孫立新 陳亞青 劉國毅

（中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院1） 廣漢 618307） （民航西南空管局空中交通管制部2） 成都 610065）

0 引 言

在空中交通管制中，利用監(jiān)視設(shè)備提供的航空器飛行動(dòng)態(tài)，按照管制最低間隔標(biāo)準(zhǔn)，管制員就可以為航空器配備飛行間隔，防止航空器與航空器相撞.傳統(tǒng)的監(jiān)視手段主要有一次雷達(dá)和二次雷達(dá)（secondar y sur veillance radar，SSR），但由于雷達(dá)系統(tǒng)自身具有很多局限性，因此，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（automatic dependent surveillance broadcast，ADS－B）的技術(shù)開始應(yīng)用.ADS－B即是由航空器通過數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的精確定位信息，包括位置信息、高度、速度和飛行意向等，尤其適合于山區(qū)、荒漠、邊遠(yuǎn)機(jī)場等不宜建設(shè)雷達(dá)的區(qū)域，也適合于高密度機(jī)場的監(jiān)視.

飛行間隔標(biāo)準(zhǔn)包括側(cè)向間隔、縱向間隔和垂直間隔，其中側(cè)向間隔是一種距離間隔，使多架航空器能夠占有同一高度層，充分利用繁忙地區(qū)的有限空域資源.不論是二次雷達(dá)，還是ADS－B，系統(tǒng)中高度數(shù)據(jù)都來源于氣壓式高度表，故基于ADS－B側(cè)向間隔研究是當(dāng)前的重點(diǎn).現(xiàn)在，美國和澳大利亞等國都已開展相關(guān)研究工作縮小基于ADS－B的側(cè)向間隔，擴(kuò)大交通流量.

本文通過分析監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)處理流程，得出ADS－B監(jiān)視誤差主要有GPS接收機(jī)誤差、數(shù)據(jù)鏈誤差和系統(tǒng)延時(shí)誤差組成，并闡述了各部分對于側(cè)向間隔的影響.

1 相關(guān)工作

飛行間隔的理論研究，國外早在20世紀(jì)六七十年代就開始了，主要有兩類：一類以英國的P.G.Reich建立的航空器碰撞模型理論為基礎(chǔ)，針對平行航路系統(tǒng)在縱向、側(cè)向、垂直方向分別進(jìn)行碰撞風(fēng)險(xiǎn)建模的研究；另一類是用概率論的方法展開的.2種理論都首先考慮2架航空器之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，然后給出管制區(qū)域內(nèi)的一定間隔下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并在實(shí)際的安全評(píng)估中都有應(yīng)用［1－3］.本文主要討論基于ADS－B側(cè)向間隔的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀.

目前，ADS－B機(jī)載和地面設(shè)備通信可選的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)有 Mode S 1090 ES，VDL MODE 4和UAT 3種.其中1090 ES是國際民航組織推薦的、全球可互用的ADS－B地空數(shù)據(jù)鏈，但受格式長度限制，1090 ES數(shù)據(jù)鏈的上行廣播能力較差；VDL模式4在VHF頻段，頻率資源緊張；而UAT是美國在小型通用航空器普遍選裝開發(fā)的地空雙向數(shù)據(jù)鏈，但與DME地面設(shè)備的相互干擾較嚴(yán)重.

1.1 ICAO

ICAO在Doc 4444第八章ATS監(jiān)視服務(wù)中論述了ADS－B監(jiān)視設(shè)備單獨(dú)使用的條件、裝有ADS－B機(jī)載設(shè)備航空器的識(shí)別以及基于ADS－B和／或SSR最小側(cè)向間隔（5 NM）的應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容.其中文檔 Cir 311（Assess ment of ADS－B to Support Air Traffic Ser vices and Guidelines and Imple mentation）就ADS－B與單脈沖二次雷達(dá)的技術(shù)特性做了詳細(xì)的對比［4－5］.

1.2 美國

由于美國同時(shí)選擇1090ES和UAT作為ADS－B數(shù)據(jù)鏈，所以規(guī)定：（1）1090 ES數(shù)據(jù)鏈用于國際運(yùn)輸飛行以及國內(nèi)18 000 ft（含）以上高空飛行；（2）UAT數(shù)據(jù)鏈僅用于18 000 ft以下飛行的航空器；（3）選裝了不同數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的航空器之間不相互通信，除非航空器同時(shí)選裝了2種數(shù)據(jù)鏈設(shè)備.

2005年，F(xiàn)AA通過危險(xiǎn)接近概率模型（the close approach pr obability，CAP），研究分析了ADS－B監(jiān)視下，終端區(qū)和航路飛行階段管制間隔分別使用3 n mile和5 n mile的理論依據(jù).2007年5月31日，美國宣布批準(zhǔn)阿拉斯加地區(qū)在航路實(shí)施5海里的ADS－B間隔，見表1.

