劉海濤，吳 松，金 鑫，李冬霞

（中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）[1]是一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和航空數(shù)據(jù)鏈的航空器監(jiān)視技術(shù)。與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B具有監(jiān)視信息更實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)精度高、建設(shè)成本低、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，因此ADS-B被國(guó)際民航組織確定為民航系統(tǒng)的主要監(jiān)視技術(shù)手段[2]。目前，ADS-B系統(tǒng)主要應(yīng)用于航路監(jiān)視、終端區(qū)監(jiān)視、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視及無(wú)雷達(dá)覆蓋區(qū)域的空中監(jiān)視[3]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中ADS-B系統(tǒng)存在以下兩方面的問(wèn)題：①飛機(jī)報(bào)告的位置數(shù)據(jù)來(lái)源于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，存在多種因素可導(dǎo)致飛機(jī)獲取的位置信息具有偏差[4]；②ADS-B系統(tǒng)存在嚴(yán)重的共信道干擾，因此造成ADS-B信號(hào)的丟失。以上兩方面的因素將最終導(dǎo)致ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能的下降，因此針對(duì)ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能開(kāi)展性能評(píng)估的研究具有重要的意義。

為了驗(yàn)證ADS-B系統(tǒng)是否能滿足中國(guó)西部地區(qū)對(duì)監(jiān)視的性能需求，文獻(xiàn)[5]利用雷達(dá)數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)ADS-B位置數(shù)據(jù)精度和完好率等參數(shù)進(jìn)行了分析，研究表明，ADS-B性能優(yōu)于雷達(dá)系統(tǒng)。為了評(píng)估ADS-B系統(tǒng)是否滿足監(jiān)視精度及可用性的需求，文獻(xiàn)[6]利用ADS-B數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)作對(duì)比，統(tǒng)計(jì)了ADS-B水平位置精度和更新速率等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，66.7%的飛機(jī)位置錯(cuò)誤在150 m以下，且大多數(shù)飛機(jī)的位置更新速率不一致。為了驗(yàn)證ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)可用性和可靠性，文獻(xiàn)[4]利用大量ADS-B數(shù)據(jù)對(duì)消息平均丟失率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并分析了影響ADS-B系統(tǒng)性能的因素，研究表明，消息丟失和飛機(jī)與接收機(jī)的距離、數(shù)據(jù)沖突有關(guān)。為了驗(yàn)證ADS-B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，文獻(xiàn)[7]利用ADS-B數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了數(shù)據(jù)完好率、漏點(diǎn)率和跳點(diǎn)率等參數(shù)，研究表明，數(shù)據(jù)完好率在87%以上，且在跑道上滑行的飛機(jī)的漏點(diǎn)率比其他狀態(tài)高。在ADS-B性能評(píng)估過(guò)程中，文獻(xiàn)[4]通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將來(lái)自不同接收機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與融合，存在網(wǎng)絡(luò)擁塞和連接不穩(wěn)定問(wèn)題，容易造成消息接收時(shí)延和數(shù)據(jù)丟失。文獻(xiàn)[7]使用的數(shù)據(jù)格式為CAT021，DF-17格式轉(zhuǎn)CAT021格式需要額外的時(shí)延，且判定漏點(diǎn)的門限值稍大，降低了漏點(diǎn)率統(tǒng)計(jì)精度。

針對(duì)ADS-B系統(tǒng)是否滿足飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視的性能需求問(wèn)題，構(gòu)建了ADS-B數(shù)據(jù)接收及處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了性能評(píng)估軟件，采集天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)ADS-B實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到了ADS-B系統(tǒng)位置消息的平均更新周期、漏點(diǎn)率、跳點(diǎn)率和完好率等參數(shù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，ADS-B消息平均更新周期和漏點(diǎn)率與飛機(jī)飛行狀態(tài)及飛機(jī)離接收機(jī)距離有關(guān)，且跳點(diǎn)率低、位置數(shù)據(jù)完好率達(dá)到98.8%以上。與其它相關(guān)工作相比，本研究主要貢獻(xiàn)如下：利用DF-17原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到飛機(jī)位置消息平均更新周期及漏點(diǎn)率、飛機(jī)航跡的跳點(diǎn)率和ADS-B系統(tǒng)的完好率等技術(shù)參數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲得ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視技術(shù)參數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)中國(guó)ADS-B系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的參考意義。

