ADS-B数据处理中心目标融合研究

冯 岩，周禄华，杨 恺，邹国政

（南京莱斯信息技术股份有限公司，江苏南京 210007）

0 引言

广播式自动相关监视（Autornatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）具有更新速率快、位置精度高和建设成本低等优势，是国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）确定的未来主要监视技术之一。2018年年底，中国民航东部和西部ADS-B工程完成竣工及验收，建设内容包括在全国范围内建设308套ADS-B地面站，在7个地区空管局和三亚区管中心建设二级数据处理中心，在空管分局（站）建设数据站［1］。ADS-B工程的建设弥补了我国中西部地区雷达覆盖不足的现状，同时也提高了东部地区监视冗余备份的能力。多ADS-B地面站多目标融合是数据站和数据处理中心的核心功能，相比空管自动化系统中的ADS-B与航管雷达的融合，ADS-B数据处理中心的目标融合有其自身的特点。本文将参照国内外相关标准、规范，并结合在实际工程中遇到的问题，详细论述ADS-B数据处理中心中的目标相关和融合算法。

1 ADS-B工程系统架构

我国民用航空管理空中交通管理局采用分层分级的管理模式，东西部ADS-B工程中的系统架构契合了这一点，如图1所示。

ADS-B工程系统架构包括三级数据站、二级和一级数据中心组成。三级数据站引接本分局站内ADS-B地面站信号并融合上传至二级数据处理中心。二级数据处理中心除引接数据站的融合数据外，也可根据需要引接某些关键地面站的数据。8个二级数据处理中心的融合数据及关键数据站在一级数据处理中心做进一步融合，形成覆盖全国范围内的ADS-B 信号［2］。

多级数据处理中心的设计，可有效过滤网络流量，避免过多站点、过大流量接入空管自动化系统。同时，多个接入站点ADS-B数据的相互比较和融合，使得数据处理中心有能力为后端自动化系统提供更加准确、全面的数据。

图1 ADS-B工程系统结构

2 多目标相关

2.1 相关因子

ICAO 24位地址码是S模式应答机的编码,是飞机在ICAO注册的全球唯一识别代码。理论上来说，全球不可能有两架相同地址码的飞机，但在实际运行中发现，由于应答机S模地址设置错误、地面站解码错误等因素的影响，相同地址码的飞机并不少见。因此，地址码不能用来作为区分不同目标的唯一判定因子。距离大于6海里的重复S模地址，应当认为是两个目标。同高度飞行的航空器之间的最小水平间隔不得小于10公里［3］，所以距离也是区分两个相同地址码目标的重要因子。为避免在不同高度层两个相同地址码的目标因水平距离过近而发生错误相关的可能，高度、二次代码、航班号等信息也需要作为目标相关的辅助判定因子，但需要注意的是该类信息并不总是存在或同一周期不同地面站的内容并不总是相同。

不同于自动化系统多雷达融合中的时间对准，ADS-B数据站或数据处理中心（以下统称“数据处理中心”）在目标相关时需要做“相同周期”的判断。同一目标，相同周期，不同地面站Asterix CAT021中位置信息（I021/130或I021/131）应该“相同”，日时间信息（如021/073）不应偏差过大。需要注意的是，地面静止或测试点目标每个周期的位置一般“不变”，所以位置信息不能作为“相同周期”的唯一判定因子。

2.2 地面站数据检查

各地面站提供有效、准确、全面的数据，是提高融合效果的关键。因此数据处理中心需要具备对常用和关键数据项内容做合法性检查和互相交叉验证的能力。

（1）地面站丢失二次代码时，021/040数据项应缺失，不应赋值“0000”，MODE A0000是有效的二次代码。同样的，当地面站丢失高度时，021/140或021/145数据项应缺失，不应赋值为0。

（2）I021/040数据项中GBS置1时，表示地面目标。ADS-B地面目标不应有高度信息，021/160数据项中的速度值也不应过大。

（3）地面站从收到报文到组装成Asterix CAT021最大处理延迟为50 ms［4］，如果数据处理中心接收到地面站数据中I021/073等日时间信息与系统GPS时间差异过大，则其可能为问题地面站。可能的原因有网络设备故障、传输链路带宽不足、地面站处理延迟过大、地面站GPS失效等。

（4）同一目标在相同周期，不同地面站的数据项I021/130或I021/131内容应该“相同”，如某地面站跟其他地面站“不相同”的情况，则其可能为问题地面站。可能的原因有该地面站的纠检错成功率不高等。

（5）同一空中非测试点目标，如果各地面站位置“相同”，则日时间信息I021/073等也应该在同一周期。如某地面站跟其他地面站日时间偏差过大，则其可能为问题地面站。可能的原因有地面站处理延迟过大、地面站GPS失效等。另外需要注意的是，如果应答机下传的位置信息中时间标志TIME=1，表示下发的位置报文固定延迟0.2 s，地面站在收到该类报文时需要做相应处理。

3 多目标融合

3.1 融合功能

数据处理中心的核心功能是将相关为同一目标、在同一周期的各地面站数据融合成信息内容更全、更准的综合信息。融合主要包括如下功能。

（1）不同Asterix CAT021版本的转换。ADS-B地面站的常见输出格式版本有0.26，1.4，1.5，2.1，2.4等，不同版本数据项类别有所不同，数据处理中心融合后的目标需按照统一的版本输出。

