李云雙，楊 寧，李冬霞，劉海濤

（中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300）

0 引 言

航空器監(jiān)視系統(tǒng)是一種利用不同航空設(shè)備，對空域內(nèi)航空器飛行活動進行監(jiān)視的電子系統(tǒng)。航空器監(jiān)視系統(tǒng)是民航空中交通管制系統(tǒng)（ATC）的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其為管制員和飛行員提供所需的航空運行態(tài)勢感知信息，可有效提高空中交通管制系統(tǒng)安全、空域容量與運行效率。

傳統(tǒng)的航空器監(jiān)視主要依賴一次監(jiān)視雷達和二次監(jiān)視雷達，但隨著全球航空運輸量的快速增長，空中交通流量持續(xù)增長，傳統(tǒng)基于雷達的監(jiān)視手段已不能滿足空中交通管制的需求。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance?Broadcast，ADS?B）是一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和航空數(shù)據(jù)鏈的航空器協(xié)同監(jiān)視系統(tǒng)，與雷達監(jiān)視相比，ADS?B 具有監(jiān)視信息更實時、數(shù)據(jù)精度高、建設(shè)成本低、維護方便等優(yōu)勢。

因此2003 年，國際民航組織（ICAO）在第十一屆航行大會將ADS?B 確定為全球新航行技術(shù)的主要發(fā)展方向。2015 年中國民用航空局修訂了《中國民用航空ADS?B 實施規(guī)劃》，預(yù)計到2020 年底實現(xiàn)ADS?B OUT全面運行，2025 年完善我國ADS?B 運行網(wǎng)絡(luò)。為了保障空中交通管制系統(tǒng)可靠運行，歐洲航行安全組織（EUROCONTROL）對接入空中交通管制系統(tǒng)的航空器監(jiān)視數(shù)據(jù)提出了明確的要求，只有符合這些要求，航空器監(jiān)視系統(tǒng)獲取的監(jiān)視數(shù)據(jù)才允許接入到空中交通管制系統(tǒng)。因此依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范對航空器監(jiān)視系統(tǒng)提供的監(jiān)視性能進行評估具有非常重要的意義。

近年來，國內(nèi)外航空界對ADS?B 監(jiān)視系統(tǒng)的性能評估開展了大量研究。為了評測ADS?B 系統(tǒng)的完好性和數(shù)據(jù)精度，文獻[6]將ADS?B 數(shù)據(jù)與雷達和GPS 數(shù)據(jù)進行比較，研究表明ADS?B 報文完好性為95%，數(shù)據(jù)精度最高可達33 m，ADS?B 性能優(yōu)于雷達系統(tǒng)定位精度；為了評測ADS?B 系統(tǒng)位置精度、可用性指標，文獻[7]通過將ADS?B 數(shù)據(jù)與GPS 數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明ADS?B 報告水平位置精確度在100 m 左右，可用性為81.78%；為了分析影響ADS?B 運行性能的不良因素，文獻[8]結(jié)合高斯過程模型，對ADS?B 數(shù)據(jù)的精度及完好性、漏點、離散度和跳點進行統(tǒng)計；為了開展ADS?B 系統(tǒng)完好性的研究，文獻[9]通過采集天津濱海國際機場及周邊的ADS?B實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析得到了ADS?B 系統(tǒng)位置數(shù)據(jù)完好率達到98.8%以上。

文獻[6?9]的研究工作中存在監(jiān)視性能評估指標不夠全面的問題。針對以上工作不足，依據(jù)EUROCONTROL技術(shù)規(guī)范，設(shè)計實現(xiàn)了航空器監(jiān)視性能評估系統(tǒng)，并利用中國民航大學ADS?B 實驗地面站獲取的航空器監(jiān)視數(shù)據(jù)，統(tǒng)計計算了14 個監(jiān)視性能指標。

1 航空器監(jiān)視系統(tǒng)性能評估方法

首先介紹了航空器監(jiān)視性能評估系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參考航跡構(gòu)建方法，然后給出航空器監(jiān)視性能評估系統(tǒng)的評價指標，最后詳細介紹水平位置更新概率達標比率及相關(guān)錯誤水平位置比率的統(tǒng)計方法。

1.1 基于卡爾曼濾波的參考航跡構(gòu)建

為了統(tǒng)計航空器監(jiān)視系統(tǒng)的性能指標，需要構(gòu)建被監(jiān)視航空器的參考航跡。常用參考航跡構(gòu)建方法包括卡爾曼濾波、粒子濾波等。鑒于卡爾曼濾波方法具有運算復雜度低的優(yōu)點，因此本文采用了卡爾曼濾波的方法。

