基于ADS-B的飛行數據采集處理系統設計與實現

吳春林 陳 勇 邵 紅 藍德威 李寶鵬

(1.海軍航空大學青島校區 山東青島 266041；2.海軍裝備部重大專項裝備項目管理中心 北京 100000；3.解放軍92074部隊 浙江寧波 315000)

0 引言

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, 廣播式自動相關監視)[1]是一種基于全球衛星定位系統和利用空地、空空數據鏈實現交通監控和信息傳遞的空管監視新技術，它充分融合了通信、定位和導航等多種現代信息技術。裝備了ADS-B設備的飛機，可通過數據鏈向地面和機載接收機廣播準確的飛機位置、速度等實時信息，在增強飛行員、管制員風險洞察能力，以及提升整體航空交通安全水平方面發揮著重要作用[2]。因此，深入研究ADS-B技術在提升民用航空交通安全水平方面有著重要意義。

針對ADS-B技術在航空監視中的廣泛應用[3]，本文設計并實現了一種基于ADS-B的數據采集處理系統，該系統的主要特點如下：

1)該系統通過采集并處理目標的4維位置信息(經度、緯度、高度和時間)，能夠形成清晰、直觀的二維背景地圖和探測目標的航跡以及交通態勢分布。

2)該系統通過對所采集的ADS-B數據進行冗余點檢測刪除、漏點檢測修正以及異常點識別剔除等數據優化處理，使得優化后的數據能夠更為直觀、準確地反映出探測目標的航行數據。

3)該系統能夠將探測目標數據進行存儲記錄，從而可以實時重放全部目標的航跡數據記錄，并以偽雷達畫面實時顯示在二維背景地圖中。

系統在設計時以獲得準確的飛行航跡為目標，以數據信息獲取和處理為核心，實現了對ADS-B信息數據的采集、優化和顯示功能，為飛機航行數據的分析和研究提供了可靠支撐。

1 總體設計

ADS-B數據的發送和接收處理過程如圖1所示，機載ADS-B發射機廣播信號，基于ADS-B的數據采集處理系統完成ADS-B數據信息的接收、處理和顯示。該系統主要分為三個模塊：

圖1 ADS-B數據的發送和接收處理過程

1) 數據采集模塊：由ADS-B接收子模塊和信息提取子模塊構成，以實現ADS-B數據信息的解析、有用信息的提取和存儲。

2) 數據處理模塊：對數據采集模塊傳過來的數據進行冗余點、漏點和異常點處理，并將處理后的數據存儲在數據庫中。

3) 數據顯示模塊：將從數據采集模塊獲得的原始數據信息和從數據處理模塊得到的處理后數據信息進行顯示，以便于飛行航跡和航班信息的直觀展示。

2 數據采集模塊

該模塊主要完成ADS-B信號的接收和ADS-B信號中有用數據信息的提取。其中信息提取的關鍵是對ADS-B數據幀結構有充分的理解，下面就對其進行介紹。

ADS-B數據幀由多個ADS-B數據塊組成，每個數據塊包含各個域值[4-5]，如圖2所示。由圖2可知，單條ADS-B報告共14字節，112Bit。一般來說該報告被分為5個大的數據塊。在數據采集模塊中，我們主要使用的是ADS-B幀的ICAO地址域和ME消息域數據信息。ICAO地址域是單條ADS-B報告的Bit9-Bit32，共24個比特位，對同一航空器而言ICAO地址域具有唯一性；ME消息域是單條ADS-B報告的Bit33-Bit88，共56個比特位，該域包含航空器的諸多元素項。

圖2 軟件設計方案

在接收到的ADS-B信號進入數據采集模塊后，該模塊就會從ICAO地址域和ME消息域中獲取飛機的ICAO域代碼、所處位置的經緯度、飛行高度等系統后續處理所需要的數據，隨后將上述信息傳入數據處理模塊并存入數據庫中。

3 數據處理模塊

在ADS-B數據信息傳輸過程中，由于傳輸損耗、地形阻擋和電磁干擾等因素的影響， ADS-B接收子模塊接收到的數據信息可能會存在很多錯誤，例如出現冗余點、漏點和異常點等。因此，為了正確顯示航班信息和飛行航跡，必須對接收到的ADS-B數據信息數據進行處理，來盡可能消除前述錯誤[6-7]。

3.1 數據信息冗余點、漏點和異常點處理

本系統對數據信息冗余點、漏點和異常點這三種典型的數據錯誤點都進行了處理，數據處理流程如圖3所示，并予以描述。

圖3 數據處理流程圖

1)數據輸入：將采集的ADS-B數據輸入到數據處理模塊。

2)冗余點處理：系統采集的ADS-B數據中可能會存在多個含有相同信息的數據點，即冗余點。這些點不能提供有用信息，反而會額外占用系統的存儲和計算資源。因此，在對數據信息進行處理時，首先要進行冗余點處理，即將經緯度信息相同的多余數據點刪除。

