趙澤榮，胡 飛，伍 偉

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢618307)

0 引言

交通運(yùn)輸業(yè)的繁榮是現(xiàn)代社會(huì)文明與進(jìn)步的標(biāo)志之一，但其持續(xù)性高速發(fā)展的背后也逐漸暴露出一些問(wèn)題。如當(dāng)前民航機(jī)場(chǎng)及其相關(guān)航線所表現(xiàn)出的擁擠情況正在日益加劇，繼而導(dǎo)致航班準(zhǔn)點(diǎn)率下降愈發(fā)嚴(yán)重，不僅顯著增加了航班調(diào)度工作量，同時(shí)也會(huì)造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。為了較好地緩解這一問(wèn)題，除了通過(guò)某些行政手段與管制制度加強(qiáng)空域與航線的管理與規(guī)劃外，另外一個(gè)非常重要的途徑就是通過(guò)采用更為先進(jìn)的機(jī)載設(shè)備，配套部署并建設(shè)更為完善的“空-空”與“地-空”數(shù)據(jù)鏈以及將相關(guān)地面設(shè)備進(jìn)行升級(jí)等，繼而建立起一個(gè)更高效與立體化的空管監(jiān)視、運(yùn)行與管制的設(shè)備體系。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)正是在這樣的需求前提下應(yīng)運(yùn)而生的[1]，且已在不斷的試驗(yàn)性應(yīng)用中逐步得到發(fā)展和成熟。

ADS-B監(jiān)視技術(shù)采用廣播方式傳輸信號(hào)[2-3]，通信鏈路和報(bào)文協(xié)議公開(kāi)，導(dǎo)航源信息來(lái)自GPS信號(hào)。而且基于該監(jiān)視技術(shù)本身的低成本和先進(jìn)性，其已經(jīng)在民航系統(tǒng)大范圍使用。由于信號(hào)傳輸過(guò)程中并沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，而且無(wú)線信號(hào)的模擬技術(shù)門(mén)檻比較低，導(dǎo)致ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)中的導(dǎo)航源GPS信號(hào)容易受到外部干擾，使得地面監(jiān)視終端的目標(biāo)顯示出現(xiàn)不連續(xù)或消失的情況，這給地面管制員在指揮空中交通時(shí)帶來(lái)了安全隱患。因此對(duì)于GPS信號(hào)干擾源的排查和定位是每個(gè)機(jī)場(chǎng)通導(dǎo)人員日常維護(hù)的主要工作[4]。為了提高機(jī)場(chǎng)通導(dǎo)人員排查GPS信號(hào)干擾源的效率，根據(jù)ADS-B無(wú)線信號(hào)傳輸原理、地面信號(hào)接收處理機(jī)制，本文提出了一種自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用ADS-B地面站接收的目標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)跟蹤每個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，制定跟蹤規(guī)則和算法，開(kāi)展GPS信號(hào)干擾分析，準(zhǔn)確獲取GPS信號(hào)丟失和恢復(fù)的時(shí)間、經(jīng)緯度、高度等數(shù)據(jù)，并與飛機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)將分析數(shù)據(jù)展現(xiàn)在電子地圖上，擬使用飛行大數(shù)據(jù)提升人工排查GPS信號(hào)干擾源工作的效率和及時(shí)性，從而減少民航飛行安全隱患。該技術(shù)處理方法在不改變現(xiàn)有ADS-B系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，只是對(duì)ADS-B監(jiān)視軟件系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，并利用ADS-B數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)干擾源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和粗定位，通過(guò)監(jiān)視顯示軟件實(shí)時(shí)展現(xiàn)無(wú)線信號(hào)干擾的方位，為ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)干擾提供了一種有效的技術(shù)解決方案。

