空管自动化系统中机场区域航迹异常融合的分析和处理改进

王小为 阮敏

摘要：监视数据处理是空管自动化系统的一项核心功能。在机场低空区域，由于覆盖等问题，其监视数据处理更为复杂。本文通过分析一次成都英德拉自动化系统对两架同时起飞的相似航班的错误相关，深入研究了自动化系统的监视数据处理和相关处理的机制，从而找出了故障原因，提出了优化自动化系统在机场区域监视数据处理的方法，减少了管制运行风险。

关键词：空管自动化系统；机场区域；监视数据处理

引言

监视数据处理是空管自动化系统中的核心功能，是解决管制员“看得见”的主要手段。传统雷达和ADS-B对机场区域覆盖较差，加大了自动化系统对于该区域航班航迹处理和相关处理的难度。

2017年9月，成都英德拉空管自动化系统发生一起相似航班错误相关的故障。两架飞机几乎同时起飞，02L起飞UEA2735飞机航迹错挂02R起飞的UEA2235计划，两飞机所开应答机均与飞行计划应答机一致。若不是管制员责任心强，提前预判、准备充分，两机很有可能执行错误的离场程序，导致小于间隔事件发生甚至交叉相撞。

为分析故障原因，本文研究了自动化系统的监视数据处理机制和相关机制，结合该时间段内系统接收的监视数据，分析了故障发生时系统对两个航班航迹处理的全过程，最终定位了故障原因。为避免类似故障的出现，提出了优化自动化系统在机场区域监视数据处理的方法，减少了管制运行风险。

1 背景情况及故障现象

成都主用空管自动化系统为英德拉空管自动化系统，双流国际机场目标主要由牧马山一二次合装泰雷兹雷达CTUTHA、本场二次雷神雷达CTURAY和ADS-B信号覆盖。

成都双流国际机场目前有两条跑道，事件发生时，运行情况为向北双起运行，即同时使用02L和02R跑道进行起飞。两架相似航班UEA2735和UEA2235几乎同时起飞，自动化系统错将 UEA2735飞机航迹挂上了02R起飞的UEA2235计划。同时，自动化系统将02R起飞航班的二次代码错误的显示为A1502，给了管制员造成了很大误导。异常情况如图1：

图1 自动化系统异常相关

为了将故障原因分析清楚，笔者首先深入研究了英德拉自动化系统监视数据处理和相关处理的机制。

2 监视数据处理及相关处理机制

英德拉自动化系统中，监视数据处理服务器SDP主要完成单路监视数据处理和多监视数据处理，最终形成系统航迹。安全网及告警服务器SNET主要完成系统航迹与飞行计划的相关。

