星基ADS-B監視性能評估軟件設計與實現

王鳳鑫 劉海濤 李保國 孫 沂

1(中國民航大學電子信息與自動化學院 天津 300300)2(中星中航通用航空產業投資有限公司 云南 昆明 650211)3(民航安徽空管分局 安徽 合肥 230041)

0 引 言

星基廣播式自動相關監視系統(星基ADS-B)是實現廣域范圍內航空器監視的主要技術手段[1]。2014年MH370航班失聯事件后，為解決傳統陸基監視系統無法實現陸地偏遠地區、海洋及南北兩極航空器監視覆蓋的問題，國際民航組織(ICAO)提出了星基監視的概念，將ADS-B接收機部署于低軌道衛星中，并利用多顆低軌道衛星形成覆蓋全球的星基ADS-B系統。與傳統的陸基監視系統相比，星基ADS-B系統具有覆蓋范圍廣、不受地理環境限制、可滿足航空器持續監視等多方面優勢[1,7]。

2008年德國航空航天中心提出了星基ADS-B的概念，并于2013年5月發射了首顆搭載ADS-B接收機的PROBA-V實驗衛星，驗證了星基ADS-B技術的可行性[2]；2013年11月丹麥GomSpace公司發射GomX-1實驗衛星，用于低軌衛星ADS-B信號的接收實驗[3]；2015年9月，國防科技大學發射了“天拓三號”實驗衛星，基于該實驗衛星開展星基ADS-B信號接收方面的研究[3]；2018年美國Aireon公司Iridium-NEXT 66顆在軌衛星部署完成[4]，并于2019年4月在北大西洋上空全面投入運行，提供星基ADS-B數據服務。

為解決星基ADS-B系統監視性能指標評測問題，參考EUROCONTROL相關技術規范[8]，設計實現星基ADS-B監視性能評估軟件。首先闡明了監視性能評估技術指標及評估方法，隨后介紹了星基ADS-B監視性能評估軟件的總體架構、數據接入與處理模塊、航跡顯示模塊及監視性能評估模塊的設計思路，最后利用“天拓三號”實驗衛星數據，對星基ADS-B系統監視性能評估軟件進行測試。

1 相關研究

目前國內外航空監視系統性能評估軟件分為兩類，一類針對空管自動化系統監視性能進行評估，如EUROCONTROL的SASS-C，通過導入多源監視數據并對數據進行重構得到參考數據，再將評估數據與參考數據比較判斷其是否符合EUROCONTROL當前監視性能標準，適用范圍較廣，局限性在于需要多種監視數據作為參考數據源，且授權、維護費用較高[5]；第二類是以雷達系統評估為主的專用評估工具，如Intersoft-Electronics公司開發的RASS系列工具和FAA開發的RBAT，能夠對雷達系統進行深入的分析，但不適用于星基ADS-B系統[6]。

在星基ADS-B系統監視性能評估方面，尚無明確的國際標準。文獻[2]提出了目標檢測概率、目標識別概率等性能參數的評估方法，對PROBA-V衛星載荷于北大西洋、太平洋等越洋航線上的監視性能進行評估；文獻[4]給出載荷覆蓋范圍、可用性、傳輸延遲、更新間隔等性能參數評估方法，對銥星系統相關性能進行評估；文獻[7]通過將“天拓三號”實驗衛星下傳位置數據與航路中心線比較，證明了星基ADS-B航跡數據誤差符合正態分布。

2 監視性能評估方法

參照空管自動化系統監視數據接入最低標準[8]，同時結合國內星基ADS-B實驗系統的條件[3,9]，從水平位置、氣壓高度、航跡速度三方面，給出星基ADS-B系統更新概率、更新間隔、目標丟失概率、航跡誤差的統計方法。

2.1 測量間隔

測量間隔(Measurement interval，MI)用于評估監視系統數據項更新概率，而非監視性能評估參數[8]。根據星基ADS-B系統主要應用于洋區、極地、偏遠地區的特點，執行最低水平間隔5海里評估標準，設置MI為8 s[11]。

2.2 水平位置/氣壓高度更新概率

水平位置/氣壓高度更新概率(Probability of update，PU)定義為監視系統在每一個規定的測量間隔內提供目標水平位置/氣壓高度有效數據的概率[8]，以水平位置為例，其統計方法如下：

1) 以水平位置起始點為首個測量間隔中心，按規定測量間隔對航跡進行時間分割，分割方法如圖1所示。

圖1 水平位置更新概率示意圖

2) 計算當前航跡測量間隔的總數量NT。

3) 計算測量間隔中存在有效水平位置數據項的測量間隔數量NR。其中有效數據判斷標準為：(1) 數據項具備正確的目標身份標識；(2) 數據項具備正確的時間信息；(3) 在水平間隔為5海里空域時，水平位置誤差小于2 100 m；(4) 在垂直間隔最低標準2 000英尺空域時，氣壓高度誤差小于300英尺。