1 信號(hào)干擾監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

當(dāng)ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)受到干擾時(shí)，維護(hù)人員只能根據(jù)管制員提供的大概方位去排查無(wú)線信號(hào)干擾源，導(dǎo)致排查范圍大、收效甚微，從而增加了無(wú)線信號(hào)干擾排查的難度和成本。隨著大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的信號(hào)傳輸原理，在現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)時(shí)接收處理ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)目標(biāo)跟蹤、丟失和恢復(fù)處理算法，可實(shí)現(xiàn)ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)處理，減少管制員和維護(hù)人員的工作量，提高飛行安全保障能力。系統(tǒng)處理技術(shù)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)處理構(gòu)架

1.1 ADS-B系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)傳輸原理

機(jī)載ADS-B無(wú)線信號(hào)由機(jī)載設(shè)備通過(guò)獲取GPS信息、高度信息、速度信息以及飛機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)信息等并進(jìn)行信息編碼，然后以一定頻率通過(guò)射頻模塊對(duì)外廣播。在信號(hào)廣播的過(guò)程中，當(dāng)GPS受到干擾，或機(jī)載設(shè)備故障，或ADS-B數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿礁蓴_時(shí)，需要研究ADS-B機(jī)載設(shè)備對(duì)外廣播信息的處理機(jī)制以及糾錯(cuò)機(jī)制，并對(duì)信號(hào)的可靠性和連續(xù)性進(jìn)行分析，為信號(hào)丟失的判斷提供理論依據(jù)。

為了有效快捷地定位地面監(jiān)視終端顯示界面目標(biāo)丟失的原因，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的信息處理原理進(jìn)行分析和研究，確定目標(biāo)信號(hào)丟失的本質(zhì)，為維護(hù)人員提供排故的參考依據(jù)。系統(tǒng)信息處理原理如圖2所示。在圖2中，飛機(jī)或無(wú)人機(jī)加裝了ADS-B機(jī)載發(fā)射裝置，通過(guò)該裝置獲取GPS信號(hào)，并把定位信息進(jìn)行編碼以ADS-B數(shù)據(jù)鏈對(duì)外廣播[5]，地面接收站把接收到的ADS-B信號(hào)進(jìn)行解析，然后以網(wǎng)絡(luò)的方式傳輸給管制中心，管制員通過(guò)顯示終端對(duì)空中交通進(jìn)行指揮調(diào)度。對(duì)于顯示終端界面信號(hào)丟失的原因有多種可能，如數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、ADS-B地面站故障、ADS-B無(wú)線信號(hào)受遮擋、ADS-B數(shù)據(jù)鏈信號(hào)受干擾、機(jī)載ADS-B發(fā)射裝置故障以及GPS信號(hào)干擾等。因此需要對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、ADS-B地面站工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在網(wǎng)絡(luò)和地面站正常工作的情況下，通過(guò)ADS-B地面站接收空中信號(hào)的情況，對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)鏈的無(wú)線信號(hào)是否受到干擾進(jìn)行跟蹤和分析判斷。

圖2 ADS-B信號(hào)傳輸原理

由于ADS-B地面站接收目標(biāo)范圍有限，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，ADS-B地面站接收的半徑范圍一般在380 km左右[6]，而且ADS-B無(wú)線信號(hào)的傳輸必須是視距傳輸，如果ADS-B無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中有遮擋，那么地面站接收的信號(hào)就會(huì)不連續(xù)，因此在制定目標(biāo)跟蹤規(guī)則時(shí)，不僅要考慮目標(biāo)離ADS-B地面站的距離，還要考慮目標(biāo)的高度，這樣分析出的目標(biāo)在終端界面信號(hào)丟失的結(jié)論會(huì)更加客觀和科學(xué)。對(duì)于飛機(jī)上ADS-B機(jī)載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以通過(guò)飛行員來(lái)確定是否正常，而無(wú)人機(jī)則通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)信息來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于載人飛機(jī)上的ADS-B機(jī)載設(shè)備是經(jīng)過(guò)適航取證，發(fā)生故障的概率很小，因此在監(jiān)測(cè)GPS信號(hào)干擾的處理過(guò)程中，在確保監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和ADS-B地面站正常的情況下，利用ADS-B地面站無(wú)線信號(hào)完好性監(jiān)測(cè)功能以及與監(jiān)視終端界面顯示結(jié)果的比對(duì)，確定某些區(qū)域目標(biāo)在監(jiān)視界面顯示的不連續(xù)性是否為GPS信號(hào)干擾，為信號(hào)干擾源的排查提供依據(jù)。