1 ADS-B系統(tǒng)性能參數(shù)

圖1給出了ADS-B地面站收到某飛機(jī)的ADS-B消息類型及消息接收時(shí)刻示意圖。

圖1 某架飛機(jī)ADS-B消息類型及接收時(shí)刻示意圖Fig.1 ADS-B message type and reception time of one aircraft

圖1中：MAirPos為飛機(jī)空中位置消息；MVel為空中速度消息；MID為航班識(shí)別消息；MTarSta為目標(biāo)狀態(tài)與狀況消息；MOprSta為飛機(jī)運(yùn)行狀況消息；MESSta為擴(kuò)展振蕩飛機(jī)狀況消息為地面站收到第i個(gè)空中位置消息的時(shí)刻為收到第j個(gè)空中速度消息的時(shí)刻。

1.1 空中位置消息平均更新周期

根據(jù)圖1給出的飛機(jī)ADS-B消息類型及接收時(shí)刻，可定義該架飛機(jī)第i個(gè)空中位置消息與第i-1個(gè)空中位置消息的接收時(shí)刻的差值為第i個(gè)空中位置消息的瞬時(shí)更新周期

其中：N為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)地面站接收到該飛機(jī)空中位置消息數(shù)目。由于信號(hào)傳輸中存在多徑傳播、信號(hào)衰落和ADS-B消息沖突等多方面的因素，導(dǎo)致式（1）計(jì)算得到的空中位置消息瞬時(shí)更新周期為一個(gè)隨機(jī)變量，為精確地衡量空中位置消息的更新周期，引入空中位置消息的平均更新周期

式（2）給出的空中位置消息平均更新周期描述了在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，地面站接收到某架飛機(jī)空中位置消息的平均時(shí)間間隔。

1.2 空中位置消息的漏點(diǎn)率

在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，如果ADS-B地面站沒(méi)有收到某飛機(jī)發(fā)送的空中位置消息，則該事件稱為空中位置消息漏點(diǎn)。導(dǎo)致空中位置消息漏點(diǎn)的因素有兩方面：①飛機(jī)與地面站距離過(guò)遠(yuǎn)，導(dǎo)致接收信號(hào)強(qiáng)度低于接收機(jī)解調(diào)門限，使得接收機(jī)無(wú)法解調(diào)ADS-B消息；②ADS-B系統(tǒng)存在的共信道干擾導(dǎo)致信號(hào)沖突，或多徑干擾導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正確解調(diào)消息。根據(jù)圖1給出的飛機(jī)ADS-B消息類型及接收時(shí)刻，將第i-1個(gè)與第i個(gè)空中位置消息之間丟失的空中位置消息數(shù)記為的計(jì)算公式為

其中為第i個(gè)空中位置消息的瞬時(shí)更新周期；Tstd為位置消息的更新周期，參考RTCA標(biāo)準(zhǔn)[1]，Tstd參數(shù)取值為600 ms。以式（3）給出空中位置消息漏點(diǎn)數(shù)為基礎(chǔ)，可進(jìn)一步得到空中位置消息漏點(diǎn)率的計(jì)算公式為

其中其代表在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)飛機(jī)的總漏點(diǎn)數(shù)；N為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)接收到飛機(jī)的空中位置消息數(shù)。

1.3 空中位置消息的跳點(diǎn)率

如果空中位置消息所提供的飛機(jī)位置偏離飛機(jī)真實(shí)航跡，且偏差值超過(guò)規(guī)定閾值（通常設(shè)置為1000 ft[8]（1 ft=0.304 8 m）），則該空中位置消息稱為跳點(diǎn)。產(chǎn)生跳點(diǎn)的因素主要有兩方面：①在高A/C應(yīng)答機(jī)異步干擾（FRUIT）交疊的情況下，信號(hào)在接收端容易產(chǎn)生誤碼[9]；②由于ADS-B消息中飛機(jī)位置信息來(lái)源于機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，而機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取飛機(jī)位置信息，因此衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)載定位接收設(shè)備及定位信號(hào)的傳播環(huán)境均可導(dǎo)致飛機(jī)獲得的位置信息存在誤差。這兩個(gè)因素最終導(dǎo)致ADS-B接收機(jī)獲取的飛機(jī)位置信息偏離其真實(shí)位置。為統(tǒng)計(jì)飛機(jī)位置消息偏離真實(shí)位置的概率，可定義在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)的跳點(diǎn)數(shù)占空中位置消息總數(shù)的比例，稱為空中位置消息的跳點(diǎn)率，其計(jì)算公式為

