ADS－B空管監視系統誤差分析與研究＊

孫立新 陳亞青 劉國毅

（中國民用航空飛行學院空中交通管理學院1） 廣漢 618307） （民航西南空管局空中交通管制部2） 成都 610065）

0 引 言

在空中交通管制中，利用監視設備提供的航空器飛行動態，按照管制最低間隔標準，管制員就可以為航空器配備飛行間隔，防止航空器與航空器相撞.傳統的監視手段主要有一次雷達和二次雷達（secondar y sur veillance radar，SSR），但由于雷達系統自身具有很多局限性，因此，廣播式自動相關監視（automatic dependent surveillance broadcast，ADS－B）的技術開始應用.ADS－B即是由航空器通過數據鏈自動廣播由機載星基導航和定位系統生成的精確定位信息，包括位置信息、高度、速度和飛行意向等，尤其適合于山區、荒漠、邊遠機場等不宜建設雷達的區域，也適合于高密度機場的監視.

飛行間隔標準包括側向間隔、縱向間隔和垂直間隔，其中側向間隔是一種距離間隔，使多架航空器能夠占有同一高度層，充分利用繁忙地區的有限空域資源.不論是二次雷達，還是ADS－B，系統中高度數據都來源于氣壓式高度表，故基于ADS－B側向間隔研究是當前的重點.現在，美國和澳大利亞等國都已開展相關研究工作縮小基于ADS－B的側向間隔，擴大交通流量.

本文通過分析監視系統信號處理流程，得出ADS－B監視誤差主要有GPS接收機誤差、數據鏈誤差和系統延時誤差組成，并闡述了各部分對于側向間隔的影響.

1 相關工作

飛行間隔的理論研究，國外早在20世紀六七十年代就開始了，主要有兩類：一類以英國的P.G.Reich建立的航空器碰撞模型理論為基礎，針對平行航路系統在縱向、側向、垂直方向分別進行碰撞風險建模的研究；另一類是用概率論的方法展開的.2種理論都首先考慮2架航空器之間的碰撞風險，然后給出管制區域內的一定間隔下的碰撞風險，并在實際的安全評估中都有應用［1－3］.本文主要討論基于ADS－B側向間隔的研究及應用現狀.

目前，ADS－B機載和地面設備通信可選的數據鏈技術有 Mode S 1090 ES，VDL MODE 4和UAT 3種.其中1090 ES是國際民航組織推薦的、全球可互用的ADS－B地空數據鏈，但受格式長度限制，1090 ES數據鏈的上行廣播能力較差；VDL模式4在VHF頻段，頻率資源緊張；而UAT是美國在小型通用航空器普遍選裝開發的地空雙向數據鏈，但與DME地面設備的相互干擾較嚴重.

1.1 ICAO

ICAO在Doc 4444第八章ATS監視服務中論述了ADS－B監視設備單獨使用的條件、裝有ADS－B機載設備航空器的識別以及基于ADS－B和／或SSR最小側向間隔（5 NM）的應用等相關內容.其中文檔 Cir 311（Assess ment of ADS－B to Support Air Traffic Ser vices and Guidelines and Imple mentation）就ADS－B與單脈沖二次雷達的技術特性做了詳細的對比［4－5］.

1.2 美國

由于美國同時選擇1090ES和UAT作為ADS－B數據鏈，所以規定：（1）1090 ES數據鏈用于國際運輸飛行以及國內18 000 ft（含）以上高空飛行；（2）UAT數據鏈僅用于18 000 ft以下飛行的航空器；（3）選裝了不同數據鏈設備的航空器之間不相互通信，除非航空器同時選裝了2種數據鏈設備.

2005年，FAA通過危險接近概率模型（the close approach pr obability，CAP），研究分析了ADS－B監視下，終端區和航路飛行階段管制間隔分別使用3 n mile和5 n mile的理論依據.2007年5月31日，美國宣布批準阿拉斯加地區在航路實施5海里的ADS－B間隔，見表1.

