天津滨海国际机场ADS-B系统监视性能评估

刘海涛，吴 松，金 鑫，李冬霞

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

广播式自动相关监视（ADS-B）[1]是一种基于全球导航卫星系统和航空数据链的航空器监视技术。与传统雷达监视技术相比，ADS-B具有监视信息更实时、数据精度高、建设成本低、维护方便等优势，因此ADS-B被国际民航组织确定为民航系统的主要监视技术手段[2]。目前，ADS-B系统主要应用于航路监视、终端区监视、机场场面监视及无雷达覆盖区域的空中监视[3]。然而，在实际应用中ADS-B系统存在以下两方面的问题：①飞机报告的位置数据来源于全球卫星导航系统，存在多种因素可导致飞机获取的位置信息具有偏差[4]；②ADS-B系统存在严重的共信道干扰，因此造成ADS-B信号的丢失。以上两方面的因素将最终导致ADS-B系统监视性能的下降，因此针对ADS-B系统监视性能开展性能评估的研究具有重要的意义。

为了验证ADS-B系统是否能满足中国西部地区对监视的性能需求，文献[5]利用雷达数据与ADS-B数据对比，对ADS-B位置数据精度和完好率等参数进行了分析，研究表明，ADS-B性能优于雷达系统。为了评估ADS-B系统是否满足监视精度及可用性的需求，文献[6]利用ADS-B数据与GPS数据作对比，统计了ADS-B水平位置精度和更新速率等参数，统计结果表明，66.7%的飞机位置错误在150 m以下，且大多数飞机的位置更新速率不一致。为了验证ADS-B系统的监视数据可用性和可靠性，文献[4]利用大量ADS-B数据对消息平均丢失率进行了统计，并分析了影响ADS-B系统性能的因素，研究表明，消息丢失和飞机与接收机的距离、数据冲突有关。为了验证ADS-B系统的数据质量，文献[7]利用ADS-B数据统计了数据完好率、漏点率和跳点率等参数，研究表明，数据完好率在87%以上，且在跑道上滑行的飞机的漏点率比其他状态高。在ADS-B性能评估过程中，文献[4]通过网络将来自不同接收机的ADS-B数据进行汇总与融合，存在网络拥塞和连接不稳定问题，容易造成消息接收时延和数据丢失。文献[7]使用的数据格式为CAT021，DF-17格式转CAT021格式需要额外的时延，且判定漏点的门限值稍大，降低了漏点率统计精度。

针对ADS-B系统是否满足飞机实时监视的性能需求问题，构建了ADS-B数据接收及处理实验系统，开发了性能评估软件，采集天津滨海国际机场ADS-B实验数据，统计得到了ADS-B系统位置消息的平均更新周期、漏点率、跳点率和完好率等参数。统计结果表明，ADS-B消息平均更新周期和漏点率与飞机飞行状态及飞机离接收机距离有关，且跳点率低、位置数据完好率达到98.8%以上。与其它相关工作相比，本研究主要贡献如下：利用DF-17原始数据统计分析得到飞机位置消息平均更新周期及漏点率、飞机航迹的跳点率和ADS-B系统的完好率等技术参数，并通过数据分析获得ADS-B系统监视技术参数的变化规律。研究结果对中国ADS-B系统的建设具有一定的参考意义。

1 ADS-B系统性能参数

图1给出了ADS-B地面站收到某飞机的ADS-B消息类型及消息接收时刻示意图。

图1 某架飞机ADS-B消息类型及接收时刻示意图Fig.1 ADS-B message type and reception time of one aircraft

图1中：MAirPos为飞机空中位置消息；MVel为空中速度消息；MID为航班识别消息；MTarSta为目标状态与状况消息；MOprSta为飞机运行状况消息；MESSta为扩展振荡飞机状况消息为地面站收到第i个空中位置消息的时刻为收到第j个空中速度消息的时刻。