其中為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)飛機(jī)空中位置消息的跳點(diǎn)次數(shù)，當(dāng)?shù)趇個(gè)空中位置消息為跳點(diǎn)時(shí)，參量取值為1，否則取值為0。

在對(duì)ADS-B實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí)，空中位置消息的跳點(diǎn)率統(tǒng)計(jì)方法如下：①提取觀測(cè)時(shí)間內(nèi)某飛機(jī)的所有空中位置消息，并獲得該飛機(jī)的報(bào)告航跡；②利用卡爾曼濾波算法對(duì)飛機(jī)報(bào)告航跡進(jìn)行濾波處理，得到飛機(jī)的參考航跡；③分別計(jì)算飛機(jī)報(bào)告航跡與飛機(jī)參考航跡對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離偏差，如果距離偏差值超過(guò)規(guī)定的閾值，則判定相應(yīng)的空中位置消息為跳點(diǎn)，將觀測(cè)時(shí)間內(nèi)所有跳點(diǎn)進(jìn)行累加可得到跳點(diǎn)總數(shù)；④利用式（5）可計(jì)算得到該飛機(jī)的跳點(diǎn)率。

1.4 ADS-B地面站的完好率

為了表明飛機(jī)發(fā)送的ADS-B消息所提供位置信息是否滿足地面空中交通管制的完好性需求，飛機(jī)發(fā)送的某些ADS-B消息中包含有導(dǎo)航完好性類別（NIC，navigation integrity category）字段，該字段指明了飛機(jī)報(bào)告位置信息的完好性是否在可接受的范圍內(nèi)。按照國(guó)際民航組織的相關(guān)規(guī)定[10]：只有當(dāng)飛機(jī)發(fā)送的ADS-B消息的NIC字段取值超過(guò)6時(shí)，該飛機(jī)提供的位置數(shù)據(jù)才可用于空中交通管制。為了定量描述地面站覆蓋區(qū)域內(nèi)，所有飛機(jī)提供位置信息的完好性，定義ADS-B地面站的完好率為

其中：n為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)ADS-B地面站覆蓋區(qū)域內(nèi)飛機(jī)的總數(shù)為接收的第k個(gè)飛機(jī)空中位置消息中NIC字段取值超過(guò)6的消息總數(shù)；Nk為收到的第k個(gè)飛機(jī)空中位置消息的總數(shù)為ADS-B地面站覆蓋區(qū)域內(nèi)收到所有飛機(jī)發(fā)送的空中位置消息中NIC字段取值超過(guò)6的消息總數(shù)為地面站覆蓋區(qū)域內(nèi)收到所有飛機(jī)發(fā)送的空中位置消息的總數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2給出了ADS-B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由ADS-B接收機(jī)及ADS-B性能評(píng)估系統(tǒng)組成。

圖2 ADS-B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 ADS-B experimental system

圖2中ADS-B接收機(jī)位于天津市中國(guó)民航大學(xué)南院海航科技大廈（東經(jīng) 117.361 2°，北緯 39.107 8°），ADS-B接收機(jī)采用Kinetic公司SBS-3接收機(jī)，接收天線為全向天線。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，SBS-3接收機(jī)輸出的DF-17報(bào)文通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸給ADS-B性能評(píng)估系統(tǒng)，ADS-B性能評(píng)估系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)、性能分析、數(shù)據(jù)顯示三大模塊，可對(duì)DF-17格式數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并存儲(chǔ)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用解析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，輸出消息平均更新周期、跳點(diǎn)率、漏點(diǎn)率和完好率等ADS-B系統(tǒng)的性能參數(shù)。

