第四章监视项目评估系统介绍

2023/1/30第四章

成都九寨监视项目评估系统介绍目录系统功能、组成介绍数据采集层评估运算和显示层系统功能简介空域评估功能

ADS-B管制工作站监控空域内装备ADS-B机载设备的所有飞机飞行状态进行评估校验飞机评估功能针对校验飞机进行单架飞机的独立评估，以RTK监视数据为基准，分析ADS-B与雷达两种监视手段的性能差异

系统功能简介系统组成系统组成系统组成数据采集层评估运算和显示层系统组成2.1数据采集层功能：实时接收并预处理多源监视数据包括：雷达数据采集与解析、ADS-B数据采集与解析、基准数据采集与解析、数据预处理等模块2.2评估运算和显示层功能：基于预处理数据实施评估包括：ADS-B精度和完好性评估模块数据采集层2.1数据采集层2.1.1原始数据采集1)雷达数据采集2)RTK数据采集3)ADS-B数据采集2.1.2原始数据解析和预处理1)数据解析2)数据预处理数据采集层2.1.1原始数据采集

1)雷达数据采集包括PTI卡数据采集和GPS时间标签添加模块PTI卡接收来自雷达站输出的包括速度、时间、位置和高度等数据的监视信息同步实时读取NTP时间，添加至雷达监视数据，组成带有时间字段的新雷达报文，并保存为二进制数据文件数据采集层2)RTK数据采集包括原始观测数据和精确差分数据的采集利用高精度GPS采集记录设备实时采集原始GPS观测数据，保存为数据文件使用事后处理软件与来自互联网的精确差分修正数据进行后端处理，得到高精度的基准精确监视数据，作为评估系统中的基准数据数据采集层3)ADS-B数据采集通过PTI数据采集卡接收来自ADS-B地面站发送的Cat21数据Cat21数据中包含UTC时间字段，无需添加GPS时间标签，直接存为二进制数据文件数据采集层2.1.2原始数据解析和预处理

1)数据解析对采集到的二进制标数据文件进一步处理，根据不同的ICD（接口）文件对不同的监视数据使用相应的解析算法进行解析处理滤除原始数据中的校验信息和乱码信号按照内部接口文件定义的格式，把解析后的数据保存成十进制数据文件数据采集层2)数据预处理基于速度和角度信息将雷达数据向RTK数据外推，实现二者时间同步同样方法将ADS-B向与雷达同步后的RTK数据外推，实现二者时间同步将雷达与外推后的ADS-B及RTK的报文数统一，实现三者的完全同步评估运算和显示层2.2评估运算和显示层 评估内容：

ADS-B数据精度与完好性评估是ADS-B评估系统的主要功能，能够对试验数据进行各个方面的处理，计算并显示处理结果。以精度和完好性为核心评估内容，提供精度评估、伪目标概率评估、高度信息评估、速度信息评估、航向信息评估、数据可靠性评估、覆盖范围评估、距离差评估、位置报告评估、误差分布评估、距离差分布评估以及离散度评估等11项评估内容。校验飞行介绍2009年8月14日，根据成都—九寨ADS-B监视应用评估工程的需要，由中国民航校验飞行中心在成都—九寨航路执行ADS-B测试飞行。民航局空中交通管理局通信导航部、技术中心和西南空管局技术保障部与北京民航天宇科技发展有限公司的人员组成地面记录和测试人员。测试飞行详细信息如下：测试飞行时间：2009年8月14日，8：00到12：00测试飞行机型：奖状系列测试飞行空域：成都—九寨航路校验飞机标示信息：24位地址码：7865167（十进制），78034E（十六进制）二次代码：7407、2260、7500、7600、7700航班号：CFI041A、CFI041B校验飞行介绍数据类型：ADS-B数据：作为本项目主要评测的监视数据源，采集自美国Sensis生产的ADS-B地面站。该地面站安装在成都双流机场的雷达站，可覆盖以其为中心的220海里以内的空域（不考虑障碍物遮挡）。雷达数据源：传统监视技术，为目前我国民航主用的监视手段。本次项目使用的雷达数据源为成都双流机场的雷神二次雷达，为目前双流机场主用的雷达系统，地理位置与ADS-B地面站相同。基准数据源：RTK设备提供高精度GPS数据，可作为本次评估的标尺。校验飞机中已经安装好RTK移动站，并在地面架设好RTK基准站。数据精度评估数据精度评估主要研究ADS-B与SSR数据中关于监视目标位置信息的精度特性，根据ICAOCir311《用于支持空中交通服务及实施指导的ADS-B评估》文件，ADS-B数据精度定义为ADS-B报文中的飞机位置报告值与真实位置间的偏差值。数据精度评估需要求出在相同时刻ADS-B数据、SSR数据分别相对基准数据的位置信息（经、纬度）间的距离值，其中涉及到时统推衍；并将此距离值的分布情况在坐标图中进行绘制，坐标图以一定的距离间隔（0.01公里，10米）为单元规定若干距离区间，根据各个区间的分布情况得出精度评估结论，并支持进一步的评估应用。数据精度评估数据精度评估监视数据种类距离差区间（单位：米）占总报文百分比雷达0-100.00%ADS-B（1090ES）49.27%雷达10-200.55%ADS-B（1090ES）34.85%雷达20-301.28%ADS-B（1090ES）9.67%雷达30-402.92%ADS-B（1090ES）4.01%雷达40-502.74%ADS-B（1090ES）1.46%雷达50-603.83%ADS-B（1090ES）0.36%数据精度评估雷达60-703.83%ADS-B（1090ES）0.18%雷达70-803.10%ADS-B（1090ES）0.00%雷达80-903.65%ADS-B（1090ES）0.00%雷达90-1002.19%ADS-B（1090ES）0.00%雷达100-20025.36%ADS-B（1090ES）0.18%雷达200-30011.50%ADS-B（1090ES）0.00%数据精度评估基于本次测试飞行的全部数据，得到ADS-B数据经度和雷达数据精度如下（真实数据精度值）：ADS-B数据精度（95%采样点）：33.03912639168315米雷达数据精度（95%采样点）：248.95303980518668米伪目标概率评估2.伪目标概率评估主要研究ADS-B系统和雷达系统中出现伪目标的概率，其中伪目标的界限值定义为300米，该值为一个经验阈值。计算ADS-B数据和雷达数据与GPS基准数据的距离，分别判断是否小于300米，如果满足则认为是正确监视信息，否则认为是伪目标。伪目标概率评估伪目标概率评估ADS-B数据和雷达数据的伪目标概率如下列表所示：

