北京航空航天大学：现代空中交通管理--教学-第五章-空管监视系统PPT课件

1 第五章空管监视系统 5 1雷达监视原理5 2自动相关监视系统 ADS 5 3ADS与雷达数据融合处理5 4广播式自动相关监视系统 ADS B 2 第五章空管监视系统 5 1雷达监视原理5 2自动相关监视系统 ADS 3 5 1雷达监视原理 RADAR RAdioDetectionAndRanging 任务 发现目标 测量目标种类 一次监视雷达和二次监视雷达一次监视雷达是反射式雷达二次雷达也叫空管雷达信标系统 4 5 1雷达监视原理 一次雷达工作方式 雷达发射无线电波 经空间传播至目标 目标被电波照射后辐射二次电波并沿雷达发射反方向返回 雷达接收机接收返回信号 确定目标位置 一次雷达在显示目标时 目标大小和亮度受到目标和天线间距 大气相对传导性 目标的雷达截面积 地面杂波等等因素影响 并且无法识别目标身份 难以满足空中交通管理要求 5 5 1雷达监视原理 二次雷达工作方式 由地面询问机和机载应答机配合而成 采用的是问答方式 地面二次雷达发射机发射1030MHz的脉冲信号 向机载设备发出询问 机载应答机接收到有效询问信号后产生相应的频率为1090MHz的应答信号并向地面发射 地面接收机接收到应答机信号 经过计算机系统处理后获得所需信息 6 5 1雷达监视原理 二次雷达系统相对一次雷达的特点发射功率较小二次雷达的工作与飞机的反射面积无关 对同样工作距离 二次雷达地面发射功率比一次雷达小得多 不存在目标闪烁现象二次雷达回波是由机载应答机主动辐射的信号形成 不是目标反射能量形成 因而与目标的反射面积无关 回波不会由于目标姿态变化及散射而忽强忽弱 避免闪烁现象 7 5 1雷达监视原理 二次雷达系统相对一次雷达的特点干扰杂波较少二次雷达系统的接收频率和发射频率不同 各种地物 气象目标对1030MHz发射的反射信号 不会被1090MHz的接收机所接收 基本上没有上述杂波干扰 提供的信息丰富距离和方位信息飞机代码信息飞机气压高度信息 8 5 1雷达监视原理 二次雷达发射成对脉冲 不同时间间隔确定不同工作模式民航目前使用A C模式 新航线系统出现S模式 9 5 1雷达监视原理 二次雷达系统的应答机在接收到询问信号后发出不同形式的编码信号应答信号是一个脉冲序列 它的第一和最后一个脉冲标分别标识起始与终止 除中间一个脉冲备用外 其余12个脉冲组成一个八进制编码系统 形成一个4位数编码 A模式询问脉冲 应答代表飞机识别号码C模式询问脉冲 应答代表高度 10 5 1雷达监视原理 应答脉冲序列 应答码 A模式下结论 飞机的标识号为6457 11 5 1雷达监视原理 旁波瓣干扰问题二次雷达的旋转天线在发出信号时 主波从正前方发出 同时在主波周围发射低能量旁波瓣 如果应答机对这些波瓣应答 会出现假信号 设置一根全向天线 在询问脉冲对的第一个脉冲后2 s发出脉冲 强度与脉冲对相等 如果应答机接到3个脉冲强度相等 表明收到的是主波瓣的信号 给予回答 如果收到的信号中 中间一个强而前后弱 表明收到的是旁波瓣的脉冲 不予回答 从而避免干扰 12 5 1雷达监视原理 旁波瓣抑制图示 13 5 1雷达监视原理 应答信号混叠问题在询问信号作用范围内的飞机 会对询问信号做出近似同步的应答 在显示上造成应答信号混叠原因 询问应答信号过于简单 未指明对哪架飞机询问S 选择 模式二次雷达有效地解决该问题 14 5 1雷达监视原理 在一般二次雷达的应答信号中 可以容纳的飞机标识号最多为212 4096 S SSR的询问信号格式 在询问脉冲对之后 有一个时间长度为15或29 s的数据块 相应的包含56比特或112比特 24比特用来表示飞机标识号 可以容纳的飞机数为224 16777216 1677万 15 5 1雷达监视原理 雷达管制的发展尽管A C模式二次雷达系统已经使雷达管制员能知道飞机的代号和高度 但是对于飞机的飞行计划依然要依靠飞行进程单来实现 这种雷达管制为半雷达管制 在20世纪70年代后二次雷达系统使用了计算机 才实现了全自动化 20世纪70年代初计算机技术和雷达结合实现了计算机化的雷达系统 该系统把一次雷达和二次雷达数据都输入数据处理系统 计算机接收三个方面来的数据 分别为一次雷达信息 二次雷达信息 航管中心输入的飞行计划 管制员可以在雷达屏幕上得到飞机全部有关数据 16 5 1雷达监视原理 对一个管制中心的管制空域 一般多部雷达才能覆盖该空域 一个飞行目标往往同时被几部雷达所捕获雷达数据处理系统 RDP 和雷达前端处理器 RFP 可对多雷达航迹环境进行处理 处理输入的雷达数据监测输入线路的质量从C模式获取高度航迹多雷达航迹的融合处理告警功能 冲突 最低安全高度 危险区等 航迹与飞行计划集成 17 5 1雷达监视原理 利用雷达的空中交通管制 目标的识别和移交目标的识别一次雷达 飞机起飞离场后雷达就开始跟踪 驾驶员通过指定点时报告位置 管制员在屏幕上核对通过该地点的亮点 指定飞机按一定航向飞行 通过屏幕上亮点移动的轨迹来识别飞机 二次雷达 驾驶员使用特别位置识别脉冲 即应答机在A模式的回答编码后435 s发出一个脉冲 该脉冲使地面站屏幕上的亮点变宽 以区别于屏幕上的其他亮点 从而识别飞机 驾驶员把应答机间断地开机 关机 这样屏幕上相应的亮点会时有时无 从而识别飞机 18 5 1雷达监视原理 目标的识别和移交目标的移交当一架飞机进入一个管制员的控制范围并被识别后 该范围的管制员要负责该飞机的安全间隔和管制引导 当飞机要飞出这个范围时 该管制员要把这架飞机的识别号和管制权移交给下一个管制员 目标的移交是按照严格的程序并在两个管制员意见一致时协调进行 移交过程中 当前管制区中的管制员称为发送方 下一个范围的管制员称为接收方 19 5 1雷达监视原理 目标的识别和移交目标的移交发送方要求 