天津终端区ADS-B位置报告更新间隔的研究

周洋洋，刘海涛，李保国

(1.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300；2.中星中航通用航空产业投资有限公司 空事卫星项目部，昆明 650211)

0 引言

广播式自动相关监视(ADS-B)是利用地空、空空数据链完成航空交通监视和飞行信息传递的一种新型监视技术，与传统的一、二次雷达相比，ADS-B监视具有定位精度高、能提高管制员的交通情景意识以及提高空域容量等众多优势，因此国际民航组织(ICAO)将其确定为未来航空监视系统的主要技术手段[1]。然而在实际应用中，1090 MHz信道存在的共信道干扰会导致ADS-B消息之间的冲突概率增加，最终将导致ADS-B地面接收系统获取到的位置报告更新间隔增大[2]，而位置更新性能是决定空中交通管理系统安全运行的关键因素，因此对其开展研究具有重要意义。

围绕ADS-B系统监视性能评估，国内外研究现状如下：为了比较ADS-B和雷达的监视性能，文献[3]测试了哈德逊湾仅雷达覆盖区、仅ADS-B覆盖区和二者重叠覆盖区的ADS-B性能，研究表明在监视范围、更新率以及更新概率方面ADS-B监视满足加拿大导航部门的要求。文献[4]采用飞行试验的方法，基于高精度位置比较ADS-B和雷达的精度与完好性，研究表明ADS-B性能优于雷达。

为了分析评估ADS-B数据质量，文献[5]提出以航路为参考基准分析验证ADS-B数据质量的方法，研究出位置导航不确定类别(Navigation Uncertain Category for Position，NUCp)质量满足类雷达监视性能要求。文献[6]基于数据相关的方法，构建了一个综合评估系统，评估了ADS-B系统的准确性、完整性、延迟、可用性和更新率，研究表明66.7%的飞机水平位置误差符合3海里分离的要求，航班号不同平均更新间隔差异大。文献[7]基于分析单个ADS-B地面站实测数据的方法，评估了荷兰代尔夫特地区ADS-B消息的延迟、准确性、更新间隔、完整性和可用性，研究表明绝大多数飞机的ADS-B报告都可作为监视数据使用。文献[8]基于分析实际采集数据的方法，得到ADS-B系统的位置消息更新周期、漏点率和完好性参数，研究表明相对于进场与离场状态，巡航状态飞机的消息平均更新周期长、漏点率低，但没有分析影响更新周期性能的因素。

为了研究分析ADS-B系统的位置更新性能与其影响因素，避免上述研究方法中的局限性，构建地基ADS-B接收实验系统，采集了天津终端区附近的ADS-B实验数据，依据接收距离差异分别统计终端区内外的飞机位置报告更新间隔分布情况，研究单站接收区域内的飞机密度对位置报告更新间隔的影响，将实验结果与欧洲民用航空设备组织(European Organization for Civil Aviation Equipment，EUROCAE)规定的最新地基ADS-B位置报告更新间隔标准进行对比，结果表明所研究空域内的位置报告更新间隔满足指定要求。

1 实验系统与数据处理

图1给出了ADS-B接收实验系统结构图，该系统由ADS-B接收机、数据接收与存储和解码与统计分析部分组成。

图1ADS-B接收实验系统

图1中的ADS-B接收机位于天津滨海国际机场附近，坐标为东经117.3509°、北纬39.0987°，采用Guenter Koellner公司生产的Radarcape，输出的数据带有精确GPS时间戳，时间精度为50 ns。接收数据所用天线为中增益全向天线，理想条件下覆盖范围为450 km，实际覆盖范围取决于天线安装位置和周围电磁干扰环境复杂度。在接收实验系统中，Radarcape接收由飞机广播的DF17格式消息，终端通过传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)端口连接Radarcape，存储数据并解码，统计分析位置报告更新间隔性能。

数据获取与处理总体流程如图2所示，根据消息头以及DF字段筛选出与位置相关的DF17消息，其中Type值为9～18、20～22的是空中机载位置消息。对位置消息进行循环冗余校验，并依据计算机系统时间每隔两小时存为一个文件。用简洁位置报告(Compact Position Reporting，CPR)解码算法对校验通过的DF17位置消息解码，并对解码后的异常数据进行剔除，最终统计得到正确位置报告更新间隔。

图2数据获取与处理总体流程

1.1 机载位置解码

模式S扩展电文使用CPR算法将经纬度信息有效地编码到位置消息中，由于高阶位不会传输，为了避免解码产生歧义，通过奇偶两种不同的编码方式实现。对于全球CPR解码要求具有奇偶配对的两条位置消息才能解算出一个地理位置，并且要求间隔不超过10 s。在已知接收不可能超过180海里范围的情况下，单个接收消息可解码得到正确位置，即本地CPR解码[9]。本实验最大接收范围大于180海里，因此选用全球解码方式对接收的位置消息解码。

二进制表示的DF17主体消息ME字段的9～15位以及17～20位是高度信息，把二进制表示的高度信息转换为十进制记为N，16位为Q标志位，Q位为1表示其最低有效位的值为25ft，即分辨率为25ft，解码得到气压高度为(25·N-1000)ft，Q位为0表示分辨率为100 ，解码得到气压高度为(100·N-1000)ft。

