張召悅，杜海龍，高春燕

（中國民航大學(xué)a.空中交通管理學(xué)院；b.工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)的飛行器運行監(jiān)視技術(shù)，是為越洋飛行的航空器在無法進行雷達監(jiān)視的情況下，希望利用衛(wèi)星實施監(jiān)視所提出的解決方案[1]。在空中交通管制中，利用ADS-B監(jiān)視設(shè)備提供的航空器飛行數(shù)據(jù)，管制員可以為航空器配備飛行間隔，防止航空器與航空器相撞，大大提高監(jiān)視的靈活性。國內(nèi)準(zhǔn)備將ADS-B技術(shù)應(yīng)用到民航監(jiān)視領(lǐng)域，然而由于接收機誤差、數(shù)據(jù)鏈誤差、系統(tǒng)延時等誤差的存在[2]，飛機飛行過程中的航跡異常、丟點現(xiàn)象比較突出，目前國內(nèi)對ADS-B航跡修正方面研究的較少，保證ADS-B航跡的連續(xù)性及對航跡修正成為一項重要工作。為促進ADS-B航跡監(jiān)視技術(shù)在民航領(lǐng)域的推廣，本文結(jié)合民用飛機各飛行階段的特征和ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)的特點，采用飛行計算模型對ADS-B航跡進行修正。

1 飛行計算模型

飛行計算模型是ADS-B航跡識別、修正的基礎(chǔ)，能從根本上反映航跡的趨勢。為了準(zhǔn)確、快速修正航跡，選取了基本飛行模式及其狀態(tài)方程。

1.1 基本飛行模型

基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論中的積木機制思想，文獻[3]提出了符合飛行操作特征的基本飛行模型的概念。航空器飛行航跡中高度和速度的剖面由一系列基本飛行模型組合而成（一條航跡段的基本飛行剖面如圖1所示），基本飛行模型主要有以下5種模式：

1）勻速飛行模式（constant velocity，CV）：主要巡航段中的直線飛行，以及等速爬升/下降飛行。

2）轉(zhuǎn)彎飛行模式（coordinate turn，CT）：在等高度、等偏航率、等速度的情況下改變航向的機動飛行。

3）同航向等高度加/減速度飛行模式（constant acceleration，CA）：該模式為速度改變的機動飛行。

4）等高度變化率及等地速爬升/下降飛行模式（CH）：該模型是為高度改變的機動飛行。

5）等高度改變率勻加速／勻減速的爬升/下降飛行模式（CHCA）：該模式在水平方向上做勻加速／勻減速運動，主要在起飛和著陸兩種情況下出現(xiàn)。

圖1 基本飛行剖面圖Fig.1 Basic fight profile

針對上述基本飛行模型，選取CV、CT、CA、CH等作為主要飛行模式進行航跡修正，CHCA模式可以近似看作是4種模式的組合。在編寫程序時，將航跡按照飛行剖面階段特點與4種飛行模式匹配。

1.2 飛行模式狀態(tài)方程

飛行模式狀態(tài)方程式是ADS-B航跡修正的基礎(chǔ)，不同的飛行模式對應(yīng)不同的狀態(tài)方程?，F(xiàn)有的飛行模式都有其對應(yīng)的狀態(tài)估計方程。具體可表示為[4]：

1）CV模式的狀態(tài)估計方程為

2）CA模式的狀態(tài)估計方程為

根據(jù)ADS-B數(shù)據(jù)更新特點[5]，位置、速度、高度等信息每秒鐘都有更新，本文選取時間周期取1 s。3）CT模式是二維模式，其狀態(tài)方程為

4）CH模式是三維模式，其狀態(tài)方程為

由上述飛行模式狀態(tài)方程公式可看出x（k+1）是航跡修正點。只要可以快速、準(zhǔn)確地由第k個之前的正確航跡點修正估計出第k+1個異常航跡點的狀態(tài)向量，就可以得出修正后的航跡。

2 ADS-B航跡修正

ADS-B航跡修正主要包括：ADS-B航跡識別、結(jié)合ADS-B趨勢信息的飛行計算模型匹配兩個方面。ADS-B航跡修正流程圖如圖2所示。

圖2 ADS-B航跡修正流程圖Fig.2 Flow diagram of ADS-B trajectory correction

2.1ADS-B航跡識別

航跡識別是航跡修正的前提。接收到ADS-B數(shù)據(jù)后，得到原始航跡。但此時的航跡不精確，必須進行處理，盡可能地減少由于各種干擾造成的誤差，得到誤差最小的航跡，識別出異常航跡。針對ADS-B數(shù)據(jù)的特點，采取以下方法對ADS-B異常航跡進行識別。

