利用ADS-B水平位置不確定度探究碰撞風險問題

摘要：討論了ADS-B技術中水平位置不確定度問題，并提出了解決方案。通過多傳感器融合技術和差分GPS技術等手段，可以提高ADS-B技術的精度和可靠性，從而降低水平位置不確定度，優化ADS-B設備的天線安裝及調整等也可以減少水平位置不確定度。研究成果可以有效提高ADS-B技術在航空交通領域的應用效果，為航空交通安全提供重要支持。未來的研究方向可以進一步探索更加高效和精確的ADS-B技術改進方法，并進一步完善其在航空交通領域的應用。

關鍵詞：ADS-B；航空交通；水平位置不確定度；碰撞風險

一、前言

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）技術是一種航空領域的無線通信技術，在基于無線通信技術的航空領域具有顯著優勢。ADS-B技術提供實時的飛行數據，包括飛行器的位置、速度和高度等信息，使得空中交通控制人員能夠更準確地監控和管理飛行器，提高飛行安全性。ADS-B技術的位置更新頻率高，能夠提供更精準的位置信息，有助于避免碰撞和提高空中交通的效率。ADS-B技術的地面站覆蓋范圍廣，能夠接收到廣播的飛行器信息，并傳輸給相關的空中交通控制人員，覆蓋更廣的區域，包括偏遠地區和海洋等傳統雷達難以覆蓋的區域。ADS-B技術是一種自主廣播技術，飛行器上的設備可以自主地將飛行數據廣播給其他飛行器和地面站，實現信息共享和協同，提高空中交通的安全性和效率。最后，ADS-B技術相對于傳統雷達技術具有更低的設備和維護成本，提高整個空中交通系統的效率和安全性，具有更好的成本效益。總之，ADS-B技術的實時性、精準性、覆蓋范圍廣、自主性和成本效益等優勢，為空中交通控制提供了更準確、高效和安全的手段。

（一）ADS-B技術的背景和意義

1.自從人類第一次成功飛行以來，航空交通管理一直是一個重要的問題。隨著航空交通的快速增長，如何確保航空交通的安全和效率成為一個日益緊迫的問題。為了解決這個問題，航空業引入了ADS-B技術，一種基于衛星導航的航空交通管理技術。

2.ADS-B技術是一種自主的、實時的、全球性的航空交通管理技術，可以通過航空器上安裝的發射器廣播其位置、速度和其他相關信息。這些信息可以被其他航空器和地面控制中心接收和處理，以提高航空交通的安全性和效率。相比于傳統的雷達技術，ADS-B技術具有更高的精度、更廣的覆蓋范圍和更低的成本。然而，ADS-B技術存在水平位置不確定度的問題。這是由于ADS-B信號的傳輸和接收存在一定的誤差，加上航空器本身的姿態和運動狀態的影響，導致航空器的位置信息存在一定的不確定度。這種不確定度可能會導致航空器之間的碰撞風險，從而危及航空交通的安全。因此，研究ADS-B水平位置不確定度對碰撞風險的影響具有重要意義。通過深入研究ADS-B技術中水平位置不確定度的影響因素，可以開發出更加精確的碰撞風險評估模型，為航空交通的安全管理提供重要的參考。

3.此外，通過改進ADS-B技術的算法和使用多傳感器融合技術等方法，可以降低ADS-B水平位置不確定度，從而提高航空交通的安全性和效率。總之，ADS-B技術作為一種先進的航空交通管理技術，為航空交通的安全和效率提供了重要的保障。然而，對于ADS-B技術中存在水平位置不確定度的問題，需要進行深入研究和改進，以提高其精度和可靠性。

（二）ADS-B技術中存在的水平位置不確定度問題

ADS-B技術的優點是在航跡長度和距離范圍內提供更準確的航空器位置，并提供更多的飛行信息，但實際應用中存在水平位置不確定度問題。水平位置不確定度是指ADS-B技術中航空器位置信息的精度和準確性存在一定的誤差。主要由于以下因素引起：

1.首先，ADS-B信號傳輸和接收存在一定的誤差，導致廣播出的位置信息存在一定的不確定度。例如，當ADS-B信號穿過障礙物，例如山、建筑物或其他飛行器時，信號質量可能受到不同程度的影響和干擾。此外，由于ADS-B信號的傳輸距離有限，因此在較遠距離處，ADS-B接收器可能無法捕獲足夠的信號強度，導致位置信息不準確。