1.2 异常数据剔除

针对统计过程中出现异常数据的原因其处理方法如下：

由于遮蔽和边缘地带信号接收不良等因素，导致位置报告更新间隔增大，根据空中交通管制员(Air Traffic Controller，ATCO)使用的非合作监视系统所提供的5海里间隔强制和建议性能要求[10]，把大于(3×8 s)×(1+10%)=26.4 s数值的水平位置报告更新间隔视为位置丢失，因此排除大于26.4 s的时间间隔。

在统计过程中有小概率出现跳点、位置消息错误解码等情况，根据DO-260B中描述的CPR解码位置合理性检验标准，解码时需要计算本条解码位置与接收机的距离以及与上一个解码位置之间的距离。如果解码位置在接收机的最大接收范围内，并且与上一个解码位置之间的距离小于时间间隔与最大速度乘积值，则位置合理性检验通过。

1.3 位置报告更新间隔统计

连接解码数据库，根据接收距离差异分别统计位置报告更新间隔，得到相应的规律。依据终端管制区域划分标准，根据飞机与接收机之间的距离把终端区划分为三个区域，区域范围分别为0～12海里、12～35海里、35～45海里[11]，分别统计三个区域内以及45海里之外区域的数据并对比分析。

参考EUROCAE对水平位置更新间隔的要求，针对低密度地区，要求位置报告更新间隔至少以96%的概率限定在8 s之内[12]。为了验证所研究地区的ADS-B性能是否满足该指标，需要针对四个不同区域以及不同飞机密度情况分别统计96%位置报告更新间隔。

2 实验结果

统计2019年10月26—30日在天津滨海机场附近接收数据，分析位置报告更新间隔与接收距离、接收空域内飞机密度之间的关系。

2.1 接收机覆盖范围

ADS-B接收机在各个高度层的接收距离范围不同，Radarcape接收机各高度层接收距离范围图如图3所示，(a)、(b)、(c)分别表示低于3000ft、低于20000ft和最大高度对应的飞机在接收机各个方位的接收距离。曲线表明：该ADS-B系统的最大接收范围约为350 km；只能在接收机附近监视到低高度层的飞机，这是由于接收机位于机场附近，并且1090 MHz信号传播方式为视距传播，远距离的低高度层飞机被遮挡。

(a)3000 ft

(c)最大高度图3Radarcape接收机各高度层接收距离范围图

2.2 接收距离对位置报告更新间隔的影响

终端区内三个不同接收范围和终端区外位置报告更新间隔频率直方图和累积分布图如图4所示。(a)、(b)、(c)、(d)依次表示的区域范围为0～12海里、12～35海里、35～45海里、45海里之外，频率直方图中的fi为更新间隔区间对应的频数，n为统计区域内的样本总数，△为区间长度，统一取值为50 ms。累积分布图中，标出的实心矩形坐标为该区域中累积概率首次达到96%对应的位置。

(a) 区域1 (0～12海里)

(c) 区域3 (35～45海里)

图4终端区内三个不同接收范围和终端区外位置报告更新间隔频率直方图与累积分布图

图4表明：位置报告更新间隔呈现多峰分布形态，峰值位置对应于ADS-B位置消息平均播发间隔的倍数(对于机载位置更新，扩展电文播发间隔均匀地分布在(0.4,0.6)区间内[13]，因此平均播发间隔为0.5 s)；在一定范围内，随着接收距离的增加，位置消息丢失概率增大，导致ADS-B位置报告更新间隔也随之增加，并且96%位置报告更新间隔在区域3-4的增量要明显大于区域1-2的增量以及区域2-3的增量，这是因为区域4中包括接收边缘的飞机，这些飞机播发的位置消息接收不良将导致更大的更新间隔；该接收空域的ADS-B 96%位置报告更新间隔均满足EUROCAE规定的地基ADS-B终端区5 s航路区8 s的要求。

2.3 飞机密度对位置报告更新间隔的影响

为了研究接收空域内飞机密度对位置更新间隔的影响，在统计更新间隔时，假定短时间内空中飞机密度不变，对接收到的数据以30 s为时间间隔，统计间隔内的飞机数近似为接收机监视范围内实时飞机数，依据不同飞机密度分别统计了五天时间的96%位置报告更新间隔。连续五天不同飞机密度对应的96 %位置报告更新间隔折线图如图5所示，其中横坐标表示以30 s为区间统计的飞机数，纵坐标表示该区间接收范围内飞机达到96%位置报告更新间隔，标记点的横坐标取值为区间的中间值。

曲线表明：随着空中飞机密度的增加，96%位置报告更新间隔随之增加。造成该现象的原因为接收空域内飞机密度增加导致位置消息冲突概率增大，相应的位置报告更新间隔也随之增大。

图5连续五天不同飞机密度对应的96% 位置报告更新间隔折线图

3 结语

为了研究ADS-B系统在实际应用中的位置报告更新间隔，对天津终端区附近接收的ADS-B数据进行了分析，研究表明：位置报告更新间隔呈现多峰分布形态；随着接收距离与飞机密度的增加，该接收空域内的96%位置报告更新间隔也随之增加，但在接收机的接收范围内都满足EUROCAE指定的地基ADS-B位置更新间隔要求。