2.1.1 濾波處理

數(shù)據(jù)濾波可以增加數(shù)據(jù)的可信度，提高航跡的識別率，最終提高航跡修正的效率。在航跡識別前首先濾波剔除錯誤航跡點，消除其對后續(xù)計算的影響。本文采取限幅濾波的方法，當(dāng)前接收值與前段正確數(shù)據(jù)進行比較，將兩次相鄰的接收值相減，取其差值的絕對值作為比較依據(jù)，如果小于或等于ΔV，則本次接收值為合格航跡，如果大于ΔV，則本次接收值為錯誤航跡。具體如下式所示

在濾波時，位置信息、速度、高度、航向?qū)?yīng)的，ΔV含義值是不一樣的。航跡處理時，通過判斷V是0還是1來識別隨機錯誤航跡值。

2.1.2 判別飛行模式轉(zhuǎn)換條件

出于安全考慮，在民航飛行過程中，很多模式間的轉(zhuǎn)換是不允許的。在實際運行過程中，民航規(guī)定僅允許其他模式向CV，或者CV向其他模式的轉(zhuǎn)換[4]。根據(jù)ADS-B監(jiān)視信息（如表1所示）的特點[6]，將濾波后的航跡數(shù)據(jù)進一步處理，識別出飛行模式轉(zhuǎn)換引起的航跡異常，判斷當(dāng)前飛行信息與飛行模式之間的吻合度，進一步提高識別精度，為航跡修正提供基礎(chǔ)。從ADS-B實際監(jiān)視信息及民機特點可以得出飛行模式轉(zhuǎn)換的條件：

1）若有垂直速度且高度信息發(fā)生改變，則可轉(zhuǎn)換為三維模式CH；

2）若目標(biāo)航向發(fā)生改變，則可轉(zhuǎn)換為二維模式CT；

3）若垂直速度為0且航向角度未發(fā)生變化，但近n（n≥10）條ADS-B數(shù)據(jù)報文的地速方差高于某一經(jīng)驗閾值，則可轉(zhuǎn)換為CA模式；

4）若飛機處于二維或三維模式，即CT或CH模式，并且通過ADS-B報文發(fā)現(xiàn)高度和角度信息均保持不變，則可轉(zhuǎn)換為CV模式；

5）若飛機處于CA模式，且最近n（n≥10）條報文速度的方差低于某一個經(jīng)驗閾值，則可估計轉(zhuǎn)換為CV模式。

2.2 匹配飛行計算模型

直接將基本飛行計算模型及狀態(tài)方程應(yīng)用到ADS-B異常航跡修正，會嚴(yán)重增加航跡修正的計算量，處理延遲將增大。充分利用ADS-B數(shù)據(jù)報文中的趨勢報告信息，匹配飛行計算模型，可提高程序運行效率和航跡修正的實時性。

表1 ADS-B監(jiān)視信息Tab.1 Surveillance information of ADS-B

由表1可見ADS-B數(shù)據(jù)報文中包含了目標(biāo)狀態(tài)（target state，TS，表示短期趨勢，提供了航路點約束以及連接航路點的航線[5]）報告和航跡改變（trajectory change，TC，表示長期趨勢）報告兩種趨勢信息，可用以輔助飛機飛行軌跡的預(yù)測和跟蹤。借助ADS-B數(shù)據(jù)報文中的趨勢報告信息匹配計算模型方法如下：

1）如果趨勢報告中目標(biāo)航向或航跡角從當(dāng)前的值發(fā)生了較大變化，則認(rèn)為是目標(biāo)飛機將發(fā)生轉(zhuǎn)彎機動飛行，這時系統(tǒng)選擇CT模式修正；

2）如果高度或垂直速度、趨勢報告中目標(biāo)改變狀態(tài)位的值從當(dāng)前的值發(fā)生變化，則認(rèn)為飛機將發(fā)生高度機動飛行，這時系統(tǒng)選擇CH模式修正；

3）如果趨勢報告中目標(biāo)航向或航跡角未發(fā)生變化，速度未發(fā)生大的變化，則認(rèn)為是目標(biāo)飛機勻速飛行，這時系統(tǒng)選擇CV模式修正；