2.1 单路监视数据处理

单路监视数据处理主要进行各单路监视信号中的点迹信息处理，并利用点迹信息创建单路航迹。系统为点迹创建新的单路航迹的条件是：

1）其C模式高度高于系统设定门限

2）其速度处于系统设定范围内

3）其点迹连续出现在三个雷达扫描周期

2.2 多监视数据处理

多监视数据处理主要进行单路航迹与系统航迹的融合处理，对于不能与系统航迹融合的单路航迹，系统将会为其创建新的系统航迹[1]。

融合处理由三个部分组成：

1）二次代碼/呼号检查：单路航迹必须具有与系统航迹一致的二次代码或呼号。二次代码/呼号检查的前提条件为：

a）单路航迹必须具有二次代码或呼号

b）系统航迹必须具有二次代码或呼号或两者兼备。

2）高度信息检查：单路航迹的高度与系统航迹的高度差异必须在一定范围内。高度检查的前提条件为单路航迹和系统航迹均具有有效的高度信息。

3）位置信息检查：单路航迹与系统航迹的距离必须处于系统门限内。

英德拉自动化系统中的位置信息检查，对于不同的监视信号源设置了不同的参数。其中，雷达航迹与ADS-B航迹间融合的距离门限为3海里，即5.556公里。

2.3 相关处理

在满足其他相关条件的情况下，英德拉系统可通过呼号信息及二次代码进行系统航迹和飞行计划相关，呼号信息的优先级高于二次代码信息[2]。

3 故障分析

3.1 监视数据情况

通过分析自动化系统收到的雷达原始数据发现：最初多个雷达扫描周期内，CTUTHA和CTURAY雷达扫描到的两架航班的情况并不稳定，具体情况如下表：

两部雷达均为传统雷达。雷达数据中，含有二次代码信息，无呼号信息。

而英德拉自动化系统收到ADS-B数据中，含有呼号信息，无二次代码信息。故障发生阶段，ADS-B信号数据较多，此处不再详细一一列举，只将结论陈诉：

通过将雷达数据与ADS-B数据进行对比，笔者发现，对于02L航班UEA2735，持续稳定的ADS-B信号先于持续稳定的雷达信号出现；而对于02R航班UEA2235，持续稳定的雷达信号先于ADS-B信号出现。

接下来，根据自动化系统工作机制，笔者分别单独分析了系统中02L与02R航迹的出现及相关过程，试图找出系统发生异常的原因。

3.2 02L跑道航迹

（1）UTC23：42：40 系统持续收到UEA2735的ADS-B数据报，创建了单路ADS-B信号。由于该单路航迹无法与任何已经存在的系统航迹相融合，系统为其创建02L系统航迹。02L系统航迹具有呼号信息EU2735，但无二次代码信息，此时情况如图2（a）所示。英德拉系统具备通过呼号进行相关处理的能力，但要求航迹呼号必须与飞行计划呼号完全一致，由于该航班使用的二字码EU2735，而系统中其飞行计划呼号为三字码UEA2735，因此系统无法进行航迹与飞行计划的相关。

（2）UTC23：42：49 系统连续三个周期收到CTURAY雷达送出二次代码为A1521的点迹，为其创建了A1521单路航迹。根据三个融合条件：

a）A1521单路航迹无呼号信息，02L系统航迹无二次代码信息，系统不需对其进行二次代码/呼号检查。

b）A1521单路航迹与02L系统航迹高度接近，满足高度检查条件。

c）A1521单路航迹与02L系统航迹距离仅为5.1公里，小于系统中雷达航迹与ADS-B航迹的门限5.556公里，满足位置检查条件。

因此，系统将A1521单路航迹与02L系统航迹进行了融合。02L系统航迹获得二次代码A1521。如图2（b）所示。其后，类似地，CTUTHA雷达的A1521单路航迹也与02L系统航迹融合。

（3）飞行计划UEA2235的二次代码为A1521，系统通过二次代码信息，错误地将02L系统航迹与飞行计划UEA2235进行相关。出现了如图1中所示的情况。

3.3 02R跑道航迹

（4）UTC23：43：09系统持续收到UEA2235的ADS-B数据报，创建了单路ADS-B信号。由于呼号不一致，该单路航迹无法与02L系统航迹相融合，系统为其创建了新的02R系统航迹。02R系统航迹具有呼号信息EU2235，但无二次代码信息。此时情况如图3（a）所示。

2）UTC23：43：17 系统连续三个周期收到CTUTHA雷达送出二次代码为A1502的点迹，为其创建了A1502单路航迹，根据三个融合条件：

a）A1502单路航迹无呼号信息，02R系统航迹无二次代码信息，系统不需对其进行二次代码/呼号检查。

b）A1502单路航迹与02R系统航迹高度接近，满足高度检查条件。

c）A1502单路航迹与02R系统航迹距离仅为4.7公里，小于系统中雷达航迹与ADS-B航迹的门限5.556公里，满足位置检查条件。

因此，系统将A1502单路航迹与02R系统航迹进行了融合。02R系统航迹获得二次代码A1502。如图3（b）所示。其后，类似地，CTURAY雷达的A1502单路航迹也与02R系统航迹融合。

3）系统未继续收到02R系统航迹的ADS-B数据报，02R系统航迹失去呼号信息，系统航迹显示二次代码信息A1502，出现了如图1中所示的错误情况。

4 故障思考

通过对故障过程的详细分析发现：本次故障主要是自动化系统的监视数据处理异常引起，与航班号相似并无直接关联。但由于故障发生在相似航班上，加大了对管制工作的影响。由于ADS-B信号和雷达信号发现目标的先后顺序的不同，系统混淆了两个航班的ADS-B信号和雷达信号，进行了错误的融合处理，在错误融合的情况上，系统又进行了错误的相关，导致了故障。

