空管自動化系統中機場區域航跡異常融合的分析和處理改進

王小為 阮敏

摘要：監視數據處理是空管自動化系統的一項核心功能。在機場低空區域，由于覆蓋等問題，其監視數據處理更為復雜。本文通過分析一次成都英德拉自動化系統對兩架同時起飛的相似航班的錯誤相關，深入研究了自動化系統的監視數據處理和相關處理的機制，從而找出了故障原因，提出了優化自動化系統在機場區域監視數據處理的方法，減少了管制運行風險。

關鍵詞：空管自動化系統；機場區域；監視數據處理

引言

監視數據處理是空管自動化系統中的核心功能，是解決管制員“看得見”的主要手段。傳統雷達和ADS-B對機場區域覆蓋較差，加大了自動化系統對于該區域航班航跡處理和相關處理的難度。

2017年9月，成都英德拉空管自動化系統發生一起相似航班錯誤相關的故障。兩架飛機幾乎同時起飛，02L起飛UEA2735飛機航跡錯掛02R起飛的UEA2235計劃，兩飛機所開應答機均與飛行計劃應答機一致。若不是管制員責任心強，提前預判、準備充分，兩機很有可能執行錯誤的離場程序，導致小于間隔事件發生甚至交叉相撞。

為分析故障原因，本文研究了自動化系統的監視數據處理機制和相關機制，結合該時間段內系統接收的監視數據，分析了故障發生時系統對兩個航班航跡處理的全過程，最終定位了故障原因。為避免類似故障的出現，提出了優化自動化系統在機場區域監視數據處理的方法，減少了管制運行風險。

1 背景情況及故障現象

成都主用空管自動化系統為英德拉空管自動化系統，雙流國際機場目標主要由牧馬山一二次合裝泰雷茲雷達CTUTHA、本場二次雷神雷達CTURAY和ADS-B信號覆蓋。

成都雙流國際機場目前有兩條跑道，事件發生時，運行情況為向北雙起運行，即同時使用02L和02R跑道進行起飛。兩架相似航班UEA2735和UEA2235幾乎同時起飛，自動化系統錯將 UEA2735飛機航跡掛上了02R起飛的UEA2235計劃。同時，自動化系統將02R起飛航班的二次代碼錯誤的顯示為A1502，給了管制員造成了很大誤導。異常情況如圖1：

圖1 自動化系統異常相關

為了將故障原因分析清楚，筆者首先深入研究了英德拉自動化系統監視數據處理和相關處理的機制。

2 監視數據處理及相關處理機制

英德拉自動化系統中，監視數據處理服務器SDP主要完成單路監視數據處理和多監視數據處理，最終形成系統航跡。安全網及告警服務器SNET主要完成系統航跡與飛行計劃的相關。

