ADS－B空管监视系统误差分析与研究＊

孙立新 陈亚青 刘国毅

（中国民用航空飞行学院空中交通管理学院1） 广汉 618307） （民航西南空管局空中交通管制部2） 成都 610065）

0 引 言

在空中交通管制中，利用监视设备提供的航空器飞行动态，按照管制最低间隔标准，管制员就可以为航空器配备飞行间隔，防止航空器与航空器相撞.传统的监视手段主要有一次雷达和二次雷达（secondar y sur veillance radar，SSR），但由于雷达系统自身具有很多局限性，因此，广播式自动相关监视（automatic dependent surveillance broadcast，ADS－B）的技术开始应用.ADS－B即是由航空器通过数据链自动广播由机载星基导航和定位系统生成的精确定位信息，包括位置信息、高度、速度和飞行意向等，尤其适合于山区、荒漠、边远机场等不宜建设雷达的区域，也适合于高密度机场的监视.

飞行间隔标准包括侧向间隔、纵向间隔和垂直间隔，其中侧向间隔是一种距离间隔，使多架航空器能够占有同一高度层，充分利用繁忙地区的有限空域资源.不论是二次雷达，还是ADS－B，系统中高度数据都来源于气压式高度表，故基于ADS－B侧向间隔研究是当前的重点.现在，美国和澳大利亚等国都已开展相关研究工作缩小基于ADS－B的侧向间隔，扩大交通流量.

本文通过分析监视系统信号处理流程，得出ADS－B监视误差主要有GPS接收机误差、数据链误差和系统延时误差组成，并阐述了各部分对于侧向间隔的影响.

1 相关工作

飞行间隔的理论研究，国外早在20世纪六七十年代就开始了，主要有两类：一类以英国的P.G.Reich建立的航空器碰撞模型理论为基础，针对平行航路系统在纵向、侧向、垂直方向分别进行碰撞风险建模的研究；另一类是用概率论的方法展开的.2种理论都首先考虑2架航空器之间的碰撞风险，然后给出管制区域内的一定间隔下的碰撞风险，并在实际的安全评估中都有应用［1－3］.本文主要讨论基于ADS－B侧向间隔的研究及应用现状.

目前，ADS－B机载和地面设备通信可选的数据链技术有 Mode S 1090 ES，VDL MODE 4和UAT 3种.其中1090 ES是国际民航组织推荐的、全球可互用的ADS－B地空数据链，但受格式长度限制，1090 ES数据链的上行广播能力较差；VDL模式4在VHF频段，频率资源紧张；而UAT是美国在小型通用航空器普遍选装开发的地空双向数据链，但与DME地面设备的相互干扰较严重.

1.1 ICAO

ICAO在Doc 4444第八章ATS监视服务中论述了ADS－B监视设备单独使用的条件、装有ADS－B机载设备航空器的识别以及基于ADS－B和／或SSR最小侧向间隔（5 NM）的应用等相关内容.其中文档 Cir 311（Assess ment of ADS－B to Support Air Traffic Ser vices and Guidelines and Imple mentation）就ADS－B与单脉冲二次雷达的技术特性做了详细的对比［4－5］.

1.2 美国

由于美国同时选择1090ES和UAT作为ADS－B数据链，所以规定：（1）1090 ES数据链用于国际运输飞行以及国内18 000 ft（含）以上高空飞行；（2）UAT数据链仅用于18 000 ft以下飞行的航空器；（3）选装了不同数据链设备的航空器之间不相互通信，除非航空器同时选装了2种数据链设备.

2005年，FAA通过危险接近概率模型（the close approach pr obability，CAP），研究分析了ADS－B监视下，终端区和航路飞行阶段管制间隔分别使用3 n mile和5 n mile的理论依据.2007年5月31日，美国宣布批准阿拉斯加地区在航路实施5海里的ADS－B间隔，见表1.