如果没有接收方的认证或许可 飞行器不能穿过两个扇区之间的边界 飞行器在穿过边界之前 必须要收到接收方管制员的同意 通信的移交必须在飞行器穿过边界前完成 任何由接收方规定的限制都必须遵守 20 5 1雷达监视原理 目标的识别和移交目标的移交接收方要求 任何关于飞行器的限制都必须通知给发送方管制员 接收方管制员只有在飞行器已经穿过边界后 才可以改变其高度 航向 速度或应答编码 若飞行器在穿过边界前 接收方必须使其改变航线或高度 那么只有接收方收到发送方的许可才可将指示发送给飞行员 21 5 1雷达监视原理 目标的识别和移交目标的移交目标的移交分为HandOff和PointOut HandOff 如果一个飞行器要进入接收方管制员负责的空域 那么发送方管制员不但要将飞行器的雷达标识传送给接收方 而且同时也要求把它与飞行器的通信进行移交 PointOut 飞行器和发送方管制员的通信不被移交 主要适用于飞行器在短时间内穿过多个扇区边界 22 5 1雷达监视原理 目标的识别和移交目标的移交例子飞机穿过扇区A B C 由于飞机经过B扇区时间非常短 因此发送方管制员 扇区A 将飞机移交给扇区B的管制员时所选择的方式是PointOut 同时与扇区C的管制员进行移交方式为HandOff 23 5 1雷达监视原理 利用雷达的空中交通管制 雷达间隔利用雷达 管制员可以 看 到飞机 因而可以把间隔的距离缩小 提高空域的利用率 雷达识别飞机后 雷达管制可以把两架飞机之间纵向间隔缩短到3 5海里 离雷达站近 40海里之内 的飞机可以把最小间隔降到3海里 而40海里之外的飞机纵向最小间隔则为5海里 此外在一架大飞机之后飞行的小飞机 为了避开前一架飞机的尾流 最小纵向间隔应加大到5海里以上 使用雷达时 横向间隔标准的最低标准和纵向间隔相同 但横向间隔没有尾流影响的问题 24 5 1雷达监视原理 雷达间隔对于离场时的初始间隔 如果两架飞机相继从同一跑道上起飞离场 雷达管制情况下 如果两架飞机的航线在起飞之后有15 以上的偏离角 它们之间的最小间隔可以降到1海里 25 5 1雷达监视原理 雷达间隔如果两架飞机同时从两条不相交的跑道上起飞离场 并且跑道之间以及飞机的航线之间都至少有15 的偏离角 那么可以不要求飞行间隔 26 5 1雷达监视原理 雷达间隔如果两条跑道相交 但其偏离角至少为15 而且飞机起飞后航线之间的偏离角也至少为15 那么当领航的飞机穿过交叉点后就可以对后面的飞机放行 27 5 1雷达监视原理 雷达间隔如果飞机运行在平行的跑道上 跑道相距至少2500英尺 并且飞机起飞后的航线有一定的偏离 那么可以让它们同时离场 28 5 1雷达监视原理 利用雷达的空中交通管制 雷达协助导航管制员可使用雷达导航 主要用于飞机在进近前截获进近航道并使用雷达进近代替仪表进近 雷达管制员在屏幕上能了解整个空域情况 可以引导飞机不按程序管制的既定航线飞行 由管制员指示飞机改变航向 引导飞机进近 优点 飞机可由管制员引导直接进入进近航线 节省大量的等待时间和燃油 管制员还可以引导飞机绕开拥挤空域 使飞机不需要在等待空域航线中飞行 29 5 1雷达监视原理 利用雷达的空中交通管制 雷达交通信息管制员向驾驶员提供本机和其他飞机的相对位置信息 从而消除潜在的相撞事故 称为交通建议 管制员按如下原则来组织交通建议 利用相对于飞机地面轨迹的钟表盘表示其他飞机的位置 飞机之间的距离用海里表示 钟表盘也表示其他飞机当前飞行的方向 30 5 1雷达监视原理 雷达交通信息例子管制员通知东方211飞机 12点方向 3海里 型号不明飞机向东飞 1点方向 2海里 公务机Lear飞机向西飞 高度12000英尺 9点方向 5海里 军用机向南飞 高度6000英尺 驾驶员得到信息后 有足够时间判断和避免可能发生的事故随着二次雷达的计算机化 有些雷达系统装有防撞警告软件 可把两架飞机预计的航线画出来 如果在航线交叉时垂直 纵向 横向间隔不够 软件会自动向管制员发出告警 管制员及时通知驾驶员处理 31 5 1雷达监视原理 利用雷达的空中交通管制 最小安全高度警告对于装有C模式应答机可以报告飞行高度的飞机 可随时收到它的高度信息 计算机把管制空域内的地面地形和障碍物高度存入计算机 软件不断比较飞机的高度和地面地形及障碍物高度 一旦高度差小于150米 则发出警告 并在出现 LOWALT 高度太低 字样 管制员通知驾驶员 避免飞机因高度太低产生的触地事故 32 5 1雷达监视原理 总结利用雷达监视飞机 管制员可以有效地指挥 调配飞机 确保飞行安全 在新航行系统的监视部分中 推荐使用A C模式或S模式的二次监视雷达用作终端区和高密度陆地空域的监视 33 第五章空管监视系统 5 1雷达监视原理5 2自动相关监视系统 ADS 34 5 2自动相关监视系统 ADS ADS是ICAO在新航行系统中所推荐的一种新兴的监视技术 自动相关监视系统 指机载导航系统获得的导航信息 通过卫星数据链或甚高频空地数据链 自动实时地发送到地面接收和处理系统 然后通过伪雷达画面 供有关人员监视飞机运行状态 可应用于航路 终端区和场面监视等部门 成为现有的雷达监视系统以及机载避撞系统的有力补充 同时 由于它还使用了卫星链路 可应用于海洋和边远地区 改善现有监视条件下这些地区监视手段不足的情况 35 5 2自动相关监视系统 ADS ADS系统原理核心是把来自机载设备的飞机位置数据通过地空数据链自动传送到地面交通管制部门 飞机位置信息取自机载导航和定位系统 ADS数据通过数据链实现 其中至少包括识别标志和四维位置信息 还能提供附加数据 如飞行趋向 飞行速度 气象等信息 ADS空地之间的通信合同分为周期性合同和事件合同两种形式 周期性合同按固定报告时间间隔提供ADS报告 事件合同包括地理事件 偏离事件和变化事件 当某一事件发生时 