飛行過程中，航空器的狀態(tài)表示為：

式中：()表示時刻航空器狀態(tài)向量，()=[]，表示時刻航空器位置，表示時刻航空器速度，表示時刻航空器加速度；(-1,)表示航空器從-1 時刻到時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；(-1)表示-1 時刻航空器飛行過程受到的過程噪聲。

地面站接收到的航空器狀態(tài)為：

式中：()表示時刻地面站接收到的航空器狀態(tài)向量；為觀測矩陣；()表示時刻的觀測噪聲，即監(jiān)視數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到的噪聲。

卡爾曼濾波算法包括預(yù)測和更新兩部分，步驟如下：

1）設(shè)定初值

2）預(yù)測

通過-1 時刻的最優(yōu)濾波估計值預(yù)測時刻系統(tǒng)狀態(tài)。

式中：(-1|-1 )為-1 時刻估計誤差協(xié)方差矩陣；(-1 )為-1 時刻過程噪聲的協(xié)方差矩陣。

3）更新

通過比較觀測值與預(yù)測值的誤差，對預(yù)測值進行修正得到最優(yōu)濾波估計值。

式中：()為時刻濾波增益；()為時刻觀測噪聲協(xié)方差矩陣；(|)為時刻估計誤差協(xié)方差矩陣。

1.2 航空器監(jiān)視性能指標

根據(jù)EUROCONTROL 技術(shù)規(guī)范，監(jiān)視性能評估指標共包含19 個，其中強制性指標12 個，其他指標7 個。受實驗環(huán)境數(shù)據(jù)的限制，本文僅對指標中的14 個指標進行評估，這些指標是：水平位置更新概率達標比率、3D 位置丟失比率、正確氣壓高度更新概率、正確飛機標識更新概率、臨近航空器相對時間均方根誤差、相關(guān)水平位置錯誤報告比率、水平位置均方根誤差、正確氣壓高度比率、航空器標識錯誤比率、垂直速度均方根誤差、航跡水平速度均方根誤差、航跡水平速度角均方根誤差、虛假目標報告密度、接近真實航跡的虛假航跡數(shù)量。限于篇幅，下面僅詳細給出水平位置更新概率達標比率及相關(guān)水平位置錯誤報告比率的計算方法。

1.3 水平位置更新概率達標比率

水平位置更新概率定義為規(guī)定時間內(nèi)航空器能夠提供水平位置信息的概率。根據(jù)EUROCONTROL 技術(shù)規(guī)范要求所有航空器航跡的水平位置更新概率必須大于等于97%，因此水平位置更新概率達標比率的計算方法如下：

1）參考航跡構(gòu)建（參考1.1 節(jié)的描述）。

2）確定參考航跡的第一個測量間隔。

以參考航跡的第一個航跡點的時刻為中心，第一個測量間隔為[-2,+2 ]，其中代表測量間隔（當空域采用3 海里水平間隔標準時，取值為5 s；當空域采用5 海里水平間隔標準時，取值為8 s）。

3）以測量間隔為分割的基本單位，對參考航跡進行分割。

分割航跡后，第個測量間隔的起點時刻為(-1)+-2，第個測量間隔的終點時刻為(-1)++2，即 第個 測 量 間 隔 為[(-1)+-2,(-1)++2 ]，如圖1所示。

圖1 測量間隔劃分示意圖

4）計算分割后的參考航跡的測量間隔的總數(shù)量，并記為N。

5）在分割的參考航跡中，統(tǒng)計計算至少包含一個航跡點的測量間隔數(shù)量，并記為N。

6）計算單個參考航跡的水平位置更新概率PU，公式如下所示：

7）統(tǒng)計評估區(qū)域內(nèi)參考航跡的水平位置更新概率達標的比率公式如下所示：

式中：(PU ≥97%)為評估區(qū)域內(nèi)滿足水平位置更新概率≥97%的參考航跡數(shù)目；為評估區(qū)域內(nèi)所有參考航跡數(shù)目。

1.4 相關(guān)錯誤水平位置比率

相關(guān)錯誤水平位置是指至少3 個連續(xù)航跡點的水平位置誤差在指定閾值之上，且誤差方向一致的集合。相關(guān)錯誤水平位置會干擾管制員對航空器飛行態(tài)勢的判斷，降低管制效率。相關(guān)錯誤水平位置比率定義為相關(guān)錯誤水平位置中所有的航跡點數(shù)與總的航跡點數(shù)的比值，計算方法如下：

