通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)設(shè)計及監(jiān)視數(shù)據(jù)融合算法研究

陳威強

摘要：為完善我國低空空域的服務(wù)保障體系，在現(xiàn)行的空管體系下建立通用航空服務(wù)保障系統(tǒng)。結(jié)合民航現(xiàn)行管理體系以及通用航空用戶的需求，提出了一套較為成熟的通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)的設(shè)計，同時對多種監(jiān)視數(shù)據(jù)源融合算法進行了簡要分析和驗證。通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)的設(shè)計能夠更好地為通航用戶提供必要的飛行服務(wù)，從而更好地保證通航飛行器高效、安全的飛行。

Abstract： In order to improve the service guarantee system of low-altitude airspace in China， a general aviation service guarantee system is established under the current air traffic control system. Combined with the current civil aviation management system and the needs of general aviation users， a more mature general aviation flight service station system design is proposed. At the same time， a variety of monitoring data source fusion algorithms are briefly analyzed and verified. The general aviation flight service station system is designed to better provide the necessary flight services for the navigation users， thus better ensuring efficient and safe flight of the navigable aircraft.

關(guān)鍵詞：通用航空;飛行服務(wù)站;數(shù)據(jù)融合

Key words： general aviation;flight service station;data fusion

中圖分類號：V249;TP202 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0142-04

0 ?引言

近年來高速發(fā)展的通用航空產(chǎn)業(yè)，在整個航空產(chǎn)業(yè)中占有越來越重要的地位。根據(jù)國務(wù)院中央軍委《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》和國務(wù)院辦公廳《關(guān)于促進通用航空業(yè)發(fā)展的指導意見》，到2020年底，我國將建成500個以上通用機場，通用航空器達到5000架以上，年飛行量200萬小時以上。隨著通用航空飛行量不斷增加的急迫需求，結(jié)合國家戰(zhàn)略發(fā)展的總體規(guī)劃，低空空域管理改革已成為當前一項緊迫而重大的現(xiàn)實任務(wù)。而深化低空空域管理改革的主要任務(wù)和措施之一就是完善通用航空服務(wù)保障體系。在現(xiàn)行的空管體系下，按照區(qū)域（地區(qū)）、分區(qū)（終端區(qū)）和飛行服務(wù)站三級服務(wù)管理架構(gòu)，建立通用航空服務(wù)保障體系[1]。本文根據(jù)民航空管現(xiàn)行體系以及通用航空用戶的需求，對飛行服務(wù)站系統(tǒng)進行初步設(shè)計及其相關(guān)技術(shù)進行簡要分析和研究。

1 ?通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)架構(gòu)

在現(xiàn)行的空管體系下，通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)一般由區(qū)域信息處理中心和飛行服務(wù)站終端及設(shè)施組成。其中，區(qū)域信息處理中心負責與國家通航信息處理中心（一級）通過民航ATM網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，與所轄區(qū)內(nèi)的通航服務(wù)站（三級）建立運行關(guān)系，與相關(guān)區(qū)域的通航信息服務(wù)中心（二級）、民航區(qū)域管制中心、軍區(qū)空軍航管中心建立數(shù)據(jù)交換通報關(guān)系;飛行服務(wù)站系統(tǒng)負責與所在通航信息服務(wù)中心（二級）、所在飛行管制分區(qū)、通用航空用戶建立業(yè)務(wù)運行關(guān)系[2]。如圖1所示。

區(qū)域信息處理中心依托現(xiàn)有空管體系和飛行服務(wù)產(chǎn)品，充分利用相關(guān)信息資源，通過各個模塊分別實現(xiàn)向飛行服務(wù)站提供所需航空情報、氣象情報等信息，匯總及轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)飛行情報信息，收集和發(fā)布天氣報告、告警信息等功能。

