周洋洋，劉海濤，李保國

(1.中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300；2.中星中航通用航空產(chǎn)業(yè)投資有限公司 空事衛(wèi)星項目部，昆明 650211)

0 引言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)是利用地空、空空數(shù)據(jù)鏈完成航空交通監(jiān)視和飛行信息傳遞的一種新型監(jiān)視技術(shù)，與傳統(tǒng)的一、二次雷達相比，ADS-B監(jiān)視具有定位精度高、能提高管制員的交通情景意識以及提高空域容量等眾多優(yōu)勢，因此國際民航組織(ICAO)將其確定為未來航空監(jiān)視系統(tǒng)的主要技術(shù)手段[1]。然而在實際應(yīng)用中，1090 MHz信道存在的共信道干擾會導(dǎo)致ADS-B消息之間的沖突概率增加，最終將導(dǎo)致ADS-B地面接收系統(tǒng)獲取到的位置報告更新間隔增大[2]，而位置更新性能是決定空中交通管理系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵因素，因此對其開展研究具有重要意義。

圍繞ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能評估，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀如下：為了比較ADS-B和雷達的監(jiān)視性能，文獻[3]測試了哈德遜灣僅雷達覆蓋區(qū)、僅ADS-B覆蓋區(qū)和二者重疊覆蓋區(qū)的ADS-B性能，研究表明在監(jiān)視范圍、更新率以及更新概率方面ADS-B監(jiān)視滿足加拿大導(dǎo)航部門的要求。文獻[4]采用飛行試驗的方法，基于高精度位置比較ADS-B和雷達的精度與完好性，研究表明ADS-B性能優(yōu)于雷達。

為了分析評估ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量，文獻[5]提出以航路為參考基準(zhǔn)分析驗證ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法，研究出位置導(dǎo)航不確定類別(Navigation Uncertain Category for Position，NUCp)質(zhì)量滿足類雷達監(jiān)視性能要求。文獻[6]基于數(shù)據(jù)相關(guān)的方法，構(gòu)建了一個綜合評估系統(tǒng)，評估了ADS-B系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、完整性、延遲、可用性和更新率，研究表明66.7%的飛機水平位置誤差符合3海里分離的要求，航班號不同平均更新間隔差異大。文獻[7]基于分析單個ADS-B地面站實測數(shù)據(jù)的方法，評估了荷蘭代爾夫特地區(qū)ADS-B消息的延遲、準(zhǔn)確性、更新間隔、完整性和可用性，研究表明絕大多數(shù)飛機的ADS-B報告都可作為監(jiān)視數(shù)據(jù)使用。文獻[8]基于分析實際采集數(shù)據(jù)的方法，得到ADS-B系統(tǒng)的位置消息更新周期、漏點率和完好性參數(shù)，研究表明相對于進場與離場狀態(tài)，巡航狀態(tài)飛機的消息平均更新周期長、漏點率低，但沒有分析影響更新周期性能的因素。

為了研究分析ADS-B系統(tǒng)的位置更新性能與其影響因素，避免上述研究方法中的局限性，構(gòu)建地基ADS-B接收實驗系統(tǒng)，采集了天津終端區(qū)附近的ADS-B實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)接收距離差異分別統(tǒng)計終端區(qū)內(nèi)外的飛機位置報告更新間隔分布情況，研究單站接收區(qū)域內(nèi)的飛機密度對位置報告更新間隔的影響，將實驗結(jié)果與歐洲民用航空設(shè)備組織(European Organization for Civil Aviation Equipment，EUROCAE)規(guī)定的最新地基ADS-B位置報告更新間隔標(biāo)準(zhǔn)進行對比，結(jié)果表明所研究空域內(nèi)的位置報告更新間隔滿足指定要求。

1 實驗系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理

圖1給出了ADS-B接收實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由ADS-B接收機、數(shù)據(jù)接收與存儲和解碼與統(tǒng)計分析部分組成。

圖1ADS-B接收實驗系統(tǒng)

圖1中的ADS-B接收機位于天津濱海國際機場附近，坐標(biāo)為東經(jīng)117.3509°、北緯39.0987°，采用Guenter Koellner公司生產(chǎn)的Radarcape，輸出的數(shù)據(jù)帶有精確GPS時間戳，時間精度為50 ns。接收數(shù)據(jù)所用天線為中增益全向天線，理想條件下覆蓋范圍為450 km，實際覆蓋范圍取決于天線安裝位置和周圍電磁干擾環(huán)境復(fù)雜度。在接收實驗系統(tǒng)中，Radarcape接收由飛機廣播的DF17格式消息，終端通過傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)端口連接Radarcape，存儲數(shù)據(jù)并解碼，統(tǒng)計分析位置報告更新間隔性能。