1）構(gòu)建參考航跡；

2）確定誤差閾值，在5 海里水平間隔標準下誤差閾值為926 m，在3 海里水平間隔標準下誤差閾值為555 m；

3）計算每個參考航跡點的水平位置誤差，并與誤差閾值比較；

4）若參考航跡點的水平位置誤差大于等于閾值，將誤差沿著水平速度方向分解，如圖2 所示；

圖2 水平位置誤差分解示意圖

5）計算該航跡點相鄰航跡點的水平位置誤差，并進行分解；

6）確定至少三個連續(xù)的水平位置誤差超過閾值且誤差分量方向相同的航跡點集合為一個相關(guān)錯誤水平位置；

7）重復步驟4）~步驟6），直到確定參考航跡內(nèi)所有相關(guān)錯誤水平位置；

8）計算相關(guān)錯誤水平位置報告比率。

式中：表示所有相關(guān)錯誤水平位置中參考航跡點數(shù)量；為所有參考航跡點數(shù)量。

2 監(jiān)視性能評估實驗

為了評估ADS?B 系統(tǒng)監(jiān)視性能，設(shè)計了航空器監(jiān)視性能評估系統(tǒng)，并利用中國民航大學ADS?B 實驗地面站，開展了天津機場終端區(qū)及高空航路監(jiān)視性能的評估實驗。

2.1 實驗地面站與航空器監(jiān)視性能評估系統(tǒng)

中國民航大學ADS?B 實驗地面站坐標為東經(jīng)117°20′57.85″，北緯39°5′58.76″，數(shù)據(jù)采集時間為2020年6月3日8：00—10：00，采集數(shù)據(jù)格式為ASTERIX CAT021。依據(jù)技術(shù)規(guī)范，設(shè)計實現(xiàn)了航空器監(jiān)視性能評估系統(tǒng)，評估系統(tǒng)由三個模塊組成，分別是數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)評估模塊及評估結(jié)果顯示輸出模塊。評估系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。

圖3 航空器監(jiān)視數(shù)據(jù)評估流程

監(jiān)視數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)包含以下5 個流程：

1）監(jiān)視數(shù)據(jù)載入：從ADS?B 原始數(shù)據(jù)文件中提取ASTERIX CAT021 報文數(shù)據(jù)。

2）監(jiān)視數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先解析報文獲得航跡點，并按照航空器標識對航跡點分類，然后濾除重復的航跡點，最后得到各航空器的航跡（Aircraft Trajectory）。

3）參考航跡構(gòu)建：以航空器第一個航跡點作為坐標原點，將該航空器所有航跡點的經(jīng)度、緯度和高度轉(zhuǎn)換為直角坐標，然后通過卡爾曼濾波算法得到參考航跡（Reference Trajectory）。

4）監(jiān)視性能指標計算：根據(jù)步驟3）獲得的航空器參考航跡，依據(jù)技術(shù)規(guī)范對航空器的監(jiān)視性能指標進行計算。

5）評估結(jié)果輸出：監(jiān)視性能指標可視化顯示。

2.2 實驗結(jié)果與分析

基于ADS?B 實驗地面站提供的監(jiān)視數(shù)據(jù)，開展了兩個方面監(jiān)視性能評估實驗：天津機場終端區(qū)監(jiān)視性能評估及高空航路監(jiān)視性能評估。

2.2.1 天津機場終端區(qū)

為了評估天津機場終端區(qū)監(jiān)視性能，首先對實驗地面站獲取的監(jiān)視數(shù)據(jù)進行空域過濾，過濾條件為：以實驗地面站坐標為圓心，半徑小于90 km，飛行高度小于6 600 m 且大于300 m。過濾后符合條件的航班數(shù)為56 個。

假設(shè)終端區(qū)域采用3 海里水平間隔標準，按照規(guī)范要求將測量間隔設(shè)置為5 s，然后利用評估系統(tǒng)進行評估。得到評估結(jié)果如表1 所示。

表1 天津機場終端區(qū)的ADS?B 監(jiān)視性能

與規(guī)范比較發(fā)現(xiàn)，除了水平位置更新概率達標比率指標不滿足要求以外，其他各項指標均滿足技術(shù)規(guī)范的要求。規(guī)范要求：在終端區(qū)采用3 海里水平間隔時，100%航空器的水平位置更新概率≥97%。