飞机按照合同发送ADS报告 36 5 2自动相关监视系统 ADS ADS概述ADS信息以报文的形式通过空地数据链传到地面ATC中心 最终用户是交通管制员 37 5 2自动相关监视系统 ADS 典型的ADS系统由ADS信源 传输信道和信息处理及应用显示三个模块组成ADS信源包括各种机载导航传感器和接收机以及大气数据传感器 ADS的传输信道包括 卫星数据链 甚高频数据链和S模式二次雷达数据链 ADS信息的接收处理和应用显示包括地面的通信终端和显示终端两部分 38 5 2自动相关监视系统 ADS 定位与应用范围 ADS与话音通信相比减小了飞行间隔 增加了空域容量 但其飞行间隔仍然大于雷达管制所需的飞行间隔 所以ADS在进近和终端区以及一些流量较大的航路上仍然不能取代雷达管制 只能是雷达管制的辅助手段 并且主要运用于边远及海洋地区空域的监视 39 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的功能包括 通过对雷达覆盖区以外的飞机提供ADS监视手段来加强飞行安全 及时检测到航路点引入差错和ATC环路差错 对当前飞行计划进行符合性监督和偏离检测 及时发现飞机对放行航迹的偏离情况 管制员可以根据发现的问题及时提出相应修正措施 结合ADS和改进了的监视 通信 ATC数据处理和显示能力 可以缩减飞行间隔标准 提高战术处理能力 使空域利用更为灵活 加强了冲突检测和解脱能力 在紧急情况下及时得到飞机精确的位置信息和通知 40 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的局限性 机上信息处理需要时间 从数据采集到发送至少需64毫秒 通信滞后 报文从飞机传送到地面约需45 60毫秒 相关监视 依赖飞机报告 完全依赖机载导航信息源 要求使用相同的基准 即GNSS的基准时间和WGS 84的坐标系统 否则精度变差 设备安装的过渡期内 可能会出现机载设备混乱的情况 41 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 基本概念ADS应用中 机载ADS系统简称ADSF 地面ADS系统简称为ADSP 启动ADS应用后 地面系统根据管制需要发送位置报告命令 称为合同 飞机根据合同要求向相应的地面系统下发位置信息 ADSF支持三种ADS基本合同 周期合同 PeriodicContract 事件合同 EventContract 请求合同 DemandContract 42 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素ADS的连接ADS应用程序之间的端到端通信 是地面系统请求与进入系统的飞机建立ADS合同的结果 一个地面ADS系统一次只能和某个ADSF建立一个连接 分为连接建立和拒绝连接两种情况 由地面系统发送连接请求 ADSF根据机载系统的能力返回确认信息 43 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素ADS的连接ADS连接建立时应满足 ADSF应该可以同四个ADSP以优先级3建立连接 每个连接都可支持一个周期合同 一个事件合同或一个周期合同和一个事件合同 某个连接上的请求不应影响其他连接上的请求 出现如下情况时 地面ADS系统将拒绝连接 当ADSF应用程序收到一个传输优先级不是3的服务请求时 当ADSF已经建立了四个ATSADSP连接之后又收到服务请求时 44 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素上行链路的处理ADSF可以同时处理单个上行链路上的多个不同类型请求如果在解释请求的过程中出现了错误 该请求被认为是无效的 ADSF将返回一个NA报文当一个连接连续收到三个NA报文时 ADSF就会取消这个连接上的所有合同并终止该连接当ADSF收到一个已定义的数据组或事件标签而无法得到相应的数据或功能时 ADSF会返回NCN并忽略相应的数据段当ADSF收到一个未定义的请求时 ADSF会返回NCN并忽略以后的所有数据段 45 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素周期合同最基本的ADS合同 要求飞机向地面系统周期发送特定的位置信息 周期合同请求报文中包含了下发周期和下发内容要求 飞机根据合同内容完成报文下发紧急周期合同是周期合同的一种 紧急周期合同是由飞机自动进入的状态 地面ADS系统无法命令飞机进入或取消紧急合同状态 只能要求飞机更改紧急位置报告的内容和发送频率 MSB 最高位LSB 最低位SF ScalingFactor尺度因子 46 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素ADS周期合同请求报文组成必须满足 周期合同请求由请求标示 合同请求号和可选数据组成 报告率字节定义了数据下发的频率 报告率采用如下算法 报告时间间隔 1 RATE SF SF是位于第七和第八字节的尺度因数 RATE是第六到第一字节的数值 ADSF支持在一条连接上能够达到4秒一次或者更少的报告间隔 每个请求数据组由分组标志号和分组内容组成 标志号表明该分组的请求内容 比如16号为气象信息分组 如果请求报文包括该分组 则要求飞机定时发送气象信息 周期合同一旦建立起来就一直有效 直到合同被取消或者修改 47 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素事件合同请求事件合同就是要求当飞机处于某种状态时 即触发某种事件时 发送位置报告的合同事件位置报告有多种触发条件 触发条件在请求报告中都是以字节的形式表示的 与周期合同相似 