2.航空器自身的運動狀態和姿態對ADS-B技術中水平位置不確定度也會有一定的影響。在一定程度上，空氣動力學、天氣條件以及其他外部因素的影響都可能導致水平位置不確定度的增加。除了以上兩個方面因素，ADS-B技術中水平位置不確定度還受到地面基礎設施的影響。

3.當ADS-B接收器連接到非完全欽定源時，可能會出現位置不確定度增加的問題。總之，ADS-B技術中水平位置不確定度的問題影響著航空交通管理的準確性和安全性。為了降低這種不確定度，需要進一步完善ADS-B技術，并研究更加精確的位置校準和誤差校正算法。

（三）研究ADS-B水平位置不確定度對碰撞風險的重要性

ADS-B技術是應用廣泛的一種航空交通管理技術，為飛行員、空管員、航空公司和航空機構提供了更加精準和實時的飛行信息，以提高航空交通的安全性和效率。然而，ADS-B技術中存在水平位置不確定度的問題，這可能會對航空交通的安全性造成一定的影響。

根據數據分析，ADS-B技術中水平位置不確定度是導致航空器碰撞風險增加的重要因素之一。在控制飛行安全方面，準確測量飛機的位置和速度是至關重要的。在現代航空業中，使用現代化的飛行系統，如ADS-B技術可以精細測量航空器的狀態和位置。因此，ADS-B技術中水平位置不確定度對于航空交通管理人員、飛行員和ATC（航空交通管制員）而言是一個非常重要的問題。對ADS-B技術中水平位置不確定度進行深入研究，以了解其對碰撞風險的影響具有重要的意義。

研究ADS-B水平位置不確定度對碰撞風險的影響，可以為制定碰撞風險評估模型提供基礎數據。此外，進一步了解ADS-B水平位置不確定度產生的原因，可以幫助開發新的技術和算法，以降低不確定度，提高精度和準確性。這將對整個航空業產生重要的影響，可以提高航空交通的安全性和效率，為飛行員和交通管制員提供更好的工具和信息。總之，研究ADS-B技術中水平位置不確定度對碰撞風險具有重要的意義。研究可以提供理論依據并為開發新的技術和算法提供基礎數據，進一步提高ADS-B技術的精度和準確性，保障航空交通的安全和效率。

二、ADS-B技術研究現狀

（一）ADS-B技術的發展歷程

20世紀80年代末期，ADS-B的原型開始研發。隨著GPS技術的迅速發展，在20世紀90年代中期，有了實用的GPS接收器，ADS-B技術開始逐漸成熟。21世紀初，歐洲各國和其他地區紛紛開始使用ADS-B技術進行監視和管理空中交通。2008年，美國FAA開始在全國范圍內推廣ADS-B技術，并計劃于2020年前完成全面部署。2010年，國際民用航空組織（ICAO）發布了ADS-B技術規范，明確了ADS-B技術在未來航空領域的發展方向。隨著技術不斷進步，ADS-B技術逐漸成為世界主流的環境信息交流方式，它改變了空中交通控制和飛行管理的方式。現在，ADS-B技術已經成為航空交通控制的主要手段之一，可以實現無縫的、全球性的空中交通管理服務，提高安全性和運行效率。

（二）ADS-B技術中水平位置不確定度的研究現狀

ADS-B技術中的水平位置不確定度是一個普遍存在的問題，它對于飛機的空中遇險監測以及交通管理帶來了一定影響。目前，ADS-B技術中水平位置不確定度的研究主要集中在以下幾個方面：

首先，研究ADS-B技術中不確定度來源。ADS-B技術中的不確定度主要來源于系統精度限制、GPS信號傳播誤差、天氣影響、設備故障、噪聲和干擾等多種因素。因此，對不同因素在ADS-B技術中不確定度的貢獻進行分析和評估，可以幫助我們更有效地降低不確定度。

其次，研究ADS-B技術中不確定度的空間分布特征。不同地區的天氣和設備狀況可能會影響ADS-B技術中不確定度的空間分布。因此，對ADS-B技術中不確定度在不同地區的分布特征進行分析，有助于我們實施更有效的交通監測和管理。