4) 按式(1)計算單航跡水平位置更新概率PU：

(1)

5) 計算監視系統覆蓋范圍內整體水平位置更新概率PUA，如式(2)所示，其中N為監視系統覆蓋范圍內的航跡總數。

2.3 目標丟失概率

目標丟失概率定義為監視系統連續丟失目標位置消息的概率[8]。如圖2所示，當兩個連續的完整目標報告時間間隔大于26.4 s(MI×3×110%)時，目標處于丟失狀態。

圖2 目標丟失示概率示意圖

對于星基ADS-B系統，完整的目標報告應具備有效水平位置和氣壓高度。目標丟失概率RG計算方法如下：

首先，計算監視系統覆蓋范圍內航跡的測量間隔總和NA，如式(3)所示:

(3)

然后，計算目標丟失概率RG，如式(4)所示：

(4)

式中：NG為每次目標丟失所占的測量間隔數量；g為目標丟失發生的頻數。

2.4 水平位置誤差均方根

水平位置誤差(Horizontal position error)定義為目標水平位置測量值與相應的水平位置參考值間的二維歐氏距離[8]，式(5)為水平位置誤差均方根(Root-Mean-Square，RMS)的計算公式：

(5)

式中：n為水平位置總數；E為水平位置誤差。速度矢量、氣壓高度誤差均方根的統計方法與水平位置相同。

2.5 更新間隔

更新間隔(Update Interval，UI)定義為監視系統連續兩次正確接收目標位置消息的時間間隔[9]。更新間隔統計方法如下：

計算相鄰兩條ADS-B位置消息的更新間隔TUI，如式(6)所示：

TUI=ti-ti-1

(6)

式中：ti為該目標第i條位置消息的正確接收時刻；ti-1為該目標第i-1條位置消息的正確接收時刻。

根據EUROCAE相關技術規范，在低密度航線上(Low-Density En-Route)，空中交通管制系統要求位置消息的更新間隔以96%概率小于8 s[13]，按式(7)計算96%的位置消息更新間隔T96%：

P(TUI≤T96%)=96%

(7)

3 軟件框架設計

星基ADS-B監視性能評估軟件是集數據接收、解析、處理、存儲、顯示、監視性能指標評估于一體的自動化信息處理系統。軟件基于面向對象方法設計，采用Visual Studio 2017開發平臺，基于MFC建立人機交互界面，其總體框架設計如圖3所示。

圖3 星基ADS-B監視性能評估軟件總體架構

軟件由數據接入處理模塊，監視性能評估模塊及航跡顯示模塊組成。數據接入及處理模塊用于完成星基ADS-B數據的接入、解析、數據融合及存儲工作。航跡顯示模塊用于實現星基ADS-B監視性能評估軟件地理信息繪制及航跡顯示功能。監視性能評估模塊完成空中位置、速度矢量更新概率、更新間隔、誤差均方根、目標丟失概率等監視性能指標統計分析及顯示功能。

4 功能模塊設計

4.1 數據接入與處理模塊

數據接入與處理模塊由數據接收、消息解析、數據更新、數據存儲四個單元構成。

數據接收單元負責接入衛星向地面傳送的原始ADS-B消息，接入方式為消息記錄文件導入或ADS-B地面接收機TCP通信傳輸。采用多個獨立接入線程共享內容緩沖區的方式來實現數據共享與傳輸，保證了星基ADS-B數據的實時接入及處理。

消息解析單元對接入的每條ADS-B消息進行解析。星基ADS-B系統采用DF-17數據編碼標準，對航班某一時刻速度、位置、航班號等狀態信息單獨編碼為112 bit的數據幀進行下傳[12]。該單元首先記錄消息接收時間，然后進行CRC校驗、并按照RTCA DO260-B標準[12]進行消息解析。

數據融合單元將解析結果融合為航班飛行狀態，解決方法為創建包括消息接收時間、ICAO地址碼、消息類型、航班號、空中位置、速度、航向、導航完整類別在內的數據緩沖區，消息解析完畢后根據ICAO地址碼查找該航班上一時刻飛行狀態，替換相應數據，實現數據融合。

數據存儲單元將數據處理結果存入數據庫，數據庫采用Microsoft SQL Sever以滿足大量數據管理的需求，采用ADO(ActiveX Data Objects)對象實現對數據庫的訪問，通過調用自定義存儲過程完成數據表的創建、刪除等數據整理工作。

4.2 地理信息及航跡顯示模塊

地理信息及航跡顯示模塊用于實現軟件背景地圖和目標航跡的顯示，顯示內容包括行政區域、河流、航路、鐵路、危險區、近進區等。軟件啟動時預先加載Shapefile文件作為地理信息數據來源，采用MFC的CDC類實現圖形繪制功能，基于消息映射機制實現地圖拖動、縮放等功能。

