基于非對稱融合結(jié)構(gòu)設(shè)計的空管自動化系統(tǒng)多監(jiān)視源融合處理方案

張震亞 馬正穎 席楊

引言：

近年來，隨著民航領(lǐng)域不斷引入廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）、廣域多點定位系統(tǒng)（MLAT）等新型監(jiān)視手段，不同空管自動化系統(tǒng)現(xiàn)場引接的監(jiān)視源信號結(jié)構(gòu)逐漸向復雜化、非標準化發(fā)展，傳統(tǒng)的基于對稱融合結(jié)構(gòu)的空管自動化系統(tǒng)航跡融合方案已逐漸不能滿足不同監(jiān)視源信號引接情況的民航空管現(xiàn)場的實際使用需要。

萊斯NUMEN系列空管自動化系統(tǒng)作為目前最新架構(gòu)的空管自動化管制系統(tǒng)，具備成熟的、基于非對稱融合結(jié)構(gòu)的空中目標監(jiān)視源多路融合處理能力，在北京、上海、廣州、貴陽、長春、青島、長沙、杭州、南京、廈門、福州、汕頭、烏魯木齊、大連、沈陽、蘭州、西寧、南寧、昆明等全國各地區(qū)域的區(qū)管、大/中/小型機場等空管現(xiàn)場具有多年的穩(wěn)定使用經(jīng)驗，在滿足不同現(xiàn)場信號引接條件的同時，可持續(xù)為管制員提供滿足民航管制精度需求的綜合目標航跡。

本文結(jié)合NUMEN系列空管自動化系統(tǒng)的實際融合結(jié)構(gòu)設(shè)計，對多監(jiān)視源融合處理方案在民航空管自動化系統(tǒng)中的應用進行介紹和探討。

一、多類型監(jiān)視源數(shù)據(jù)前置處理

目前民航領(lǐng)域建設(shè)的各廠家空管自動化系統(tǒng)通常支持多種類型監(jiān)視數(shù)據(jù)的前置處理，包括一次/二次航管雷達、S模式雷達、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）、廣域多點定位系統(tǒng)（MLAT）等。系統(tǒng)需要對多類型監(jiān)視源數(shù)據(jù)進行前置預處理，完成監(jiān)視源報送的原始信號數(shù)據(jù)格式解析和合法性檢查（包括CRC校驗、數(shù)據(jù)幀格式檢查、SAC/SIC檢查、時標檢查等），并依據(jù)監(jiān)視源報告的質(zhì)量指標過濾低質(zhì)量不可信數(shù)據(jù)，為后續(xù)航跡融匯處理提供穩(wěn)定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐。

通常來說，實際應用于民航場景的空管自動化現(xiàn)場一般以航管雷達和ADS-B信號為主要監(jiān)視源。其中，航管雷達作為傳統(tǒng)的空中目標監(jiān)視信號，其信號性能穩(wěn)定，位置信息可靠，更新周期較長（通常為4～12秒）。ADS-B作為近年來快速發(fā)展的新型目標監(jiān)視源，具有建設(shè)成本低，更新周期快（通常≤1秒），位置精度高（理論精度可到達米級甚至厘米級）等特征。然而，由于ADS-B報告的位置信息依賴于機載設(shè)備的定位結(jié)果（包括GPS定位系統(tǒng)、慣導定位系統(tǒng)等），其報送位置的整體可信度和均一度均低于基于統(tǒng)一觀測原理的航管雷達。故目前民航場景的各地管制現(xiàn)場往往將ADS-B作為航管雷達的輔助監(jiān)視源進行補充使用[1]。

二、基于非對稱融合結(jié)構(gòu)設(shè)計的監(jiān)視源處理方案

根據(jù)實際民航用戶的管制范圍和現(xiàn)場硬件設(shè)施標間差異，空管自動化系統(tǒng)現(xiàn)場引接的信號源規(guī)?？缮僦羶H為1～2部ADS-B信號，也可多至數(shù)十部航管雷達及數(shù)十部ADS-B信號。

對于常規(guī)引接多路航管雷達監(jiān)視源及ADS-B監(jiān)視源的空管自動化現(xiàn)場，傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的融合處理模塊往往采用對稱系統(tǒng)設(shè)計，將航管雷達與ADS-B數(shù)據(jù)同時分別進行二級融合后傳至一級模塊進行最終融合處理;或?qū)⒃紨?shù)據(jù)直接傳至一級模塊進行最終融合處理。