2.2 空中位置消息平均更新周期

采集2017年3月20日—4月20日時(shí)段內(nèi)天津機(jī)場(chǎng)周邊飛機(jī)的ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)，分析不同飛行狀態(tài)下，按飛機(jī)離地面站距離統(tǒng)計(jì)空中位置消息更新周期與漏點(diǎn)率的趨勢(shì)。表1給出了體現(xiàn)參數(shù)整體趨勢(shì)的代表性數(shù)據(jù)。

下面分別從兩個(gè)不同角度考察飛機(jī)位置更新周期的變化規(guī)律：

1）飛機(jī)狀態(tài)對(duì)消息更新周期的影響

對(duì)于進(jìn)場(chǎng)航班（AMU238與GCR7822），飛機(jī)與地面站距離為0～50km時(shí)，位置消息的更新周期為1114 ms和 1 300 ms；對(duì)于離場(chǎng)航班（CSC8567 與CSN6569），位置消息的更新周期為1 050 ms和999 ms；巡航狀態(tài)航班（CCA1519）的更新周期為738 ms。從以上數(shù)據(jù)分析可得如下結(jié)論：在0～50 km范圍內(nèi)，離場(chǎng)與進(jìn)場(chǎng)飛機(jī)的位置更新周期基本相同，而巡航狀態(tài)飛機(jī)位置消息更新周期低于離場(chǎng)與進(jìn)場(chǎng)飛機(jī)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果具有相同趨勢(shì)。原因分析如下：處于巡航狀態(tài)飛機(jī)的飛行高度較高，飛機(jī)與地面站通信鏈路質(zhì)量較好，消息正確接收的概率較高，最終導(dǎo)致位置消息更新周期較低；而處于離場(chǎng)與進(jìn)場(chǎng)狀態(tài)飛機(jī)的飛行高度較低，飛機(jī)與地面站通信信道存在多徑干擾，導(dǎo)致地面站接收機(jī)正確接收概率降低，最終導(dǎo)致位置消息更新周期增加。

表1 不同情況下飛機(jī)空中位置消息參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Parameter statistics of airborne position messages under different circumstances

2）飛機(jī)與地面站距離對(duì)位置消息更新周期的影響

對(duì)于巡航狀態(tài)的飛機(jī)（CCA1519與CSC8517），當(dāng)飛機(jī)與地面站距離為0～50 km時(shí)，位置消息的更新周期為738 ms和840 ms；當(dāng)飛機(jī)與地面站距離增加至50～100 km時(shí)，位置消息的更新周期為871 ms和888 ms；當(dāng)距離進(jìn)一步加至100 km以上時(shí)，CCA1519位置消息的更新周期為1 163 ms，CSC8517沒(méi)有數(shù)據(jù)。根據(jù)以上分析可得如下結(jié)論：對(duì)于巡航狀態(tài)的飛機(jī)，隨著飛機(jī)與地面站距離的增加，位置消息的更新周期增加。原因分析如下：處于巡航狀態(tài)的飛機(jī)，飛行高度基本不變，隨著飛機(jī)與地面站距離的增加，地面站接收到飛機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度呈現(xiàn)降低，地面站接收機(jī)接收信號(hào)的信噪比呈現(xiàn)下降，導(dǎo)致接收機(jī)成功接收消息的概率降低，最終導(dǎo)致消息更新周期增加。

