馮 巖，周祿華，楊 愷，鄒國(guó)政

（南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，江蘇南京 210007）

0 引言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Autornatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）具有更新速率快、位置精度高和建設(shè)成本低等優(yōu)勢(shì)，是國(guó)際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）確定的未來(lái)主要監(jiān)視技術(shù)之一。2018年年底，中國(guó)民航東部和西部ADS-B工程完成竣工及驗(yàn)收，建設(shè)內(nèi)容包括在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)308套ADS-B地面站，在7個(gè)地區(qū)空管局和三亞區(qū)管中心建設(shè)二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心，在空管分局（站）建設(shè)數(shù)據(jù)站［1］。ADS-B工程的建設(shè)彌補(bǔ)了我國(guó)中西部地區(qū)雷達(dá)覆蓋不足的現(xiàn)狀，同時(shí)也提高了東部地區(qū)監(jiān)視冗余備份的能力。多ADS-B地面站多目標(biāo)融合是數(shù)據(jù)站和數(shù)據(jù)處理中心的核心功能，相比空管自動(dòng)化系統(tǒng)中的ADS-B與航管雷達(dá)的融合，ADS-B數(shù)據(jù)處理中心的目標(biāo)融合有其自身的特點(diǎn)。本文將參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并結(jié)合在實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題，詳細(xì)論述ADS-B數(shù)據(jù)處理中心中的目標(biāo)相關(guān)和融合算法。

1 ADS-B工程系統(tǒng)架構(gòu)

我國(guó)民用航空管理空中交通管理局采用分層分級(jí)的管理模式，東西部ADS-B工程中的系統(tǒng)架構(gòu)契合了這一點(diǎn)，如圖1所示。

ADS-B工程系統(tǒng)架構(gòu)包括三級(jí)數(shù)據(jù)站、二級(jí)和一級(jí)數(shù)據(jù)中心組成。三級(jí)數(shù)據(jù)站引接本分局站內(nèi)ADS-B地面站信號(hào)并融合上傳至二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心。二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心除引接數(shù)據(jù)站的融合數(shù)據(jù)外，也可根據(jù)需要引接某些關(guān)鍵地面站的數(shù)據(jù)。8個(gè)二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心的融合數(shù)據(jù)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)站在一級(jí)數(shù)據(jù)處理中心做進(jìn)一步融合，形成覆蓋全國(guó)范圍內(nèi)的ADS-B 信號(hào)［2］。

多級(jí)數(shù)據(jù)處理中心的設(shè)計(jì)，可有效過(guò)濾網(wǎng)絡(luò)流量，避免過(guò)多站點(diǎn)、過(guò)大流量接入空管自動(dòng)化系統(tǒng)。同時(shí)，多個(gè)接入站點(diǎn)ADS-B數(shù)據(jù)的相互比較和融合，使得數(shù)據(jù)處理中心有能力為后端自動(dòng)化系統(tǒng)提供更加準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)。

圖1 ADS-B工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 多目標(biāo)相關(guān)

2.1 相關(guān)因子

ICAO 24位地址碼是S模式應(yīng)答機(jī)的編碼,是飛機(jī)在ICAO注冊(cè)的全球唯一識(shí)別代碼。理論上來(lái)說(shuō)，全球不可能有兩架相同地址碼的飛機(jī)，但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于應(yīng)答機(jī)S模地址設(shè)置錯(cuò)誤、地面站解碼錯(cuò)誤等因素的影響，相同地址碼的飛機(jī)并不少見(jiàn)。因此，地址碼不能用來(lái)作為區(qū)分不同目標(biāo)的唯一判定因子。距離大于6海里的重復(fù)S模地址，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是兩個(gè)目標(biāo)。同高度飛行的航空器之間的最小水平間隔不得小于10公里［3］，所以距離也是區(qū)分兩個(gè)相同地址碼目標(biāo)的重要因子。為避免在不同高度層兩個(gè)相同地址碼的目標(biāo)因水平距離過(guò)近而發(fā)生錯(cuò)誤相關(guān)的可能，高度、二次代碼、航班號(hào)等信息也需要作為目標(biāo)相關(guān)的輔助判定因子，但需要注意的是該類信息并不總是存在或同一周期不同地面站的內(nèi)容并不總是相同。