數(shù)據(jù)獲取與處理總體流程如圖2所示，根據(jù)消息頭以及DF字段篩選出與位置相關(guān)的DF17消息，其中Type值為9～18、20～22的是空中機載位置消息。對位置消息進行循環(huán)冗余校驗，并依據(jù)計算機系統(tǒng)時間每隔兩小時存為一個文件。用簡潔位置報告(Compact Position Reporting，CPR)解碼算法對校驗通過的DF17位置消息解碼，并對解碼后的異常數(shù)據(jù)進行剔除，最終統(tǒng)計得到正確位置報告更新間隔。

圖2數(shù)據(jù)獲取與處理總體流程

1.1 機載位置解碼

模式S擴展電文使用CPR算法將經(jīng)緯度信息有效地編碼到位置消息中，由于高階位不會傳輸，為了避免解碼產(chǎn)生歧義，通過奇偶兩種不同的編碼方式實現(xiàn)。對于全球CPR解碼要求具有奇偶配對的兩條位置消息才能解算出一個地理位置，并且要求間隔不超過10 s。在已知接收不可能超過180海里范圍的情況下，單個接收消息可解碼得到正確位置，即本地CPR解碼[9]。本實驗最大接收范圍大于180海里，因此選用全球解碼方式對接收的位置消息解碼。

二進制表示的DF17主體消息ME字段的9～15位以及17～20位是高度信息，把二進制表示的高度信息轉(zhuǎn)換為十進制記為N，16位為Q標(biāo)志位，Q位為1表示其最低有效位的值為25ft，即分辨率為25ft，解碼得到氣壓高度為(25·N-1000)ft，Q位為0表示分辨率為100 ，解碼得到氣壓高度為(100·N-1000)ft。

1.2 異常數(shù)據(jù)剔除

針對統(tǒng)計過程中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的原因其處理方法如下：

由于遮蔽和邊緣地帶信號接收不良等因素，導(dǎo)致位置報告更新間隔增大，根據(jù)空中交通管制員(Air Traffic Controller，ATCO)使用的非合作監(jiān)視系統(tǒng)所提供的5海里間隔強制和建議性能要求[10]，把大于(3×8 s)×(1+10%)=26.4 s數(shù)值的水平位置報告更新間隔視為位置丟失，因此排除大于26.4 s的時間間隔。

在統(tǒng)計過程中有小概率出現(xiàn)跳點、位置消息錯誤解碼等情況，根據(jù)DO-260B中描述的CPR解碼位置合理性檢驗標(biāo)準(zhǔn)，解碼時需要計算本條解碼位置與接收機的距離以及與上一個解碼位置之間的距離。如果解碼位置在接收機的最大接收范圍內(nèi)，并且與上一個解碼位置之間的距離小于時間間隔與最大速度乘積值，則位置合理性檢驗通過。

1.3 位置報告更新間隔統(tǒng)計

連接解碼數(shù)據(jù)庫，根據(jù)接收距離差異分別統(tǒng)計位置報告更新間隔，得到相應(yīng)的規(guī)律。依據(jù)終端管制區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)飛機與接收機之間的距離把終端區(qū)劃分為三個區(qū)域，區(qū)域范圍分別為0～12海里、12～35海里、35～45海里[11]，分別統(tǒng)計三個區(qū)域內(nèi)以及45海里之外區(qū)域的數(shù)據(jù)并對比分析。

參考EUROCAE對水平位置更新間隔的要求，針對低密度地區(qū)，要求位置報告更新間隔至少以96%的概率限定在8 s之內(nèi)[12]。為了驗證所研究地區(qū)的ADS-B性能是否滿足該指標(biāo)，需要針對四個不同區(qū)域以及不同飛機密度情況分別統(tǒng)計96%位置報告更新間隔。

2 實驗結(jié)果

統(tǒng)計2019年10月26—30日在天津濱海機場附近接收數(shù)據(jù)，分析位置報告更新間隔與接收距離、接收空域內(nèi)飛機密度之間的關(guān)系。

