A-SMGCS在机场的应用研究

干浩亮，吴世桂，陈 龙，宋 凯，王盈君遥，韩泽宇

（重庆机场集团有限公司，重庆 401120）

0 引言

中国经济的高速增长促进了中国民航业的快速发展，各地机场起降航班流量迅猛增加。航班流量的增加使航空运输保障部门承受了很大的压力，而民航运输机场作为整个航空运输链条的重要环节，其场面的运行保障水平直接影响着飞行安全和效率。目前我国大型枢纽机场已形成了多条跑道和多座航站楼同时运行的复杂格局。机场飞行区内跑道、滑行道和联络道布局也日趋复杂，此外机场场面内飞行器和作业车辆的活动也日益频繁，地面运行十分繁忙，如何有效提升管制人员对机场场面活动目标的监视能力，降低安全隐患，成为机场场面监视亟待解决的问题。

目前，在低能见度、机场场面布局复杂和交通密度大情况下，为了实现机场场面自动化管理，增大机场地面容量，一种新型的具有划时代意义的系统——高级地面活动引导和控制系统（Advanced Surface Movement Guidance Control System ，A-SMGCS）已经在世界各国机场广泛应用[1]。A-SMGCS 通过对多点定位（Multilateration，MLAT）、场面监视雷达（Surface Movement Radar，SMR）、广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）等信息进行融合及识别，为管制员提供全面的机场场面态势感知能力。同时，系统提供跑道入侵、场面目标危险接近、禁区闯入、违反管制指令等危险交通活动的及时预警，为管制员做出正确、高效管制决策服务，从而在不降低机场运行安全性前提下，显著地增强机场运行效率和机场容量[2]。

1 机场场面监视技术现状

现在使用的机场场面监视技术主要有SMR、ADS-B和MLAT 系统。

1.1 SMR 系统

SMR由发射机、接收机、信号处理机、终端设备以及天线等部分组成。SMR 连续不断地发射脉冲信号，接收机在间隔时间接收到脉冲信号，并利用发射脉冲与回波信号之间的间隔时间，达到测定目标距离和方位的目的。使用SMR对机场场面上的航空器和保障车辆进行监视，一定程度上缓解了管制员、飞行员和车辆驾驶员的安全压力，但是SMR是一次雷达，在使用中存在几个问题：

（1）不能直接确定飞机识别代码；

（2）由于信号传播多径效应，产生的假目标较多；

（3）由于机场建筑物遮挡，存在盲区；

（4）工程造价高，维护成本高。

1.2 ADS-B系统

ADS-B是未来民航空管监视技术发展的主要方向，已成为国内空中交通管制运行中的重要监视设备。ADS-B已经被证明是传统雷达的低成本替代品，它可以让飞行员和空中交通管制员以更高的精度“看到”和控制飞机。与雷达不同的是，具有ADS-B功能的飞机使用一个普通的全球导航卫星系统接收器从全球导航卫星系统星座获得其精确位置，然后将该位置与航班信息相结合，例如速度、航向、高度和航班号。这些信息随后被同时广播到其他具备ADS-B功能的飞机、ADS-B地面站或卫星通信收发器，然后这些收发器将飞机的位置和附加信息实时转发给空中交通管制中心，ADS-B监视系统架构如图1所示。另外，与雷达不同的是，ADS-B的精度不会随距离、大气条件或目标高度而严重降低，更新间隔也不取决于机械天线的转速或可靠性。ADS-B系统在使用中存在以下缺点：

（1）当前不是所有飞机都配备ADS-B应答机；

（2）由于其依赖全球导航卫星系统对目标进行定位，所以ADS-B本身不具备对目标位置的验证功能，如果航空器给出的位置信息有误，地面站设备（系统）无法辨别；

（3）ADS-B信号容易受到干扰欺骗。

1.3 MLAT 系统

MLAT 技术是一项已经应用了几十年的成熟技术。它最初是为军事目的而开发的，目的是通过一种称为到达时差（TimeDifferenceof Arrival，TDOA）的方法精确定位飞机，因为许多军事飞机并不希望被监视到。MLAT系统在机场区域布设多个远端接收站，这些远端接收站监听飞机机载设备的“应答”信号，由于各飞机与各地面接收站的距离不同，各地面站在不同的时间收到它们的“应答”信号。采用现代计算机处理技术，利用这些到达时间差可以精确计算飞机的位置。MLAT系统不需要额外的机载航空电子设备，因为它使用模式A/C和S应答机以及军用敌我识别和ADS-B应答机的应答，其监视原理如图2所示。但是MLAT 系统也面临一些待解决的问题：依赖机载电子设备，对传输依赖较大，需要大量的站点。