表1 ADS－B用于支持3 n mile和5 n mile間隔標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)視要求

表1描述了ADS－B監(jiān)視用于支持當(dāng)前航站區(qū)域3 n mile和5 n mile間隔標(biāo)準(zhǔn).該分析使用確定水平間隔風(fēng)險(xiǎn)的方法，定義了兩架飛機(jī)的間隔在顯示為符合間隔標(biāo)準(zhǔn)的情況下出現(xiàn)碰撞的概率.該間隔標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估報(bào)告基于國際民航組織認(rèn)證方法的延展，并使用有效的監(jiān)視數(shù)據(jù).

1.3 澳大利亞

澳大利亞選擇1090ES標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)適用于運(yùn)輸航空和通用航空.在規(guī)章制定方面，CASA頒布了CAO 20.18號(hào)適航指令，對機(jī)載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)作了詳細(xì)的規(guī)定.此外CASA頒布的 AC21－45對ADS－B運(yùn)行相關(guān)設(shè)備提供了指導(dǎo)，AC21－45的附件D部分對符合要求的設(shè)備進(jìn)行了不完全列表.航路最小側(cè)向間隔仍然為5 n mile［6］.

2 信號(hào)處理流程

ADS－B空管監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)處理流程用Petri網(wǎng)表示，如圖1所示.現(xiàn)實(shí)情況下，管制員需要同時(shí)監(jiān)視空域內(nèi)多架航空器的飛行動(dòng)態(tài)，圖中只考慮了2架航空器的特殊情況，但不會(huì)影響本文的分析結(jié)果.

圖中，K1是航空器1機(jī)載GPS接收機(jī)由定時(shí)器觸發(fā)解算的飛機(jī)位置等信息；K2是航空器2機(jī)載GPS接收機(jī)由定時(shí)器觸發(fā)解算的飛機(jī)位置等信息；K3是航空器1機(jī)載發(fā)射機(jī)廣播報(bào)文；K4是航空器2機(jī)載發(fā)射機(jī)廣播報(bào)文；K5是地面接收機(jī)接收航空器1的發(fā)射報(bào)文，經(jīng)處理后送終端顯示器；K6是地面接收機(jī)接收航空器2的發(fā)射報(bào)文，經(jīng)處理后送終端顯示器；由于地面接收機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一架航空器的廣播報(bào)文，圖中可表述為輪流接收兩架航空器廣播報(bào)文；K7是管制員監(jiān)視飛行動(dòng)態(tài)，按照管制最低間隔標(biāo)準(zhǔn)，為航空器之間配備飛行間隔，管制員通過通信設(shè)備向飛行員發(fā)出管制指令的.由于不同數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，其信道訪問方式可能是隨機(jī)訪問或自組織時(shí)隙，故圖中K5，K6表示信道資源的競爭.

圖1 ADS－B空管監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)處理流程

3 ADS－B空管監(jiān)視系統(tǒng)的誤差分析

在ADS－B空管監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)處理流程中，人和監(jiān)視設(shè)備兩方面的因素得到了直接的體現(xiàn).其中，人的因素包括管制員和飛行員的因素.在空中交通管制中，管制員的失誤是導(dǎo)致危險(xiǎn)接近和碰撞的關(guān)鍵因素之一.對管制員因素的研究，基本都是直接進(jìn)行定性分析，給出影響的因素及改善措施，這方面已有大量研究工作被開展［7－8］.本文中，不考慮管制員或飛行員出現(xiàn)失誤的情況，空中碰撞只會(huì)由監(jiān)視設(shè)備的誤差所引起.

從K1到K6，數(shù)據(jù)經(jīng)過了很多硬件和軟件單元的處理，都會(huì)產(chǎn)生誤差，但仔細(xì)分析可知：ADSB監(jiān)視誤差主要由以下幾部分組成.

1）GPS接收機(jī)的誤差，模型中的K1和K2變遷.

2）機(jī)載收發(fā)機(jī)廣播報(bào)文的周期以及數(shù)據(jù)鏈出現(xiàn)掉包或錯(cuò)包后產(chǎn)生的監(jiān)視誤差，模型中的K3和K4到K5，下文中簡稱為數(shù)據(jù)鏈誤差.

3）系統(tǒng)延時(shí)產(chǎn)生的誤差，從變遷K1到K5或從變遷K2到K5存在系統(tǒng)延時(shí)，包括GPS接收機(jī)、機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備的數(shù)據(jù)處理延時(shí).

