宮峰勛，李麗桓，馬艷秋

1. 中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300

2. 中國民用航空三亞空中交通管理站，三亞 572000

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)為空域非雷達監(jiān)視提供技術(shù)基礎(chǔ)，為空中交通管制能與交通容量提升提供可能。國際民航成員啟動了ADS-B地面系統(tǒng)裝備工程，且將逐步實施基于ADS-B的非雷達管制。澳大利亞是國際民航組織(ICAO)成員中率先宣布完全采用ADS-B實施空域監(jiān)視的國家[1]。該國空管部門陸續(xù)公布一些ADS-B航跡信息，圖片顯示ADS-B航跡存在不連續(xù)現(xiàn)象[2]。近年來，該國宣布還將陸續(xù)裝備陸基空管二次雷達等監(jiān)視設(shè)備。2019年3月，美國聯(lián)邦航空局發(fā)布ADS-B性能用戶指導(dǎo)報告[3]，要求用戶報告ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量，并采用位置導(dǎo)航精確度分類值(NACP)標(biāo)示ADS-B可用性。可見，美國聯(lián)邦航空局也開始擔(dān)心ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。ADS-B技術(shù)已廣泛應(yīng)用于空域監(jiān)視，基于報文質(zhì)量及其位置數(shù)據(jù)質(zhì)量的跟蹤與分析得到國內(nèi)外研究者普遍關(guān)注[4-9]。

目前，數(shù)據(jù)質(zhì)量研究多從報文的導(dǎo)航不確定性類別指標(biāo)統(tǒng)計出發(fā)，即提取每份ADS-B報文的位置導(dǎo)航不確定性指標(biāo)(NUCP)，匯總NUCP數(shù)據(jù)得到統(tǒng)計分布狀態(tài)，當(dāng)NUCP≥5的比例超過95%即認(rèn)為符合監(jiān)視性能要求[10-11]?，F(xiàn)有NUCP統(tǒng)計分布狀態(tài)研究結(jié)果顯示，幾乎所有ADS-B報文的位置參數(shù)分布都符合ICAO基于通信監(jiān)視性能(PBCS)[12]要求。因此，對ADS-B系統(tǒng)快速推廣及星基ADS-B技術(shù)進行深入研究，綜合分析ADS-B報文信息項及其數(shù)據(jù)質(zhì)量參數(shù)的變化狀態(tài)，揭示在PBCS與衛(wèi)星導(dǎo)航廣域增強服務(wù)下的ADS-B監(jiān)視性能非常重要。

1 問題描述

ADS-B航跡普遍存在不連續(xù)和跳點現(xiàn)象，導(dǎo)致其空管服務(wù)能力受到質(zhì)疑。

澳大利亞空管服務(wù)商Airservces發(fā)布了ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)，但未見其發(fā)布具體的NUCP統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息。故采用如圖1所示Airservces給出的NUCP數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)[2]形式?？梢?，其中既有NUCP=6的優(yōu)秀狀態(tài)，也有NUCP=0的異常狀態(tài)。

圖1 澳大利亞公布的NUCP=0的數(shù)據(jù)分布[2]

圖2為澳大利亞Airservces公布的采用ADS-B監(jiān)視的動態(tài)航跡顯示圖[2]。如圖1和圖2所示，澳大利亞ADS-B監(jiān)視覆蓋空域上飛機航跡的線性偏離度很小，但動態(tài)航跡上還是有明顯的間斷現(xiàn)象。NUCP是否0與動態(tài)航跡的間斷、跳點和偏差存在對應(yīng)關(guān)系。

圖3為美國霍尼韋爾所屬HTSI公司公布ADS-B報文數(shù)據(jù)測試研究報告[13]中給出的NUCP數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布狀態(tài)，其中NUCP≥5是其主要分布區(qū)間，但也有為數(shù)不少的NUCP=0的狀態(tài)。圖4為從Flightradar24網(wǎng)站隨機抓取的美國國內(nèi)航線ADS-B監(jiān)視航跡狀態(tài)。如圖3和圖4所示，美國空域內(nèi)ADS-B報文給出的航跡偏離度雖然很小，但也存在航跡間斷，同時NUCP=0的情況竟然超過10%。

圖2 澳大利亞空域ADS-B動態(tài)航跡[2]

圖3 霍尼韋爾公司公布的NUCP數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布[13]

圖5為文獻[9]研究者給出的國內(nèi)某終端區(qū)ADS-B報文NUCP數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布狀態(tài)。圖6為本文所獲取的中國某航路/航線ADS-B監(jiān)視空域的動態(tài)航跡?？梢?，ADS-B監(jiān)視的航跡偏差較大，且存在明顯的航跡間斷現(xiàn)象，但是NUCP=0的情況卻僅超過5%。

