通用航空飛行服務站系統設計及監視數據融合算法研究

陳威強

摘要：為完善我國低空空域的服務保障體系，在現行的空管體系下建立通用航空服務保障系統。結合民航現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站系統的設計，同時對多種監視數據源融合算法進行了簡要分析和驗證。通用航空飛行服務站系統的設計能夠更好地為通航用戶提供必要的飛行服務，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.

關鍵詞：通用航空;飛行服務站;數據融合

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

近年來高速發展的通用航空產業，在整個航空產業中占有越來越重要的地位。根據國務院中央軍委《關于深化我國低空空域管理改革的意見》和國務院辦公廳《關于促進通用航空業發展的指導意見》，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，結合國家戰略發展的總體規劃，低空空域管理改革已成為當前一項緊迫而重大的現實任務。而深化低空空域管理改革的主要任務和措施之一就是完善通用航空服務保障體系。在現行的空管體系下，按照區域（地區）、分區（終端區）和飛行服務站三級服務管理架構，建立通用航空服務保障體系[1]。本文根據民航空管現行體系以及通用航空用戶的需求，對飛行服務站系統進行初步設計及其相關技術進行簡要分析和研究。

1 ?通用航空飛行服務站系統架構

在現行的空管體系下，通用航空飛行服務站系統一般由區域信息處理中心和飛行服務站終端及設施組成。其中，區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網實現數據互聯，與所轄區內的通航服務站（三級）建立運行關系，與相關區域的通航信息服務中心（二級）、民航區域管制中心、軍區空軍航管中心建立數據交換通報關系;飛行服務站系統負責與所在通航信息服務中心（二級）、所在飛行管制分區、通用航空用戶建立業務運行關系[2]。如圖1所示。

區域信息處理中心依托現有空管體系和飛行服務產品，充分利用相關信息資源，通過各個模塊分別實現向飛行服務站提供所需航空情報、氣象情報等信息，匯總及轉發相關飛行情報信息，收集和發布天氣報告、告警信息等功能。

通航飛行服務站主要實現收集、上報服務范圍內低空通用航空的航空情報原始資料和數據;提供飛行所需的航空情報和氣象服務;協助通用航空用戶申報飛行計劃，負責將飛行計劃分發至相關飛行服務站和區域內飛行計劃管理單位，并根據對飛行計劃的反饋情況確認其可行性;接收其他飛行服務站發來的飛行計劃，轉發相關飛行計劃管理單位，并反饋飛行計劃處理結果;掌握并上報飛行計劃及實施情況;掌握并上報服務范圍內空域動、靜態信息;提供告警和協助救援服務;提供飛行中服務;提供監視服務。

2 ?通用航空飛行服務站系統功能設計

通用航空飛行服務站系統是一個以面向通用航空用戶提供相關的飛行服務為背景的服務平臺。結合民航各行業（如空管部門）及通用航空用戶的需求，設計的通用航空飛行服務站系統主要包含以下子系統：飛行計劃服務子系統、情報服務子系統、氣象服務子系統、告警與協助救援服務子系統、低空空域監視服務子系統和輔助用監控子系統。

2.1 飛行計劃服務子系統

飛行計劃服務子系統采用MQ（消息隊列）方式獲取民航空管系統地區飛行計劃集中處理系統的航班計劃數據。飛行計劃集中處理系統通過MQ方式將航班計劃信息發布至消息隊列，飛行計劃服務子系統通過每分鐘輪詢的方式獲取航班計劃信息，并更新至數據庫。系統通過MQ方式實現飛行計劃數據與飛行服務站系統、國家通航信息處理中心的數據交換。

2.2 氣象服務子系統

氣象服務子系統按所處理與顯示的信息類別進行功能劃分，可分為氣象數據采集模塊、氣象數據處理模塊、氣象產品顯示模塊、氣象數據上報模塊和氣象數據接口模塊。組織架構如圖2。

2.3 情報服務子系統

情報服務子系統包括數據引接、數據處理、數據發布、數據日志、數據上報、基礎數據管理模塊。

該系統主要功能為：接收并處理通航飛行相關的航行通告數據;采集處理飛行服務站上報的情報數據，包括：通用航空機場、服務范圍內有關航行的設施設備基本信息，有關航行的設施、服務、程序等的運行狀態、變化，以及涉及航行安全的危險情況及其變化的通知，并且將處理后的數據分發給所需的各飛行服務站;實現對上報數據以及處理后情報數據的可視化展示功能。

2.4 告警與協助救援服務子系統

該子系統包括了告警數據收集與處理模塊和協助救援數據處理模塊。根據數據格式和傳輸方式，通過不同數據接口從民航地區空管局氣象中心、通航服務中心收集處理告警服務綜合數據;飛行服務站用戶可根據條件進行查詢區域內的相關協助救援信息和事故區域的救援定位分析數據。具體功能如圖3所示。