表1 ADS－B用于支持3 n mile和5 n mile间隔标准的监视要求

表1描述了ADS－B监视用于支持当前航站区域3 n mile和5 n mile间隔标准.该分析使用确定水平间隔风险的方法，定义了两架飞机的间隔在显示为符合间隔标准的情况下出现碰撞的概率.该间隔标准评估报告基于国际民航组织认证方法的延展，并使用有效的监视数据.

1.3 澳大利亚

澳大利亚选择1090ES标准，同时适用于运输航空和通用航空.在规章制定方面，CASA颁布了CAO 20.18号适航指令，对机载设备标准作了详细的规定.此外CASA颁布的 AC21－45对ADS－B运行相关设备提供了指导，AC21－45的附件D部分对符合要求的设备进行了不完全列表.航路最小侧向间隔仍然为5 n mile［6］.

2 信号处理流程

ADS－B空管监视系统信号处理流程用Petri网表示，如图1所示.现实情况下，管制员需要同时监视空域内多架航空器的飞行动态，图中只考虑了2架航空器的特殊情况，但不会影响本文的分析结果.

图中，K1是航空器1机载GPS接收机由定时器触发解算的飞机位置等信息；K2是航空器2机载GPS接收机由定时器触发解算的飞机位置等信息；K3是航空器1机载发射机广播报文；K4是航空器2机载发射机广播报文；K5是地面接收机接收航空器1的发射报文，经处理后送终端显示器；K6是地面接收机接收航空器2的发射报文，经处理后送终端显示器；由于地面接收机在某一时刻只能接收一架航空器的广播报文，图中可表述为轮流接收两架航空器广播报文；K7是管制员监视飞行动态，按照管制最低间隔标准，为航空器之间配备飞行间隔，管制员通过通信设备向飞行员发出管制指令的.由于不同数据链技术，其信道访问方式可能是随机访问或自组织时隙，故图中K5，K6表示信道资源的竞争.

图1 ADS－B空管监视系统信号处理流程

3 ADS－B空管监视系统的误差分析

在ADS－B空管监视系统信号处理流程中，人和监视设备两方面的因素得到了直接的体现.其中，人的因素包括管制员和飞行员的因素.在空中交通管制中，管制员的失误是导致危险接近和碰撞的关键因素之一.对管制员因素的研究，基本都是直接进行定性分析，给出影响的因素及改善措施，这方面已有大量研究工作被开展［7－8］.本文中，不考虑管制员或飞行员出现失误的情况，空中碰撞只会由监视设备的误差所引起.

从K1到K6，数据经过了很多硬件和软件单元的处理，都会产生误差，但仔细分析可知：ADSB监视误差主要由以下几部分组成.

1）GPS接收机的误差，模型中的K1和K2变迁.

2）机载收发机广播报文的周期以及数据链出现掉包或错包后产生的监视误差，模型中的K3和K4到K5，下文中简称为数据链误差.

3）系统延时产生的误差，从变迁K1到K5或从变迁K2到K5存在系统延时，包括GPS接收机、机载设备和地面设备的数据处理延时.

3.1 GPS接收机误差

GPS接收机以水平保护标准（HPL）的格式传送信息.HPL是一个以真实位置为圆心的圆的半径，计算出来的位置以一定的概率落在圆周内.HPL是由GPS接收机通过RAI M算法（接收机自主完好性检测）计算得出的.机载接收机RAI M算法的基本思想是：使用四颗为一组的多组卫星作为接收机的“可见”卫星，从而解算出多个航空器位置结果，并比较这些位置结果的一致性，只要结果存在不一致就表明位置数据的完好性可能是不充分的.所以，在RAI M失效的时期，不能保证完好性，需要一系列管制程序来保证安全，例如指导管制员在RAI M失效时暂时增大航空器间隔等.现在，HPL用导航完好性类别（NIC）、监视完好性等级（SIL）和导航精度种类（NAC）3个参数指示，如图2所示.

