多雷達(dá)與ADS—B數(shù)據(jù)融合處理方法的研究與優(yōu)化

肖玉 成捷 賀姿

摘要：監(jiān)視數(shù)據(jù)的融合處理是整個(gè)空管自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)研究了NUMEN3000自動(dòng)化系統(tǒng)對雷達(dá)和ADS-B這2種監(jiān)視數(shù)據(jù)的融合處理方法，對單路航跡、合成航跡和綜合航跡的處理方法進(jìn)行了論述。對沈陽區(qū)管新增ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)參與融合時(shí)出現(xiàn)的目標(biāo)分裂問題進(jìn)行了分析，提出了高度過濾、降低航班號權(quán)重、設(shè)置丟棄閥值的解決方案，最終解決了由于目標(biāo)分裂產(chǎn)生的短期沖突告警的問題。

關(guān)鍵詞：空管自動(dòng)化系統(tǒng)；ADS-B；航跡融合；目標(biāo)分裂；NUMEN3000

中圖分類號：V355.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0042-02

1 概述

NUMEN3000自動(dòng)化系統(tǒng)作為沈陽區(qū)管的主用自動(dòng)化系統(tǒng)，于2015年10月投入使用。在使用初期，系統(tǒng)主要接入雷達(dá)信號，ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視）信號一直是應(yīng)急手段未參與融合。2018年5月，隨著沈陽ADS-B二級數(shù)據(jù)中心的建成，其處理完的ADS-B綜合信號作為一路ADS-B信號接入NUMEN3000系統(tǒng)使用。在ADS-B數(shù)據(jù)接入后，管制界面上的航跡目標(biāo)就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)短期沖突告警（STCA），給管制工作帶來了比較大的麻煩。針對這一情況，在認(rèn)真研究系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了分析，找到了原因并提出了解決方法。

2 監(jiān)視數(shù)據(jù)的處理方法研究

系統(tǒng)接收到各路監(jiān)視數(shù)據(jù)后，在前置處理機(jī)上進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)視數(shù)據(jù)處理機(jī)（SDP）。SDP先進(jìn)行單路數(shù)據(jù)處理，生成單路航跡，然后將多個(gè)單路航跡進(jìn)行融合，生成綜合航跡。前置處理機(jī)包括雷達(dá)數(shù)據(jù)前置處理機(jī)（RFP）和ADS-B數(shù)據(jù)前置處理機(jī)（SFP）。

2.1 監(jiān)視數(shù)據(jù)的預(yù)處理

監(jiān)視數(shù)據(jù)的預(yù)處理在前置處理機(jī)上完成，其中RFP負(fù)責(zé)普通航管雷達(dá)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，SFP負(fù)責(zé)ADS-B數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要對接入的監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)分解，提取有用信息，包括目標(biāo)屬性、位置、高度、速度、地址碼、時(shí)標(biāo)等內(nèi)容，同時(shí)對接收到的數(shù)據(jù)項(xiàng)做合法性檢查，有明顯問題的數(shù)據(jù)將被過濾掉。

2.2 監(jiān)視數(shù)據(jù)的處理

監(jiān)視數(shù)據(jù)的處理在SDP上完成，包括單路航跡和綜合航跡的處理。單路航跡是指由每部監(jiān)視信息源（包括雷達(dá)和ADS-B）單獨(dú)提供，系統(tǒng)進(jìn)行處理后生成的具有前后關(guān)聯(lián)性的目標(biāo)信息。綜合航跡是指系統(tǒng)將多路的單路航跡進(jìn)行橫向融合，最后生成的能最佳表述目標(biāo)狀態(tài)的唯一目標(biāo)信息。系統(tǒng)把綜合航跡分為2種：合成航跡和綜合航跡。雷達(dá)和ADS-B這2種監(jiān)視數(shù)據(jù)首先形成各自的合成航跡，然后再融合成綜合航跡，如圖1所示。單路航跡和合成航跡只具有監(jiān)視功能，綜合航跡提供所有功能服務(wù)。下面進(jìn)行單路航跡、合成航跡和綜合航跡處理方法的詳細(xì)論述。

