ADS-B自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)可疑目標(biāo)處理分析

劉新生

（華北空管局技術(shù)保障中心 北京 100621）

0 引言

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance Broadcast）廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視是國(guó)際民航組織確定的未來(lái)主要監(jiān)視技術(shù)。ADS-B技術(shù)將衛(wèi)星導(dǎo)航、通信技術(shù)、機(jī)載設(shè)備以及地面設(shè)備等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，提供了更加安全、高效的空中交通監(jiān)視手段，能有效提高管制員和飛行員的運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知能力，提升航空公司運(yùn)行控制能力，擴(kuò)大監(jiān)視覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運(yùn)行效率。現(xiàn)華北地區(qū)已接入ADS-B數(shù)據(jù)，通過(guò)二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心信號(hào)輸出給自動(dòng)化系統(tǒng)，為管制員提供使用。本文主要介紹 ADS-B系統(tǒng)可疑目標(biāo)分析的方法和相關(guān)應(yīng)用。

1 ADS-B原理介紹

ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術(shù)，主要利用地空和空空數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)信息傳遞，包括識(shí)別信息，位置，高度，速度等。ADS-B接收機(jī)與空管系統(tǒng)、其它飛機(jī)的機(jī)載ADS-B結(jié)合起來(lái)，提供精確、實(shí)時(shí)的沖突信息。

ADS-B系統(tǒng)包括地面站和機(jī)載設(shè)備兩部分，按應(yīng)用分為兩類：發(fā)送（OUT）和接收（IN）。其中OUT功能主要負(fù)責(zé)將信號(hào)從飛機(jī)發(fā)送方經(jīng)過(guò)視距傳播發(fā)送給地面接收站或者其他飛機(jī)，無(wú)需飛行機(jī)組干預(yù)即可自動(dòng)工作。IN是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)備發(fā)送的信息。

飛機(jī)上安裝的ADS-B設(shè)備使用GPS確定其位置，再通過(guò)一臺(tái)發(fā)射機(jī)以快速的時(shí)間間隔向外發(fā)射自己的位置、高度等數(shù)據(jù)。ADS-B地面站能夠接收到發(fā)射的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給管制員以獲取飛機(jī)位置。

2 系統(tǒng)主要功能

現(xiàn)在華北地區(qū)接入萊斯的 ADS-B系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)主要功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的升級(jí)改造。系統(tǒng)中服務(wù)器均采用雙機(jī)熱備份方式工作，如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙機(jī)管理子系統(tǒng)，雙機(jī)上的主要功能模塊都同時(shí)接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，只有主機(jī)向系統(tǒng)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，在雙機(jī)切換時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整性。

圖1：ADS-B雙機(jī)架構(gòu)

系統(tǒng)能處理符合ASTERIXCAT021格式的ADS-B數(shù)據(jù)，能接收處理地面站的狀態(tài)信息，包括地面站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入接口等信息。系統(tǒng)的監(jiān)控處理能把地面站的狀態(tài)信息顯示在畫面上。主要功能包括：監(jiān)視數(shù)據(jù)處理，可疑目標(biāo)驗(yàn)證，系統(tǒng)監(jiān)控和配置管理以及記錄回放等，系統(tǒng)主要服務(wù)器和功能表1所示。

表1：服務(wù)器和主要功能

3 可疑目標(biāo)驗(yàn)證方式

系統(tǒng)具有目標(biāo)信息防偽處理功能，通過(guò)多種方式來(lái)甄別可疑的 ADS-B目標(biāo)報(bào)告。被判定為可疑的目標(biāo)在本系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)界面上予以醒目的提示，并同時(shí)說(shuō)明判定依據(jù)。在向系統(tǒng)外輸出數(shù)據(jù)時(shí)，可人工指定被系統(tǒng)判定為可疑目標(biāo)的數(shù)據(jù)是否輸出。可疑目標(biāo)主要通過(guò)基站有效范圍，TDOA（TimeDifference Of Arrival）計(jì)算和雷達(dá)覆蓋等三種方式進(jìn)行驗(yàn)證。最終確定目標(biāo)的結(jié)果為可疑，不可疑或者是未知目標(biāo)。

3.1 覆蓋符合性驗(yàn)證

如果數(shù)據(jù)源定義了最大有效覆蓋范圍，則當(dāng)其報(bào)告的某個(gè)目標(biāo)不在這一范圍內(nèi)時(shí)判定為未通過(guò)此項(xiàng)驗(yàn)證。需要注意的是基站覆蓋范圍的配置不正確或基站中心點(diǎn)配置不正確，會(huì)造成誤判。基站范圍應(yīng)與實(shí)際范圍一致或稍偏大。

3.2 TDOA時(shí)標(biāo)定位驗(yàn)證

距離不同的兩個(gè)基站收到信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)是不一樣的，TDOA定位的原理正是利用多個(gè)基站接收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)的位置。因?yàn)槟繕?biāo)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到兩基站的時(shí)間差為常數(shù)，目標(biāo)點(diǎn)的位置一定處于以這兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線上。如圖2所示，這樣我們要確定平面上的一個(gè)點(diǎn)，需要至少三個(gè)基站。基站1和基站3之間確定一個(gè)雙曲線，基站2和基站3之間也確定一個(gè)雙曲線，兩條雙曲線的交點(diǎn)即為目標(biāo)點(diǎn)的位置。

