空中广播式自动相关监视技术管制探讨

摘要：随着国际民航组织发展的CNS/ATM系统的实现，广播式自动相关监视技术得到广泛的应用，使得空中交通管制更灵活、更有效。本文对广播式自动相关监视技术的数据来源进行分析，提出一种与雷达相融合的分布式方案构想与设计。

关键词：空中交通管制；雷达；广播式自动相关监视；数据融合

中图分类号：TN948.43 文献标识码：A

随着航空运输业的飞速发展，空中交通日趋繁忙，空中交通管制（Air Traffic Control，ATC）的重要性更加突出。由于空中交通流量的不断增长，导致空中交通管制技术需求日益攀高。目前，国民航空管普遍采用的是雷达监控系统，但不管是一次雷达还是二次雷达都存在自身的局限性。在雷达的一些盲区，无法获取必要的信息，甚至一些地区甚至无法安装雷达系统。而随着广播式自动相关监视被引入中国民航，这些问题可以解决。在海洋和偏远地区，广播式自动相关监视可提供可靠的信息来源，并且能提供高精度的位置信息，有助于间隔调配，提前化解冲突。同时，这种技术提高了空域的容量和使用效率，使得飞机之间在不降低安全水平的前提下减小了间隔。

1广播式自动相关监视数据源分析

广播式自动相关监视系统,机载电子设备一般包括3部分:GPS接收机; 广播式自动相关监视收发机和天线;机载交通信息显示器CDTI。机载设备轻巧灵便,无论在轻型飞机、普通客机、重型飞机上都可安装,广播式自动相关监视机载设备中下行设备(广播式自动相关监视OUT),工作方式类似SSR应答机,但它同时可以用于广播周边临时障碍物、飞行器等物体的位置。由于广播式自动相关监视的发射是采用广播方式,发射的信息还可以通过机载交通信息显示器(CDTI)来接收,CDTI及其附属设备构成广播式自动相关监视的上行设备(广播式自动相关监视 IN)。飞行员可以通过CDTI在机舱内看到交通状况,由于上行设备独立于地面站,即使在地面站无法起到监视作用的区域,CDTI仍能够保持正常监视。

广播式自动相关监视数据的格式主要为经度、纬度和高度。广播式自动相关监视报告内容可以包含一个或多个信息组，不同的信息组包含的附加信息不同，对飞机跟踪精度的影响也不同。典型广播式自动相关监视信息组包括（1）基本广播式自动相关监视组：飞机标识、当前4维位置（经度、纬度、高度和时间）；（2）地球参考组：实际航迹、地速、垂直速率；（3）预计航路编组：相连的下两个航路点的相关信息。同时还可以包含其它附加信息如冲突告警信息、飞行员输入信息、航迹角、航线拐点等。

雷达分为一次雷达和二次雷达，目前主要考虑的是二次雷达。雷达数据格式为斜距、方位角、高度或者是相对于雷达中心点（x，y）坐标和高度，雷达数据的斜距是飞机的位置与雷达接收站两点间的距离，方位角=90°。飞机的位置与雷达接收站两点的连线与垂直线的夹角，高度是飞机飞行高度与雷达接收站高度之差。雷达数据与广播式自动相关监视数据格式不一致，需要将数据转换到公共空间坐标系中，实现时空对准。在整个空中交通管制系统中，为了取得良好的数据融合效果，对于雷达和广播式自动相关监视数据更新频率（如表和更新概率（如表2）有特殊的需求：

