基于FOM的CAVS監(jiān)視性能分析

黃天宇，張光明

基于FOM的CAVS監(jiān)視性能分析

黃天宇，張光明

（中國民用航空飛行學(xué)院 飛行技術(shù)學(xué)院，四川 廣漢 618307）

CAVS是基于ADS-B IN監(jiān)視下的一種典型應(yīng)用，運(yùn)行CAVS需要ADS-B IN的數(shù)據(jù)滿足一定的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，是其中一個(gè)十分重要的數(shù)據(jù)質(zhì)量參數(shù)。運(yùn)行CAVS前，對所需的監(jiān)視性能進(jìn)行預(yù)測，能夠更好地保證運(yùn)行安全。通過品質(zhì)因數(shù)FOM計(jì)算模型，深入研究了這個(gè)參數(shù)的預(yù)測問題，建立了基于FOM的的預(yù)測模型，同時(shí)也對航空器運(yùn)行中的ADS-B報(bào)文進(jìn)行解析，將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行中的報(bào)文的解析結(jié)果進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明，利用預(yù)測模型計(jì)算出的與報(bào)文的解析數(shù)據(jù)基本一致，從而驗(yàn)證基于品質(zhì)因數(shù)的FOM預(yù)測模型可以有效預(yù)測航空器實(shí)施CAVS應(yīng)用中的數(shù)據(jù)。

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視；CDTI輔助目視間隔；速度導(dǎo)航精度類別；FOM預(yù)測模型

1 引言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B，Automatic Dependent Surveillance Broadcast）是基于 GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)。ADS-B應(yīng)用分為發(fā)送（OUT）和接收（IN）兩類[1]。ADS-B IN指航空器接收其他航空器發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面服務(wù)設(shè)施發(fā)送的信息，為機(jī)組提供運(yùn)行支持，有效提高機(jī)組的空中交通情景意識(shí)，使飛行更加安全和高效。

CDTI 輔助目視間隔（CAVS，CDTI Assisted Visual Separation）是基于ADS-B IN監(jiān)視下的一種典型應(yīng)用，能夠輔助駕駛員在目視進(jìn)近過程中，與加裝ADS-B OUT的前序航空器有效保持目視間隔[2]，使航空器能夠滿足以往使用最低程序間隔無法實(shí)現(xiàn)的進(jìn)近要求。CAVS應(yīng)用能夠使機(jī)場進(jìn)近的飛機(jī)數(shù)量增加，提高機(jī)場運(yùn)行效率。

ADS-B IN作為一種新的監(jiān)視應(yīng)用，目前在中國仍處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，相關(guān)監(jiān)視可用性性預(yù)測的研究相對較少，歐美等民航發(fā)達(dá)國家對ADS-B監(jiān)視性能預(yù)測的相關(guān)研究已經(jīng)相當(dāng)深入。目前中國對于ADS-B IN的研究主要集中在地面的監(jiān)測性能評(píng)估上。通過建立相關(guān)預(yù)測理論來預(yù)測實(shí)施CAVS所需速度導(dǎo)航精度類別（，）的情況，有利于減少運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)，因此對測的研究是非常有必要的。

2 NACv數(shù)據(jù)質(zhì)量要求

RTCA DO-354對CAVS數(shù)據(jù)質(zhì)量要求為：≥1 （10 m/s）。下文主要對進(jìn)行預(yù)測評(píng)估。

是根據(jù)速度水平品質(zhì)因數(shù)（，）和速度垂直品質(zhì)因數(shù)（，）兩個(gè)數(shù)值共同進(jìn)行編碼的，其中當(dāng)=0時(shí)，它的編碼規(guī)則由或任意一個(gè)決定。當(dāng)≥1時(shí)，由和共同決定。它有5個(gè)級(jí)別，級(jí)別越高，誤差越小。RTCA DO-242編碼規(guī)則如表1所示。

表1 的編碼規(guī)則

HFOMv VFOMvNACv等級(jí) HFOMv < 0.3 m/s（0.984 ft/s）和VFOMv< 0.46 m/s（1.5 ft/s）4 HFOMv< 1m/s（3.28 ft/s）和VFOMv < 1.5 m/s（5.0 ft/s）3 HFOMv < 3m/s（9.84 ft/s）和VFOMv < 4.6 m/s（15.0 ft/s）2 HFOMv < 10 m/s（32.8 ft/s）和VFOMv < 15.2 m/s（50 ft/s）1 HFOMv未知或HFOMv≥10 m/s（32.8 ft/s）或VFOMv未知或VFOMv≥15.2 m/s（50 ft/s）0