2 A-SMGCS关键技术

随着SMR、ADS-B和MLAT系统逐渐在世界各地机场推广使用，这些技术手段有效提升了管制人员对机场场面活动目标的监视能力，但是单一的监视手段在实际应用总是存在一些不足之处，未来的场面监视技术应该具备以下能力：

（1）能在低能见度条件下提供连续、完整的场面目标监视；

（2）能提供丰富的监视信息；

（3）能提供冲突预警和告警；

（4）具有更高的精度和安全性。

为解决该问题，A-SMGCS技术应运而生。A-SMGCS系统能够接入ADS-B、MLAT、SMR等多种传感器监视数据并进行融合、识别处理；能够对跑道入侵、滑行道冲突、禁区闯入等典型冲突场景进行冲突检测与告警；系统提供友好的人机交互接口方便管制员对场面态势的查看、限制区域的编辑、飞行进程单的操作，使管制员得到翔实的机场场面态势信息，从而辅助管制员快速地做出管制决策。系统组成及数据流如图3所示。

2.1 监视数据处理

监视数据处理是A-SMGCS 系统一个基本功能，通过对监视传感器数据（SMR、MLAT、ADS-B等）进行处理实现对飞机或车辆的定位和识别，让管制人员能够获得目标的实时态势信息，包括监视数据预处理和融合处理[3]。

2.1.1 监视数据预处理

（1）监视数据的接入和解析。A-SMGCS系统能够接入并处理SMR、二次雷达、ADS-B、MLAT等点迹、航迹数据以及点航迹混合数据，可以处理的数据格式包括ASTERIX协议的CAT10、CAT21、CAT34等和MH/T-4008的001、002、003等。系统解码程序能根据报文协议格式，将报文数据解码成为目标对象。处理后的目标对象包含数据源识别信息、目标识别信息、时间信息、位置信息、位置精度信息、状态信息和错误/告警信息等。

（2）异常数据处理。系统具有处理异常数据的功能，单个传感器输入的异常数据对系统航迹不产生影响。系统检查输入数据的长度编码、区域和系统识别码，对编码错误的数据和非法数据进行过滤；检查数据的关键数据项，如位置、C模式高度、速度、雷达二次应答机编码有效性等，对于不合格数据进行过滤处理；对雷达数据、ADS-B数据关键项进行实时检查时参考飞行器性能以及ICAO相关标准，当接收到的数据项值超过上述范围后，系统会将该项数据置为无效。

（3）数据坐标转换。由于各个监视传感器没有统一的坐标系基准，不同监视传感器数据测得的目标位置数据都在各自坐标系中。场面监视雷达采用的是以雷达自身为原点的极坐标系下的斜距、方位角和仰角。ADS-B 目标位置采用WGS-84 坐标系的经纬度，MLAT 目标位置采用该系统参考点为原点的笛卡尔坐标系。为了对各路监视数据进行处理，系统会将各传感器得到的目标位置信息统一转换到WGS-84 大地直角参考坐标系中，以便于后续的数据融合处理。监视数据预处理流程如图4 所示。

2.1.2 监视数据融合

监视数据融合系统包括对监视数据预处理后的各类数据（SMR 数据、ADS-B 数据、MLAT 数据）的融合处理、航迹动态跟踪、初始航迹抑制、目标识别等功能。

（1）航迹关联。系统通过对各传感器航迹数据的识别信息、位置、速度、加速度、目标大小等特征信息的处理，实现场面近距离目标间航迹关 联[4]。协作式监视源（如ADS-B 和MLAT）航迹关联首先依据目标监视信息中的识别信息判断是否为同一目标。识别信息包括目标24 位地址码、二次代码、呼号、目标类型等，若识别信息不同则判断为不同航迹，若识别信息一致，则计算航迹间一定时间内的间距，若距离小于设定的阈值，则判断为同一航迹。非协作式监视源（如SMR）关联主要依据目标的位置、速度、加速度等信息判断是否为同一目标的航迹。

（2）航迹融合。在A-SMGCS 系统中，航迹融合作为一个非常有力的多源数据处理工具，将来自SMR、ADS-B 和MLAT 等多个监视传感器的数据进行融合，获得比单一监视传感器更精确和完整的目标监视信息，从而提供管制人员机场场面的全面交通态势信息。航迹融合通过构建目标状态矢量的动力学模型和观测模型，采用多种数据滤波算法，对多路监视传感器的数据进行融合，生成系统综合航迹信息[5]。综合航迹充分利用了各个监视传感器数据的互补性和冗余性，较单一传感器的航迹更为精确和稳定。

2.2 飞行数据处理

飞行数据处理功能主要实现了接收和处理AFTN 电报、同步ATC 计划、人工创建计划、维护计划的整个生命周期，飞机计划与航迹相关、管制的移交和协调、管制扇区的管理等。