圖2：TDOA算法示意圖

3.3 覆蓋交叉驗(yàn)證

在 ADS-B和雷達(dá)等其他監(jiān)視數(shù)據(jù)的重疊覆蓋范圍內(nèi)，ADS-B發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)但其他監(jiān)視數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，則此目標(biāo)判定為未通過(guò)此項(xiàng)驗(yàn)證。但是雷達(dá)有效覆蓋范圍不正確或中心點(diǎn)配置不正確，會(huì)造成誤判。因此為減少誤判，雷達(dá)定義范圍應(yīng)與實(shí)際范圍一致或稍偏小，這樣保證雷達(dá)探測(cè)出來(lái)的目標(biāo)盡量正確。

3.4 可疑目標(biāo)判斷邏輯

ADS-B判斷可疑目標(biāo)主要是通過(guò)覆蓋復(fù)合性驗(yàn)證，TDOA時(shí)標(biāo)定位和覆蓋交叉驗(yàn)證三種方式對(duì)目標(biāo)的可疑性進(jìn)行判斷。以上三種目標(biāo)驗(yàn)證方式在判斷最終目標(biāo)是否可疑的時(shí)候，對(duì)目標(biāo)的驗(yàn)證順序和影響優(yōu)先級(jí)是不同的。覆蓋符合性驗(yàn)證具有最高的優(yōu)先級(jí)，TDOA時(shí)標(biāo)定位驗(yàn)證其次，覆蓋交叉驗(yàn)證最低。驗(yàn)證的具體流程如圖2所示。

圖3：可疑目標(biāo)判斷邏輯圖

首先對(duì)ADS-B航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋范圍的驗(yàn)證，在覆蓋符合性驗(yàn)證能進(jìn)行的情況下，對(duì)比地面站的覆蓋范圍，覆蓋符合性驗(yàn)證通過(guò)則目標(biāo)即為有效目標(biāo)，驗(yàn)證不通過(guò)則目標(biāo)為可疑目標(biāo)，此時(shí)其他兩種驗(yàn)證不會(huì)對(duì)最終結(jié)果有任何影響；在覆蓋符合性驗(yàn)證不能進(jìn)行，而TDOA時(shí)標(biāo)定位驗(yàn)證能進(jìn)行的情況下，TDOA時(shí)標(biāo)定位驗(yàn)證通過(guò)的目標(biāo)即為有效目標(biāo)，不通過(guò)的目標(biāo)為可疑目標(biāo)；在覆蓋符合性驗(yàn)證能和TDOA時(shí)標(biāo)定位驗(yàn)證都不能進(jìn)行的情況下，覆蓋交叉驗(yàn)證的結(jié)果才會(huì)直接導(dǎo)致目標(biāo)是否被判定為可疑目標(biāo)。

4 可疑目標(biāo)分析結(jié)果

如果系統(tǒng)通過(guò)利用覆蓋范圍，TDOA驗(yàn)證和雷達(dá)輔助驗(yàn)證判斷出該目標(biāo)為可疑目標(biāo)，會(huì)在標(biāo)牌上突出顯示，并可以通過(guò)詳細(xì)信息查看目標(biāo)可疑的判斷標(biāo)準(zhǔn)。如圖4中，標(biāo)牌上會(huì)現(xiàn)實(shí)“FAKE”標(biāo)記，通過(guò)查看詳細(xì)信息，可以獲得可疑目標(biāo)的航班號(hào)，24bit碼和目標(biāo)的高度，速度等信息，同時(shí)輸出目標(biāo)被判斷為可疑目標(biāo)的詳細(xì)原因。

圖4：可疑目標(biāo)結(jié)果圖

ADS-B系統(tǒng)的航跡最終是要輸出到自動(dòng)化系統(tǒng)供管制員使用，提供可靠的航跡監(jiān)視數(shù)據(jù)。當(dāng)ADS-B系統(tǒng)判斷出可疑目標(biāo)后，可以通過(guò)系統(tǒng)配置相關(guān)參數(shù)來(lái)設(shè)置該可疑目標(biāo)是否輸出給自動(dòng)化系統(tǒng)。具體配置參數(shù)如圖5所示，可以針對(duì)ADSB覆蓋有效性，TDOA驗(yàn)證和覆蓋交叉驗(yàn)證等可疑目標(biāo)進(jìn)行過(guò)濾，選擇性的輸出給自動(dòng)化系統(tǒng)。

圖5：系統(tǒng)配置

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了華北地區(qū) ADS-B自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)的架構(gòu)和主要功能，并分析了ADS-B系統(tǒng)分析可疑目標(biāo)的原理和具體實(shí)現(xiàn)結(jié)果。為日常的值班運(yùn)行中故障分析和設(shè)備維護(hù)提供了技術(shù)支撐，提高了空管運(yùn)行的安全保障能力。