3 NACv評(píng)估模型

GPS衛(wèi)星幾何布局與幾何精度因子（DOP，Dilution of Precision）有著密切聯(lián)系。幾何精度因子可以分為以下幾種：三維位置精度因子、鐘差精度因子和垂直分量精度因子[3-4]。下面主要介紹、與求解辦法以及相應(yīng)關(guān)系。

由3列觀測衛(wèi)星到接收機(jī)的方向余弦和全部是1的第四列組成，如下式所示：

=（1）

式（1）（2）中：矢量帶求解的為×4的矩陣表達(dá)式；為4×1的矢量前3個(gè)量在直角坐標(biāo)系下的待求位置，第4列表示公共鐘差；為接收機(jī)測得的到各個(gè)衛(wèi)星的偽距。

i=[cos（i）cos（i）cos（i）sin（i）sin（i）]表示指向第顆衛(wèi)星位置的單位矢量，i和i分別表示第顆衛(wèi)星相對于用戶接收機(jī)的仰角和方位角[5]。

可得到以下公式：

=[（T）－1T]（3）

式（3）中：為對時(shí)間和位置的估計(jì)誤差；為偽距測量誤差。

其中矢量中有4個(gè)分量，它們分別對應(yīng)于矢量T=（u，u，u，tb）計(jì)算值的誤差。則的協(xié)方差為如下4×4矩陣：

同時(shí)令（T）－1的分量形式如下：

水平精度因子計(jì)算如下：

由式（4）（5）（6）可得如下關(guān)系：

使用的估計(jì)位置不確定度（）是水平位置的95%精度界限。被定義為一個(gè)圓的半徑，以發(fā)送位置作為中心，則物體的實(shí)際位置位于圓外的概率為0.05。其中UERE為用戶衛(wèi)星偽距[6]。可得：

=2××UERE（8）

是通過速度水平品質(zhì)因數(shù)、速度垂直品質(zhì)因數(shù)、共同數(shù)值進(jìn)行編碼的。編碼規(guī)則所示：

V=×+aH×（sensor/2） （9）

V=×+V×（sensor/2） （10）

式（9）（10）中：為水平品質(zhì)因數(shù)；為垂直品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)RTCA DO-242得，=0.02 s－1，H=1 m/s2，V= 1 m/s2和sensor=1 s。

全球定位系統(tǒng)（GPS）或其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）報(bào)告EPU，通常被稱為水平質(zhì)量指數(shù)（），則：

=2××UERE（11）

同理可得：

=2××UERE（12）

利用和公式可以求出相應(yīng)的和，進(jìn)而對進(jìn)行預(yù)測。

4 以白云機(jī)場實(shí)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

通過對飛行計(jì)劃的解讀，確定飛機(jī)到達(dá)估計(jì)時(shí)間，與該時(shí)間下的ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的一致性。

4.1 白云機(jī)場預(yù)測數(shù)據(jù)計(jì)算

GPS衛(wèi)星發(fā)出的歷書（Almanac）包含在導(dǎo)航電文的第四和第五子幀中[7]，可以將其視為衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)的簡化子集。GPS歷書用于計(jì)算任意給定時(shí)間內(nèi)任意衛(wèi)星的大概位置。仿真步驟如下：確定在ECEF坐標(biāo)系中預(yù)測點(diǎn)位置；利用歷書來預(yù)測衛(wèi)星的位置；以當(dāng)前觀測點(diǎn)建立站心坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系中，衛(wèi)星的位置信息由衛(wèi)星相對于飛機(jī)的距離、方位角和仰角表示；建立觀測矩陣，并根據(jù)在5°遮蔽角遮擋的衛(wèi)星建立觀測矩陣；按照監(jiān)視性能評(píng)估模型對進(jìn)行計(jì)算。

預(yù)測開始時(shí)間為2019-11-25T12：00。歷書星期數(shù)為33，歷書參照秒為405 504.000 0 s。下面根據(jù)白云機(jī)場RWY20L進(jìn)行預(yù)測，已知廣州白云機(jī)場航路點(diǎn)編號(hào)是GG503。對應(yīng)經(jīng)緯度坐標(biāo)N23°30′54″，E113°20′49″。分析是否滿足CAVS運(yùn)行要求。通過歷書數(shù)據(jù)進(jìn)行48 h預(yù)測。、隨時(shí)間變化曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 VFOMv隨時(shí)間變化曲線