通航飛行服務(wù)站主要實現(xiàn)收集、上報服務(wù)范圍內(nèi)低空通用航空的航空情報原始資料和數(shù)據(jù);提供飛行所需的航空情報和氣象服務(wù);協(xié)助通用航空用戶申報飛行計劃，負責將飛行計劃分發(fā)至相關(guān)飛行服務(wù)站和區(qū)域內(nèi)飛行計劃管理單位，并根據(jù)對飛行計劃的反饋情況確認其可行性;接收其他飛行服務(wù)站發(fā)來的飛行計劃，轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)飛行計劃管理單位，并反饋飛行計劃處理結(jié)果;掌握并上報飛行計劃及實施情況;掌握并上報服務(wù)范圍內(nèi)空域動、靜態(tài)信息;提供告警和協(xié)助救援服務(wù);提供飛行中服務(wù);提供監(jiān)視服務(wù)。

2 ?通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)功能設(shè)計

通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)是一個以面向通用航空用戶提供相關(guān)的飛行服務(wù)為背景的服務(wù)平臺。結(jié)合民航各行業(yè)（如空管部門）及通用航空用戶的需求，設(shè)計的通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)主要包含以下子系統(tǒng)：飛行計劃服務(wù)子系統(tǒng)、情報服務(wù)子系統(tǒng)、氣象服務(wù)子系統(tǒng)、告警與協(xié)助救援服務(wù)子系統(tǒng)、低空空域監(jiān)視服務(wù)子系統(tǒng)和輔助用監(jiān)控子系統(tǒng)。

2.1 飛行計劃服務(wù)子系統(tǒng)

飛行計劃服務(wù)子系統(tǒng)采用MQ（消息隊列）方式獲取民航空管系統(tǒng)地區(qū)飛行計劃集中處理系統(tǒng)的航班計劃數(shù)據(jù)。飛行計劃集中處理系統(tǒng)通過MQ方式將航班計劃信息發(fā)布至消息隊列，飛行計劃服務(wù)子系統(tǒng)通過每分鐘輪詢的方式獲取航班計劃信息，并更新至數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)通過MQ方式實現(xiàn)飛行計劃數(shù)據(jù)與飛行服務(wù)站系統(tǒng)、國家通航信息處理中心的數(shù)據(jù)交換。

2.2 氣象服務(wù)子系統(tǒng)

氣象服務(wù)子系統(tǒng)按所處理與顯示的信息類別進行功能劃分，可分為氣象數(shù)據(jù)采集模塊、氣象數(shù)據(jù)處理模塊、氣象產(chǎn)品顯示模塊、氣象數(shù)據(jù)上報模塊和氣象數(shù)據(jù)接口模塊。組織架構(gòu)如圖2。

2.3 情報服務(wù)子系統(tǒng)

情報服務(wù)子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)引接、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)日志、數(shù)據(jù)上報、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊。

該系統(tǒng)主要功能為：接收并處理通航飛行相關(guān)的航行通告數(shù)據(jù);采集處理飛行服務(wù)站上報的情報數(shù)據(jù)，包括：通用航空機場、服務(wù)范圍內(nèi)有關(guān)航行的設(shè)施設(shè)備基本信息，有關(guān)航行的設(shè)施、服務(wù)、程序等的運行狀態(tài)、變化，以及涉及航行安全的危險情況及其變化的通知，并且將處理后的數(shù)據(jù)分發(fā)給所需的各飛行服務(wù)站;實現(xiàn)對上報數(shù)據(jù)以及處理后情報數(shù)據(jù)的可視化展示功能。

2.4 告警與協(xié)助救援服務(wù)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括了告警數(shù)據(jù)收集與處理模塊和協(xié)助救援數(shù)據(jù)處理模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，通過不同數(shù)據(jù)接口從民航地區(qū)空管局氣象中心、通航服務(wù)中心收集處理告警服務(wù)綜合數(shù)據(jù);飛行服務(wù)站用戶可根據(jù)條件進行查詢區(qū)域內(nèi)的相關(guān)協(xié)助救援信息和事故區(qū)域的救援定位分析數(shù)據(jù)。具體功能如圖3所示。