圖4 美國國內(nèi)航線ADS-B監(jiān)視航跡狀態(tài)

圖5 文獻[9]公布的NUCP數(shù)據(jù)分布狀態(tài)

如圖1、圖3和圖5所示，從ADS-B報文所提取的位置導(dǎo)航不確定性指標(biāo)(NUCP)基本圍繞NUCP≥7呈現(xiàn)近似正態(tài)分布狀態(tài)。同時，也存在一定數(shù)量NUCP=0的異常狀態(tài)出現(xiàn)。如圖2、圖4和圖6所示，ADS-B動態(tài)航跡均存在比較明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。

圖6 中國航線ADS-B監(jiān)視航跡狀態(tài)

綜上所述，從基于性能監(jiān)視及航跡質(zhì)量考慮，ADS-B監(jiān)視可能不符合所需監(jiān)視性能要求，即NUCP等作為評估ADS-B監(jiān)視性能的主要指標(biāo)，達到DO-260B要求，卻存在ADS-B航跡無法同時滿足ICAO的PBCS規(guī)范性要求的問題。

2 所需性能模型構(gòu)建

在2010年亞太經(jīng)合組織全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實施小組第14次會議上，Deborah博士代表美國聯(lián)邦航空局確認(rèn)，在具備廣域增強服務(wù)(WAAS)且當(dāng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)具備99.9%可用性時，存在如圖7所示的導(dǎo)航所需性能(RNP)與監(jiān)視所需性能(RSP)之間基于航班安全間隔的對應(yīng)關(guān)系[14]。ADS-B應(yīng)符合這個要求。

ADS-B被視為由導(dǎo)航衛(wèi)星、機載設(shè)備、空地通信鏈路和地面設(shè)備等組成的多部件復(fù)雜系統(tǒng)，各部件之間存在相依性，其所需性能則由部件數(shù)量及部件間耦合關(guān)系決定。因此，任一部件性能下降都將導(dǎo)致ADS-B系統(tǒng)整體性能無法達到監(jiān)視所需性能要求。根據(jù)ICAO基于性能的通信和監(jiān)視手冊可得如圖8所示的RNP、所需通信性能(RCP)、RSP與空中交通管理(ATM)之間的協(xié)作支撐關(guān)系(T為傳輸時延)。其中較明確刻畫了RNP、RCP、RSP三者之間的相關(guān)性支撐關(guān)系[15-16]。

于是，ADS-B系統(tǒng)可被視為一個由3個部件組成的二終端(單輸入節(jié)點單輸出節(jié)點)式串聯(lián)系統(tǒng)[17]，且3個部件性能應(yīng)分別滿足RNP、RCP、RSP要求。則基于ADS-B報文的監(jiān)視質(zhì)量由RNP、RCP、RSP及其相關(guān)性制約函數(shù)CR綜合決定，即ADS-B系統(tǒng)所需性能對應(yīng)的性能模型可表述為

RADS-B(x)=RRNP(x)RRCP(x)RRSP(x)×

CR(rnp,rcp,rsp)

(1)

式中:RRNP(x)、RRCP(x)和RRSP(x)為ADS-B系統(tǒng)組成部件對應(yīng)的導(dǎo)航、通信和監(jiān)視的可用性函數(shù)；CR(rnp, rcp, rsp)為導(dǎo)航、通信和監(jiān)視系統(tǒng)之間的互相關(guān)函數(shù)。

目前默認(rèn)ADS-B系統(tǒng)導(dǎo)航、通信和監(jiān)視的可用性函數(shù)不相關(guān)，即CR(rnp, rcp, rsp)=1。

1) 當(dāng)RRNP(x)≥99.9%，條件得到滿足，即RRNP(x)接近常數(shù)1且與其他不相關(guān)時，式(1)可簡化為

RADS-B(x)=RRCP(x)RRSP(x)CR(rcp,rsp)

(2)

圖7 導(dǎo)航所需性能與監(jiān)視所需性能的對應(yīng)關(guān)系

圖8 RNP、RCP、RSP與ATM相關(guān)性支撐關(guān)系

2) 當(dāng)RRCP(x)≥99.9%，條件得到滿足，令RRCP(x)接近常數(shù)1且與其他不相關(guān)時，式(2)簡化為

RADS-B(x)=RRSP(x)CR(rsp)

(3)