每一种事件的请求数据分组由标识号和内容组成 不同的是在周期合同中内容为报告频率 而在事件合同中内容为各个事件触发的参数 阈值 48 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素事件合同请求满足 事件合同请求由请求标示 合同请求号和可选数据组成 可选数据定义了产生事件报告的事件 当由于飞行计划变更或者其他原因造成下一航路点发生变化时 由航路改变事件触发 事件合同只有在被取消或者所有事件已经完成的情况下结束 49 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素取消合同通过发送取消合同请求而终止运行当ADSF收到一个取消合同请求时 如果该请求所带的合同请求号与这个连接上的某个活动合同的合同请求号相匹配 这个合同将被取消 并且ADSF下发相应取消合同请求的ACK 如果ADSF收到一个不匹配的取消合同请求 则返回一个NA报文 50 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素ADS位置报包括基本报告数据 航班号数据 飞机识别号数据 地面参考数据 空中参考数据 预计航路数据 飞机意向数据气象数据等 51 5 2自动相关监视系统 ADS ADS合同管理 关键要素ADS位置报基本报告数据和固定意向数据分组组成 每一个位置报中都包含基本报告数据 位于位置报告头部 其第一字节是一个标签 表明该报文响应合同种类 标签之后是基本的ADS信息 包括经度 纬度 高度 时间和精度等 52 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准位置报文计划位置报文如果地面自动化系统可从ADS报文中提取位置信息和评估数据并更新飞行剖面 则当ADS报文在飞行进程中指示成功时 就不会要求通过CPDLC或语音发送计划位置报文 如果在一个预定时间内未收到ADS报文 ATS设备将会对被监视的飞机初始化一个命令合同或与其建立一个新的周期合同 53 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准位置报文飞机在偏移时的航向选择模式如果飞机处于航向选择模式并正在处理不使用飞行管理计算机 FMC 偏移 则飞机发送的预测航路信息可能出错 如果飞机处于航向选择模式 预定航路信息将指示飞机正在飞往FMC飞行计划中包含的下一个关键点 如果一架在偏移时处于航向选择模式的飞机侧向错过一个途中关键点 飞行员必须对FMC重新编程以确保对后续关键点排序 54 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准位置报文应用FMC的偏移当应用FMC处理偏移时 波音和空中客车的飞机将按如下方式发送预定航路信息 A330 A340 A319 A320 A32 对于受FMC管理的空中客车飞机 如果正在偏移航路上飞行 那么预定航路信息将沿着偏移航路 B747 400 B777 对于受FMC管理的波音飞机 如果正在偏移航路上飞行 那么预定信息将总是指向下一个FMC关键点 而预测航路将沿着偏移航路 55 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准ADS连接管理ADS连接是地面系统请求与进入系统的飞机建立ADS合同的结果 只有当一架飞机成功注册到AFN后 才能在空地间建立ADS合同 地面系统建立ADS合同不需现行管制部门将特定设备的地址转发给飞机 56 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准对管制移交的协调协调数据当在距离边界局部统一参数范围内时 如果与管制移交相关的协调信息和关于飞机的ADS信息不同 例如 显示飞行水平与协调后的飞行水平不同 那么接收管制员必须与移交管制员校验协调信息 57 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准对管制移交的协调特殊CPDLC连接一部分系统不能处理不进入其FIR的飞行 另一部分会在接受飞机AFN注册时自动建立CPDLC和ADS连接 对于后者 当其作为临近FIR 为了监视接近边界的飞机而进行连接时 飞机会拒绝CPDLC连接请求 如果处于临近FIR的管制员本来只希望建立ADS连接 却意识到CPDLC连接也被建立 该管制员会断开CPDLC连接并与管制机构进行校正 58 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准对管制移交的协调高周期性报告速率为防止出现要求飞机发送报文的速率大于允许发送速率的情况 只有当前管制飞机的ATS机构可以初始化一个与此飞机间的高周期性报告速率 任何相邻的或下一个ATS机构要请求一个与此飞机间的高报告速率 5分钟或更短 都必须在提高周期性报告速率以前与现行管制机构进行协调 59 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准ADS系统停止当ADS系统地面部分发生计划停止时 在停止期间将会发出一个NOTAM通知所有受影响的部分 在此期间 会通过CPDLC或话音要求位置报告 在地面系统发生意外ADS停止时 相关ATS提供者将会向以下部门发出通知 所有受影响的飞机并建议它们发出位置报告 如果仍可获得CPDLC服务 一个自由CPDLC报文将会被发送给飞行员 通过直接协调通知相邻的ATS单元 通过发送NOTAM通知所有相关部门 60 5 2自动相关监视系统 ADS ADS的管制程序和标准紧急措施当收到ADS紧急报文时 管制该飞机的管制员将通过发送一个自由CPDLC报文或与飞机间的话音通信确认此紧急情况 