2 广播式自动相关监视的分布式融合

分布式融合方案（见图1）提出在现有的民航多雷达监视系统中把广播式自动相关监视作为一个新的信息来源整合。由于已安装的ATS雷达传感器已经形成了局部的航迹，接下来融合并且显示在管制人员面前。那些局部航迹可以和来自从同一架飞机上发出的广播式自动相关监视报告一起融合构成最后的中央航迹。例如，在大机场的管制塔台，局部的航迹接受终端区雷达信息，局部航迹可来源于地面雷达，广播式自动相关监视数据能够被融合使得装有广播式自动相关监视设备的飞机在五边进近和地面移动阶段有一个精确的航迹。由于各雷达的局部航迹瞬间更新是不同步的，中央航迹将通过单雷达和广播式自动相关监视航迹外推一个常数tf(提前传输到中央航迹融合系统)，接下来通过一种代码融合过程将那些航迹关联到同一架飞机。这些航迹将会被适当的融合。这种航迹融合过程被分成两个过程。

图1 多雷达与广播式自动相关监视航

迹分布式融合模型

第1步，通过对应的滤波算法将3D局部航迹关联到同一架飞机，根据每个局部航迹的预测公式预测tf。线性融合成建成3D多雷达航迹XR(tf)。对于位置预测，

，这里xi(tf)，(i=1，2，3，…，n）表示从第i个雷达收到一个特定的3D位置预测，联合局部航迹在中央航迹融合系统中表示出来，从ti（从刚过去的那一个局部更新）到现在的融合瞬间tf，而ci（i=1，2，3，…，n）是坐标系中位置预测融合系数。建立3D中央航迹XC(tf)，周期性显示给管制员，多雷达融合航迹接下来可以和广播式自动相关监视航迹融合。

第2步，位置预测：

，这里，

代表ADS航迹的3D位置预测的坐标（已经在中央航迹跟踪系统中显示），从最后一个ADS航迹更新的瞬间推测到tf；CR，CADS是在位置预测坐标系中第二阶段的融合系数。这种2步的融合方法，相对于1步融合方法，允许系统的监视能力能够独立于中央航迹处理系统，由此可以决定是否启动广播式自动相关监视功能来提高监测精度。同时，当飞机飞越大洋或者偏远地区等无雷达覆盖区域时，也非常有必要保持广播式自动相关监视航迹的独立性，因为，不工作时能够继续工作，使得飞机航迹连续平滑。同时，中央航迹质量将会取决于ADS报告速度和周期报告的内容。方案设计的基本目标就是使得中央航迹处理保持一个预先设定的精度，这个精度可以由管制员手动设置，以确保飞机所处真实位置和雷达屏幕显示位置误差在最大可接受的范围之内，在最不利的情况下其概率一般设置为0.95。这种情况下，广播式自动相关监视局部航迹外推时间最长，而且在坐标系中移动加速度0.5g。同时考虑干扰杂波的高斯分布和线性滤波，则预测精度函数为： ，这里 代表的是位置预测模块的容差，而 是标准误差，两者都取tf融合时刻的值。

3 广播式自动相关监视融合设计

在上面的模型的每个融合节点执行一些功能（如图2所示）：数据配准，源数据的时间和坐标变换。数据关联，一般是报告和航迹关联。状态估计，估计和预测飞机的运动学特性、身份属性、内部和外部关系以及航迹的可信度。

数据配准包括对某个融合节点收到的广播式自动相关监视数据和雷达数据进行测试和修改所需的所有处理，从而可以比较和关联多个数据项。数据配准是对输入到一个融合节点上的所有数据进行转换，形成统一格式、时空坐标系和置信度描述。数据配准包含通用的格式化、时间外推、坐标变化、配准偏差补偿和证据调节等五个过程。数据关联使用匹配的数据信息确定应该关联哪些数据以提高状态估计性能。

4结束语

广播式自动相关监视技术对未来空中交通管理领域的发展影响极深远，其无可替代的优越性，将为通信、导航、监视技术带来革命性变化。广播式自动相关监视技术如果能与传统的雷达系统良好的协作融合，将会大大提高现有的空管监控效率。在空中管制方面利用广播式自动相关监视技术的逐步成熟稳定与全球化的推广应用，紧跟国际发展动态，遵循ICAO相关标准，结合我国实际，制定相关发展策略及技术对策，走上一条全面实施现代化管理，改善安全与提高效率的中国特色的航空空域管理的发展之路。

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