故障过程中，自动化系统基本按照了其工作机制进行监视数据处理，但仍然出现了异常，虽然出现异常与机场区域监视信号覆盖情况有关联，但也说明目前自动化系统的监视数据处理机制存在缺陷。笔者根据其缺陷，提出了自动化系统机场区域监视数据处理的两种改进方案：

4.1 自动化系统在机场区域设置特定的融合参数

现阶段，自动化系统大多在全系统处理范围内采用统一的融合参数。统一的设置有利于系统监视数据处理的统一性，但某种意义上，加大了融合异常的风险。机场区域的航班运行情况特殊，与高空区域的运行环境差距较大：

高空区域，两架飞机间，要么水平距离较远，要么具有较大的高度差。而在机场区域，特别是多跑道的机场，若航班同时起飞，两架飞机的高度会几乎一致、而距离也会很接近。例如本次故障中的两架航班，两者直线距离不足5公里，高度差小于50米。

因此，高空区域适合使用较大的融合門限，以减少导致航迹分裂现象的出现。而机场区域适合使用较小的融合门限，以避免本次故障中的异常融合现象。全系统统一的参数很难同时满足两种截然不同的运行环境。

笔者建议，自动化系统在设计时，就应在机场区域设置特定的融合参数，距离门限应较小。以成都双流机场的情况为例，综合跑道中心点距离和机场环境情况，可将机场区域的雷达信号与ADS-B信号位置的融合门限设置为4公里，而其他区域保持5.556公里的设置，这样就能基本避免本次故障中出现的错误融合的异常。对于其他的运行现场，融合参数应根据实际运行情况进行调整和优化。

4.2 自动化系统应在机场区域设置ADS-B信号抑制区

现阶段，ADS-B信号在机场附近区域使用的意义不大，反而偶尔会对管制正常指挥工作造成影响，例如地面飞机的ADS-B信号干扰问题、ADS-B信号造成的速度跳变问题、ADS-B信号与雷达信号融合错误的问题。在弊大于利的情况下，笔者建议自动化系统在机场区域设置ADS-B信号抑制区。

抑制区应是以跑道中心点为中心、半径为R（系统可设置）、高度范围为H（系统可设置）的立体空间。系统通过解析ADS-B数据包中的经纬度坐标和高度信息，与抑制区范围进行对比，若目标处于抑制区内，系统将该ADS-B数据包丢弃，不进行处理（含有紧急告警信息的数据包除外）。

理想情况下，抑制区可在线开关，在本场雷达均失效的情况下，可将ADS-B抑制区关闭，使用ADS-B信号为管制员提供应急显示。

抑制区的设置可采用单路ADS-B分别设置或全系统统一设置的方式。采用单路ADS-B设置抑制区的方式较为繁琐，但使用更为灵活，可根据各ADS-B台站覆盖情况和数据质量情况，使用其ADS-B信号；全系统统一设置ADS-B抑制区的方式较为简单，避免了设置出现错误的可能性，但使用起来灵活性较差。

通过设立机场区域的ADS-B抑制区，也可有效避免机场区域出现错误融合的异常。

5 结束语

机场作为民航事故高发区域，飞机起降阶段也是重大事故发生的高危阶段，自动化系统中，任何在机场区域的异常处理都应得到高度重视。目前，国内大多数机场无MLAT或S模式雷达覆盖（同时含有呼号和二次代码信息），而传统雷达与ADS-B信号间通过位置和高度信息进行融合的处理方式，出现异常的可能性相对较大，因此，自动化系统应对该区域的监视数据处理和相关处理重点关注。

本文详细分析了一次英德拉自动化系统中，两架相似航班起飞阶段错误相关的故障，找出了自动化系统存在的缺陷，并提出了两种相应的改进方案，希望能够避免问题的再次出现，减少运行风险。

参考文献：

[1] Revised Chengdu Automation System Subsystem Specification[Z]. INDRA，2012.

[2] 李小鹏.INDRA空管自动化系统技术操作手册[Z].民航西南空管局.2013.

作者简介：

王小为，民航西南空管局。