2.3 空中位置消息漏點(diǎn)率

下面從飛機(jī)與地面站的距離及飛機(jī)數(shù)目對(duì)漏點(diǎn)率影響兩個(gè)角度，研究漏點(diǎn)率的變化規(guī)律。

1）飛機(jī)與地面站距離對(duì)漏點(diǎn)率的影響

對(duì)于巡航狀態(tài)飛機(jī)（CCA1519），當(dāng)飛機(jī)與地面站距離為0～50 km時(shí)，其位置消息漏點(diǎn)率為0.14；當(dāng)飛機(jī)與地面站距離增加至50～100 km時(shí)，其漏點(diǎn)率為0.24；當(dāng)距離進(jìn)一步加至100 km以上時(shí)，其漏點(diǎn)率為0.39。以上數(shù)據(jù)分析表明：當(dāng)飛機(jī)與地面站的距離越遠(yuǎn)，飛機(jī)的位置消息漏點(diǎn)率越大，研究結(jié)論與文獻(xiàn)[3]的結(jié)論相一致。造成以上現(xiàn)象的原因如下：當(dāng)飛機(jī)與地面站的距離越遠(yuǎn)，地面站接收到飛機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度降低，導(dǎo)致信號(hào)被衰弱和消息丟失的概率增加，最終導(dǎo)致空中位置消息的漏點(diǎn)率增加。

2）空域中飛機(jī)數(shù)目對(duì)漏點(diǎn)率的影響

表2給出了2017年4月2日不同時(shí)段，接收機(jī)接收范圍內(nèi)的飛機(jī)數(shù)目與空中位置消息漏點(diǎn)率的關(guān)系。在凌晨03∶00～04∶00 和 04∶00～05∶00 時(shí)，實(shí)際共接收的飛機(jī)數(shù)分別為29架和21架，對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)飛機(jī)的平均漏點(diǎn)率為0.24 和 0.23；在上午 10∶00～11∶00 和 11∶00～12∶00時(shí)，實(shí)際共接收的飛機(jī)數(shù)為141架和137架，對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)飛機(jī)的平均漏點(diǎn)率為0.33和0.29。兩組數(shù)據(jù)對(duì)比表明：飛機(jī)數(shù)目較少時(shí)段的飛機(jī)平均漏點(diǎn)率比較多時(shí)段的漏點(diǎn)率低；且不管空域中飛機(jī)多少，總存在漏點(diǎn)率。原因如下：當(dāng)空中飛機(jī)數(shù)目越多，廣播的消息數(shù)目也越多，使得同時(shí)段接收機(jī)接收的ADS-B消息越多，從而導(dǎo)致消息沖突及丟失，使得漏點(diǎn)率增高。

表2 飛機(jī)數(shù)目與位置消息平均漏點(diǎn)率Tab.2 Aircraft number and average loss rate of aircraft position

2.4 跳點(diǎn)率

根據(jù)1.3節(jié)中對(duì)跳點(diǎn)率的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)2017年3月28日—4月3日的航班跳點(diǎn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 若干航班跳點(diǎn)率統(tǒng)計(jì)Tab.3 Loss rate statistics of flights

從表3中可以看出，除了CES744航班的跳點(diǎn)率為0.005 7外，其余存在跳點(diǎn)的航班跳點(diǎn)率近似在0.002 0左右。

2.5 完好率

選取2017年4月1日11∶00～13∶00間接收的空中位置消息數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)NIC值進(jìn)行位置完好性分析，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 NIC取值分布圖Fig.3 NIC value distribution

圖3給出了共131 302條ADS-B空中位置消息的NIC取值分布柱狀圖，其中，橫坐標(biāo)代表NIC取值，縱坐標(biāo)代表該NIC值的數(shù)量。根據(jù)圖3數(shù)據(jù)與式（6）可計(jì)算得到，該時(shí)段內(nèi)的ADS-B地面站的完好率為98.8%。

3 結(jié)語(yǔ)

為評(píng)估ADS-B系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的監(jiān)視性能，構(gòu)建了ADS-B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采集了天津機(jī)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到了ADS-B消息的平均更新周期、漏點(diǎn)率、跳點(diǎn)率和完好率等性能參數(shù)。研究結(jié)果表明：①巡航狀態(tài)飛機(jī)的位置更新周期和漏點(diǎn)率比進(jìn)場(chǎng)與離場(chǎng)狀態(tài)飛機(jī)的低；②飛機(jī)與地面接收機(jī)距離越遠(yuǎn)，消息平均更新周期越大，相應(yīng)的漏點(diǎn)率越高；③空中飛機(jī)數(shù)量越多，位置消息的漏點(diǎn)率越高；④部分飛機(jī)航跡存在跳點(diǎn)現(xiàn)象，跳點(diǎn)率在10－3上下；⑤ADS-B系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)完好率達(dá)到98.8%以上。

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