2.5 低空空域監(jiān)視服務(wù)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)可引接二級數(shù)據(jù)處理中心ADS-B、廣域 MLAT（多點定位系統(tǒng)）以及場面MLAT數(shù)據(jù)，對低空通航飛行區(qū)域進行通航飛行動態(tài)進行監(jiān)視。該模塊包含MLAT/ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)引接、顯示與告警、綜合航跡輸出功能。其數(shù)據(jù)引接流程如圖4所示。

2.6 輔助用監(jiān)控子系統(tǒng)

輔助用監(jiān)控子系統(tǒng)用于對業(yè)務(wù)模塊的功能邏輯執(zhí)行情況和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)情況進行監(jiān)控，通過該子系統(tǒng)可以讓用戶實時地把握各個子系統(tǒng)的運行情況，一旦某個系統(tǒng)出現(xiàn)異?？梢约皶r地對故障進行處理，提高處理故障或者異常的處理能力;該子系統(tǒng)主要的監(jiān)控項包括：通航計劃執(zhí)行情況、報文收發(fā)情況、數(shù)據(jù)庫訪問情況、各個系統(tǒng)訪問情況、接口服務(wù)運行情況等。

被監(jiān)控的各模塊通過UDP包方式定期發(fā)送自身狀態(tài)信息，該信息經(jīng)過數(shù)據(jù)接收、處理模塊實現(xiàn)夠告警信息內(nèi)容和等級的判斷;告警配置管理模塊負責對告警的等級、判斷周期等內(nèi)容進行設(shè)置;通過WEB應用服務(wù)的方式獲取告警結(jié)果，用于在用戶方的功能呈現(xiàn)。

3 ?低空空域監(jiān)視服務(wù)子系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)融合算法及其實現(xiàn)

由于通航飛機活動的范圍高度較低，通常在1000米以下，目前空管使用的一次和二次雷達由于工作方式的影響，無法對通航飛機活動范圍進行完全覆蓋。所以目前低空空域監(jiān)視服務(wù)子系統(tǒng)可采用低成本全覆蓋的綜合監(jiān)視手段，例如ADS-B、廣域MLAT和場面MLAT等。因此該系統(tǒng)應具有異類多源監(jiān)視數(shù)據(jù)融合的功能，為通航用戶提供智能化、可視化的遠程監(jiān)視系統(tǒng)，也為空管或民航管理部門提供精確的、實時性強的、更新率高的低空空域活動目標的位置及相關(guān)信息。

系統(tǒng)通過引接ASTERIX CAT 021格式的ADS-B數(shù)據(jù)、ASTERIX CAT 010的場面MLAT數(shù)據(jù)以及ASTERIX CAT 020的廣域MLAT數(shù)據(jù)等多元監(jiān)視數(shù)據(jù)進行融合處理，形成系統(tǒng)航跡。該系統(tǒng)航跡進一步與綜合雷達航跡融合形成綜合航跡并對外輸出和顯示。如圖5所示。

圖5中，為提高各類監(jiān)視數(shù)據(jù)處理的精度，低空空域監(jiān)視服務(wù)子系統(tǒng)采用濾波法對數(shù)據(jù)進行濾波處理，形成局部航跡（如ADS-B航跡、MLAT航跡等），濾波法是現(xiàn)代最優(yōu)估計理論的一種，對監(jiān)視數(shù)據(jù)進行濾波（如卡爾曼濾波）處理的目的是盡量減少各種干擾造成的誤差，從而得到誤差最小的航跡。而航跡融合處理部分則是對濾波之后的局部航跡采用航跡融合算法，形成更加精確的綜合航跡。