4）如果趨勢報告中航向、高度等信息發(fā)生變化，且地速方差高于經(jīng)驗閾值，則選擇CT、CH、CA組合模式修正。修正時高度修正量采用CH模式修正、航向修正量采用CT模式修正、速度修正量采用CA模式修正，經(jīng)緯度的修正量通過三種模式修正的經(jīng)緯度值求平均值來獲得；

5）如果趨勢信息未判斷成功則按照飛行特征選取飛行計算模型。

3 實例分析

以天津濱海國際機場200 n mile內(nèi)的ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)為例進行驗證分析。選取4條航跡數(shù)據(jù)驗證方法的可行性，利用Matlab2010編寫了航跡修正驗證程序。通過濾波處理剔除異常航跡值（圖中星號所示）。對不連續(xù)航跡利用飛行模式狀態(tài)估計公式推算出相應(yīng)值（圖中句號所示）。具體情況如下：

1）選取了執(zhí)行深圳飛哈爾濱的CSN3744航班中的一段巡航航跡進行修正。接收到的ADS-B趨勢信息中目標(biāo)航向和高度沒有改變，報文起始垂直速率為0 ft/min（1 ft=0.3048 m，以下同），速度為 430 kn，由航跡修正程序判斷得出符合CV飛行模式特征。將航跡匹配CV飛行狀態(tài)估計方程，畫出修正后的航跡圖如圖3所示。

圖3 巡航段航跡修正實例圖Fig.3 Case diagram of cruise track correction

2）選取了臺州飛北京的CCA1852航班的一段轉(zhuǎn)彎航跡進行修正。接收到的趨勢信息中目標(biāo)航向310，起始航向20，航跡修正程序判斷符合CT飛行模式特征，將航跡匹配CT飛行狀態(tài)估計方程，畫出修正后的航跡圖如圖4所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)彎過程中航跡點比較稀疏，丟點現(xiàn)象較嚴(yán)重。

圖4 轉(zhuǎn)彎段航跡修正實例圖Fig.4 Case diagram of turn track correction

3）選取了天津飛深圳的CCA1371航班的一段離場航跡（如圖5所示）進行修正。由ADS-B信息中初始垂直速度為向上3392 ft/min，起始高度為500 ft且高度在不斷增加，可識別該段飛行航跡符合CH飛行模式特征。畫出修正后的航跡圖如圖5所示。

4）選取了新鄭飛天津的CSN3133航班的進近下降航跡進行修正。起始高度為3500 ft，垂直速度為向下1792 ft/min，通過航跡修正模型得出符合CH飛行模式特征，將航跡匹配CH飛行狀態(tài)估計方程，畫出修正后的航跡圖如圖6所示。從圖中可以看出，降落過程中航跡點比較稀疏、隨機波動較大、丟點現(xiàn)象較嚴(yán)重。

圖5 離場航跡修正實例圖Fig.5 Case diagram of departure track correction

圖6 進近航跡修正實例圖Fig.6 Case diagram of approach track correction

4 結(jié)語

ADS-B航跡修正技術(shù)是空中安全監(jiān)視的關(guān)鍵。本文針對ADS-B監(jiān)視過程中的航跡丟點、不連續(xù)問題，提出了基于基本飛行模型的ADS-B航跡修正方法。該方法能夠根據(jù)民機飛行特點及ADS-B監(jiān)視信息，匹配基本飛行模型，建立ADS-B航跡識別模型，完成ADS-B航跡修正。最終編寫程序驗證了該方法的可行性，實驗結(jié)果表明該方法能夠修正ADS-B異常航跡點，在減少運算量和縮短航跡修正所需響應(yīng)時間的基礎(chǔ)上，有效提高了航跡修正的準(zhǔn)確度，增強了系統(tǒng)的監(jiān)視性能。

[1]呂小平.ADS-B技術(shù)介紹[J].空中交通管理，2005（4）：24-25.

[2]孫立新，陳亞青，劉國毅.ADS-B空管監(jiān)視系統(tǒng)誤差分析與研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2011，35（4）：798-801.

[3]王 超，郭九霞，沈志鵬.基于基本飛行模型的4D航跡預(yù)測方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2009，44（2）：295-300.

[4]張 軍.空地協(xié)同的空域監(jiān)視新技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.

[5]DO-260A，Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended SquitterAutomatic DependentSurveillance-Broadcast（ADS-B）and Traffic Information Services Broadcast（TIS-B）[S].

[6]DO-242A，Minimum Aviation System Performance Standards for Automatic Dependent Surveillance Broadcast（ADS-B）[S].