2.1 接收機覆蓋范圍

ADS-B接收機在各個高度層的接收距離范圍不同，Radarcape接收機各高度層接收距離范圍圖如圖3所示，(a)、(b)、(c)分別表示低于3000ft、低于20000ft和最大高度對應(yīng)的飛機在接收機各個方位的接收距離。曲線表明：該ADS-B系統(tǒng)的最大接收范圍約為350 km；只能在接收機附近監(jiān)視到低高度層的飛機，這是由于接收機位于機場附近，并且1090 MHz信號傳播方式為視距傳播，遠距離的低高度層飛機被遮擋。

(a)3000 ft

(c)最大高度圖3Radarcape接收機各高度層接收距離范圍圖

2.2 接收距離對位置報告更新間隔的影響

終端區(qū)內(nèi)三個不同接收范圍和終端區(qū)外位置報告更新間隔頻率直方圖和累積分布圖如圖4所示。(a)、(b)、(c)、(d)依次表示的區(qū)域范圍為0～12海里、12～35海里、35～45海里、45海里之外，頻率直方圖中的fi為更新間隔區(qū)間對應(yīng)的頻數(shù)，n為統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)的樣本總數(shù)，△為區(qū)間長度，統(tǒng)一取值為50 ms。累積分布圖中，標(biāo)出的實心矩形坐標(biāo)為該區(qū)域中累積概率首次達到96%對應(yīng)的位置。

(a) 區(qū)域1 (0～12海里)

(c) 區(qū)域3 (35～45海里)

圖4終端區(qū)內(nèi)三個不同接收范圍和終端區(qū)外位置報告更新間隔頻率直方圖與累積分布圖

圖4表明：位置報告更新間隔呈現(xiàn)多峰分布形態(tài)，峰值位置對應(yīng)于ADS-B位置消息平均播發(fā)間隔的倍數(shù)(對于機載位置更新，擴展電文播發(fā)間隔均勻地分布在(0.4,0.6)區(qū)間內(nèi)[13]，因此平均播發(fā)間隔為0.5 s)；在一定范圍內(nèi)，隨著接收距離的增加，位置消息丟失概率增大，導(dǎo)致ADS-B位置報告更新間隔也隨之增加，并且96%位置報告更新間隔在區(qū)域3-4的增量要明顯大于區(qū)域1-2的增量以及區(qū)域2-3的增量，這是因為區(qū)域4中包括接收邊緣的飛機，這些飛機播發(fā)的位置消息接收不良將導(dǎo)致更大的更新間隔；該接收空域的ADS-B 96%位置報告更新間隔均滿足EUROCAE規(guī)定的地基ADS-B終端區(qū)5 s航路區(qū)8 s的要求。

2.3 飛機密度對位置報告更新間隔的影響

為了研究接收空域內(nèi)飛機密度對位置更新間隔的影響，在統(tǒng)計更新間隔時，假定短時間內(nèi)空中飛機密度不變，對接收到的數(shù)據(jù)以30 s為時間間隔，統(tǒng)計間隔內(nèi)的飛機數(shù)近似為接收機監(jiān)視范圍內(nèi)實時飛機數(shù)，依據(jù)不同飛機密度分別統(tǒng)計了五天時間的96%位置報告更新間隔。連續(xù)五天不同飛機密度對應(yīng)的96 %位置報告更新間隔折線圖如圖5所示，其中橫坐標(biāo)表示以30 s為區(qū)間統(tǒng)計的飛機數(shù)，縱坐標(biāo)表示該區(qū)間接收范圍內(nèi)飛機達到96%位置報告更新間隔，標(biāo)記點的橫坐標(biāo)取值為區(qū)間的中間值。

曲線表明：隨著空中飛機密度的增加，96%位置報告更新間隔隨之增加。造成該現(xiàn)象的原因為接收空域內(nèi)飛機密度增加導(dǎo)致位置消息沖突概率增大，相應(yīng)的位置報告更新間隔也隨之增大。

圖5連續(xù)五天不同飛機密度對應(yīng)的96% 位置報告更新間隔折線圖

3 結(jié)語

為了研究ADS-B系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的位置報告更新間隔，對天津終端區(qū)附近接收的ADS-B數(shù)據(jù)進行了分析，研究表明：位置報告更新間隔呈現(xiàn)多峰分布形態(tài)；隨著接收距離與飛機密度的增加，該接收空域內(nèi)的96%位置報告更新間隔也隨之增加，但在接收機的接收范圍內(nèi)都滿足EUROCAE指定的地基ADS-B位置更新間隔要求。