2.2.1 單路航跡處理

（1）目標(biāo)相關(guān)。系統(tǒng)接收到預(yù)處理的監(jiān)視數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行單路航跡的跟蹤處理，包括已存在航跡目標(biāo)的更新和新航跡目標(biāo)的生成。如果系統(tǒng)判定出最新接收到的目標(biāo)信息與上個(gè)周期系統(tǒng)中某個(gè)航跡目標(biāo)指的是同一航空器，則認(rèn)為此次收到的目標(biāo)信息為此航跡目標(biāo)的更新信息，此過程即目標(biāo)相關(guān)。

單路航跡的目標(biāo)相關(guān)需要檢查6個(gè)要素，包括地址碼、二次代碼（SSR）、航班號（ACID）、航跡號、位置和高度，采用最近領(lǐng)域法[1]和統(tǒng)計(jì)加權(quán)法[2]，即根據(jù)兩目標(biāo)信息在各方面的相似程度，例如地址碼、航跡號、航班號或SSR是否一致、位置和高度的接近程度，然后依據(jù)這幾個(gè)要素的權(quán)重進(jìn)行綜合考慮，得出是否應(yīng)該相關(guān)。如果目標(biāo)相關(guān)未通過，則建立一個(gè)新的單路航跡目標(biāo)。

（2）其他參數(shù)。如果監(jiān)視數(shù)據(jù)中包含速度，則采用此速度，如沒有則采用系統(tǒng)計(jì)算速度。高度采用報(bào)告高度。單路航跡信息的更新頻率與該路監(jiān)視數(shù)據(jù)源的更新周期相同。對于每一路監(jiān)視數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以通過覆蓋范圍、新目標(biāo)抑制區(qū)和ADS-B信號的質(zhì)量檢查等方式來控制單路航跡質(zhì)量。對于每路單路航跡，可定義其是否參與融合，不參與融合的單路航跡不會(huì)影響到綜合航跡。

2.2.2 合成航跡處理

（1）目標(biāo)相關(guān)與航跡融合。系統(tǒng)接收經(jīng)過處理的單路航跡，首先進(jìn)行目標(biāo)相關(guān)，合成航跡的目標(biāo)相關(guān)與單路航跡的判定方式類似，需要檢查5個(gè)要素，包括地址碼、SSR、航班號、位置和高度，需要判定多個(gè)已確認(rèn)的目標(biāo)信息是否和某個(gè)已存在的合成航跡為同一目標(biāo)。如屬于同一目標(biāo)則做時(shí)空對準(zhǔn)處理，然后采用融合式的卡爾曼濾波方法進(jìn)行綜合處理，根據(jù)自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整的融合加權(quán)系數(shù)，選出最能表達(dá)實(shí)際情況的目標(biāo)態(tài)勢描述，來更新合成航跡。如果目標(biāo)相關(guān)沒有通過則建立新的合成航跡。

（2）其他參數(shù)。合成航跡的速度由系統(tǒng)計(jì)算得出，高度是擇優(yōu)選取某單路監(jiān)視數(shù)據(jù)的高度，并遵循盡量不切換監(jiān)視源的原則。雷達(dá)合成航跡的更新周期為4秒。ADS-B合成航跡更新周期為1秒。系統(tǒng)可以通過設(shè)定參數(shù)來控制合成航跡的質(zhì)量，例如是否參與融合、設(shè)置目標(biāo)報(bào)告不可靠區(qū)域等方式。

2.2.3 綜合航跡處理

（1）目標(biāo)相關(guān)與融合算法。收到系統(tǒng)處理完的合成航跡時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行目標(biāo)相關(guān)，算法與合成航跡算法一致。如屬于同一目標(biāo)則再次進(jìn)行卡爾曼濾波處理，同時(shí)更新綜合航跡。如果目標(biāo)相關(guān)沒有通過則建立新的綜合航跡。

（2）其他參數(shù)。系統(tǒng)綜合航跡的更新周期有兩種：如果沒有ADS-B合成航跡參與融合，則更新周期為4秒；如果有則更新周期為1秒。系統(tǒng)設(shè)置了融合可信度，“高”為參與融合，“低”為不參與融合。現(xiàn)階段雷達(dá)的合成航跡為“高”，ADS-B的為“低”，表示如果2種航跡都能覆蓋到某個(gè)目標(biāo)，輸出雷達(dá)，不輸出ADS-B。如果只有ADS-B能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，不再考慮融合可信度，只要ADS-B被允許參與融合，則直接輸出ADS-B航跡。

