浅析监视数据在空管自动化系统中的处理及应用

倪睿

摘 要：空管自动化系统是空中交通管制工作的关键设备之一，及时有效处理外部监视源数据并形成稳定的系统航迹属于空管自动化系统的核心功能。本文以莱斯空管自动化系统为例，针对监视数据的处理及应用进行综合分析。

关键词：监视数据；空管自动化

前言

近年来，随着我国民航事业的高速发展和航班流量持续增长，空中交通管制的工作压力不断升级。为确保空中航班的交通安全，进一步提高民航飞机的观测精度，用于探测航空器的监视手段已经从传统的航管一次雷达、A/C模式二次雷达，演变到包含更多航空器信息的S模式雷达、广播式自动相关监视系统ADS-B等途径。监视数据的多样化和复杂化对空管自动化系统的处理功能提出了极大挑战，本文将基于国产莱斯空管系统平台，探讨自动化系统监视数据处理功能的原理及实现。

一、监视数据概述

监视数据是指不同监视源探测到的航空器数据，数据内容主要包括航空器的位置、方向、高度、速度、二次代码等信息。随着空管监视技术的不断发展，监视源种类不断增多，而不同监视源所探测的监视数据类型有所差异。一次雷达数据主要携带了目标的位置报告和高度报告，A/C模式二次雷达增加了航空器的二次代码信息用于航空器识别。S模式雷达作为增强型二次雷达，具备地空数据交互能力，可以携带大量数据，包含航班号、24位地址码、磁航向、真空速、转向角等信息，便于地面管制人员详细了解航空器状况。ADS-B（广播式自动相关系统）数据除了可以携带航空器飞行状态信息和识别信息外，还可以通过特定的下行数据项报告数据质量，从而提高空管自动化系统的处理精度。此外，监视数据还有相应的数据格式定义，包括ASTERIX标准格式、MP2标准格式、中国民航MH/T 4008-2000格式等，不同的数据格式所定义的数据项和数据内容都有所差异，因而对空管自动化系统的监视数据解析能力提出了更高要求。

二、莱斯空管自动化系统监视数据处理

1、前置处理

监视数据的前置处理主要包括：1）数据格式分解；2）合法性检查；3）数据质量指标统计。数据格式分解是指当系统检测到有监视数据输入时，前置處理模块将按照对应的格式规范对监视数据进行数据项分解，提取其中的有用信息，包括目标属性、目标位置、目标高度、目标速度等内容。此外，系统还会对接收到的数据项做必要的合法性检查，对包括实际长度与声明不符或过长的数据帧、组装格式错误的数据帧等有明显问题的数据进行过滤，以确保异常数据不会对后续的单路航迹处理和多路航迹融合造成影响。

数据质量统计主要是针对监视数据的特定质量指标进行监视和统计，并在指标超过告警门限值时发出告警提示，并自动对其进行隔离，以确保系统的正常处理。质量指标的检查和统计主要包括以下数据项：1）CRC错误校验：2）错误帧统计；3）雷达丢失正北统计；4）丢失扇区统计；5）已跟踪航迹不正常丢失统计；6）时标检查。系统提供相应日志记录统计结果，下面结合具体日志进行分析：

2019/06/03 10：00：19> [1]A01 收到错帧0个，收到延迟帧0个，共收到数据帧514个，最后计算结果错帧率pernum=0，延迟帧率pernum=0；

2019/06/03 10：00：19> [2]A01 和上次计算的时间间隔为30.05秒，实际收到扇号0个，本雷达周期为4秒，每周期最多报告32个扇号，因此共应该收到240.40个，最后计算结果pernum=100；

2019/06/03 10：00：19> [3]A01 实际丢掉正北30个，应该报告30个，最后计算结果pernum=100。（为遵守保密原则，对于监视源的具体信息进行了修改处理）

以上三条日志信息分别记录了前置模块对数据错误帧、丢失扇区和丢失正北统计结果，可以看到该路监视数据的丢失扇区率和丢失正北率都达到了100%，系统会对该路数据进行隔离。系统对于其他检查项也设有相应日志，便于系统维护人员排查故障。

2、单路监视数据处理

单路监视数据处理指生成并维护单路航迹的处理过程，主要包括：1）单路监视数据预处理；2）单路航迹跟踪处理；3）单路航迹质量控制。监视数据处理模块接受到前置模块送来的数据后，会对其进行相应的预处理。将通过质量检查的目标信息进行坐标转换后投影到系统平面上，并参与后续单路航迹的跟踪处理。

单路航迹的跟踪处理包括已有航迹目标的更新和新航迹目标的生成。如果系统识别出接收到的目标信息与上个周期内系统中某个航迹目标指向同一航空器，则此次收到的目标信息为此航迹目标的更新信息，系统将刷新此目标的状态描述。如果系统无法找到可以与该目标信息相关的已存在航迹目标，则将根据此次目标信息建立一个新的航迹目标。

单路航迹质量控制主要是为了减少虚假目标、低质量目标等不利因素对系统的影响。系统可以离线定义监视源有效距离、新目标抑制区、目标完全屏蔽区等参数和区域，来确保单路航迹的稳定有效。此外，针对ADS-B（广播式自动相关系统）的监视数据，系统会检查NUCr（速度的不确定性）、NUCp（位置的不确定性）、SIL（监视完好性级别）等特定数据项，当目标数据的相应数据项低于设定门限值且指标被定义为检查项时，此目标信息将被丢弃。

3、多路监视数据融合处理

多路监视数据处理指生成并保持系统航迹的过程。单路监视数据处理的航迹报告经过目标相关识别后，系统判定航迹信息是否属于同一个目标，如属同一目标，则采用融合式的卡尔曼滤波算法对该航迹进行更新，尽可能保证综合航迹的连续、平滑，否则建立新的综合航迹。

卡尔曼滤波算法采用线性递推的方式对目标进行未来轨迹的推测，该算法适应性强，外推和滤波数据的精度高，系统采用此方法对多路监视数据融合信息的目标位置和速度进行平滑跟踪处理。对于目标高度信息，则直接采用数据质量相对较好的监视源报告。这是由于滤波平滑的方法意味着利用历史值来修正当前值，使之不出现明显跳变。此方法对于处理航空器在水平方向的变化十分有效，但是对于垂直方向的处理则会出现偏差。由于航空器往往会在长时间保持平飞后突然上升或下降，采用监视源实时探测的高度数值会更为精确。

三、结语

本文分析了监视数据在空管自动化系统中由原始数据转变为系统航迹的处理过程。监视数据的有效处理将极大提高空中交通管制的工作效率，从而进一步保障航班飞行安全。

参考文献：

[1]严景谦，ADS-B 与空管监视雷达数据的融合处理研究，[J]，科学与财富，2017（18）：188-189