ADS-B数据完全没有伪目标，39.05%的雷达数据判定为伪目标

监视数据种类伪目标报文数报文总数据真实目标概率伪目标概率雷达214条548条60.05%39.05%1090ES0条548条100%0.0%高度信息评估3.高度信息评估ADS-B和雷达的高度数据源均为气压高度，但是ADS-B的更新率在0.5到1秒左右，而雷达的更新率在4秒左右，所以在爬升、下降、转向等飞行状态发生变化时，雷达报告的高度信息将会大大滞后于ADS-B报告的高度信息，通过分析ADS-B的高度数据，则可以为管制员提供更详细更全面的监视信息。高度评估可以提取ADS-B数据、雷达数据以及基准数据的高度信息，并与相应的UTC时间或者报文相匹配，在坐标图中形成评估曲线图。通过对坐标图的观察，结合飞机飞行时的空中动态，可以分析在飞机在不同飞行阶段（滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆），ADS-B监视数据、雷达监视数据以及基准数据的高度信息之间的差异。高度信息评估高度信息评估ADS-B数据和雷达数据的高度信息基本吻合，在局部区域与基准数据的高度信息有一定的高度偏差。由于ADS-B数据和雷达数据的高度信息均取自机载气压高度表的高度数据，因此理论上的数值上应该相同，仅仅是LSB不同，雷达数据的高度信息的精度为100英尺，而ADS-B数据的高度信息的精度可以达到25英尺。由于ADS-B数据的更新率在0.5秒到1秒左右，而雷达数据的更新率在4秒左右，因此ADS-B数据的高度信息在连续性方面要高于雷达数据的高度信息。速度信息评估4.速度信息评估雷达监视信息中的速度数据是根据前后两条报文所传递的位置变化，通过计算得到的，误差应该为位置计算误差与速度计算误差的加权值，而ADS-B监视信息中的速度数据是直接从机载GPS接收机中导出的，导致误差的原因仅仅为速度计算误差。并且，ADS-B监视数据的更新率要远高于雷达监视数据，因此，ADS-B监视数据中的速度信息与雷达监视数据中的速度信息在精度、连续性等方面上存在一定的差异。速度评估提取ADS-B数据、雷达数据以及基准数据的速度信息，并与相应的UTC时间或者报文相匹配，在坐标图中形成评估曲线图。速度信息评估速度信息评估对比ADS-B数据和雷达数据的速度信息，ADS-B数据的速度信息曲线平滑而连续，速度信息稳定变化，变化精度较高，连续性高。而雷达数据的速度信息曲线不平滑呈锯齿状，速度信息变化精度较低，连续性较低。航向信息评估5.航向信息评估在雷达系统中，航向数据是雷达根据自身和目标位置之间的方位在WGS-84坐标系中获得，并经过ATM系统转化为平面投影坐标系(X,Y)，而ADS-B系统则是由GPS卫星信号的多普勒频率测量得到的，并且直接使用WGS-84坐标系并未进行转换，因此，ADS-B监视信息中的航向数据与雷达监视数据中的航向数据在精度、连续性等方面上存在一定的差异。航向评估模块ADS-B数据、雷达数据以及基准数据的航向信息，并与相应的UTC时间或者报文相匹配，在坐标图中形成评估曲线图。航向信息评估航向信息评估对比ADS-B数据和雷达数据的航向信息，ADS-B数据的航向信息曲线平滑而连续，航向信息稳定变化，变化精度较高，连续性高。而雷达数据的航向信息曲线不平滑呈锯齿状，航向信息变化精度较低，连续性较低。ADS-B数据的航向信息与雷达数据的航向信息基本吻合，在个别拐点处，ADS-B数据的航向信息准确定更高。数据可靠性评估6.数据可靠性评估雷达系统中，正常情况下连续两个正北报之间的时间间隔为4秒左右，因此，雷达系统的报文周期为4秒左右。ADS-B系统中，正常情况下连续两条Cat21报文之间的时间间隔为0.5秒到1秒左右，因此，ADS-B系统的报文周期为0.5秒到1秒左右。通过监视数据中两条连续报文间的时间间隔随飞机离地面站距离的变化来衡量ADS-B位置数据和雷达位置数据的可靠性情况。