2.1 單路監視數據處理

單路監視數據處理主要進行各單路監視信號中的點跡信息處理，并利用點跡信息創建單路航跡。系統為點跡創建新的單路航跡的條件是：

1）其C模式高度高于系統設定門限

2）其速度處于系統設定范圍內

3）其點跡連續出現在三個雷達掃描周期

2.2 多監視數據處理

多監視數據處理主要進行單路航跡與系統航跡的融合處理，對于不能與系統航跡融合的單路航跡，系統將會為其創建新的系統航跡[1]。

融合處理由三個部分組成：

1）二次代碼/呼號檢查：單路航跡必須具有與系統航跡一致的二次代碼或呼號。二次代碼/呼號檢查的前提條件為：

a）單路航跡必須具有二次代碼或呼號

b）系統航跡必須具有二次代碼或呼號或兩者兼備。

2）高度信息檢查：單路航跡的高度與系統航跡的高度差異必須在一定范圍內。高度檢查的前提條件為單路航跡和系統航跡均具有有效的高度信息。

3）位置信息檢查：單路航跡與系統航跡的距離必須處于系統門限內。

英德拉自動化系統中的位置信息檢查，對于不同的監視信號源設置了不同的參數。其中，雷達航跡與ADS-B航跡間融合的距離門限為3海里，即5.556公里。

2.3 相關處理

在滿足其他相關條件的情況下，英德拉系統可通過呼號信息及二次代碼進行系統航跡和飛行計劃相關，呼號信息的優先級高于二次代碼信息[2]。

3 故障分析

3.1 監視數據情況

通過分析自動化系統收到的雷達原始數據發現：最初多個雷達掃描周期內，CTUTHA和CTURAY雷達掃描到的兩架航班的情況并不穩定，具體情況如下表：

兩部雷達均為傳統雷達。雷達數據中，含有二次代碼信息，無呼號信息。

而英德拉自動化系統收到ADS-B數據中，含有呼號信息，無二次代碼信息。故障發生階段，ADS-B信號數據較多，此處不再詳細一一列舉，只將結論陳訴：

通過將雷達數據與ADS-B數據進行對比，筆者發現，對于02L航班UEA2735，持續穩定的ADS-B信號先于持續穩定的雷達信號出現；而對于02R航班UEA2235，持續穩定的雷達信號先于ADS-B信號出現。

接下來，根據自動化系統工作機制，筆者分別單獨分析了系統中02L與02R航跡的出現及相關過程，試圖找出系統發生異常的原因。

3.2 02L跑道航跡

（1）UTC23：42：40 系統持續收到UEA2735的ADS-B數據報，創建了單路ADS-B信號。由于該單路航跡無法與任何已經存在的系統航跡相融合，系統為其創建02L系統航跡。02L系統航跡具有呼號信息EU2735，但無二次代碼信息，此時情況如圖2（a）所示。英德拉系統具備通過呼號進行相關處理的能力，但要求航跡呼號必須與飛行計劃呼號完全一致，由于該航班使用的二字碼EU2735，而系統中其飛行計劃呼號為三字碼UEA2735，因此系統無法進行航跡與飛行計劃的相關。

（2）UTC23：42：49 系統連續三個周期收到CTURAY雷達送出二次代碼為A1521的點跡，為其創建了A1521單路航跡。根據三個融合條件：

a）A1521單路航跡無呼號信息，02L系統航跡無二次代碼信息，系統不需對其進行二次代碼/呼號檢查。

b）A1521單路航跡與02L系統航跡高度接近，滿足高度檢查條件。

c）A1521單路航跡與02L系統航跡距離僅為5.1公里，小于系統中雷達航跡與ADS-B航跡的門限5.556公里，滿足位置檢查條件。

因此，系統將A1521單路航跡與02L系統航跡進行了融合。02L系統航跡獲得二次代碼A1521。如圖2（b）所示。其后，類似地，CTUTHA雷達的A1521單路航跡也與02L系統航跡融合。

（3）飛行計劃UEA2235的二次代碼為A1521，系統通過二次代碼信息，錯誤地將02L系統航跡與飛行計劃UEA2235進行相關。出現了如圖1中所示的情況。

3.3 02R跑道航跡

（4）UTC23：43：09系統持續收到UEA2235的ADS-B數據報，創建了單路ADS-B信號。由于呼號不一致，該單路航跡無法與02L系統航跡相融合，系統為其創建了新的02R系統航跡。02R系統航跡具有呼號信息EU2235，但無二次代碼信息。此時情況如圖3（a）所示。

2）UTC23：43：17 系統連續三個周期收到CTUTHA雷達送出二次代碼為A1502的點跡，為其創建了A1502單路航跡，根據三個融合條件：

a）A1502單路航跡無呼號信息，02R系統航跡無二次代碼信息，系統不需對其進行二次代碼/呼號檢查。

b）A1502單路航跡與02R系統航跡高度接近，滿足高度檢查條件。

c）A1502單路航跡與02R系統航跡距離僅為4.7公里，小于系統中雷達航跡與ADS-B航跡的門限5.556公里，滿足位置檢查條件。

因此，系統將A1502單路航跡與02R系統航跡進行了融合。02R系統航跡獲得二次代碼A1502。如圖3（b）所示。其后，類似地，CTURAY雷達的A1502單路航跡也與02R系統航跡融合。

3）系統未繼續收到02R系統航跡的ADS-B數據報，02R系統航跡失去呼號信息，系統航跡顯示二次代碼信息A1502，出現了如圖1中所示的錯誤情況。

4 故障思考

通過對故障過程的詳細分析發現：本次故障主要是自動化系統的監視數據處理異常引起，與航班號相似并無直接關聯。但由于故障發生在相似航班上，加大了對管制工作的影響。由于ADS-B信號和雷達信號發現目標的先后順序的不同，系統混淆了兩個航班的ADS-B信號和雷達信號，進行了錯誤的融合處理，在錯誤融合的情況上，系統又進行了錯誤的相關，導致了故障。