1.2 目標(biāo)跟蹤、丟失和恢復(fù)處理算法

飛機(jī)在地面的監(jiān)視終端上消失的主要原因有軟硬件的原因、網(wǎng)絡(luò)傳輸原因以及無(wú)線干擾。然而在多數(shù)的實(shí)際運(yùn)行中，飛機(jī)在監(jiān)視界面出現(xiàn)丟失的情況只是個(gè)別飛機(jī)在某個(gè)特定的高度和區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生間斷性的消失，因此對(duì)于軟硬件和網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)故障是可以排除的，可以解釋導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生的可能只有無(wú)線干擾。無(wú)線干擾涉及ADS-B數(shù)據(jù)鏈和GPS接收機(jī)的無(wú)線干擾兩個(gè)環(huán)節(jié)。由于ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的地面接收設(shè)備是全向接收，如果是ADS-B數(shù)據(jù)鏈的無(wú)線干擾，那么會(huì)造成大面積的信號(hào)丟失；而GPS信號(hào)一般在普遍知曉的頻率上發(fā)射，其調(diào)制特征廣為人知，信噪比較低[7]。GPS信號(hào)到達(dá)地球表面時(shí)接收到的最小信號(hào)功率為-130 dBm，比收音機(jī)天線接收到的功率低10億倍，相當(dāng)于1 000英里外一個(gè)25 W的燈泡發(fā)出的光，因此極易受低功率頻段干擾影響[8]，從而容易造成個(gè)別飛機(jī)在某個(gè)特定的高度和區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生間斷性的消失。因此本文研究主要針對(duì)GPS信號(hào)受到干擾時(shí)的干擾源排查和定位[9]。

當(dāng)GPS信號(hào)受到干擾時(shí)，對(duì)于運(yùn)輸航空，機(jī)載設(shè)備比較先進(jìn)，可以有相應(yīng)的處置和提醒機(jī)制[10]；而對(duì)于通航飛機(jī)，受成本的制約，這些功能是不具備的。而且GPS信號(hào)的干擾源通常來(lái)自于地面，由于通航飛機(jī)飛行高度有限，相對(duì)于運(yùn)輸飛機(jī)而言更加容易受到干擾[11]。因此對(duì)于機(jī)場(chǎng)的電磁環(huán)境凈空保護(hù)一般都是監(jiān)測(cè)距離機(jī)場(chǎng)30～40 km范圍，完全滿足ADS-B地面站接收信號(hào)覆蓋范圍。為了有效簡(jiǎn)便地獲取GPS信號(hào)干擾源的大致位置，在監(jiān)視系統(tǒng)的服務(wù)器端獲取ADS-B地面站的目標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)目標(biāo)在空中的態(tài)勢(shì)進(jìn)行跟蹤，由于GPS信號(hào)受到干擾時(shí)[12]機(jī)載ADS-B發(fā)射器是不對(duì)外廣播ADS-B信號(hào)的，因此導(dǎo)致地面監(jiān)視系統(tǒng)無(wú)法接收受干擾目標(biāo)數(shù)據(jù)，考慮到無(wú)線信號(hào)的不可靠性，ADS-B數(shù)據(jù)鏈無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)丟失的情況，所以在跟蹤目標(biāo)時(shí)，如果目標(biāo)連續(xù)4 s內(nèi)沒(méi)有收到無(wú)線信號(hào)，那么就認(rèn)為目標(biāo)信號(hào)丟失并記錄目標(biāo)丟失時(shí)的位置、高度、時(shí)間、目標(biāo)呼號(hào)、目標(biāo)地址等信息。設(shè)目標(biāo)信號(hào)丟失的位置為pi(xi，yi)，目標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)的位置為qi(xi，yi)，li(xi，yi)為這兩點(diǎn)的中心點(diǎn)，且：