不同于自動(dòng)化系統(tǒng)多雷達(dá)融合中的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，ADS-B數(shù)據(jù)站或數(shù)據(jù)處理中心（以下統(tǒng)稱“數(shù)據(jù)處理中心”）在目標(biāo)相關(guān)時(shí)需要做“相同周期”的判斷。同一目標(biāo)，相同周期，不同地面站Asterix CAT021中位置信息（I021/130或I021/131）應(yīng)該“相同”，日時(shí)間信息（如021/073）不應(yīng)偏差過(guò)大。需要注意的是，地面靜止或測(cè)試點(diǎn)目標(biāo)每個(gè)周期的位置一般“不變”，所以位置信息不能作為“相同周期”的唯一判定因子。

2.2 地面站數(shù)據(jù)檢查

各地面站提供有效、準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)，是提高融合效果的關(guān)鍵。因此數(shù)據(jù)處理中心需要具備對(duì)常用和關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容做合法性檢查和互相交叉驗(yàn)證的能力。

（1）地面站丟失二次代碼時(shí)，021/040數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)缺失，不應(yīng)賦值“0000”，MODE A0000是有效的二次代碼。同樣的，當(dāng)?shù)孛嬲緛G失高度時(shí)，021/140或021/145數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)缺失，不應(yīng)賦值為0。

（2）I021/040數(shù)據(jù)項(xiàng)中GBS置1時(shí)，表示地面目標(biāo)。ADS-B地面目標(biāo)不應(yīng)有高度信息，021/160數(shù)據(jù)項(xiàng)中的速度值也不應(yīng)過(guò)大。

（3）地面站從收到報(bào)文到組裝成Asterix CAT021最大處理延遲為50 ms［4］，如果數(shù)據(jù)處理中心接收到地面站數(shù)據(jù)中I021/073等日時(shí)間信息與系統(tǒng)GPS時(shí)間差異過(guò)大，則其可能為問(wèn)題地面站?？赡艿脑蛴芯W(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障、傳輸鏈路帶寬不足、地面站處理延遲過(guò)大、地面站GPS失效等。

（4）同一目標(biāo)在相同周期，不同地面站的數(shù)據(jù)項(xiàng)I021/130或I021/131內(nèi)容應(yīng)該“相同”，如某地面站跟其他地面站“不相同”的情況，則其可能為問(wèn)題地面站?？赡艿脑蛴性摰孛嬲镜募m檢錯(cuò)成功率不高等。

（5）同一空中非測(cè)試點(diǎn)目標(biāo)，如果各地面站位置“相同”，則日時(shí)間信息I021/073等也應(yīng)該在同一周期。如某地面站跟其他地面站日時(shí)間偏差過(guò)大，則其可能為問(wèn)題地面站?？赡艿脑蛴械孛嬲咎幚硌舆t過(guò)大、地面站GPS失效等。另外需要注意的是，如果應(yīng)答機(jī)下傳的位置信息中時(shí)間標(biāo)志TIME=1，表示下發(fā)的位置報(bào)文固定延遲0.2 s，地面站在收到該類報(bào)文時(shí)需要做相應(yīng)處理。

3 多目標(biāo)融合

3.1 融合功能

數(shù)據(jù)處理中心的核心功能是將相關(guān)為同一目標(biāo)、在同一周期的各地面站數(shù)據(jù)融合成信息內(nèi)容更全、更準(zhǔn)的綜合信息。融合主要包括如下功能。

（1）不同Asterix CAT021版本的轉(zhuǎn)換。ADS-B地面站的常見(jiàn)輸出格式版本有0.26，1.4，1.5，2.1，2.4等，不同版本數(shù)據(jù)項(xiàng)類別有所不同，數(shù)據(jù)處理中心融合后的目標(biāo)需按照統(tǒng)一的版本輸出。