1.1 空中位置消息平均更新周期

根据图1给出的飞机ADS-B消息类型及接收时刻，可定义该架飞机第i个空中位置消息与第i-1个空中位置消息的接收时刻的差值为第i个空中位置消息的瞬时更新周期

其中：N为观测时间内地面站接收到该飞机空中位置消息数目。由于信号传输中存在多径传播、信号衰落和ADS-B消息冲突等多方面的因素，导致式（1）计算得到的空中位置消息瞬时更新周期为一个随机变量，为精确地衡量空中位置消息的更新周期，引入空中位置消息的平均更新周期

式（2）给出的空中位置消息平均更新周期描述了在观测时间内，地面站接收到某架飞机空中位置消息的平均时间间隔。

1.2 空中位置消息的漏点率

在规定时间间隔内，如果ADS-B地面站没有收到某飞机发送的空中位置消息，则该事件称为空中位置消息漏点。导致空中位置消息漏点的因素有两方面：①飞机与地面站距离过远，导致接收信号强度低于接收机解调门限，使得接收机无法解调ADS-B消息；②ADS-B系统存在的共信道干扰导致信号冲突，或多径干扰导致接收机无法正确解调消息。根据图1给出的飞机ADS-B消息类型及接收时刻，将第i-1个与第i个空中位置消息之间丢失的空中位置消息数记为的计算公式为

其中为第i个空中位置消息的瞬时更新周期；Tstd为位置消息的更新周期，参考RTCA标准[1]，Tstd参数取值为600 ms。以式（3）给出空中位置消息漏点数为基础，可进一步得到空中位置消息漏点率的计算公式为

其中其代表在观测时间内飞机的总漏点数；N为观测时间内接收到飞机的空中位置消息数。

1.3 空中位置消息的跳点率

如果空中位置消息所提供的飞机位置偏离飞机真实航迹，且偏差值超过规定阈值（通常设置为1000 ft[8]（1 ft=0.304 8 m）），则该空中位置消息称为跳点。产生跳点的因素主要有两方面：①在高A/C应答机异步干扰（FRUIT）交叠的情况下，信号在接收端容易产生误码[9]；②由于ADS-B消息中飞机位置信息来源于机载导航设备，而机载导航设备通过卫星导航系统获取飞机位置信息，因此卫星导航系统、机载定位接收设备及定位信号的传播环境均可导致飞机获得的位置信息存在误差。这两个因素最终导致ADS-B接收机获取的飞机位置信息偏离其真实位置。为统计飞机位置消息偏离真实位置的概率，可定义在观测时间内，飞机的跳点数占空中位置消息总数的比例，称为空中位置消息的跳点率，其计算公式为

其中为观测时间内飞机空中位置消息的跳点次数，当第i个空中位置消息为跳点时，参量取值为1，否则取值为0。

在对ADS-B实际数据处理时，空中位置消息的跳点率统计方法如下：①提取观测时间内某飞机的所有空中位置消息，并获得该飞机的报告航迹；②利用卡尔曼滤波算法对飞机报告航迹进行滤波处理，得到飞机的参考航迹；③分别计算飞机报告航迹与飞机参考航迹对应点的距离偏差，如果距离偏差值超过规定的阈值，则判定相应的空中位置消息为跳点，将观测时间内所有跳点进行累加可得到跳点总数；④利用式（5）可计算得到该飞机的跳点率。

1.4 ADS-B地面站的完好率

为了表明飞机发送的ADS-B消息所提供位置信息是否满足地面空中交通管制的完好性需求，飞机发送的某些ADS-B消息中包含有导航完好性类别（NIC，navigation integrity category）字段，该字段指明了飞机报告位置信息的完好性是否在可接受的范围内。按照国际民航组织的相关规定[10]：只有当飞机发送的ADS-B消息的NIC字段取值超过6时，该飞机提供的位置数据才可用于空中交通管制。为了定量描述地面站覆盖区域内，所有飞机提供位置信息的完好性，定义ADS-B地面站的完好率为

其中：n为观测时间内ADS-B地面站覆盖区域内飞机的总数为接收的第k个飞机空中位置消息中NIC字段取值超过6的消息总数；Nk为收到的第k个飞机空中位置消息的总数为ADS-B地面站覆盖区域内收到所有飞机发送的空中位置消息中NIC字段取值超过6的消息总数为地面站覆盖区域内收到所有飞机发送的空中位置消息的总数。