管制员 ROGERMAYDAY管制员 ROGERPAN在出现紧急情况时 只有对飞行具有现行管制权的管制员才可以请求提高周期性报文发送速率 当对飞机没有管制权的管制员收到ADS紧急报文时 应该与当前管制机构协调以确定紧急报文已收到 61 5 2自动相关监视系统 ADS 由机载航空电子设备 RGS 地面数据通信网 NMDPS和各用户子系统构成 信息源是机载ACARS系统 信息传输通道是甚高频数据通信网络 信息处理系统采用CNS ATM工作站 中国民航基于甚高频数据链的ADS系统 62 5 2自动相关监视系统 ADS 中国民航基于甚高频数据链的ADS系统机载ACARS设备作为数据链系统的空中节点 是指生成各种与飞行参数有关的报文和可接收地面报文的机载设备主要功能 将机载系统采集的各种飞行参数信息通过空地数据链路发到地面RGS站 并接收地面网中通过RGS站转发来的信息 63 5 2自动相关监视系统 ADS 中国民航基于甚高频数据链的ADS系统远端地面站 RGS 是甚高频数据链系统的地面节点 用于飞机与地面数据通信网的连接 并可实现地面数据通信网节点间数据通信 主要包括 VHF收发电台 单板计算机 对空数据调制解调器 集成控制单元 与地面网相连的路由器 与地面网相连的调制解调器 GPS授时单元以及天线 UPS电源单元和相应的系统软件 RGS站通过VHF接收机接收来自飞机的数据 RGS工作在半双工方式 使用2400bps的数据传输速率 MSK调制方式发射或接收数据 采用CSMA协议 64 5 2自动相关监视系统 ADS 中国民航基于甚高频数据链的ADS系统地面数据通信网作为甚高频地空数据通信系统的地面数据传输网络 为其提供地面通信线路 可准确 快速地实现网络上任意两点间报文数据的传输与交换 它应满足一定的网络协议和接口标准 以达到开放系统互联的要求 目前 中国民航的基于甚高频地空数据链的地面数据传输网络采用民航的X 25分组交换网 65 5 2自动相关监视系统 ADS 中国民航基于甚高频数据链的ADS系统网络管理与数据处理系统 NMDPS 是甚高频地空数据网的中心处理系统 由高性能服务器和一定数量的计算机组成 采用以太局域网结构和工业标准的TCP IP网络协议 与外部网络的通信采用X 25通信协议 并与全国范围的RGS站LAN构成一个计算机广域网 WAN 主要功能包括 RGS站的控制和监测 信息的处理 信息的寻址及路由选择 RF信道的分配 系统的管理 定期报告和警告 日志和记帐 系统定时 系统配置参数的设定 输入输出通信 通信管理 66 5 2自动相关监视系统 ADS 中国民航基于甚高频数据链的ADS系统用户子系统主要分为AOC和ATC 通过用户子系统的终端 地面管制员 签派员可以直接看到与之相关的飞机数据 通过数据链网关提供的信息服务 实现下行链路数据的分发与处理 并可由地面向飞行机组发送修改的飞行计划 各类应急指令以及飞行气象报等信息 实现用户与飞行机组的上行链路数据通信 67 思考题1 在工作方式上 二次雷达与一次雷达有什么不同 各有哪些特点 2 简述ADS系统的概念 组成及其特点 3 简述基于VHF数据链的ADS系统的组成 对基于ADS的ATC系统有哪些基本要求 4 ADSF支持几种ADS基本合同 并对其中一种作解释 68 第五章空管监视系统 5 1雷达监视原理5 2自动相关监视系统 ADS 5 3ADS与雷达数据融合处理5 4广播式自动相关监视系统 ADS B 69 第五章空管监视系统 5 3ADS与雷达数据融合处理5 4广播式自动相关监视系统 ADS B 70 5 3ADS与雷达数据融合处理 融合处理意义ADS原理 来自机载设备的飞机位置数据通过地空数据链自动传送到地面交通管制部门 飞机位置信息取自机载导航和定位系统 在传送的各个环节中不可避免地会加入误差和干扰 引起报文的丢失和错误 通过ADS与雷达数据融合 充分利用所能得到的信息 弥补单一传感器的不足 提高系统性能 71 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS信息处理 航迹处理 航迹起始收到一个ADS报文 将其呼号与数据库中记录比较 如有该飞机记录 已有航迹 如没有 则为该飞机建立航线记录 并认为该点是新航迹起点 航迹滤波利用算法对位置数据进行适当的处理以提高位置数据精度 对于丢失的数据进行插补预测 包括推航法 滤波法 主要介绍滤波法 尤其是卡尔曼滤波 航迹终止足够长时间未收到某已有记录飞机的位置报告 则认为该航迹不可靠 给予报警 如经过更长时间仍未收到 则认为航迹已终止 清除其记录 72 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法卡尔曼滤波算法原理线性无偏递推式滤波 建立在系统的动力学模型和观测模型都是线性并且加速度服从零均值白色高斯分布的基础上 飞机在飞行过程中一般沿预订航线飞行 以巡航速度作匀速直线运动 但也可能出现某些机动 如缓慢转弯 机动回避其他飞机或障碍物 遇到阵风或大气湍流等 引入飞机加速度 当飞机作匀速直线运动时 加速度常被看作是随机扰动输入 并假设认为服从零均值白色高斯分布 73 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法卡尔曼滤波算法原理 卡尔曼滤波器具有预测 修正结构 滤波的方程组是时间域内的递推形式 易于在计算机上实现 适合实时处理 对于实际目标的运动 假设其加速度为非零均值时间相关有色噪声比假设为白噪声更切合实际 此时就要考虑加速度的分布特性 建立新模型 客观上要求加速度分布函数应尽可能的描述目标机动的实际情况 74 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法卡尔曼滤波算法原理加速度分布的两种模型Singer模型 