（2）缺失数据的互相补充。同一目标应答机广播的报文内容是一样的，但由于建筑物遮挡、信号交织等因素的影响，单个地面站并不能收到或解析成功每个周期的报文信息，数据处理中心将多个地面站的目标数据融合，以便获得更新周期连续、数据项内容更丰富的目标数据。

（3）更新数据内容的判断。应答机广播的某个类别的报文可能未被地面站收到或解析成功，如二次代码、航班号等，此时地面站在组装Asterix CAT021时会保持一定时间的历史内容。ADS-B数据处理中心无法通过单个地面站获知该数据项内容是否为历史保持内容，但可通过多个地面站当前和历史内容的相互比较，尽可能地将更新的数据内容作为综合信息输出。

3.2 二次代码更新判断

以二次代码为例说明更新数据内容的判断机制。机载应答机广播二次代码的周期为1.0 s，如地面站未收到或未能解析成功相关报文，在组装Asterix CAT021时会保持一定时间的历史信息，超过保持时间则在组装时缺失021/040数据项。当ADS-B数据处理中心发现当前周期有地面站报告的二次代码与上一周期综合二次代码不同时，将其列为“准更新二次代码”。为尽可能消除因解码错误或飞行员在输入二次代码时中间过渡数值的影响，“准更新二次代码”可经过n个周期的“确认”机制（n可取值为3）。“确认”周期内的综合二次代码仍保持原二次代码，之后综合二次代码为“准更新二次代码”。

一般情况下，二次代码在短时间内只会改变一次，不会多次改变。一旦综合二次代码做了更新，此时应进入“锁定”状态。也就是说，之后一定时间内无论是否有地面站收到该已经更新的二次代码，综合二次代码均不改变。为避免解锁后出现前二次代码“回跳”的现象，“锁定”时间应参考地面站的保持时间。为避免长时间“锁定”而影响综合二次代码的及时更新，地面站的保持时间应选择合适的值，建议20～25 s为宜。

3.3 “相对时间差”法

多级数据处理中心的设计，增多了数据延迟的节点。规定数据处理中心处理延时应不大于300 ms，而ADS-B的广播周期为0.5 s，为避免二级或一级数据处理中心的融合信号和其他ADS-B地面站做进一步融合时出现“周期错开”的现象，数据处理中心系统的处理延迟应尽可能地减小［5］。

为减少系统处理延迟，同时在同一周期中让尽可能多的地面站参与融合，数据处理中心融合时可采用“相对时间差”法。数据处理中心记录收到各地面站Asterix CAT021数据时的系统时间，当数据处理中心发现某目标在同周期内相关的第N个地面站接收到数据的时间与第1个的差值超过门限，数据处理中心将该N个地面站数据做融合处理。同时，系统定时检查当前系统时间与各目标相关的第1个地面站接收时间的差值，超过门限则将已经相关成功的各地面站数据做融合处理。

“相对时间差”门限值需考虑实际接入各地面站的相对延迟大小，一般可在三级数据站设置为50 ms，二级数据处理中心设置为80 ms。

3.4 融合报文组装规范

数据处理中心将多个地面站的报文融合后再次组装为Asterix CAT021数据时，除参照相应版本的格式要求外，数据项内容也需符合相关标准、规范。

（1）地址码相同的两个目标，容易发生二次代码、航班号等信息在该两个目标之间“互换”的现象。因此数据处理中心的系统目标发现有重复地址码时，除将I021/040数据项中的ATP赋值为1外，还可在组装时不发送二次代码、航班号等信息。

（2）I021/200数据项中 Unlawful Interference/No Communications/General Emergency分别对应二次代码7500/7600/7700。数据处理中心融合后的系统目标发现有这三类二次代码时，I021/200数据项中PS子项应做相应的赋值。

（3）Asterix CAT021数据项应包括I021/130或I021/131，但不能同时包括I021/130和I021/131。因此数据处理中心在输出位置信息时，应选择其中一个作为数据项输出。

（4）数据项I021/161为航迹号，该数据项在组装Asterix CAT021是可选的。如组装该数据项，数据处理中心需将融合后的系统目标统一编号。需要注意的是，在某些条件下地面目标的广播周期为5.0 s。为避免地面目标航迹号的频繁中断，数据处理中心在做综合目标生命周期管理时，应选择合适的时间阈值。

4 结语

按照《中国民用航空ADS-B实施规划》要求，我国于2020—2025年实现高空航路航线、终端（进近）管制区域、全部运输机场塔台实的ADS-B连续可靠监视覆盖［6］。2019年发布的《民航空管自动化系统应用ADS-B及S模式雷达数据的技术和功能要求》也明确和规范了ADS-B数据在新一代空管自动化系统中应用的技术和功能要求［7］。作为空管自动化系统的前端数据源，ADS-B数据处理中心将在空管系统中扮演越来越重要的角色。文中结合相关技术标准、规范对融合算法的研究，对数据处理中心的广泛应用，有重要意义。