由式(3)可見，由于RRNP(x)、RRCP(x)接近常數(shù)1且彼此不相關(guān)，從ADS-B報文獲得的位置數(shù)據(jù)等信息可用性也就為ADS-B監(jiān)視可用性。故實際數(shù)據(jù)分析中多直接用位置導(dǎo)航不確定性等指標(biāo)替代可用性指標(biāo)，則式(3)再被簡化為

RADS-B(x)=RRSP(nucp)Cr(rsp)=RRSP(nucp)

(4)

式中：CR(rsp)為自相關(guān)函數(shù)，令其取1。

因此，目前分析認(rèn)為只要ADS-B報文中提取的NUCP≥5，則認(rèn)為ADS-B監(jiān)視性能達到ICAO相關(guān)規(guī)范要求。顯然，即便是采用式(4)的形式分析ADS-B監(jiān)視性能，RRSP(x)函數(shù)中變量也不應(yīng)該僅含有NUCP，還應(yīng)該包含ADS-B報文中其他參數(shù)。即當(dāng)RRNP(x)、RRCP(x)接近常數(shù)1且導(dǎo)航、通信和監(jiān)視系統(tǒng)之間不相關(guān)時，式(4)應(yīng)修正為

RADS-B(x)=KWAKCRRSP×

(accuracy,integrity,continuity,N)=

KWAKCRRSP(nucp,rept,leak,hop,n)

(5)

式中：RADS-B(x)的變量accuracy、integrity和continuity表示報文定位的準(zhǔn)確性、完好性和連續(xù)性指標(biāo)。根據(jù)DO-260規(guī)范的ADS-B報文用于定位、監(jiān)視完好性要求，采用nucp表征accuracy變量，位置質(zhì)量指標(biāo)報告率(rept)、漏點率(leak)和跳點率(hop)等表征integrity和continuity變量；N為空管自動化系統(tǒng)屏幕刷新周期內(nèi)報文次數(shù)，用n表征。KWA為導(dǎo)航衛(wèi)星增強狀態(tài)參數(shù)；KC為通信鏈路性能參數(shù)。則式(5)可簡化為

RADS-B(x)=

KWAKCRRSP(nucp,rept,leak,hop,n)

(6)

可見，ADS-B監(jiān)視準(zhǔn)確性、完好性和連續(xù)性同時達標(biāo)，才有可能達到ICAO監(jiān)視規(guī)范要求。

3 所需性能模型仿真分析

空中交通管制(ATC)系統(tǒng)的屏幕刷新周期為5 s， ADS-B報文更新率為1 s[18]，則ATC屏幕刷新周期內(nèi)有4份ADS-B報文。由于報文間隔時間短，可視1份ADS-B報文重復(fù)4次。設(shè)每份ADS-B報文各項參數(shù)滿足串聯(lián)形式，式(6)表示為[17]

RADS-B(x)=KWAKC{1-

[R(nucp)×R(rept)×R(leak)×R(hop)]4}

(7)

啟動ADS-B監(jiān)視性能測試實驗，設(shè)置編號為1#和2#的2個間隔20 km、不同生產(chǎn)商的ADS-B地面站，對覆蓋空域內(nèi)航班ADS-B報告持續(xù)監(jiān)視。連續(xù)采集3個月的ADS-B報文，總數(shù)量分別達到94、371、820和104、203、710條。提取每一份報文中包括NUCP、NIC、標(biāo)識等信息項，統(tǒng)計分析它們數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)。

3.1 位置質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計

從每份ADS-B報文數(shù)據(jù)中提取位置質(zhì)量指標(biāo)(NUCP)數(shù)值，匯總得到NUCP數(shù)據(jù)歸一化相對分布狀態(tài)如圖9所示。計算R(nucp) 時，僅考慮位置導(dǎo)航不確定性NUCP≥5的情形。此時，R(nucp)分別取為(87.07+11.17+0.38)%=98.62%和(88.09+9.45+0.64)%=98.18%。

圖9 ADS-B地面站NUCP統(tǒng)計分布

3.2 質(zhì)量指標(biāo)報告率統(tǒng)計

所需數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)完好性是指報文中所包含的用戶數(shù)據(jù)項中實施ADS-B監(jiān)視的最低要求的數(shù)據(jù)項完好性[19-20]，包括二次代碼等共8項。

以位置質(zhì)量指標(biāo)為例，采用：位置質(zhì)量指標(biāo)報告率=含位置質(zhì)量指標(biāo)信息的航跡點總數(shù)/航跡總點數(shù)×100%，可得位置質(zhì)量指標(biāo)報告率。