考虑了目标发生机动的各种可能性 认为加速度是均匀分布的 建立了一种适合任何情况和任何类型目标的机动模型 当前 模型 对于飞机的飞行活动 其机动加速度的取值是有限的 目标在 当前 时刻下一时刻 其机动加速度取值有限 且只能在 当前 加速度周围 即认为加速度是非零均值时间相关的 均值为 当前 加速度 75 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法测量系统的坐标转换跟踪滤波器受探测器提供的量测模型和被跟踪目标的运动模型影响 机载导航系统的GPS设备提供WGS 84坐标系中的定位信息 一般以大地坐标 纬度B 经度L 高度H 形式给出 而卡尔曼滤波要求系统目标的动力学模型和观测模型都是线性 需要将WGS 84大地坐标转换为协议地球坐标系 X Y Z 76 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法飞机飞行的C V Constant Velocity 模型C V模型的状态方程中 加速度看作具有随机特性的扰动输入 其随机性不可预测 建立观测方程 首先假设目标的动态模型和观测传感器都是线性的 且过程噪声和观测噪声是相互独立的高斯白噪声 状态方程观测方程 77 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法飞机飞行的C V模型民航客机通常沿固定航线作匀速直线运动 目标运动的观测噪声矩阵和策动噪声矩阵均可看做是常矩阵 选取北京 上海 北京 广州两条航线为实验对象 78 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法飞机飞行的C V模型航线规定的走向用直线表示 飞机发送位置数据的报告点用圆点表示 飞机基本沿预定航线飞行 三角点是对航迹滤波的结果 看出基本与原始数据吻合 方块是假设没有飞机数据时 由状态转移矩阵对航迹预测 可以看出第一步预测结果与实际点基本相符 往后发生误差较大 尤其是当飞机的航线不是直线发生拐弯后 没有新的观测量对估计值修正 使计算结果产生更大偏差 把加速度分量做为随机干扰是引起该结果的主要原因 飞机实际飞行时是存在加速度的 在非直线飞行时 把加速度看作扰动是不够合理的 79 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法飞机飞行的 当前 统计模型对于飞机跟踪系统 由于飞行高度仍然依靠高度表数据 而不依靠GPS数据 所以可以忽略高度分量 在 当前 局域内可用 当前 加速度预测代替加速度均值 同时从整个时间轴来看 随机机动加速度仍符合一阶时间相关过程 由于在X向和Y向的两组状态变量观测量分别独立 因此可将X向 Y向的状态变量分别进行滤波处理 80 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法自适应算法加速度的均值等于 当前 时刻状态估计的加速度分量预测值在估计飞机运动状态的同时 可以获得机动加速度均值 实现了加速度均值的自适应滤波算法 从而实时地修正速度分布 对于机动飞行的 当前 统计模型 其标准卡尔曼滤波方程 81 5 3ADS与雷达数据融合处理 航迹处理的卡尔曼滤波算法仿真实验结果数据取自1998年12月28日对国航B 2954飞机实时跟踪 曲线I峰值较高 是地面接收的数据与机载设备记录数据的差值即噪声 曲线II峰值较低 是经过卡尔曼滤波后的数据与机载设备记录数据差值 82 5 3ADS与雷达数据融合处理 目标跟踪系统中的状态融合估计融合某一目标的多个传感器的观测参数 产生较单一传感器更精确 更完全的状态估计 状态估计理论主要由物理模型 优化准则 优化方法 处理方法等四个方面组成 目标状态估计与跟踪方面 融合系统分为3大类 集中式 分布式和混合式 83 5 3ADS与雷达数据融合处理 目标跟踪系统中的状态融合估计集中式 将各传感器结点的数据都送至中央处理器进行融合处理 可实现实时融合 数据处理精度高 解法灵活 但对处理器要求高 可靠性较低 数据量大 故难以实现 84 5 3ADS与雷达数据融合处理 目标跟踪系统中的状态融合估计分布式 各传感器利用自己的量测单独跟踪目标 结果送至总站 总站再将子站的估计合成为目标的联合估计 对通信带宽需求低 计算速度快 可靠性和延续性好 但跟踪精度没有集中式高 85 5 3ADS与雷达数据融合处理 目标跟踪系统中的状态融合估计混合式 以上两种形式的组合 86 5 3ADS与雷达数据融合处理 民航ATC系统中的数据融合目前 民航ATC系统中包含多种类型的监视传感器 如一次 二次监视雷达 机载应答机等 多种传感器得到的位置等信息通过信息融合就可以作出飞机的航迹估计 飞行趋向推理 飞行冲突监测 ADS报文数据中的速度数据和位置报告是由导航系统提供的 GPS提供的数据一般要比雷达所测的速度数据准确 通过对多传感器的信息融合 可最大限度发挥多传感器的优点和充分利用所能得到的信息 弥补单一传感器的不足 提高系统性能 通过对雷达数据和ADS数据的融合 在高密度终端区高精度的雷达位置数据和ADS附加数据中的地速和垂直速率来提高数据精度 通过综合两者的优点 可实现可靠的无间断的监视 并且在高密度终端区提供必要的监视精度 87 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR数据融合模型ADS SSR融合的级别分析数据级融合直接依靠从不同的传感器获取的数据 对于来自基本相似传感器的数据融合 数据级融合通常要求传感器数据的精确对齐和较大的通信带宽 ATC系统的基本需求 特征级融合ATC系统环境中利用了不同传感器 