（2）缺失數(shù)據(jù)的互相補(bǔ)充。同一目標(biāo)應(yīng)答機(jī)廣播的報(bào)文內(nèi)容是一樣的，但由于建筑物遮擋、信號(hào)交織等因素的影響，單個(gè)地面站并不能收到或解析成功每個(gè)周期的報(bào)文信息，數(shù)據(jù)處理中心將多個(gè)地面站的目標(biāo)數(shù)據(jù)融合，以便獲得更新周期連續(xù)、數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容更豐富的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

（3）更新數(shù)據(jù)內(nèi)容的判斷。應(yīng)答機(jī)廣播的某個(gè)類別的報(bào)文可能未被地面站收到或解析成功，如二次代碼、航班號(hào)等，此時(shí)地面站在組裝Asterix CAT021時(shí)會(huì)保持一定時(shí)間的歷史內(nèi)容。ADS-B數(shù)據(jù)處理中心無(wú)法通過(guò)單個(gè)地面站獲知該數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容是否為歷史保持內(nèi)容，但可通過(guò)多個(gè)地面站當(dāng)前和歷史內(nèi)容的相互比較，盡可能地將更新的數(shù)據(jù)內(nèi)容作為綜合信息輸出。

3.2 二次代碼更新判斷

以二次代碼為例說(shuō)明更新數(shù)據(jù)內(nèi)容的判斷機(jī)制。機(jī)載應(yīng)答機(jī)廣播二次代碼的周期為1.0 s，如地面站未收到或未能解析成功相關(guān)報(bào)文，在組裝Asterix CAT021時(shí)會(huì)保持一定時(shí)間的歷史信息，超過(guò)保持時(shí)間則在組裝時(shí)缺失021/040數(shù)據(jù)項(xiàng)。當(dāng)ADS-B數(shù)據(jù)處理中心發(fā)現(xiàn)當(dāng)前周期有地面站報(bào)告的二次代碼與上一周期綜合二次代碼不同時(shí)，將其列為“準(zhǔn)更新二次代碼”。為盡可能消除因解碼錯(cuò)誤或飛行員在輸入二次代碼時(shí)中間過(guò)渡數(shù)值的影響，“準(zhǔn)更新二次代碼”可經(jīng)過(guò)n個(gè)周期的“確認(rèn)”機(jī)制（n可取值為3）?！按_認(rèn)”周期內(nèi)的綜合二次代碼仍保持原二次代碼，之后綜合二次代碼為“準(zhǔn)更新二次代碼”。

一般情況下，二次代碼在短時(shí)間內(nèi)只會(huì)改變一次，不會(huì)多次改變。一旦綜合二次代碼做了更新，此時(shí)應(yīng)進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。也就是說(shuō)，之后一定時(shí)間內(nèi)無(wú)論是否有地面站收到該已經(jīng)更新的二次代碼，綜合二次代碼均不改變。為避免解鎖后出現(xiàn)前二次代碼“回跳”的現(xiàn)象，“鎖定”時(shí)間應(yīng)參考地面站的保持時(shí)間。為避免長(zhǎng)時(shí)間“鎖定”而影響綜合二次代碼的及時(shí)更新，地面站的保持時(shí)間應(yīng)選擇合適的值，建議20～25 s為宜。

3.3 “相對(duì)時(shí)間差”法

多級(jí)數(shù)據(jù)處理中心的設(shè)計(jì)，增多了數(shù)據(jù)延遲的節(jié)點(diǎn)。規(guī)定數(shù)據(jù)處理中心處理延時(shí)應(yīng)不大于300 ms，而ADS-B的廣播周期為0.5 s，為避免二級(jí)或一級(jí)數(shù)據(jù)處理中心的融合信號(hào)和其他ADS-B地面站做進(jìn)一步融合時(shí)出現(xiàn)“周期錯(cuò)開(kāi)”的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)的處理延遲應(yīng)盡可能地減小［5］。