根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式：

可以得到目標(biāo)信號(hào)丟失與出現(xiàn)兩點(diǎn)間的距離Li，設(shè)Lmin=min(Li)為這些距離值的最小值，并設(shè)lc(xc，yc)為li(xi，yi)的中心點(diǎn)，且：

持續(xù)接收地面站的數(shù)據(jù)并對(duì)收到的目標(biāo)信號(hào)與丟失目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如果收到的目標(biāo)信號(hào)為丟失目標(biāo)，那么記錄丟失目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)的位置、時(shí)間和高度，通過(guò)后續(xù)一段時(shí)間的觀察，獲取多個(gè)觀察點(diǎn)并計(jì)算出lc(xc，yc)與Lmin，利用lc(xc，yc)點(diǎn)作為圓心、Lmin為直徑，構(gòu)建無(wú)線信號(hào)干擾估計(jì)范圍。如果還有同樣的情況在該范圍發(fā)生，那么就可以確定這個(gè)方向上有GPS信號(hào)干擾[13]，維護(hù)人員就可以利用無(wú)線信號(hào)干擾探測(cè)設(shè)備到該區(qū)域進(jìn)行排查，從而降低了排查難度和排查范圍，提高了排查效率。

1.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

為了利用ADS-B數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)線信號(hào)的干擾進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要在ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)中對(duì)軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建ADS-B數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，根據(jù)ADS-B數(shù)據(jù)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS-B系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)干擾監(jiān)測(cè)分析的目的。ADS-B信號(hào)干擾監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

在圖3中，程序運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如活動(dòng)目標(biāo)隊(duì)列與丟失目標(biāo)隊(duì)列緩存的創(chuàng)建、網(wǎng)絡(luò)初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)庫(kù)初始化等；接著啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接收線程和定時(shí)器執(zhí)行不同的任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)接收線程主要接收ADS-B地面站發(fā)送的目標(biāo)數(shù)據(jù)。當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)接收事件，網(wǎng)絡(luò)線程就從等待狀態(tài)進(jìn)入處理狀態(tài)。如果接收到的數(shù)據(jù)滿足ADS-B地面報(bào)文協(xié)議，即進(jìn)行解析數(shù)據(jù)，獲取到目標(biāo)的呼號(hào)、地址碼、位置、高度、速度、航向等信息，更新活動(dòng)目標(biāo)隊(duì)列，同時(shí)檢測(cè)目標(biāo)是否在ADS-B地面站無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)作用范圍內(nèi)。如果目標(biāo)在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，那么就判斷目標(biāo)是否在丟失目標(biāo)隊(duì)列中。如果在則記錄目標(biāo)恢復(fù)的位置、高度等信息，并更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄；定時(shí)器的周期設(shè)置為1 s，周期性地檢測(cè)活動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)丟失情況。如果活動(dòng)目標(biāo)隊(duì)列信號(hào)丟失時(shí)間持續(xù)4 s以上，則把該目標(biāo)從活動(dòng)隊(duì)列中刪除，并加入到丟失隊(duì)列中，把該目標(biāo)的位置、呼號(hào)、高度、丟失時(shí)間記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)。如果沒(méi)有目標(biāo)丟失，那么就進(jìn)行丟失目標(biāo)的顯示處理并更新顯示界面[14]。