再次，研究ADS-B技術中不確定度的影響及其應對策略。不確定度可能會對飛行器的空中遇險監測和交通管理產生影響。因此，對ADS-B技術中不確定度對交通管理和安全性的影響進行分析和評估，有助于我們制定相關的安全策略減少意外事故的發生。

最后，提高ADS-B技術的位置精確度和準確性。目前已有研究提出了一些提高ADS-B技術位置精確度和準確性的方法，比如引入多點定位技術、優化信號處理方法、降低多徑效應等。總之，對ADS-B技術中水平位置不確定度的研究，可幫助理解ADS-B技術中不確定度產生的原因、不確定度的分布特征、不確定度對交通管理和安全性的影響，并提出一些方法來降低不確定度，提高ADS-B技術的精度和準確性。

（三）碰撞風險評估方法的研究現狀

碰撞風險評估是對航空器飛行過程中可能發生碰撞的概率進行定量分析和評估的過程。隨著航空業的不斷發展，對于航空器碰撞風險的評估變得越來越重要，在此領域的研究也不斷增加。目前，碰撞風險評估方法的研究現狀主要表現在以下幾個方面：一是基于統計學方法的碰撞風險評估。該方法通常使用收集的航空事故和事件數據，應用統計學方法來分析和評估碰撞事件的概率。該方法可以為航空業提供寶貴的歷史數據和經驗教訓，以幫助制定更加科學和有效的操作規范和安全措施。二是基于數學模型的碰撞風險評估。該方法主要利用計算機仿真技術以及基于數學模型的方法來模擬飛行過程中的碰撞風險，并通過改變模型參數探究可能的碰撞風險影響因素。該方法應用廣泛，可以通過模擬不同的碰撞場景，提供全面和精確的碰撞風險評估結果。這使得飛行員和其他相關方面能夠采取措施來減少碰撞事件的可能性。三是基于人工智能模型的碰撞風險評估。近年來，隨著人工智能技術的快速發展，基于機器學習和深度學習的碰撞風險評估方法成為研究熱點。該方法通過人工智能模型處理大規模復雜的數據，可以更好地預測飛機可能遭遇的碰撞情形，進而改進碰撞風險的評估準確度和時間效率。

以上方法各有優、缺點，需根據實際情況選擇合適的方法。隨著科技的發展和應用場景的變化，碰撞風險評估方法在未來還有很大的空間和發展潛力。

三、碰撞風險評估模型

（一）ADS-B水平位置不確定度的影響因素分析

ADS-B水平位置不確定度的主要影響因素有：一是接收器的靈敏度和覆蓋范圍。ADS-B接收器靈敏度不足或覆蓋范圍過窄會導致信號丟失或接收不到信號，從而影響定位精度和準確性。二是信號反射和多徑效應。信號反射和多徑效應將導致ADS-B發射機的信號到達接收器的路徑不確定，從而導致位置不確定度的增加。三是衛星幾何位置和天線方向。衛星幾何位置和天線方向也會影響ADS-B的接收信號質量，位置不確定度隨之增加。四是電磁干擾和氣象條件。ADS-B的信號容易受到電磁干擾和氣象條件的影響，導致位置不確定度變大。以上因素在ADS-B技術的應用中會互相影響，導致ADS-B技術產生位置不確定度。因此，在應用ADS-B技術的過程中，需要根據以上因素進行嚴密地監控和評估，采取相應的技術和管理措施以降低位置不確定度，保障航空交通的安全。

（二）基于ADS-B水平位置不確定度的碰撞風險評估模型

由于ADS-B技術的水平位置不確定度，可能導致諸如航空器碰撞事件等安全問題。因此，基于ADS-B水平位置不確定度的碰撞風險評估模型可以幫助飛行員和相關人員更好地理解碰撞風險和采取相關措施來避免碰撞風險。當水平位置不確定性較高時，與其他航空器的最小距離也會發生相應的變化。在確定水平位置不確定度后，可以使用高級電腦模擬技術對可能的碰撞場景進行仿真模擬，模擬之后就可以評估可能的風險并采取適當的措施來緩解這些風險。此外，該模型還可以用于評估不同的碰撞事件場景。這些場景可以包括飛機間的航跡相交或同方向飛行，另外還應該考慮航空器的速度等因素。根據模型的分析，可以制定相應的策略來減少ADS-B技術的水平位置不確定度，例如按照特定的飛行方向、選擇特定的硬件和軟件、調整天線的角度、優化衛星和地面基礎設施的位置等。基于ADS-B水平位置不確定度的碰撞風險評估模型具有明顯的優勢，對提高航空交通的安全性和效率有著重要的意義。盡管此模型的建設涉及多個方面，但整合ADS-B技術的水平位置不確定度分析和高級電腦模擬技術，有望提供一個更科學和詳細的方法來評估和管理碰撞風險。