為了進一步找出終端區(qū)水平位置更新概率達標比率降低的原因，進一步統(tǒng)計了飛行器高度對水平位置更新概率達標比率及3D 位置丟失比率兩個指標的影響，得到如表2 所示的評估結(jié)果。

由表2 可觀察到，隨著飛行高度的降低，水平位置更新概率達標比率呈現(xiàn)下降的趨勢，同時3D 位置丟失比率呈現(xiàn)增加的趨勢。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是：在終端區(qū)，隨著航空器飛行高度的降低，空?地信道的多徑效應(yīng)更顯著，另外低空存在地物及建筑物的遮蔽效應(yīng)，兩個方面因素導致ADS?B 接收機正確接收消息的概率降低，最終導致水平位置更新概率達標比率下降及3D 位置丟失比率增加。

表2 飛行高度對ADS?B 監(jiān)視性能指標的影響（終端區(qū)） %

2.2.2 高空航路監(jiān)視

考慮到單個ADS?B 地面站覆蓋空域是受限的，因此需要首先估算出ADS?B 地面站的有效覆蓋半徑。在實驗數(shù)據(jù)中濾除終端區(qū)的數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)計得到了航空器與地面站距離對水平位置更新概率達標比率及3D 位置丟失比率的影響，如表3 所示。

表3 表明：隨著航空器與地面站距離的增加，水平位置更新概率達標比率呈現(xiàn)下降的趨勢，另外3D 位置丟失比率呈現(xiàn)增加趨勢。當航空器與地面站距離超過192 km 后，航班的水平位置更新概率達標比率將不滿足規(guī)范的要求。

表3 距離對ADS?B 監(jiān)視性能指標的影響（高空航路） %

利用以上得到實驗地面站的有效覆蓋半徑，對監(jiān)視數(shù)據(jù)進行過濾，過濾條件為：以實驗地面站坐標為圓心，半徑小于192 km，飛行高度大于6 600 m。過濾后剩余航班數(shù)為71 個。假設(shè)高空航路航線采用5 海里水平間隔標準，依據(jù)規(guī)范將測量間隔設(shè)置為8 s，并運行評估系統(tǒng)得到結(jié)果如表4 所示。

表4 ADS?B 地面站的監(jiān)視性能（高空航路）

表4 結(jié)果與技術(shù)規(guī)范比較表明：實驗地面站在有效覆蓋空域內(nèi)，統(tǒng)計的性能指標滿足5 海里水平間隔標準的監(jiān)視性能。

3 結(jié) 語

針對ADS?B 系統(tǒng)監(jiān)視性能評估的問題，依據(jù)歐洲航行安全組織的技術(shù)規(guī)范，設(shè)計實現(xiàn)航空器監(jiān)視性能評估系統(tǒng)，并利用中國民航大學ADS?B 實驗地面站的監(jiān)視數(shù)據(jù)，開展了天津機場終端區(qū)及高空航路航線的監(jiān)視性能評估。評估結(jié)果表明：

1）在天津機場終端區(qū)，ADS?B 實驗地面站提供的監(jiān)視性能尚不滿足3 海里水平間隔的監(jiān)視性能需要，其中水平位置更新概率≥97%的航班比例不能達到100%的要求。產(chǎn)生以上情況的原因是：在天津機場終端區(qū)航空器密度較大，ADS?B 消息容易產(chǎn)生沖突，此外航空器低空飛行時由于多徑傳播及低空地物及建筑物的遮攔效應(yīng)，使得ADS?B 接收機正確接收消息的概率降低；

2）在高空航路航線性能評估中，ADS?B 實驗地面站的有效覆蓋半徑為192 km，在有效覆蓋空域內(nèi)，所評估的14 個指標均滿足5 海里水平間隔的監(jiān)視性能要求。

以上研究結(jié)果對ADS?B 系統(tǒng)建設(shè)的指導意義為：首先，在高空航路航線監(jiān)視中，可沿航路航線部署多個ADS?B 地面站，以實現(xiàn)區(qū)域管制區(qū)的有效監(jiān)視覆蓋；其次，在機場終端區(qū)，為了降低因ADS?B 消息沖突、多徑傳播和建筑物遮攔效應(yīng)而導致ADS?B 監(jiān)視性能下降的影響，建議聯(lián)合使用ADS?B 與其他監(jiān)視手段以提高終端區(qū)的監(jiān)視性能。