在特征级融合中 将各自进行目标探测和特征提取处理的多个信息源所提供的矢量被融合成组合特征矢量 决策级融合ATC信息融合层次的顶层是决策级融合 此级别的融合结合了雷达数据 ADS数据的当前信息和飞行计划的先验知识 把它们合成最佳决策 并能更好地克服各个传感器的不足之处 88 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR数据融合模型融合模型最初的SSR多是独立工作的 未实施多雷达联网 各个SSR都有各自的跟踪算法处理器 多SSR雷达联网后 各个SSR的本地航迹被传送到ATC中心进行SSR数据融合 从而产生多SSR航迹 ADS报告通过卫星或甚高频数据链传送至ADS信息处理机 提取飞机位置及附加信息 并生成ADS航迹 ADS航迹与多SSR航迹在管制中心进行ADS SSR融合 产生ADS SSR航迹 89 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR数据融合模型融合模型随着新的SSR和地面高速通信网络的建设 集中式处理逐渐成为系统建设追求的目标 于是多SSR处理模式多选择集中式 多SSR雷达联网后 各个SSR被传送到ATC中心进行SSR数据融合 从而产生多SSR航迹 ADS航迹与多SSR航迹在管制中心进行ADS SSR融合 产生ADS SSR航迹 90 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR数据融合模型融合模型ADS合同管理模块对航迹数据 航迹精度数据等进行处理 根据实际情况产生对ADS合同的更改请求 以保证跟踪精度和跟踪的优先级管理 通过对飞行计划符合度的检查 产生短期冲突检测报警等 从而辅助管制员通过CPDLC实施管制 ADS属于非独立监视 要依靠飞机自己生成和发送的ADS报告 航路上ADS航迹为主 而在终端区 以SSR航迹为主 ADS为辅 91 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR数据融合模型 分布式 92 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR数据融合模型 集中式 93 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR数据融合模型关键问题坐标变换各个传感器的数据参考坐标系不同 数据表示也不同 必须先把各数据转换到统一系统坐标系下 时间对齐各类传感器性能不同 通信传输时延等因素影响传感器的数据报告时刻 需要时间统一 数据互联民航ATC系统所跟踪的飞机是与地面协作的 飞机的ADS报告和SSR数据中的飞机标识信息可以和地面的飞行计划 管制移交等信息进行互联 94 5 3ADS与雷达数据融合处理 多SSR目标状态融合估计分为集中式和分布式分布式融合算法将在多SSR航迹与ADS航迹融合时分析多SSR的集中式融合处理公式 95 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS目标跟踪ADS信息编组基于 当前 模型的卡尔曼滤波跟踪算法目标跟踪详细处理流程 96 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR融合算法在分布式系统中 各传感器利用自己的量测单独跟踪目标 形成本地航迹 然后将估计结果送至ATC中心 ATC中心再将传感器的估计合成为目标的联合估计 航迹关联把来自每个传感器的航迹数据进行关联 最终把多传感器数据合并为中心级航迹 目标的状态向量和目标航迹的协方差数据计算公式 97 5 3ADS与雷达数据融合处理 ADS SSR融合数字仿真采用接近实际情况的模拟数据 进行多SSR中心航迹与ADS航迹融合 数字仿真模拟了3个SSR和1个ADS数据源 系统更新周期T为6秒 周期性ADS合同的更新周期也为6秒 纵坐标为计算航迹与理想航迹的差值 横坐标为采样时间 图中曲线I是经过航迹融合得到的中心航迹与理想航迹的差值 曲线a b c d分别是ADS系统和3个SSR系统在航迹融合前的本地航迹与理想航迹的差值 98 5 3ADS与雷达数据融合处理 将卫星用于ADS系统将允许地面系统获得低纬度地区以及其他由于雷达的视距传播而成为盲区的地区的监视数据 允许ATC系统向一架飞机索取机载数据 如计划航线 速度等 这将提高地面对飞机的跟踪能力 并且在保持较小的飞行间隔时保证所需的安全等级 根据ATC的需要可改变ADS合同的更新速率 很方便地建立询问优先级 通过修改ADS的冗余度来提供最合适的可用性等级 ADS SSR数据融合可以根据ATC的需求改变监视的冗余度 并提供非常经济的方法 99 第五章空管监视系统 5 3ADS与雷达数据融合处理5 4广播式自动相关监视系统 ADS B 100 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B含义A 自动 不需要人工操作和地面的询问 D 相关 信息全部基于机载设备 S 监视 提供位置和其它用于监视的数据 B 广播 不针对某特定用户 而是周期性的广播给任何一个有合适装备的用户 101 5 4广播式自动相关监视系统 102 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B与二次雷达的对比 103 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B与ADS C的对比 104 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B技术现状美国FAA从2000年开始在阿拉斯加实施CAPSTONE项目 