2 測(cè)試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該技術(shù)方法的可行性和實(shí)用性，按照?qǐng)D1所示的系統(tǒng)構(gòu)架，搭建了測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行在綿陽(yáng)南郊機(jī)場(chǎng)，在2021年6月28日17時(shí)23分左右，塔臺(tái)管制員反映有GPS信號(hào)干擾，根據(jù)ADS-B信號(hào)干擾監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)進(jìn)行多數(shù)據(jù)融合處理[15]，維護(hù)人員很快就能從顯示界面中得出信號(hào)干擾的粗略位置，較以往靠人工手寫(xiě)記錄并統(tǒng)計(jì)分析的傳統(tǒng)方法，該系統(tǒng)更加智能，很大程度上縮短了故障處理時(shí)間，其顯示的效果如圖4所示。

圖4 GPS信號(hào)干擾示意圖

在圖4中，訓(xùn)練飛機(jī)在2021年6月28日17時(shí)23分左右以后，只要飛行經(jīng)過(guò)以點(diǎn)(31.527 930 06，104.782 903 96)為圓心、以2~3 km為半徑的區(qū)域內(nèi)，GPS信號(hào)就會(huì)受到干擾，從而導(dǎo)致監(jiān)視終端收不到飛機(jī)的飛行態(tài)勢(shì)信息。按照以前的干擾源查找方法，只能知道干擾源的大概方向，不能像當(dāng)前這樣準(zhǔn)確直觀地在地圖上展現(xiàn)出來(lái)，方便無(wú)線信號(hào)搜索設(shè)備探測(cè)干擾源。圖4中，標(biāo)注有L字母的圓點(diǎn)表示飛機(jī)GPS信號(hào)丟失的起始點(diǎn)，標(biāo)注有R字母的圓點(diǎn)表示飛機(jī)GPS信號(hào)恢復(fù)點(diǎn)，連線為飛機(jī)信號(hào)丟失的直線距離，并在直線的中間標(biāo)識(shí)飛機(jī)丟失信號(hào)的高度。從圖中可以看出，飛機(jī)飛得越高，受到的GPS信號(hào)干擾越小，受干擾的范圍就要小一些；而且通過(guò)這些線的交叉，可以大致確定GPS信號(hào)干擾源的范圍。根據(jù)地圖顯示情況，了解到該區(qū)域?yàn)楦叨穗娮有畔⒃O(shè)備制造企業(yè)，該企業(yè)的無(wú)線電干擾測(cè)試導(dǎo)致GPS信號(hào)失效。因此，維護(hù)人員通過(guò)這種方式很快排除了GPS干擾，不僅提高了故障處理效率，而且也節(jié)約了成本。

3 結(jié)論

隨著通用航空的發(fā)展，空域內(nèi)航空器類(lèi)型將會(huì)越來(lái)越繁雜，而通航的自由飛行離不開(kāi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為了便于空中交通的管理，飛機(jī)上必須加裝有ADS-B機(jī)載設(shè)備，但該系統(tǒng)存在的不足就是GPS信號(hào)容易受到干擾，給飛行安全帶來(lái)隱患。但其自身技術(shù)先進(jìn)性、低成本、易安裝等優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)空中交通監(jiān)控的主要技術(shù)手段。因此，對(duì)于該數(shù)據(jù)鏈的技術(shù)缺陷，本文提出了一種通過(guò)ADS-B數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和粗定位方法來(lái)確定GPS信號(hào)干擾源。通過(guò)對(duì)空中和地面的ADS-B信號(hào)處理機(jī)制以及傳輸原理進(jìn)行分析，構(gòu)建ADS-B信號(hào)干擾監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上對(duì)ADS-B目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、丟失和恢復(fù)處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)ADS-B信號(hào)消失時(shí)，對(duì)消失的時(shí)間和位置進(jìn)行記錄，同時(shí)對(duì)再次出現(xiàn)的時(shí)間和位置進(jìn)行記錄，根據(jù)記錄的信息對(duì)飛機(jī)消失的航跡進(jìn)行模擬繪制，綜合多組航跡定位干擾源位置，給出分析結(jié)論，為干擾源的排除工作提供幫助。