以上的兩種對稱融合方案各自存在一定的固有缺陷，前者由于對更新周期較長的航管雷達數(shù)據(jù)進行了兩級融合處理，將引入無法忽視的二次處理延遲，從而導致最終融合得到的綜合航跡較原始航管雷達數(shù)據(jù)有較為明顯的時延損耗;后者為規(guī)避兩級融合帶來的處理時延，取消了二級融合模塊，在大型自動化系統(tǒng)現(xiàn)場引接信號源較多的情況下，往往給一級系統(tǒng)處理引入過大的處理負荷，對于整個自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來隱患。

考慮以上兩類對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計的固有缺陷，結(jié)合多年來各地空管自動化系統(tǒng)的實際使用經(jīng)驗，近年來NUMEN系列空管自動化系統(tǒng)在進行航跡融合處理時通常采用非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，將新型監(jiān)視源（ADS-B/MLAT）信號進行融合后得到的二級合成航跡與原始航管雷達數(shù)據(jù)并行送入一級模塊進行最終融合。

基于該非對稱融合結(jié)構(gòu)設(shè)計的自動化系統(tǒng)融合方案，可有效避免航管雷達因二次融合造成的長時間信號延遲，并保留了航管雷達信號在參與最終融合處理中的橫向可選擇性，同時通過對ADS-B、MLAT等高頻率更新的新型監(jiān)視源的網(wǎng)絡(luò)信號進行二級融合，以減輕一級融合模塊的處理負擔，降低監(jiān)視源網(wǎng)絡(luò)信號數(shù)據(jù)風暴可能造成的一級融合模塊過載風險。

通過近年來各地實際現(xiàn)場實施情況來看，無論是僅引接少量ADS-B信號的中小型機場終端，還是同時引接多部航管雷達和ADS-B信號的區(qū)管/大型機場管制系統(tǒng)均可靈活使用該架構(gòu)，符合當前民航空管系統(tǒng)設(shè)計的方向需求。系統(tǒng)融合航跡經(jīng)過多次現(xiàn)場校飛測試驗證，其精度能夠滿足現(xiàn)場管制運行的要求。

三、基于自適應場景FAHP的航跡融合處理算法

基于多年來各地空管現(xiàn)場實施經(jīng)驗及使用經(jīng)驗，NUMEN系列空管自動化系統(tǒng)形成了一套獨有的，基于自適應場景模糊層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）的航跡融合處理算法，以實現(xiàn)較國內(nèi)外傳統(tǒng)空管自動化系統(tǒng)[2]適應性更強，靈活度更高的航跡融合處理效果。

NUMEN系列空管自動化系統(tǒng)在融合判定中，自動調(diào)整航空器各判斷因素在不同場景下對于最終結(jié)果的影響權(quán)重，根據(jù)各類實際航空器的飛行場景采用自適應的融合門限窗口設(shè)計。例如對于目標之間的距離因素，系統(tǒng)設(shè)計有“≤1KM”/“ ≤1.5KM”/“ ≤5KM”/“ ≤7KM”/“ ≤15KM”/“ ≥15KM”等多種門限窗口，根據(jù)航空器實時所處的不同空域、高度、速度情況，自適應選取恰當?shù)奈恢瞄T限參數(shù)。在不同的條件場景組合情況下，如高空ADS-B信號與航管雷達信號融合，低空航管雷達與航管雷達融合、低空ADS-B信號與MLAT信號融合等情況，系統(tǒng)會自動切換不同的融合判斷處理流程，并相應調(diào)整各判斷因素的融合權(quán)重，進而得出不同的結(jié)論，實現(xiàn)最終融合效果在多場景下自適應模糊匹配。

例如，針對位于近場附近區(qū)域的起降航空器，其空間判斷因素（距離/高度/速度等）差異很小，系統(tǒng)將自動增大二次代碼/地址碼等固有身份因素的判斷權(quán)重，盡可能防止近距離起降目標或場面目標發(fā)生錯誤融合情況;位于ACC區(qū)域的高空目標，航空器固有身份因素（二次代碼/地址碼等）的影響權(quán)重將自動降低，系統(tǒng)將綜合考慮空間判斷因素（距離/高度/速度等）的差異情況，防止因二次代碼/地址碼等身份信息沖突情況造成的目標錯誤融合。