為減少系統(tǒng)處理延遲，同時(shí)在同一周期中讓盡可能多的地面站參與融合，數(shù)據(jù)處理中心融合時(shí)可采用“相對(duì)時(shí)間差”法。數(shù)據(jù)處理中心記錄收到各地面站Asterix CAT021數(shù)據(jù)時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)處理中心發(fā)現(xiàn)某目標(biāo)在同周期內(nèi)相關(guān)的第N個(gè)地面站接收到數(shù)據(jù)的時(shí)間與第1個(gè)的差值超過(guò)門(mén)限，數(shù)據(jù)處理中心將該N個(gè)地面站數(shù)據(jù)做融合處理。同時(shí)，系統(tǒng)定時(shí)檢查當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間與各目標(biāo)相關(guān)的第1個(gè)地面站接收時(shí)間的差值，超過(guò)門(mén)限則將已經(jīng)相關(guān)成功的各地面站數(shù)據(jù)做融合處理。

“相對(duì)時(shí)間差”門(mén)限值需考慮實(shí)際接入各地面站的相對(duì)延遲大小，一般可在三級(jí)數(shù)據(jù)站設(shè)置為50 ms，二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心設(shè)置為80 ms。

3.4 融合報(bào)文組裝規(guī)范

數(shù)據(jù)處理中心將多個(gè)地面站的報(bào)文融合后再次組裝為Asterix CAT021數(shù)據(jù)時(shí)，除參照相應(yīng)版本的格式要求外，數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容也需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。

（1）地址碼相同的兩個(gè)目標(biāo)，容易發(fā)生二次代碼、航班號(hào)等信息在該兩個(gè)目標(biāo)之間“互換”的現(xiàn)象。因此數(shù)據(jù)處理中心的系統(tǒng)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)有重復(fù)地址碼時(shí)，除將I021/040數(shù)據(jù)項(xiàng)中的ATP賦值為1外，還可在組裝時(shí)不發(fā)送二次代碼、航班號(hào)等信息。

（2）I021/200數(shù)據(jù)項(xiàng)中 Unlawful Interference/No Communications/General Emergency分別對(duì)應(yīng)二次代碼7500/7600/7700。數(shù)據(jù)處理中心融合后的系統(tǒng)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)有這三類二次代碼時(shí)，I021/200數(shù)據(jù)項(xiàng)中PS子項(xiàng)應(yīng)做相應(yīng)的賦值。

（3）Asterix CAT021數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)包括I021/130或I021/131，但不能同時(shí)包括I021/130和I021/131。因此數(shù)據(jù)處理中心在輸出位置信息時(shí)，應(yīng)選擇其中一個(gè)作為數(shù)據(jù)項(xiàng)輸出。

（4）數(shù)據(jù)項(xiàng)I021/161為航跡號(hào)，該數(shù)據(jù)項(xiàng)在組裝Asterix CAT021是可選的。如組裝該數(shù)據(jù)項(xiàng)，數(shù)據(jù)處理中心需將融合后的系統(tǒng)目標(biāo)統(tǒng)一編號(hào)。需要注意的是，在某些條件下地面目標(biāo)的廣播周期為5.0 s。為避免地面目標(biāo)航跡號(hào)的頻繁中斷，數(shù)據(jù)處理中心在做綜合目標(biāo)生命周期管理時(shí)，應(yīng)選擇合適的時(shí)間閾值。

4 結(jié)語(yǔ)

按照《中國(guó)民用航空ADS-B實(shí)施規(guī)劃》要求，我國(guó)于2020—2025年實(shí)現(xiàn)高空航路航線、終端（進(jìn)近）管制區(qū)域、全部運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)實(shí)的ADS-B連續(xù)可靠監(jiān)視覆蓋［6］。2019年發(fā)布的《民航空管自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用ADS-B及S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)的技術(shù)和功能要求》也明確和規(guī)范了ADS-B數(shù)據(jù)在新一代空管自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)和功能要求［7］。作為空管自動(dòng)化系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)源，ADS-B數(shù)據(jù)處理中心將在空管系統(tǒng)中扮演越來(lái)越重要的角色。文中結(jié)合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)融合算法的研究，對(duì)數(shù)據(jù)處理中心的廣泛應(yīng)用，有重要意義。