表1 ADS－B用于支持3 n mile和5 n mile間隔標準的監視要求

表1描述了ADS－B監視用于支持當前航站區域3 n mile和5 n mile間隔標準.該分析使用確定水平間隔風險的方法，定義了兩架飛機的間隔在顯示為符合間隔標準的情況下出現碰撞的概率.該間隔標準評估報告基于國際民航組織認證方法的延展，并使用有效的監視數據.

1.3 澳大利亞

澳大利亞選擇1090ES標準，同時適用于運輸航空和通用航空.在規章制定方面，CASA頒布了CAO 20.18號適航指令，對機載設備標準作了詳細的規定.此外CASA頒布的 AC21－45對ADS－B運行相關設備提供了指導，AC21－45的附件D部分對符合要求的設備進行了不完全列表.航路最小側向間隔仍然為5 n mile［6］.

2 信號處理流程

ADS－B空管監視系統信號處理流程用Petri網表示，如圖1所示.現實情況下，管制員需要同時監視空域內多架航空器的飛行動態，圖中只考慮了2架航空器的特殊情況，但不會影響本文的分析結果.

圖中，K1是航空器1機載GPS接收機由定時器觸發解算的飛機位置等信息；K2是航空器2機載GPS接收機由定時器觸發解算的飛機位置等信息；K3是航空器1機載發射機廣播報文；K4是航空器2機載發射機廣播報文；K5是地面接收機接收航空器1的發射報文，經處理后送終端顯示器；K6是地面接收機接收航空器2的發射報文，經處理后送終端顯示器；由于地面接收機在某一時刻只能接收一架航空器的廣播報文，圖中可表述為輪流接收兩架航空器廣播報文；K7是管制員監視飛行動態，按照管制最低間隔標準，為航空器之間配備飛行間隔，管制員通過通信設備向飛行員發出管制指令的.由于不同數據鏈技術，其信道訪問方式可能是隨機訪問或自組織時隙，故圖中K5，K6表示信道資源的競爭.

圖1 ADS－B空管監視系統信號處理流程

3 ADS－B空管監視系統的誤差分析

在ADS－B空管監視系統信號處理流程中，人和監視設備兩方面的因素得到了直接的體現.其中，人的因素包括管制員和飛行員的因素.在空中交通管制中，管制員的失誤是導致危險接近和碰撞的關鍵因素之一.對管制員因素的研究，基本都是直接進行定性分析，給出影響的因素及改善措施，這方面已有大量研究工作被開展［7－8］.本文中，不考慮管制員或飛行員出現失誤的情況，空中碰撞只會由監視設備的誤差所引起.

從K1到K6，數據經過了很多硬件和軟件單元的處理，都會產生誤差，但仔細分析可知：ADSB監視誤差主要由以下幾部分組成.

1）GPS接收機的誤差，模型中的K1和K2變遷.

2）機載收發機廣播報文的周期以及數據鏈出現掉包或錯包后產生的監視誤差，模型中的K3和K4到K5，下文中簡稱為數據鏈誤差.

3）系統延時產生的誤差，從變遷K1到K5或從變遷K2到K5存在系統延時，包括GPS接收機、機載設備和地面設備的數據處理延時.

3.1 GPS接收機誤差

GPS接收機以水平保護標準（HPL）的格式傳送信息.HPL是一個以真實位置為圓心的圓的半徑，計算出來的位置以一定的概率落在圓周內.HPL是由GPS接收機通過RAI M算法（接收機自主完好性檢測）計算得出的.機載接收機RAI M算法的基本思想是：使用四顆為一組的多組衛星作為接收機的“可見”衛星，從而解算出多個航空器位置結果，并比較這些位置結果的一致性，只要結果存在不一致就表明位置數據的完好性可能是不充分的.所以，在RAI M失效的時期，不能保證完好性，需要一系列管制程序來保證安全，例如指導管制員在RAI M失效時暫時增大航空器間隔等.現在，HPL用導航完好性類別（NIC）、監視完好性等級（SIL）和導航精度種類（NAC）3個參數指示，如圖2所示.