首先确定地面站的位置信息（经、纬度），分别采集飞行过程中飞机离地面站一定距离时的雷达和ADS-B报文更新时间，可观察到相邻报文的更新时间随飞机离地面站距离的波动程度，从而说明两种监视手段的丢包情况，即可靠性。数据可靠性评估数据可靠性评估如上图所示，ADS-B数据的延迟一般保持在0.5秒到1秒，而雷达数据的延迟在4秒左右。ADS-B数据的更新率远远大于雷达数据的更新率，同一时间区间内，ADS-B数据的数量远远大于雷达数据的数量。在本次的测试飞行中，一共采集到ADS-B数据的数量为6547条，而雷达数据的数量仅为937条。覆盖范围评估7.覆盖范围评估覆盖范围评估将提取ADS-B数据和雷达数据中的高度信息。同时分别以雷达站（ADS-B地面站）为中心，计算每条监视报文与地面站之间的距离，对应高度信息，表征为监视设备的覆盖范围。可比较不同高度层上的雷达系统与ADS-B系统覆盖范围的差异覆盖范围评估覆盖范围评估监视数据高度层最大覆盖范围经纬度ADS-B197.5104.303357，32.687073217.0104.377574，32.811924236.0104.296453，32.878416256.0104.381661，33.05181飞行信息分析监视数据类型最大覆盖范围所在高度ADS-B277.711256.0雷达280.203256.0覆盖范围评估覆盖范围评估本次测试飞行航向为成都—九寨，地面站架设在成都双流机场跑道一侧。根据设备供应商提供的技术资料，ADS-B地面站的覆盖范围为375公里左右。在进行覆盖范围测试时，由于九寨距离成都仅为254公里，并且九寨附近多为高山环境，障碍物较多，会对无线电信号产生一定影响。ADS-B地面站的覆盖范围和雷达的覆盖范围基本相同，在280公里左右，雷达的覆盖范围甚至更大一些。ADS-B最大覆盖范围出现在高度25600英尺，最大覆盖范围等于277.711公里。雷达最大覆盖范围同样出现在高度25600英尺，最大覆盖范围等于280.203公里。对于成都双流机场跑道一侧的ADS-B地面站，在成都—九寨航线方向上ADS-B覆盖范围与雷达基本一致。距离差评估8.距离差评估为了比较ADS-B位置数据与雷达位置数据之间的距离差异，计算同一时间点上的ADS-B位置数据与雷达位置数据的距离，可得出ADS-B系统与雷达系统的实际位置偏差。距离差评估距离差评估ADS-B探测到的目标位置与雷达探测到的目标位置之间最大的距离达到了2119米，最小的距离仅有4米。平均距离为384.973米左右。位置报告9.位置报告监视数据在管制自动化系统中形成的系统航迹直观的反映了飞机的飞行轨迹。对于监视数据的终端使用者管制员，管制自动化系统引接ADS-B数据，ADS-B将作为一种新的飞机位置标识被引入，这样管制员就可以得到一新航迹，补充现有的航迹（飞行计划、雷达），也可以将监视能力扩展到非雷达覆盖区。但ADS-B数据与雷达数据相比，在位置精度、报文更新率上存在很大差异，因此在管制自动化系统中的显示效果也有很大区别位置报告评估将提取ADS-B数据、雷达数据以及基准数据的位置信息（经、纬度），设定ADS-B地面站位置，在坐标图中描绘ADS-B数据、雷达数据以及基准数据的系统航迹，可以直观的观察ADS-B数据与雷达数据在更新率方面的不同，以及与基准数据形成系统航迹的偏差。位置报告位置报告位置报告ADS-B航迹、雷达航迹、与基准数据形成的航迹基本吻合。其中ADS-B航迹与雷达航迹相比更加密集和连续。误差分布10.误差分布主要研究ADS-B与SSR数据中关于监视目标位置信息的定位误差特性，其中的误差定义为ADS-B或SSR测量位置数据关于相应时刻真实位置之间的差值统计特性分析。误差特性评估需要求出ADS-B数据、SSR数据在相同时刻相对基准数据的位置信