对ADS B进行试验和评估 该地区通用航空非常发达 但地理环境和气象条件恶劣 不利于雷达站的建设 大约180多架飞机由国家拨款加装了基于UAT的ADS B设备 2001年1月 FAA批准在西阿拉斯加无雷达覆盖区为加装ADS B设备的飞机提供 类雷达 服务 截至2003年 阿拉斯加的飞行事故率降低了86 死亡事故率降低了90 105 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B技术现状美国 CAPSTONE项目第一阶段从2000年到2005年 为项目实施作前期准备工作 并在Yukon Kuskokwin地区做了小规模的试验 目前第一阶段已经基本结束 第二阶段从2003年开始 在阿拉斯加东南部对基于广域增强系统 WAAS 的ADS B技术进行试验 目前第二阶段还在进行中 第三阶段计划从2006年开始到2009年结束 第三阶段计划在全州推广ADS B技术 106 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B技术现状美国FAA在十年前对UPS公司提供资金支持对ADS B的研究 已将ADS B技术成功用于在路易斯维尔机场的场面和终端区 并且有效增加机场的容量 UPS通过在路易斯维尔机场进行的实验 开发了连续下降进近程序 CDA 可保证飞机可预测的 连续的到达跑道 107 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B技术现状欧洲由EUROCONTROL牵头开展了一项名为CRISTAL的ADS B试验 试验基于一个安装在图卢兹机场的1090ES地面站 结果显示ADS B对200海里甚至250海里内的飞机监视效果良好 欧洲由于雷达覆盖比较完善 对ADS B发展的态度并不十分积极 首先试验将ADS B应用于机场场面监视 108 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B技术现状澳大利亚 高空空域项目 UAP 签订了购买28套ADS B1090ES地面站的采购合同并逐步进行安装布署 目标是完成澳大利亚全境的ADS B监视覆盖 计划于2007年中期完成所有站点的安装 各航空公司自愿加改装机载设备 为FL300以上的飞机提供服务 目前已在Billabong Bundaburg Woomera Longreach Esperance Bourke开始或完成ADS B地面站的布设 109 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B技术现状中国 中国民航飞行学院的ADS B试验从2006年6月开始 ADS B系统已在飞院的绵阳 广汉 新津和遂宁四个分院进行了安装 现已完成4个分院地面站及网络系统的安装调试 同时完成了76架飞机UAT机载设备的安装 110 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B技术现状中国 ADS B应用监测系统工程目的 在我国西部试验ADS B项目 对ADS B系统性能进行评估 概述 计划在成都 九寨两地各建设一个ADS B地面站 同时在成都建设一套数据评估试验监视系统 并且升级成都应急自动化系统进行管制系统性能的分析评估 另外还要将ADS B数据和雷达数据接入九寨自动化系统进行显示 作为九寨监视系统 111 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B支持的应用空 空监视 改善飞机避撞能力 提供驾驶舱交通信息显示 CDTI 地 空监视 航路 终端区 精密跑道监控 PRM 地 地监视 即场面监视 包括跑道 滑行道防止地面相撞 112 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B可传送信息类型标识号 ID ADS B所传递的基本标识信息包括以下三种 呼号 CALLSIGN 由7个字母数字组成 对于不接受ATS服务的飞机或车辆以及军用飞机 不需要此类信息 地址 ADDRESS 用以唯一标识飞机的24位地址 类型 CATEGORY 由国际民航组织定义的描述航空器类别的标识 如轻型机 中型机及滑翔机等 113 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B可传送信息的类型状态矢量 移动目标的状态矢量包括在全球统一参考系统下的三维位置和速度等信息 包括以下元素 三维位置 在传输数据的格式上要求不损失精度 完好性 几何位置元素使用WGS 84坐标系 三维速度 包括水平速度矢量和垂直速度 几何速度信息使用WGS 84坐标系 飞机转向标示 左转 右转 直飞 导航不确定度分类 NUC NavigationUncertainCategory 根据ADS B发送系统的NUC数据集进行划分 包括位置不确定度NUCP和速度不确定度NUCR 114 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B可传送信息的类型状态和意图信息 主要用于支持ATS和空 空应用 包括 紧急 优先状态 Emergency Priority 用于标识紧急或优先级状态的相关信息 如非法侵入告警 油量供应不足等 当前意图信息 CurrentIntent 当前需要发布的飞机意图状态 包括目标高度 所期望的航迹等 航路意图信息 TrajectoryChangePoint 提供航路发生改变的相关意图信息 如当前航路改变意图信息 TCP 未来航路改变意图信息 TCP 1 115 5 4广播式自动相关监视系统 ADS B可传送