件允許的情況下，盡可能收集足夠多的樣本，盡可能避免數據的偶然性，使實驗結果更加精準。

5" 空中交通流量統計

空域流量是指在某空域范圍內所容納的航空器的數量，空域流量概念是一種實時性的流量數據表征。航路流量統計分析涉及到時間維度，統計單位時間內空域的飛機流量。機場空域的擁堵情況決定了待降落飛機是否需要盤旋等待，并且機場空域流量態勢規律對機場塔臺空管人員的管控調度工作有著重要參考意義。另外，航路飛機流量信息對飛行員的巡航路線調整、擁堵區域預判等也有著重要參考價值。

對飛行流量進行預測的關鍵在于對航班飛行航跡的預測，通過理論研究提出改進的時空航跡聚類算法，根據修正歐式距離算法進行相似度的計算，對于直線階段航跡通過取樣法和模糊聚類法進行聚類使得當前位置修正得到預測航跡，并通過實際航跡數據進行算例試驗，分析其誤差結果。

利用MATLAB數學建模，將導出的飛機的各項數據進行匯總分類，然后測算出飛機的位置坐標，基于大圓/等角航線航跡預測法、飛行意圖航跡預測法、灰色模型的航跡預測法這3種傳統航跡預測算法，通過收集的航路流量數據進行對比，11—13點時段流量最多，111.12 km的監視區域內流量大概在150架飛機;9—11點時段流量最少，監視區域內流量僅有約40架飛機;其他時間段流量集中在80～130架次。同時根據飛機飛行過程中傳輸數據分析飛機狀態，確保了數據準確的理論性。

初始ADS-B信息驗證在被動航跡起始時進行，以確定是否可以在被動數據上保持航跡。使用尋址詢問進行主動監視測量。對該詢問的答復還提供了飛行器速度能力和報告的高度。將根據己方和入侵飛機ADS-B位置計算的相對距離和方位與有效距離和方位測量值進行比較，并將ADS-B報告中提供的高度與從有效詢問中獲得的高度進行比較。如果ADS-B信息與在可接受范圍內通過主動詢問獲得的距離、方位或高度不一致，則該航跡被宣布為主動航跡，該飛機未來的擴展報文將被忽略。

最后將提出的改進時空航跡聚類算法融入到空中交通流量預測中，設計實現天津濱海國際機場范圍內的飛行流量預測系統。距離精度比較模擬在運行中，修改其監控信號范圍內的詢問率，使其不超過本地環境中轉發器的最大允許使用率。將該交通密度用于開發3種擴展報文飛機分布情況，可見機場空域的飛機流量的擁堵情況決定了待降落飛機是否需要盤旋等待，機場空域流量態勢的把握對空管人員的調度工作起到了重要的輔助作用。

6" 空域流量預測

前文進行了空域流量的統計和航跡偏差分析，本節將針對獲取的空域流量數據，分線性和非線性2種情況，采用多元回歸分析（線性情況）和基于向量機的SVR模型（針對非線性情況）進行短期流量預測。空域流量的預測有助于扇區內管制人員提前了解負責范圍的交通態勢，掌握空中交通流量的發展趨勢，從而發出最優的指揮指令，為緩解空中交通壓力，對提升運行控制效率具有重要意義。

調整α的不同權重，從而產生不同的預測值i=1，2，3…n。通過現有實際數據與計算的不同預測值進行比對，尋找最貼近實際值的預測值，從而對應找到α1、α2的最佳值，進而預測未來時間段機場上空的流量情況。

7" 結束語

ADS-B廣播式自動相關監視系統技術的迅速發展為空中交通流量控制與管理提供了更優化的技術支持，對飛機航跡檢測對比、流量監控與分析及未來流量預測發揮了重要作用。未來ADS-B的高精度和報告頻率的增加可以大幅消減飛機的間隔要求，提升空中交通管制系統的空域容量，開辟更多航路航線，推動民航強國建設。

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