圖2 ADS－B編碼性能參數

在表1終端區3 n mile間隔標準中，當NAC，NIC和SIL分別為7，6，2時，CAP概率為3×10－12時，確定的運行余度為1.4 n mile.在具體討論ADS－B監視系統誤差時，該部分誤差可以繼續使用上述研究成果.

3.2 數據鏈誤差

航站區域的自動化系統要求監視更新率以95%的置信度每5 s更新一次（由雷達更新的天線掃描率確定）.這樣的要求確定了ADS－B鏈路的信息接收的最小可接受概率，使ADS－B可以滿足該要求.例如，UAT狀態向量每秒鐘廣播一次，則在獨立的解碼故障情況下，以95%的置信度在5 s內更新狀態向量的最小概率是0.45.該鏈路從地面基站開始的最大服務范圍受這個概率的限制.在這種情況下，先前收到的報告將在相鄰飛機的后一個報告的時間校準內更新它的速度向量（狀態向量報告的一部分）.無故障情況下的CAP包括最壞情況的間隔裕度，即允許一架飛機的先前報告被接收以后，再向其鄰近的飛機進行轉向.假設在終端區域的速度是300 kn，轉向率為6°／s；在航路區域的速度是600 kn，轉向率為3 s，見圖3所示［6－8］.圖3中So，x等變量是距離，單位是n mile.

圖3 無故障情況CAP最壞估算方法

上述自動化系統要求的監視更新率是由雷達性能獲得，但單獨考慮ADS－B設備的性能時，可假設數據鏈出現掉包或錯包的概率為P.在獨立的解碼故障情況下，連續出現n次掉包或錯包的概率τ為

ADS－B設備數據鏈連續出現n次掉包或錯包的概率可以通過大量的數據統計完成，在滿足相同CAP概率時能減小側向間隔.

3.3 系統延時誤差

時間延遲越大，誤差也會隨之增大.與雷達相比，由于時間延遲的作用，ADS－B的高更新率（1次／s）最小化了方位誤差.通過測量和補償，時間延遲的標準可以量化為所報告信息中不超過某一特定的時間的最大時間.參考圖3，系統延時誤差對側向間隔的影響也可考慮在最壞情況下，通過與航空器速度、轉向率等參數計算獲得.

4 結束語

本文用Petri網表示了ADS－B空管監視系統信號處理流程，分析得到ADS監視誤差主要由GPS接收機誤差、數據鏈誤差和系統延時誤差組成，并重點闡述了這些誤差對側向間隔的影響.而間隔標準的確立還要考慮空域結構、導航通信設備性能以及管制員工作負荷等，所以今后的主要工作是建立模型計算危險接近概率，并進行實物驗證評估.

［1］Doc 96892 AN／953.Manual on airspace planning met hod2ology for the deter mination of separation minima［S］.Mont real：International Civil Aviation Organization，1998.

［2］徐肖豪，李冬賓，李 雄.飛行間隔安全評估研究［J］.航空學報，2008（11）：1411－1417.

［3］Stastny P.Safety mini ma st udy：review of existing standar ds and practices［EB／OL］.http：／／www.eurocontrol. int／src／gallery／content／public／documents／deliverables／srcdoc1ri.pdf.

［4］Inter national Civil Aviation Or ganization.Air traffic management［S］.fifteenth Edition，International Civil Aviation Organization，2007.

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［6］中國民航局飛行標準司.廣播式自動相關監視（ADS－B）在飛行運行中的應用［R］.北京：中國民航局飛行標準司，2008.

［7］中國民航局航空安全辦公室.人為因素訓練手冊［S］.北京：中國民航局航空安全辦公室，2009.

［8］霍志勤.民航管制員素質的模糊綜合評估研究［J］.武漢理工大學學報：社會科學版，2005（3）：374－377.