四、減少ADS-B水平位置不確定度的方法

（一）多傳感器融合技術

使用多傳感器融合技術是一種減少ADS-B水平位置不確定度的方法。通過融合ADS-B、雷達、GPS和地面監視等傳感器的數據，可以提高飛機位置的確定性和準確度。這樣，就可以更準確地檢測到其他飛機的位置和避免碰撞，從而提高航空交通的安全性。另一種方法是使用多個接收器以降低ADS-B技術中的不確定度。基于多接收器的實時動態校準方法可以有效減少ADS-B技術的水平位置不確定度。與單個接收器相比，使用多個接收器可以提高精度、提高位置的確定性，以及減少統計噪聲并過濾異常數據。通過安裝多個天線，可以幫助提高位置識別精度，協同工作的天線可以使其組合輸出的ADS-B跟蹤坐標準確性得到提高。綜上，減少ADS-B水平位置不確定度的方法包括使用多傳感器融合技術、使用多個接收器、優化ADS-B設備的天線安裝及調整等。這些方法可以有效減少或消除ADS-B技術的水平位置不確定度，從而提高航空交通的安全性。

（二）改進ADS-B技術算法

ADS-B技術仍然存在一定的水平位置不確定度問題。為了解決這個問題，改進ADS-B技術算法是一種非常重要且有效的方法。改進ADS-B技術算法可以從多方面進行。首先，在數據處理方面，可以采用多傳感器融合的技術來提高ADS-B技術并降低水平位置的不確定性。例如，與GPS、雷達和慣性傳感器等其他技術相結合，可以顯著提高ADS-B技術的準確性和可靠性。這種方法利用多個傳感器的數據一起推定飛機的位置，從而消除單一傳感器數據不可靠或缺失的情況，并給出更加準確的位置估計。其次，在信號傳輸方面，可以提高ADS-B技術的可靠性。例如，改變ADS-B信號傳輸機制并使用差分GPS技術來計算飛機和地面站的距離差異，可以顯著降低電磁干擾和誤差率，提高ADS-B技術的精度。另外，通過加大ADS-B技術的應用范圍和計算能力，也可以提高其水平位置測量準確度。采用跟蹤跡線、軌跡散布和多信噪比等算法來整合ADS-B信息，以及使用電子地圖技術、雷達監控系統和自適應濾波等技術，都可提高ADS-B技術的水平位置測量準確度。總之，改進ADS-B技術算法是解決ADS-B水平位置不確定度問題的有效方法，具有廣泛的應用價值。

五、結語

隨著航空交通發展，ADS-B技術在該領域中的應用越來越廣泛。然而，ADS-B技術仍然存在著水平位置不確定度的問題，這限制了其在提高航空交通安全能力方面的應用。本文在研究ADS-B技術中水平位置不確定度問題的基礎上，從多個方面提出了解決該問題的方法。首先，通過使用多傳感器融合技術，可提高ADS-B技術的精度和可靠性；其次，改變ADS-B信號傳輸機制并使用差分GPS技術，也可顯著降低電磁干擾和誤差率，提高ADS-B技術的精度，還可優化ADS-B設備的天線安裝及調整等來減少水平位置不確定度。綜上，可以顯著減少或消除ADS-B技術中的水平位置不確定度問題，從而提高航空交通的安全性能。未來可以進一步探索更加高效和精確的ADS-B技術改進方法，并進一步完善其在航空交通領域的應用。本文對ADS-B技術水平位置不確定度問題進行了研究，并提出了解決方案。這些方法可以有效提高ADS-B技術的精度和可靠性，并對航空交通安全性能做出重要貢獻。

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作者單位：中國民用航空西北地區空中交通管理局寧夏分局

■ 責任編輯：周航