ADS-B報文的航跡數(shù)據(jù)完好性分析的統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。計算RRSP(rept)時，僅考慮航跡數(shù)據(jù)完好性分布中的最小值。故R(rept)分別取為91.09%和95.16%。

3.3 報文漏點率統(tǒng)計

從離港航班中選擇一個固定航班，統(tǒng)計該航班在不同飛行階段的ADS-B報文漏點率。實際統(tǒng)計中將漏點閾值設(shè)為2 s。即若連續(xù)n(n≥2) s未收到航跡點，則認(rèn)為ADS-B報文出現(xiàn)n-1個漏點，漏點數(shù)增加n-1。ADS-B報文數(shù)據(jù)漏點率的統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。

圖10 ADS-B報文的航跡數(shù)據(jù)完好性分布

圖11 ADS-B報文的航班漏點率統(tǒng)計圖

可見，1# ADS-B地面站離港航班實際數(shù)據(jù)的平均漏點率接近13.07%，2# ADS-B地面站離港航班實際數(shù)據(jù)的平均漏點率接近12.26%。

計算RRSP(leak)時，取飛行4個階段的平均值，故R(leak)分別取為(100-13.07)%=86.93% 和(100-12.26)%=87.74%。

3.4 數(shù)據(jù)跳點率統(tǒng)計

ADS-B報文的數(shù)據(jù)跳點率包含水平跳點率和高度跳點率2個方面。當(dāng)水平位置誤差和垂直位置誤差大于預(yù)先設(shè)定閾值(一般設(shè)置為300 m)時，則認(rèn)為該目標(biāo)為跳點[20]。分別跟蹤一個離港航班和一個進港航班的航跡數(shù)據(jù)，它們水平和垂直向位置誤差分布如圖12所示?？梢?，ADS-B報文的水平和垂直方向位置誤差主要集中在0～100 m范圍內(nèi)。

計算跳點率RRSP(hop)時，僅考慮誤差小于100 m的情況(①因為前面NUCP≥5，②因為航路高度層間隔僅為300 m)，故R(hop)分別取其中最小值，即min{78.12%, 88.57%}=78.12%和min{75.02%, 82.73%}=75.02%。

圖12 航班水平誤差和垂直誤差分布

3.5 報文所需性能估算

ADS-B報文漏點率是將漏點閾值設(shè)為2 s時計算得到的。在ATC屏幕刷新周期5 s內(nèi)，被統(tǒng)計檢測不超過3次，參照二終端式串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計算原理[17]，式(7)簡化修正為

RADS-B(x)=KWAKC{1-4[1-R(nucp)×

R(rept)×R(hop)]2×[1-R(leak)]2}

(8)

假設(shè)ADS-B地面站運行環(huán)境滿足要求，可令KWA=KC=1，于是1# ADS-B地面站所需性能為

RADS-B1(x)=1-

4[1-R(nucp)×R(rept)×R(hop)]2×

[1-R(leak)]2=

1-4[1-0.986 2×0.910 9×0.781 2]2×

[1-0.869 3]2=0.993 9=99.39%

(9)

2# ADS-B地面站所需性能為

RADS-B2(x)=

1-4[1-R(nucp)×R(rept)×R(hop)]2×

[1-R(leak)]2=

1-4[1-0.981 8×0.951 6×0.750 2]2×

[1-0.877 4]2=0.994 6=99.46%

(10)

由式(9)和式(10)計算結(jié)果可見，在ATC屏幕刷新的單個周期內(nèi)，2個ADS-B地面站監(jiān)視性能均未達到ICAO的PBCS規(guī)范性中的最低要求。也就是，在默認(rèn)WAAS服務(wù)存在、系統(tǒng)導(dǎo)航通信所需性能為1、導(dǎo)航通信和監(jiān)視的可用性相關(guān)函數(shù)為1的情形下，2個ADS-B地面站監(jiān)視所需性能估計值均未達到圖7所示的監(jiān)視可用性需達到99.9%的數(shù)值要求。

用式(5)估算捷克理工大學(xué)2017年公布的ADS-B報文數(shù)據(jù)[21]所用ADS-B地面站的所需性能。該文獻采用ICAO的ADS-B性能認(rèn)證版本2統(tǒng)計ADS-B報文數(shù)據(jù)，參數(shù)包含導(dǎo)航完好性等級(NIC)、監(jiān)視完好性等級(SIL)和導(dǎo)航精確度等級(NAC)等參數(shù)，直接給出accuracy、integrity和continuity的對應(yīng)參數(shù)，且統(tǒng)計獨立時，參照二終端式串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計算原理[17]及典型串聯(lián)二終端系統(tǒng)，式(5)可改寫為