3.1 GPS接收機(jī)誤差

GPS接收機(jī)以水平保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（HPL）的格式傳送信息.HPL是一個(gè)以真實(shí)位置為圓心的圓的半徑，計(jì)算出來的位置以一定的概率落在圓周內(nèi).HPL是由GPS接收機(jī)通過RAI M算法（接收機(jī)自主完好性檢測）計(jì)算得出的.機(jī)載接收機(jī)RAI M算法的基本思想是：使用四顆為一組的多組衛(wèi)星作為接收機(jī)的“可見”衛(wèi)星，從而解算出多個(gè)航空器位置結(jié)果，并比較這些位置結(jié)果的一致性，只要結(jié)果存在不一致就表明位置數(shù)據(jù)的完好性可能是不充分的.所以，在RAI M失效的時(shí)期，不能保證完好性，需要一系列管制程序來保證安全，例如指導(dǎo)管制員在RAI M失效時(shí)暫時(shí)增大航空器間隔等.現(xiàn)在，HPL用導(dǎo)航完好性類別（NIC）、監(jiān)視完好性等級(jí)（SIL）和導(dǎo)航精度種類（NAC）3個(gè)參數(shù)指示，如圖2所示.

圖2 ADS－B編碼性能參數(shù)

在表1終端區(qū)3 n mile間隔標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)NAC，NIC和SIL分別為7，6，2時(shí)，CAP概率為3×10－12時(shí)，確定的運(yùn)行余度為1.4 n mile.在具體討論ADS－B監(jiān)視系統(tǒng)誤差時(shí)，該部分誤差可以繼續(xù)使用上述研究成果.

3.2 數(shù)據(jù)鏈誤差

航站區(qū)域的自動(dòng)化系統(tǒng)要求監(jiān)視更新率以95%的置信度每5 s更新一次（由雷達(dá)更新的天線掃描率確定）.這樣的要求確定了ADS－B鏈路的信息接收的最小可接受概率，使ADS－B可以滿足該要求.例如，UAT狀態(tài)向量每秒鐘廣播一次，則在獨(dú)立的解碼故障情況下，以95%的置信度在5 s內(nèi)更新狀態(tài)向量的最小概率是0.45.該鏈路從地面基站開始的最大服務(wù)范圍受這個(gè)概率的限制.在這種情況下，先前收到的報(bào)告將在相鄰飛機(jī)的后一個(gè)報(bào)告的時(shí)間校準(zhǔn)內(nèi)更新它的速度向量（狀態(tài)向量報(bào)告的一部分）.無故障情況下的CAP包括最壞情況的間隔裕度，即允許一架飛機(jī)的先前報(bào)告被接收以后，再向其鄰近的飛機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向.假設(shè)在終端區(qū)域的速度是300 kn，轉(zhuǎn)向率為6°／s；在航路區(qū)域的速度是600 kn，轉(zhuǎn)向率為3 s，見圖3所示［6－8］.圖3中So，x等變量是距離，單位是n mile.

圖3 無故障情況CAP最壞估算方法

上述自動(dòng)化系統(tǒng)要求的監(jiān)視更新率是由雷達(dá)性能獲得，但單獨(dú)考慮ADS－B設(shè)備的性能時(shí)，可假設(shè)數(shù)據(jù)鏈出現(xiàn)掉包或錯(cuò)包的概率為P.在獨(dú)立的解碼故障情況下，連續(xù)出現(xiàn)n次掉包或錯(cuò)包的概率τ為

ADS－B設(shè)備數(shù)據(jù)鏈連續(xù)出現(xiàn)n次掉包或錯(cuò)包的概率可以通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)完成，在滿足相同CAP概率時(shí)能減小側(cè)向間隔.

3.3 系統(tǒng)延時(shí)誤差

時(shí)間延遲越大，誤差也會(huì)隨之增大.與雷達(dá)相比，由于時(shí)間延遲的作用，ADS－B的高更新率（1次／s）最小化了方位誤差.通過測量和補(bǔ)償，時(shí)間延遲的標(biāo)準(zhǔn)可以量化為所報(bào)告信息中不超過某一特定的時(shí)間的最大時(shí)間.參考圖3，系統(tǒng)延時(shí)誤差對側(cè)向間隔的影響也可考慮在最壞情況下，通過與航空器速度、轉(zhuǎn)向率等參數(shù)計(jì)算獲得.

4 結(jié)束語

本文用Petri網(wǎng)表示了ADS－B空管監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)處理流程，分析得到ADS監(jiān)視誤差主要由GPS接收機(jī)誤差、數(shù)據(jù)鏈誤差和系統(tǒng)延時(shí)誤差組成，并重點(diǎn)闡述了這些誤差對側(cè)向間隔的影響.而間隔標(biāo)準(zhǔn)的確立還要考慮空域結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航通信設(shè)備性能以及管制員工作負(fù)荷等，所以今后的主要工作是建立模型計(jì)算危險(xiǎn)接近概率，并進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證評(píng)估.

［1］Doc 96892 AN／953.Manual on airspace planning met hod2ology for the deter mination of separation minima［S］.Mont real：International Civil Aviation Organization，1998.

［2］徐肖豪，李冬賓，李 雄.飛行間隔安全評(píng)估研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2008（11）：1411－1417.

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［7］中國民航局航空安全辦公室.人為因素訓(xùn)練手冊［S］.北京：中國民航局航空安全辦公室，2009.

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