2 实验系统的结果

2.1 实验系统

图2给出了ADS-B实验系统，该系统由ADS-B接收机及ADS-B性能评估系统组成。

图2 ADS-B实验系统Fig.2 ADS-B experimental system

图2中ADS-B接收机位于天津市中国民航大学南院海航科技大厦（东经 117.361 2°，北纬 39.107 8°），ADS-B接收机采用Kinetic公司SBS-3接收机，接收天线为全向天线。在实验系统中，SBS-3接收机输出的DF-17报文通过以太网络传输给ADS-B性能评估系统，ADS-B性能评估系统包含数据解析与存储、性能分析、数据显示三大模块，可对DF-17格式数据进行解析并存储至后台数据库，然后利用解析数据进行统计分析，输出消息平均更新周期、跳点率、漏点率和完好率等ADS-B系统的性能参数。

2.2 空中位置消息平均更新周期

采集2017年3月20日—4月20日时段内天津机场周边飞机的ADS-B报文数据，分析不同飞行状态下，按飞机离地面站距离统计空中位置消息更新周期与漏点率的趋势。表1给出了体现参数整体趋势的代表性数据。

下面分别从两个不同角度考察飞机位置更新周期的变化规律：

1）飞机状态对消息更新周期的影响

对于进场航班（AMU238与GCR7822），飞机与地面站距离为0～50km时，位置消息的更新周期为1114 ms和 1 300 ms；对于离场航班（CSC8567 与CSN6569），位置消息的更新周期为1 050 ms和999 ms；巡航状态航班（CCA1519）的更新周期为738 ms。从以上数据分析可得如下结论：在0～50 km范围内，离场与进场飞机的位置更新周期基本相同，而巡航状态飞机位置消息更新周期低于离场与进场飞机，通过大量数据统计，结果具有相同趋势。原因分析如下：处于巡航状态飞机的飞行高度较高，飞机与地面站通信链路质量较好，消息正确接收的概率较高，最终导致位置消息更新周期较低；而处于离场与进场状态飞机的飞行高度较低，飞机与地面站通信信道存在多径干扰，导致地面站接收机正确接收概率降低，最终导致位置消息更新周期增加。

表1 不同情况下飞机空中位置消息参数统计Tab.1 Parameter statistics of airborne position messages under different circumstances

2）飞机与地面站距离对位置消息更新周期的影响

对于巡航状态的飞机（CCA1519与CSC8517），当飞机与地面站距离为0～50 km时，位置消息的更新周期为738 ms和840 ms；当飞机与地面站距离增加至50～100 km时，位置消息的更新周期为871 ms和888 ms；当距离进一步加至100 km以上时，CCA1519位置消息的更新周期为1 163 ms，CSC8517没有数据。根据以上分析可得如下结论：对于巡航状态的飞机，随着飞机与地面站距离的增加，位置消息的更新周期增加。原因分析如下：处于巡航状态的飞机，飞行高度基本不变，随着飞机与地面站距离的增加，地面站接收到飞机信号的强度呈现降低，地面站接收机接收信号的信噪比呈现下降，导致接收机成功接收消息的概率降低，最终导致消息更新周期增加。

2.3 空中位置消息漏点率

下面从飞机与地面站的距离及飞机数目对漏点率影响两个角度，研究漏点率的变化规律。

1）飞机与地面站距离对漏点率的影响

对于巡航状态飞机（CCA1519），当飞机与地面站距离为0～50 km时，其位置消息漏点率为0.14；当飞机与地面站距离增加至50～100 km时，其漏点率为0.24；当距离进一步加至100 km以上时，其漏点率为0.39。以上数据分析表明：当飞机与地面站的距离越远，飞机的位置消息漏点率越大，研究结论与文献[3]的结论相一致。造成以上现象的原因如下：当飞机与地面站的距离越远，地面站接收到飞机信号的强度降低，导致信号被衰弱和消息丢失的概率增加，最终导致空中位置消息的漏点率增加。