3)數據提?。罕闅v數據庫提取滿足要求的數據點。

4)漏點處理：主要是在遍歷數據庫時，通過插值法對缺失的數據進行插值處理。具體實現方法為：當存在兩個時間間隔大于一秒的數據點時，認定這兩個數據點之間存在漏點。根據兩點之間的時間間隔以及經緯度、飛行高度等數據的差值，計算出插值所需的增量信息，再進行插值處理。

5)濾波處理：主要是通過跟蹤濾波來計算數據點的預測值，用于后續異常點的處理，每一次數據點處理都要通過α-β濾波來計算預測值并且更新迭代系數。

6)異常點處理：主要是通過預測值與觀測值之間的差值來處理。兩者差值較大時，說明觀測值失真需要剔除；差值較小時，將兩個數據按照系數進行加權。

7)數據儲存：將處理完成的新數據信息存儲至數據庫中。

3.2 跟蹤濾波

為了盡可能得到準確的飛行航線，在對ADS-B數據進行處理時，該系統還需要進行航跡跟蹤計算，即通過當前接收的ADS-B數據來對下一時刻目標的位置進行預測，其主要步驟包括平滑計算和外推計算。平滑計算是對目標的當前坐標進行估計，以得到當前時刻坐標的平滑值；外推計算是對目標的外推坐標進行估計，以得到下一時刻坐標的預測值。需要說明的是，第3.1節異常點處理采用的是預測值。

在上述平滑計算和外推計算中，通常采用α-β濾波器或Kalman濾波器[8-9]。α-β濾波器是一種可用于狀態估計、數據平滑的濾波器；與Kalman濾波器相比，α-β濾波不依賴系統的具體模型，使用簡單，且能使系統始終保持對目標的連續跟蹤。因此，考慮到計算復雜度和跟蹤性能。

本文在進行航跡跟蹤計算時采用了α-β濾波器，其實現框圖如圖4所示。

圖4 α-β濾波器框圖

(1)

濾波器的初始條件為

(2)

由圖4和式(1)可知，α是預測值和觀測值差值的加權系數。當α=0時，平滑值等于預測值；當α=1時，平滑值等于觀測值；當0<α<1時，平滑值等于預測值和觀測值的加權結果。β對速度值的平滑作用類似。

4 數據顯示模塊

在該數據采集處理系統中，由于同一ADS-B信號攜帶的數據信息在數據庫中存在兩種不同形式，即原始ADS-B數據信息和經處理后的ADS-B數據信息。因此，本文在該系統的數據顯示模塊中，設計了實時數據和和數據分析兩種顯示模式。

4.1 實時數據顯示模式

實時數據顯示模式使用原始ADS-B數據，該數據是直接從ADS-B接收子模塊中采集得到的，不經過數據處理模塊而直接傳至數據顯示模塊。在該模式下，可以做到對飛機飛行航線和航班信息的實時顯示，但可能會存在冗余點、漏點和異常點的情形，導致最終形成的飛行航跡和航班信息部分丟失或者發生錯誤。

圖5和圖6分別為數據顯示模塊中飛行航線及航班信息的顯示界面。從圖5可以看出，數據采集處理系統共監測到5架民航飛機，按照民航飛機與數據采集點的遠近，其ICAO代碼分別為781A9B、780FOF、78095F、780713和780DAC，與每架飛行關聯的緯度、經度、高度、距離和接收時間信息在圖6中得到了展示。

圖5 飛行航線顯示界面

圖6 航班信息顯示界面

4.2 數據分析顯示模式

數據分析顯示模式使用經處理后的ADS-B數據信息，該數據經過數據處理模塊的處理后，再傳至數據顯示模塊。在該模式下，由于經處理后，原數據中的冗余點、漏點和異常點現象被清除，因此可以得到優化后的飛行航線和航班信息，從而對飛機航行數據進行更精確的分析。

5 系統運行及分析

本系統在實際的民航ADS-B環境下進行了多次測試。具體測試中，我們在東經108.832384°，北緯34.0224204°處1200m高的山上進行該系統的ADS-B數據接收測試，飛行數據測試結果如圖6所示。在圖7中，系統接收機與飛機間距離大于400km，得到了民航飛機的4維位置信息，并且數據間隔也基本在1s以內，實現了對飛機航行信息的采集處理。在多次實地測試中，我們主要考慮接收到的ADS-B信號的實時性和準確性指標，從得到的飛機航班信息的實時數據顯示結果和數據分析顯示結果可以看出，此系統在實時性和準確性方面都有著優異的性能。

圖7 1200m ADS-B接收數據

6 結束語

相對于傳統的數據采集處理系統，本文提出的基于ADS-B的數據采集處理系統從ADS-B的幀結構出發，通過對ADS-B信號進行數據采集、處理和顯示，不僅可以實時顯示飛機的飛行航線和航班信息，還可以通過對ADS-B數據進行處理得到完整的、準確的飛機航線和航班信息。這些數據信息不僅對民航中的飛行管制有所幫助，還對我國未來新航行系統的建設有著一定的參考價值。