對于各種監(jiān)視數(shù)據(jù)的融合，由于各監(jiān)視數(shù)據(jù)源的時間周期以及空間坐標各異的問題，在進行數(shù)據(jù)融合之前首先要解決時間對準和空間對準問題，將各數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個時間點和空間坐標。時間對準常用的方法有時序探測法和目標狀態(tài)外推法等。而空間對準一般可采用空間坐標準換將其統(tǒng)一到相同坐標系統(tǒng)中。這兩個問題都有較為成熟的解決方案[3]，在此不多做討論。而監(jiān)視數(shù)據(jù)融合算法目前常用的有：馬賽克算法、加權(quán)協(xié)方差法、線性組合算法以及分層融合算法等。其中，應用最廣的是加權(quán)協(xié)方差法。加權(quán)協(xié)方差法是根據(jù)最小方差的原則，以各監(jiān)視數(shù)據(jù)源對目標的狀態(tài)估計的不同精度為依據(jù)，構(gòu)造加權(quán)系數(shù)，最優(yōu)融合所有的估計值。

由此可知，通過對N個互相獨立監(jiān)視數(shù)據(jù)源按照最小估計誤差協(xié)方差原則分配每個數(shù)據(jù)源的權(quán)重系數(shù)，融合能夠得到目標飛行器的最優(yōu)估計。

在工程應用方面，依托于某型通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)對多種數(shù)據(jù)融合算法進行了實驗驗證，在某地區(qū)空管站引接了2部雷達信號和1路ADS-B數(shù)據(jù)站信號（有多個ADS-B地面站數(shù)據(jù)）進行數(shù)據(jù)融合。顯示效果如圖6所示。由于目前該系統(tǒng)引接的是空管系統(tǒng)部署的航管雷達和ADS-B系統(tǒng)信號，顯示界面出現(xiàn)了密集的民航運輸航班飛行器，未來的通用航空飛行服務(wù)站用戶還可根據(jù)所轄高度范圍、水平范圍等條件篩選出通航飛行器動態(tài)進行監(jiān)視。

實驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)能對某機場附近空域的航路飛越航空器和進近的航空器均能進行精確的監(jiān)視，而且也實現(xiàn)了長時間的精確跟蹤，監(jiān)控的有效范圍達到了250Nm。當前雷達信息的間隔誤差是終端<0.16Nm，航路<0.80，而ADS-B的要求其監(jiān)視的終端區(qū)域位置精度<0.1Nm，航路位置精度<0.3Nm。因而本系統(tǒng)實現(xiàn)的精度誤差不大于0.1Nm（終端區(qū)域）和0.3Nm（航路）。而且由于系統(tǒng)引入了ADS-B信息的報告頻率較高（一般可配置為1s-10s），因此融合后的系統(tǒng)綜合航跡也更加平滑，也提高了監(jiān)視的可靠性和穩(wěn)定性。

4 ?結(jié)束語

目前，可用于獲取通用航空飛行器實時位置及相關(guān)狀態(tài)信息的監(jiān)視手段有很多種，例如一次雷達、二次雷達、ADS-B和多點定位系統(tǒng)（MLAT）等，但我國現(xiàn)階段對低空監(jiān)視方面的研究和應用尚不成熟，對于我國的通用航空而言，相關(guān)的應用和研究剛剛起步。僅僅依靠目前空管部門部署的傳統(tǒng)的一、二次雷達，還不能實現(xiàn)對通用航空監(jiān)視空域的完全覆蓋。在諸多新的監(jiān)視技術(shù)中，ADS-B的部署和維護成本最低，但ADS-B是一種非獨立的協(xié)同式監(jiān)視技術(shù)，需要通航飛行器的配合才能獲取相應的定位等信息，而且需要GNSS系統(tǒng)的支持才能保證ADS-B所獲取信息的完整性和有效性。而MLAT作為一種獨立的協(xié)同監(jiān)視技術(shù)，可以監(jiān)視低空空域和場面目標的信息。因此本文對通用航空飛行服務(wù)站系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行探究，將ADS-B和MLAT數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的一、二次雷達數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)多種監(jiān)視手段的優(yōu)勢互補，提高監(jiān)視數(shù)據(jù)的可靠性和精確性。從而為通用航空飛行器提供精確的、實時性強的位置信息和相關(guān)信息，有效地保障了通用航空的飛行的安全。

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