3 新增ADS-B后出現(xiàn)的問題及優(yōu)化

針對ADS-B參與到系統(tǒng)融合，系統(tǒng)對ADS-B信號進(jìn)行了控制，檢查位置的不確定性（NUCp），如果該值小于VSP（系統(tǒng)可調(diào)節(jié)參數(shù)）值則告警，在標(biāo)識(shí)符上顯示空心三角形。同時(shí)將ADS-B航跡的融合可信度設(shè)置為“低”。雖然經(jīng)過上述的準(zhǔn)備，但是在加入ADS-B信號的短時(shí)間內(nèi)，塔臺(tái)、進(jìn)近和區(qū)調(diào)就出現(xiàn)了多架航班目標(biāo)分裂的情況。通過分類研究，得出產(chǎn)生目標(biāo)分裂的原因，下面進(jìn)行具體的論述。

3.1 塔臺(tái)航班出現(xiàn)目標(biāo)分裂

塔臺(tái)附近有2部雷達(dá)覆蓋，沒有ADS-B地面站，最近的地面站距離約20公里，所以低空的ADS-B信號不穩(wěn)定，由于某些ADS-B信號沒有SSR，即使航班號相同，系統(tǒng)也會(huì)判定為2個(gè)目標(biāo)，這2個(gè)目標(biāo)距離非常近所以產(chǎn)生了STCA告警。針對這種情況，對ADS-B二級數(shù)據(jù)中心輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了高度過濾，濾除了1000米以下的ADS-B信號，解決了塔臺(tái)因?yàn)榻尤階DS-B數(shù)據(jù)導(dǎo)致的目標(biāo)分裂問題。

3.2 進(jìn)近和區(qū)調(diào)的航班出現(xiàn)目標(biāo)分裂

對具體航班進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)合成航跡的航班號與ADS-B的不一致，例如雷達(dá)的是CSH9272，ADS-B的是FM9272。由于雷達(dá)合成航跡沒有地址碼，ADS-B的沒有SSR，所以融合時(shí)使用航班號、位置、高度。由于航班號不一致，即使位置和高度很近，在進(jìn)行綜合航跡處理時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為是2個(gè)目標(biāo)，這2個(gè)目標(biāo)距離非常近所以產(chǎn)生了STCA告警。通過告知機(jī)組修改ADS-B機(jī)載設(shè)備的航班號與雷達(dá)的一致后，STCA告警消失。針對現(xiàn)階段ADS-B機(jī)載設(shè)備航班號不規(guī)范的問題，系統(tǒng)降低了航班號在進(jìn)行融合計(jì)算時(shí)的權(quán)重，該問題得到解決。

3.3 設(shè)置ADS-B信號丟棄閥值

現(xiàn)階段系統(tǒng)對質(zhì)量不好的ADS-B信號的只告警，不做丟棄處理，所以系統(tǒng)會(huì)存在一些質(zhì)量不好的ADS-B信號。當(dāng)雷達(dá)航跡出現(xiàn)異常使用ADS-B時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)高度跳變、速度異常等異常情況。針對該種問題，由于東北地區(qū)的雷達(dá)覆蓋情況良好，系統(tǒng)設(shè)定ADS-B信號的丟棄閥值，避免這類問題的發(fā)生。

通過以上3個(gè)方面的處理，再將ADS-B信號參與融合時(shí)，系統(tǒng)綜合航跡穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)由于ADS-B信號的原因產(chǎn)生的STCA告警的情況。

4 結(jié)論與展望

本文從技術(shù)維護(hù)人員的角度出發(fā)，重點(diǎn)研究了NUMEN3000自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理方法。對新增ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)參與融合時(shí)，出現(xiàn)的目標(biāo)分裂問題進(jìn)行了研究，提出了高度過濾、降低航班號權(quán)重、設(shè)置丟棄閥值的解決方案。希望本文對以后的NUMEN3000自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)的維護(hù)有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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