實現地理信息及航跡的繪制需要將繪制點的大地坐標轉換為屏幕顯示坐標，解決方法為首先采用墨卡托投影完成大地坐標與平面坐標的轉換，再將投影直角坐標系按照地圖比例尺轉換為屏幕坐標系即可得到屏幕顯示坐標[14-15]。

4.3 監視性能評估模塊

監視性能評估為軟件的核心功能，該模塊首先通過讀取數據庫信息得到航班相關飛行狀態記錄，隨后采用卡爾曼濾波對原始航跡數據進行處理，得到參考航跡，以此完成監視性能的評估工作，最后以直方圖和統計數據的方式顯示統計結果。

監視性能評估流程如圖4所示，選擇需要評估的航班，根據ICAO地址在數據庫中檢索該航班當天所有航行狀態記錄，篩選出空中位置消息和速度消息，根據速度消息對航行狀態進行分類，判斷依據為：(1) 當縱向速度大于等于每分鐘200英尺且小于等于每分鐘8 000英尺時，航班處于爬升/下降狀態；(2) 當橫向加速度大于等于1.5 m/s2時，航班處于轉彎狀態。式(8)給出了橫向加速度為1.5 m/s2時角速度W(單位：°/s)與速度V(單位：節)的關系[8]：

圖4 監視性能評估流程

W=1.67/V

(8)

為評估星基ADS-B系統航跡誤差，需要得到參考航跡，軟件基于卡爾曼濾波算法，根據前一時刻目標狀態估計值和當前時刻測量值對當前時刻狀態進行最優估計，得到參考航跡[16]，以水平位置為例，計算流程如圖5所示。

圖5 參考位置點建立流程

由于卡爾曼濾波適用于線性、離散系統，星基ADS-B系統輸出的水平位置所在坐標系為WGS84坐標系，速度矢量信息所在坐標系為平面直角坐標系，需要對位置信息進行坐標轉換。采用大地主題解算的方法，以首個空中位置點為平面直角坐標原點，根據前兩點大地坐標求出前兩點大地線長及方位角，推算第二個空中位置點平面直角坐標，以此類推完成坐標轉換，且誤差檢核結果在10-16～10-12之間，可以有效避免坐標系轉換帶來的誤差[17]。

4.4 圖形界面設計

為更加直觀地顯示監視性能評估結果，設計了支持人機交互的可視化圖形界面，如圖6-圖9所示，分別展示了軟件界面、航行情報顯示界面、航跡顯示界面和評估結果可視化界面。

圖6 星基ADS-B監視性能評估軟件界面

圖7 航行情報顯示

圖8 航跡顯示界面

圖9 評估結果可視化界面

圖7顯示為航行情報信息表格，每一行容納一架航班消息統計信息并實時刷新，ICAO地址、接收消息數量、航班號、監視起始時間、監視結束時間按列分別顯示。圖8顯示為地理信息、航班原始航跡、參考航跡。圖9以直方圖和統計數據的方式顯示監視性能評估結果，其中直方圖的橫軸為監視性能參數范圍，縱軸為在此范圍內的消息數量。

5 應用驗證

采用國防科技大學“天拓三號”衛星數據開展星基ADS-B系統監視性能評估工作。對衛星下傳數據進行解析，效果如圖10所示。

圖10 “天拓三號”衛星下傳數據顯示

為分析星基ADS-B系統對越洋航班的監視能力，選取衛星接收機2016年10月23日下傳數據中途經大西洋的7架航班航行情報進行統計分析，統計結果如表1所示。

表1 “天拓三號”實驗數據評估結果

可以看出，在單載荷覆蓋范圍下，星基ADS-B系統對航班的平均監視時間為134 s；在監視時間內，7架航班位置消息更新概率大于97%、水平位置誤差均方根小于550 m，均滿足ATM系統5海里間隔監視性能標準[8]。

為評估星基ADS-B系統在單載荷覆蓋范圍下的監視性能，對“天拓三號”2016年10月17日至24日下傳數據進行整理，篩選出位置消息數量大于50的航跡共4 281條，統計每條航跡水平位置均方根誤差及位置更新間隔，匯總統計結果如圖11、圖12所示。

圖11 水平位置誤差均方根誤差分布

圖12 位置更新概率分布

可以看出，在7日數據匯總統計圖中水平位置誤差均方根小于550 m。位置更新概率大于90%的比例為76.9%。

6 結 語

針對星基ADS-B系統監視性能評估需求，參考民航現有標準設計實現星基ADS-B監視性能評估軟件，并利用“天拓三號”實驗數據對監視性能評估軟件進行測試。

測試結果表明：(1) 單顆衛星載荷覆蓋范圍下，水平位置誤差均方根小于550 m，滿足ATM系統5海里間隔監視性能標準；(2) 7日數據匯總統計中，位置更新概率大于90%的比例為76.9%，表明在單顆衛星載荷覆蓋下，星基ADS-B系統存在航空器位置消息接收數量不足的問題。