图2 ADS－B编码性能参数

在表1终端区3 n mile间隔标准中，当NAC，NIC和SIL分别为7，6，2时，CAP概率为3×10－12时，确定的运行余度为1.4 n mile.在具体讨论ADS－B监视系统误差时，该部分误差可以继续使用上述研究成果.

3.2 数据链误差

航站区域的自动化系统要求监视更新率以95%的置信度每5 s更新一次（由雷达更新的天线扫描率确定）.这样的要求确定了ADS－B链路的信息接收的最小可接受概率，使ADS－B可以满足该要求.例如，UAT状态向量每秒钟广播一次，则在独立的解码故障情况下，以95%的置信度在5 s内更新状态向量的最小概率是0.45.该链路从地面基站开始的最大服务范围受这个概率的限制.在这种情况下，先前收到的报告将在相邻飞机的后一个报告的时间校准内更新它的速度向量（状态向量报告的一部分）.无故障情况下的CAP包括最坏情况的间隔裕度，即允许一架飞机的先前报告被接收以后，再向其邻近的飞机进行转向.假设在终端区域的速度是300 kn，转向率为6°／s；在航路区域的速度是600 kn，转向率为3 s，见图3所示［6－8］.图3中So，x等变量是距离，单位是n mile.

图3 无故障情况CAP最坏估算方法

上述自动化系统要求的监视更新率是由雷达性能获得，但单独考虑ADS－B设备的性能时，可假设数据链出现掉包或错包的概率为P.在独立的解码故障情况下，连续出现n次掉包或错包的概率τ为

ADS－B设备数据链连续出现n次掉包或错包的概率可以通过大量的数据统计完成，在满足相同CAP概率时能减小侧向间隔.

3.3 系统延时误差

时间延迟越大，误差也会随之增大.与雷达相比，由于时间延迟的作用，ADS－B的高更新率（1次／s）最小化了方位误差.通过测量和补偿，时间延迟的标准可以量化为所报告信息中不超过某一特定的时间的最大时间.参考图3，系统延时误差对侧向间隔的影响也可考虑在最坏情况下，通过与航空器速度、转向率等参数计算获得.

4 结束语

本文用Petri网表示了ADS－B空管监视系统信号处理流程，分析得到ADS监视误差主要由GPS接收机误差、数据链误差和系统延时误差组成，并重点阐述了这些误差对侧向间隔的影响.而间隔标准的确立还要考虑空域结构、导航通信设备性能以及管制员工作负荷等，所以今后的主要工作是建立模型计算危险接近概率，并进行实物验证评估.

［1］Doc 96892 AN／953.Manual on airspace planning met hod2ology for the deter mination of separation minima［S］.Mont real：International Civil Aviation Organization，1998.

［2］徐肖豪，李冬宾，李 雄.飞行间隔安全评估研究［J］.航空学报，2008（11）：1411－1417.

［3］Stastny P.Safety mini ma st udy：review of existing standar ds and practices［EB／OL］.http：／／www.eurocontrol. int／src／gallery／content／public／documents／deliverables／srcdoc1ri.pdf.

［4］Inter national Civil Aviation Or ganization.Air traffic management［S］.fifteenth Edition，International Civil Aviation Organization，2007.

［5］Inter national Civil Aviation Or ganization.Assessment of ADS－B to support air traffic services and guidelines for i mplementation［S］.Inter national Civil Aviation Organization，2006.

［6］中国民航局飞行标准司.广播式自动相关监视（ADS－B）在飞行运行中的应用［R］.北京：中国民航局飞行标准司，2008.

［7］中国民航局航空安全办公室.人为因素训练手册［S］.北京：中国民航局航空安全办公室，2009.

［8］霍志勤.民航管制员素质的模糊综合评估研究［J］.武汉理工大学学报：社会科学版，2005（3）：374－377.