RADS-B(x)=

KWAKCRRSP(accuracy,integrity,continuity,N)≈

KWAKCRRSP(nacp,nic,sic,n)≈

KWAKC[R(nacp)R(nic)R(sic)]n

(11)

取NACP≥5情形，R(nacp)=(0.08+42.91+50.59+3.93)%=97.51%；取NIC≥5情形，R(nic)=(0.03+2.38+88.23+7.25)%=97.89%； 取SIC≥3情形，R(sic)=(1.09+95.60)% =96.69%。由于文獻[21]未提供屏幕刷新頻率，故分2種情形估算：

1) ADS-B報文每秒刷新1次。令KWA=KC=1， 由式(11)可得

RADS-B(x)=R(nacp)R(nic)R(sic)=

0.975 1×0.978 9×0.966 9=

0.922 9=92.29%

(12)

2) ADS-B報文每秒刷新2次，

RADS-B(x)=[R(nacp)R(nic)R(sic)]2=

(0.975 1×0.978 9×0.966 9)2=

0.851 8=85.18%

(13)

在不考慮WAAS服務(wù)及通信性能影響時，捷克理工大學(xué)所用ADS-B地面站所需性能的估計值為92.29%。由式(9)、式(10)和式(12)結(jié)果所示，通過報文方式實現(xiàn)監(jiān)視，各類ADS-B地面站所需性能不一，但均未能達到圖7要求的99.9%。

ADS-B運行依托衛(wèi)星導(dǎo)航，其應(yīng)用需考慮WAAS服務(wù)影響。圖13所示為美國FAA公布的每日實時廣域增強系統(tǒng)覆蓋區(qū)域服務(wù)狀態(tài)[22]，其中HPL為水平保護限值。

圖13 北美地區(qū)空域具有廣域增強實時覆蓋圖

可見，僅北美地區(qū)空域有WAAS服務(wù)且等級最高，亞歐非地區(qū)沒有覆蓋服務(wù)，故3.5節(jié)估算中令KWA=1不合適，即KWA的實際數(shù)值要小于1，且標(biāo)示1 090 MHz通信鏈路狀態(tài)的KC也要小于1。因此，再考慮上述因素及系統(tǒng)初始可用性時，式(9)、式(10)和式(12)計算結(jié)果都將更小，都無法達到ICAO的Doc9684[23]關(guān)于應(yīng)答檢測概率99%和圖7所示可用性要求。

4 結(jié) 論

通過對2個ADS-B地面站接收到的近2億條ADS-B報文數(shù)據(jù)項統(tǒng)計分析結(jié)果，并利用構(gòu)建的ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視所需性能模型，估算了2個ADS-B地面站以及捷克理工大學(xué)所用ADS-B地面站的所需性能參數(shù)，結(jié)論如下：

1) 測試空域ADS-B報文NUCP指標(biāo)統(tǒng)計分布峰值基本出現(xiàn)于NUCP=7時，且NUCP=6和NUCP=7兩項之和都超過95%，但漏點率仍以較高概率出現(xiàn)。

2) 在缺少WAAS服務(wù)下，ADS-B監(jiān)視所需性能會下降。與具有WAAS服務(wù)的美國空域相比，航跡偏離程度大且間斷明顯增多。

3) 默認(rèn)WAAS服務(wù)存在，1#和2# ADS-B站以及捷克理工大學(xué)的監(jiān)視所需性能均未達到圖7所示可用性的要求。

4) ADS-B報文中數(shù)據(jù)項較多，是導(dǎo)致ADS-B監(jiān)視所需性能下降、未能達到圖7所示可用性要求的主要原因之一。

5) ATC系統(tǒng)單位刷新周期內(nèi)ADS-B報文的廣播次數(shù)或者報文重復(fù)率增多，未能有效提升ADS-B監(jiān)視所需性能。

6) 單純提升NUCP指標(biāo)或NACP指標(biāo)，對ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)性能的提升效果有限。

綜上所述，ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能各異，同時ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)在獨立承擔(dān)空中交通管制所需的空域監(jiān)視性能方面需要進一步提升。建議與其他監(jiān)視手段配合實現(xiàn)管制空域的可靠、連續(xù)、無縫監(jiān)視。

致 謝

本論文中部分航跡數(shù)據(jù)采集工作得到團隊成員汪瀚淼、楊琳和曹雅茹等研究生的協(xié)助，特此感謝。