圖2隨時(shí)間變化曲線

通過分析可知，在飛行計(jì)劃確定的估計(jì)時(shí)間中，48 h內(nèi)計(jì)算的最大值約為5.633 5 m/s、最大值約為6.209 4 m/s。48 h的和（以最大值進(jìn)行編碼）對應(yīng)的編碼為≥1。該值滿足CAVS運(yùn)行最低監(jiān)視性能中的標(biāo)準(zhǔn)。

選取飛機(jī)在廣州白云機(jī)場RWY20L跑道進(jìn)近階段航路點(diǎn)GG503—GG568點(diǎn)進(jìn)行分析。GG568對應(yīng)經(jīng)緯度坐標(biāo)N23°40′08″，E113°23′19″，GG503點(diǎn)對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)N23°30′54″，E113°20′49″。兩個(gè)航路點(diǎn)經(jīng)緯度分成10份，結(jié)合飛行計(jì)劃在2019-11-27T07：52，對10個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的監(jiān)視性能所需的速度導(dǎo)航精度類別進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果如表2所示。

表2 預(yù)測結(jié)果

參數(shù)預(yù)測點(diǎn)1預(yù)測點(diǎn)2預(yù)測點(diǎn)3預(yù)測點(diǎn)4預(yù)測點(diǎn)5預(yù)測點(diǎn)6預(yù)測點(diǎn)7預(yù)測點(diǎn)8預(yù)測點(diǎn)9預(yù)測點(diǎn)10 經(jīng)度E113°29′19″E113°28′49″E113°28′19″E113°27′49″E113°27′19″E113°26′49″E113°26′19″E113°25′49″E113°25′19″E113°24′49″ 緯度N23°40′08″N23°39′50.4″N23°38′30.8″N23°36′11.2″N23°35′51.6″N23°34′32″N23°33′12.4″N23°32′52.8″N23°31′33.2″N23°30′54″ VFOMv/（m/s）1.769 21.769 21.769 21.769 21.769 11.769 11.769 11.769 11.769 11.769 1 HFOMv/（m/s）1.071 51.071 61.071 61.071 71.071 71.071 71.071 81.071 81.071 91.071 9

根據(jù)RTCA DO-354編碼規(guī)則，得出預(yù)測數(shù)據(jù)編碼如表3所示。

表3 預(yù)測數(shù)據(jù)編碼

預(yù)測點(diǎn)12345678910 NACv2222222222

4.2 ADS-B數(shù)據(jù)解析

ADS-B報(bào)文的版本有多種，本文是通過CAT021 2.1版本解碼規(guī)則進(jìn)行編程解碼的。

原始報(bào)文是十六進(jìn)制編碼，如圖3所示。

通過對報(bào)文解碼規(guī)則的解讀，結(jié)合篩選預(yù)測時(shí)間段內(nèi)的飛機(jī)報(bào)文數(shù)據(jù)，最終選取了2019-11-27的數(shù)據(jù)CSN3503航班數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3 CAT021原始報(bào)文

圖4 CSN3503解碼后的CAT021報(bào)文

通過對原始報(bào)文進(jìn)行解碼，選取的CSN3503航班的數(shù)據(jù)為2，與基于FOM的預(yù)測數(shù)據(jù)相一致。

5 結(jié)論

對白云機(jī)場FAF點(diǎn)進(jìn)行48 h預(yù)測和對IF至FAF點(diǎn)選點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果表明，實(shí)施CAVS運(yùn)行所需的是滿足≥1的。

對IF至FAF選點(diǎn)預(yù)測的結(jié)果與飛機(jī)CAT021報(bào)文的解析進(jìn)行比較，得出預(yù)測結(jié)果與報(bào)文吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)測模型的可用性，預(yù)測的滿足RTCA DO-354中≥1（10 m/s）要求。對實(shí)施CAVS運(yùn)行前所需的監(jiān)視性能進(jìn)行預(yù)測，能夠更好保證運(yùn)行安全。

［1］LASCARA B J，CARSO J W，EDWARDS D N.A study of primary surveillance radar traffic and its utility via ADS-B uplink［C］//Integrated Communications，Navigation & Surveillance Conference，2013.

［2］CAAC.ADS-B（1090ES）運(yùn)行批準(zhǔn)指南［S］.北京：中國民航局，2018.

［3］王秋拾.基于ADS-B IN的ITP監(jiān)視理論研究［D］.德陽：中國民用航空飛行學(xué)院，2019.

［4］劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［5］董程兵.RAIM預(yù)測優(yōu)化理論研究［D］.德陽：中國民用航空飛行學(xué)院，2015.

［6］LV Z，WANG L，NI Y.Navigation data resource availability of ADS-B［C］//International Conference on Transportation，2011.

［7］李天文.GPS原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

V355.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.007

2095－6835（2020）02－0026－03

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