故障過程中，自動化系統基本按照了其工作機制進行監視數據處理，但仍然出現了異常，雖然出現異常與機場區域監視信號覆蓋情況有關聯，但也說明目前自動化系統的監視數據處理機制存在缺陷。筆者根據其缺陷，提出了自動化系統機場區域監視數據處理的兩種改進方案：

4.1 自動化系統在機場區域設置特定的融合參數

現階段，自動化系統大多在全系統處理范圍內采用統一的融合參數。統一的設置有利于系統監視數據處理的統一性，但某種意義上，加大了融合異常的風險。機場區域的航班運行情況特殊，與高空區域的運行環境差距較大：

高空區域，兩架飛機間，要么水平距離較遠，要么具有較大的高度差。而在機場區域，特別是多跑道的機場，若航班同時起飛，兩架飛機的高度會幾乎一致、而距離也會很接近。例如本次故障中的兩架航班，兩者直線距離不足5公里，高度差小于50米。

因此，高空區域適合使用較大的融合門限，以減少導致航跡分裂現象的出現。而機場區域適合使用較小的融合門限，以避免本次故障中的異常融合現象。全系統統一的參數很難同時滿足兩種截然不同的運行環境。

筆者建議，自動化系統在設計時，就應在機場區域設置特定的融合參數，距離門限應較小。以成都雙流機場的情況為例，綜合跑道中心點距離和機場環境情況，可將機場區域的雷達信號與ADS-B信號位置的融合門限設置為4公里，而其他區域保持5.556公里的設置，這樣就能基本避免本次故障中出現的錯誤融合的異常。對于其他的運行現場，融合參數應根據實際運行情況進行調整和優化。

4.2 自動化系統應在機場區域設置ADS-B信號抑制區

現階段，ADS-B信號在機場附近區域使用的意義不大，反而偶爾會對管制正常指揮工作造成影響，例如地面飛機的ADS-B信號干擾問題、ADS-B信號造成的速度跳變問題、ADS-B信號與雷達信號融合錯誤的問題。在弊大于利的情況下，筆者建議自動化系統在機場區域設置ADS-B信號抑制區。

抑制區應是以跑道中心點為中心、半徑為R（系統可設置）、高度范圍為H（系統可設置）的立體空間。系統通過解析ADS-B數據包中的經緯度坐標和高度信息，與抑制區范圍進行對比，若目標處于抑制區內，系統將該ADS-B數據包丟棄，不進行處理（含有緊急告警信息的數據包除外）。

理想情況下，抑制區可在線開關，在本場雷達均失效的情況下，可將ADS-B抑制區關閉，使用ADS-B信號為管制員提供應急顯示。

抑制區的設置可采用單路ADS-B分別設置或全系統統一設置的方式。采用單路ADS-B設置抑制區的方式較為繁瑣，但使用更為靈活，可根據各ADS-B臺站覆蓋情況和數據質量情況，使用其ADS-B信號；全系統統一設置ADS-B抑制區的方式較為簡單，避免了設置出現錯誤的可能性，但使用起來靈活性較差。

通過設立機場區域的ADS-B抑制區，也可有效避免機場區域出現錯誤融合的異常。

5 結束語

機場作為民航事故高發區域，飛機起降階段也是重大事故發生的高危階段，自動化系統中，任何在機場區域的異常處理都應得到高度重視。目前，國內大多數機場無MLAT或S模式雷達覆蓋（同時含有呼號和二次代碼信息），而傳統雷達與ADS-B信號間通過位置和高度信息進行融合的處理方式，出現異常的可能性相對較大，因此，自動化系統應對該區域的監視數據處理和相關處理重點關注。

本文詳細分析了一次英德拉自動化系統中，兩架相似航班起飛階段錯誤相關的故障，找出了自動化系統存在的缺陷，并提出了兩種相應的改進方案，希望能夠避免問題的再次出現，減少運行風險。

參考文獻：

[1] Revised Chengdu Automation System Subsystem Specification[Z]. INDRA，2012.

[2] 李小鵬.INDRA空管自動化系統技術操作手冊[Z].民航西南空管局.2013.

作者簡介：

王小為，民航西南空管局。