2.5 低空空域監視服務子系統

該子系統可引接二級數據處理中心ADS-B、廣域 MLAT（多點定位系統）以及場面MLAT數據，對低空通航飛行區域進行通航飛行動態進行監視。該模塊包含MLAT/ADS-B監視數據引接、顯示與告警、綜合航跡輸出功能。其數據引接流程如圖4所示。

2.6 輔助用監控子系統

輔助用監控子系統用于對業務模塊的功能邏輯執行情況和網絡傳輸數據情況進行監控，通過該子系統可以讓用戶實時地把握各個子系統的運行情況，一旦某個系統出現異?？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;該子系統主要的監控項包括：通航計劃執行情況、報文收發情況、數據庫訪問情況、各個系統訪問情況、接口服務運行情況等。

被監控的各模塊通過UDP包方式定期發送自身狀態信息，該信息經過數據接收、處理模塊實現夠告警信息內容和等級的判斷;告警配置管理模塊負責對告警的等級、判斷周期等內容進行設置;通過WEB應用服務的方式獲取告警結果，用于在用戶方的功能呈現。

3 ?低空空域監視服務子系統監視數據融合算法及其實現

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視服務子系統可采用低成本全覆蓋的綜合監視手段，例如ADS-B、廣域MLAT和場面MLAT等。因此該系統應具有異類多源監視數據融合的功能，為通航用戶提供智能化、可視化的遠程監視系統，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信息。

系統通過引接ASTERIX CAT 021格式的ADS-B數據、ASTERIX CAT 010的場面MLAT數據以及ASTERIX CAT 020的廣域MLAT數據等多元監視數據進行融合處理，形成系統航跡。該系統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，為提高各類監視數據處理的精度，低空空域監視服務子系統采用濾波法對數據進行濾波處理，形成局部航跡（如ADS-B航跡、MLAT航跡等），濾波法是現代最優估計理論的一種，對監視數據進行濾波（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。

對于各種監視數據的融合，由于各監視數據源的時間周期以及空間坐標各異的問題，在進行數據融合之前首先要解決時間對準和空間對準問題，將各數據統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外推法等。而空間對準一般可采用空間坐標準換將其統一到相同坐標系統中。這兩個問題都有較為成熟的解決方案[3]，在此不多做討論。而監視數據融合算法目前常用的有：馬賽克算法、加權協方差法、線性組合算法以及分層融合算法等。其中，應用最廣的是加權協方差法。加權協方差法是根據最小方差的原則，以各監視數據源對目標的狀態估計的不同精度為依據，構造加權系數，最優融合所有的估計值。

由此可知，通過對N個互相獨立監視數據源按照最小估計誤差協方差原則分配每個數據源的權重系數，融合能夠得到目標飛行器的最優估計。

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

實驗結果顯示該系統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視，而且也實現了長時間的精確跟蹤，監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的要求其監視的終端區域位置精度<0.1Nm，航路位置精度<0.3Nm。因而本系統實現的精度誤差不大于0.1Nm（終端區域）和0.3Nm（航路）。而且由于系統引入了ADS-B信息的報告頻率較高（一般可配置為1s-10s），因此融合后的系統綜合航跡也更加平滑，也提高了監視的可靠性和穩定性。

4 ?結束語

目前，可用于獲取通用航空飛行器實時位置及相關狀態信息的監視手段有很多種，例如一次雷達、二次雷達、ADS-B和多點定位系統（MLAT）等，但我國現階段對低空監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的一、二次雷達，還不能實現對通用航空監視空域的完全覆蓋。在諸多新的監視技術中，ADS-B的部署和維護成本最低，但ADS-B是一種非獨立的協同式監視技術，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作為一種獨立的協同監視技術，可以監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站系統及其數據融合技術進行探究，將ADS-B和MLAT數據與傳統的一、二次雷達數據進行融合，實現多種監視手段的優勢互補，提高監視數據的可靠性和精確性。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信息，有效地保障了通用航空的飛行的安全。

參考文獻：

[1]金沙舟.通用航空飛行服務站系統設計和低空綜合監視仿真研究[D].中國民用航空飛行學院，2012.

[2]黃濤.通航區域飛行服務中心的功能與應用研究[A].中國科學技術協會、中華人民共和國交通運輸部、中國工程院.2019世界交通運輸大會論文集[C].中國科學技術協會、中華人民共和國交通運輸部、中國工程院：中國公路學會，2019：11.

[3]周雷，辛曉娜，陳川波.結合ADS-B的航管監視數據融合關鍵技術[J].計算機工程與應用，2013，49（14）：231-235.

[4]田士佳，楊宵鵬，姚坤，曹逸樵.TCASII與ADS-B數據融合新算法[J].傳感器與微系統，2016，35（3）：130-136.