2.2.1 民航电报处理

系统自动接收电报后，首先对报文进行验证，过滤重复或过期的报文，避免系统负荷加大。然后将有效电报保存到数据库中，并可以供实时显示、查询。系统在对报文类型进行识别后，按照行业固定电报格式标准进行报文的解析，提取出航班状态、起飞机场、落地机场、航班号等重要信息，以此来创建或更新飞行计划。在对报文进行解析时，如果发现报文的格式错误或缺少对应的基础信息，则会给出相应的错误告警提示，对错误报文或不完整报文，用户可以进行修改，并将处理正确的报文按标准格式对外输出并保存。

2.2.2 飞行计划处理

系统将依据重复性飞行计划和接收到的实时飞行电报，自动生成系统飞行计划。飞行计划生成后，系统根据接收到的报文或人工修改的数据以及飞行所处的阶段自动管理飞行计划状态。飞行计划状态包括将来、准备、激活、结束、取消等。飞行计划处理功能主要处理重复性飞行计划、次日飞行计划、当日飞行计划以及执行的飞行计划，并接收监视数据处理系统发过来的综合航迹自动更新飞行计划的状态和飞行计划内的机型、预计起飞时间、飞行规则等信息。系统将处理过的飞行计划信息分发给有关用户席位进行飞行计划列表显示、飞行计划航迹显示、电子进程单显示、纸质进程单打印，进行飞行冲突探测以及进行管制中心和扇区之间的管制移交。

2.2.3 飞行计划与航迹相关

飞行计划与航迹相关即为航迹挂标牌，系统实时接收综合航迹，并查找匹配的飞行计划，一旦航迹与飞行计划相关，则飞行计划信息就会显示在综合航迹上，管制人员就可以直观查看所管制航迹的飞行计划。飞行计划与航迹相关按照如下顺序和优先级进行计算：

（1）S 模式雷达或ADS-B 信息中24 位地址码；

（2）相同的二次代码。如果航迹中不存在呼号信息，二次代码将被用于相关；

（3）相同的航班号。如果航迹中存在航班号信息，该信息将与飞行计划中的航班号信息进行比较，通过航迹与飞行计划中的航班号相关。

为了保证自动相关不发生错误，并在此条件下尽量提高系统的自动相关率，系统主要考虑了以下四种因素：

（1）计划航迹与真实航迹的时间偏差；

（2）计划航迹与真实航迹的速度偏差；

（3）计划航迹与真实航迹位置误差；

（4）计划航迹与真实航迹的方向偏差。

3 A-SMGCS 在重庆机场中的应用

目前重庆机场有T1、T2 和T3A 三座航站楼和三条跑道，成为国内第四家具有三条跑道同时运行机场。飞行区内有停机位174 个，其中近机位92个，远机位92 个；平行滑行道9 条，东西区垂直联络滑行道9 条，垂直跑道穿越道22 条，快速脱离道23 条，场面布局十分复杂。此外重庆机场特有的跑道布局，使机场场面运行更加复杂，即第一跑道、第二跑道间隔较小，两条跑道同时运行时只能一条负责起飞，另一条负责降落；第三跑道与第二跑道（第一跑道）为独立平行运行跑道，可以同时负责飞机的起降。T3A 航站楼U 型机坪增加了场面运行的复杂性且高大建筑物遮挡管制视线，这些都对重庆机场的场面运行效率、安全水平、容量造成极大的压力。

A-SMGCS 系统在重庆机场建成投用后，通过引接多种场面监视传感器数据，处理并融合可得到高精度的目标定位，通过自动/人工识别，可将目标与飞行计划相关，使管制员得到翔实的机场交通态势信息，而有效地避免场面活动目标冲突的发生，显著地增强管制员对场面交通态势的感知能力。同时，重庆机场A-SMGCS 系统不是一个孤立的系统，该系统可作为重庆机场现有场面监视技术手段的有效补充，可实现场面运行状态展示、数据分析及报警，重庆机场各运行保障单位使用“一张图”共同构建统一机场场面活动与调度系统，从而全面提升重庆机场场面的运行效率和安全管理水平，降低航班延误，减少飞机滑行时间。

4 结语

目前，民用运输机场被认为是空中交通管制自动化管理的薄弱环节，机场航班延误造成空中交通管制的总体延误。民航业的迅猛发展，巨大航班量对机场场面运行造成机场拥堵、航班延误，场面交通安全风险极大。因此，最大限度地提升机场场面监视和控制能力显得尤为重要。重庆机场A-SMGCS 系统利用信息化技术，通过对现有的场面监视传感器数据（SMR、MLAT 和ADS-B 等）集成和处理，实现对机场场面航空器和保障车辆等运动目标的自动化监视，能够显著提升机场的容量，大大提升场面运行的安全保障能力，降低航班延误和减少航班滑行时间，提高机场的运行管理效率。