四、可靈活調(diào)整的系統(tǒng)特殊融合處理區(qū)域

在多場景自適應模糊匹配的基礎(chǔ)上，NUMEN系列空管自動化系統(tǒng)支持通過數(shù)據(jù)庫DBMS工具圖形化界面對于不同類型的各個信號源進行特殊的單監(jiān)視源處理區(qū)域設(shè)置?？晒┰O(shè)置的特殊處理區(qū)域包括但不限于：監(jiān)視源生效區(qū)、監(jiān)視源丟失區(qū)、監(jiān)視源初始航跡抑制區(qū)、監(jiān)視源融合優(yōu)先級區(qū)、監(jiān)視源不信任區(qū)等。

4.1監(jiān)視源生效區(qū)

該區(qū)域用于限制單路監(jiān)視源的生效范圍，通常包含監(jiān)視源的理論有效覆蓋半徑。系統(tǒng)對區(qū)域以外報告的單監(jiān)視源航跡直接進行丟棄處理。

4.2監(jiān)視源丟失區(qū)

該區(qū)域用于剔除單路監(jiān)視源的無效區(qū)域，通常包含監(jiān)視源的理論盲區(qū)。系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)部報告的單監(jiān)視源航跡直接進行丟棄處理。

4.3監(jiān)視源初始航跡抑制區(qū)

該區(qū)域用于剔除單路監(jiān)視源的假目標頻發(fā)的敏感區(qū)域，系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)部新生成的單監(jiān)視源航跡直接進行抑制處理，但對從外部經(jīng)過的單監(jiān)視源航跡不做任何抑制處理。

4.4監(jiān)視源融合優(yōu)先級區(qū)

該區(qū)域用于多監(jiān)視源優(yōu)選處理。當某一航跡可被多路監(jiān)視源進行跟蹤時，利用該區(qū)域可調(diào)節(jié)不同監(jiān)視源報告的單路航跡信息在最終的融合航跡中貢獻成分的優(yōu)先級比重。

4.5監(jiān)視源不信任區(qū)

該區(qū)域用于低質(zhì)量監(jiān)視源剔除處理。當某一航跡可被多路監(jiān)視源進行跟蹤時，利用該區(qū)域可在多路監(jiān)視源航跡中自動剔除已經(jīng)明確為低質(zhì)量的單監(jiān)視源航跡信息;若某一目標無法被多路監(jiān)視源冗余覆蓋監(jiān)視，只能被一路不信任區(qū)內(nèi)的單監(jiān)視源發(fā)現(xiàn)并進行跟蹤時，則系統(tǒng)不再進行任何剔除處理。

根據(jù)各地空管自動化系統(tǒng)現(xiàn)場用戶多年使用反饋，通過各類特殊處理區(qū)域的設(shè)置，廠家技術(shù)人員及用戶均能夠方便快捷地修改各監(jiān)視源在不同空域范圍內(nèi)對系統(tǒng)最終融合航跡的影響效果，以實現(xiàn)現(xiàn)場信號源的最大化可靠利用，減少低質(zhì)量信號源對最終融合跡的不良干擾。在現(xiàn)場某一監(jiān)視源出現(xiàn)偶發(fā)性故障或監(jiān)視源性能變化等特殊情況時，也可以方便地由現(xiàn)場用戶臨時調(diào)整航跡融合效果，保證現(xiàn)場綜合航跡隨時具備穩(wěn)定可用的精度與可靠性。

五、結(jié)束語

基于國內(nèi)外多個空管現(xiàn)場用戶的多年使用反饋體驗，經(jīng)過各現(xiàn)場每年進行的航跡融合精度校飛測試結(jié)果驗證，NUMEN系列空管自動化系統(tǒng)的航跡融合處理設(shè)計結(jié)構(gòu)符合當前民航空管自動化系統(tǒng)發(fā)展方向，可提供滿足區(qū)管、大/中/小型機場、塔臺/機坪管制等各類不同用戶需求的高精度系統(tǒng)融合航跡，為管制現(xiàn)場的空中交通飛行安全保障提供可靠指導依據(jù)。所提供的穩(wěn)定可靠的航空器目標航跡將進一步為自動化系統(tǒng)各類衍生功能，如安全告警功能、航空器4D軌跡運算功能等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為提高運行現(xiàn)場空中交通管制效率提供可靠的參考依據(jù)。

參? 考? 文? 獻

[1]肖玉，成捷，賀姿.多雷達與ADS-B數(shù)據(jù)融合處理方法的研究與優(yōu)化[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2018，36（08）：42-43.

[2]陽宇.多源相關(guān)監(jiān)視雷達數(shù)據(jù)融合研究[D].電子科技大學，2012.