2）空域中飞机数目对漏点率的影响

表2给出了2017年4月2日不同时段，接收机接收范围内的飞机数目与空中位置消息漏点率的关系。在凌晨03∶00～04∶00 和 04∶00～05∶00 时，实际共接收的飞机数分别为29架和21架，对应时段内飞机的平均漏点率为0.24 和 0.23；在上午 10∶00～11∶00 和 11∶00～12∶00时，实际共接收的飞机数为141架和137架，对应时段内飞机的平均漏点率为0.33和0.29。两组数据对比表明：飞机数目较少时段的飞机平均漏点率比较多时段的漏点率低；且不管空域中飞机多少，总存在漏点率。原因如下：当空中飞机数目越多，广播的消息数目也越多，使得同时段接收机接收的ADS-B消息越多，从而导致消息冲突及丢失，使得漏点率增高。

表2 飞机数目与位置消息平均漏点率Tab.2 Aircraft number and average loss rate of aircraft position

2.4 跳点率

根据1.3节中对跳点率的统计方法，对2017年3月28日—4月3日的航班跳点率进行统计，部分统计结果如表3所示。

表3 若干航班跳点率统计Tab.3 Loss rate statistics of flights

从表3中可以看出，除了CES744航班的跳点率为0.005 7外，其余存在跳点的航班跳点率近似在0.002 0左右。

2.5 完好率

选取2017年4月1日11∶00～13∶00间接收的空中位置消息数据，通过统计NIC值进行位置完好性分析，其结果如图3所示。

图3 NIC取值分布图Fig.3 NIC value distribution

图3给出了共131 302条ADS-B空中位置消息的NIC取值分布柱状图，其中，横坐标代表NIC取值，纵坐标代表该NIC值的数量。根据图3数据与式（6）可计算得到，该时段内的ADS-B地面站的完好率为98.8%。

3 结语

为评估ADS-B系统在实际应用中的监视性能，构建了ADS-B实验系统，采集了天津机场实验数据，统计得到了ADS-B消息的平均更新周期、漏点率、跳点率和完好率等性能参数。研究结果表明：①巡航状态飞机的位置更新周期和漏点率比进场与离场状态飞机的低；②飞机与地面接收机距离越远，消息平均更新周期越大，相应的漏点率越高；③空中飞机数量越多，位置消息的漏点率越高；④部分飞机航迹存在跳点现象，跳点率在10－3上下；⑤ADS-B系统的位置数据完好率达到98.8%以上。

参考文献：

[1]RTCADO-260B,MinimumOperationalPerformance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B)and Traffic Information Services-Broadcast(TIS-B)[S].2009.

[2]JPDO.Concept of Operations for the Next Generation Air Transportation System(Version 2.0)[EB/OL].(2007-06-13)[2017-08-01].http：//www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA496134&Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf.

[3]中国民用航空ADS-B实施规划[G].中国民用航空局,2012.

[4]MATTHIAS S,STROHMEIER M,LENDERS V,et al.Bringing up OpenSky：A Large-scaleADS-B Sensor Network for Research[C]//Proceedings of the 13th International Smposium on Information Processing in Sensor Networks,IEEE,2014：83-94.

[5]ZHANG JUN,LIU WEI,ZHU YANBO.Study of ADS-B data evaluation[J].Chinese Journal of Aeronautics,2011,24(4)：461-466.

[6]BUSYAIRAH S A,WOLFGANG S.Framework for ADS-B performance assessment：The London TMA case study[J].Journal of the Institute of Navigation,2014,61(1)：39-52.

[7]王子龙.ADS-B监视数据质量分析[D].广汉：中国民用航空飞行学院,2013.

[8]LI XIN,ZHANG JUN,ZHU YANBO,et al.Surveillance Accuracy Analysis of ADS-B Supporting the Separating Service in Western China[C]//Integrated Communications,Navigation and Surveillance Conference,2009：1-6.

[9]胡铁乔,刘丹阳,李阳波.基于FPGA的改进ADS-B纠错算法的设计与实现[J].中国民航大学学报,2017,35(5)：6-11.

[10]AC-93-TM-2011-01,广播式自动相关监视(ADS-B)管制运行规程[S].