CN101110166A - 一种ads-b航迹与飞行计划的相关处理系统 - Google Patents

Abstract

一种ADS－B航迹与飞行计划的相关处理系统，信息采集模块分别采集和处理所需的ADS－B航迹信息和飞行计划信息；呼号与状态判断模块，分别判断ADS－B航迹信息和飞行计划信息两者的呼号与状态信息的相关性，如果呼号相同并且状态相关，则确定该条ADS－B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且状态也不相关，则确定该条ADS－B航迹与飞行计划不相关；如果呼号和状态有且仅有一项相关，判断该条航迹与飞行计划疑似相关，再进一步判断以确定是否能消除疑似相关；疑似相关判断模块对ADS－B航迹和飞行计划信息进一步判断处理，如果通过判断消除了疑似相关，则仍然将该条ADS－B航迹和飞行计划信息相关；否则，判断该条ADS－B航迹和飞行计划信息不相关。本发明兼具了相关判断的准确度和工程可实施性，有效地实现了ADS－B航迹与飞行计划的相关问题。

Description

一种ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统

技术领域

本发明涉及一种航迹与飞行计划的相关处理系统，特别是一种ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，属于空中交通管制领域。

背景技术

空中交通管制的根本目的是使航线上的飞机安全、有效和有计划的在空域中飞行，管制员需要对管制空域内飞机的飞行动态进行实时监视。

传统的雷达监视手段采用询问应答方式对目标探测。从长远来看，雷达系统自身具有很多局限性，限制了监视性能的提高。雷达波束的直线传播形成了大量雷达盲区，无法覆盖海洋和荒漠等地区；雷达旋转周期限制了数据更新率的提高，从而限制了监视精度的提高；无法获得飞机的计划航路、速度等状态数据，限制了跟踪精度的提高和短期冲突检测告警STCA的能力。因此，需要开发新的监视手段。

广播式自动相关监视ADS-B利用航空器自动广播由机载星基导航和定位系统生成的精确定位信息，地面设备和其他航空器通过航空数据链接收此信息，卫星系统、飞机以及地基系统通过高速数据链实现空天地一体化协同监视。ADS-B不仅克服了传统雷达监视手段的一些问题，并且具有精度高、更新率高、应用范围广、地面设备建设和维护费用低等优势。

空中交通管制工作站是空中交通管制员的一种管制工具，这种管制工具需要具备两种基本功能：监视和通信。监视是指通过特定的监视手段，管制员在特定的显示屏幕上观测并获得实时的飞机位置；通信是指管制员利用话音和数据等通信手段与飞行员进行实时的通信与交流。管制员通过监视和通信可以及时地获取详细的飞机位置信息，同时又能够与飞行员取得及时的联系，这样就可以随时随地的对管制区域内的飞机进行空中交通指挥，使飞机能够按照正确的航路飞行，从而降低空中交通事故率，提高航路飞行安全，管制员也可以有效地调度管制区域内的其他飞机，优化飞机的航路，提高空中交通流量和空域利用率，带来良好的经济效益。

飞行计划是由航空器使用者(航空公司或驾驶员)提交给空中交通服务提供者的关于本次飞行的详细说明。飞行计划数据处理的目的是保证空中交通服务单位能够根据批准的计划对航空器提供管制、情报等服务，从而避免操作的盲目性，确保飞机安全飞行。飞行计划的特点是：信息源渠道多，信息量大，易受影响(包括飞机本身的状况、气象条件、起降机场及航线的环境等)。

ADS-B信息与飞行计划信息源自不同的信息源，包含不同的信息数据，为了使管制员能够最大限度地了解空域状态，从而为用户提供最好的管制服务，需要将源自不同信息源的信息进行一体化融合处理，而融合处理的前提是能够准确、及时、有效地将关于同一目标的不同信息进行关联。

传统的雷达监视信息与飞行计划信息的相关问题，在工程中大都是直接通过二次代码进行关联的，但是实际飞行中二次代码经常会出错，因此该相关方法准确度不高；在理论上国内外研究机构也提出了一些雷达航迹与飞行计划的相关算法，尽管在仿真试验中可以获得较好的效果，但是由于实现比较复杂，因此不具有很高的工程可实施性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，它兼具了相关判断的准确度和工程可实施性，有效实现了ADS-B航迹与飞行计划的相关问题。

本发明的技术解决方案：一种ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，其特点在于包括：信息采集模块、呼号与状态判断模块、疑似相关判断模块和相关结论判断模块，其中：

信息采集模块，分别采集和处理所需的ADS-B航迹信息和飞行计划信息，送至呼号与状态判断模块；

呼号与状态判断模块，对从信息采集模块来的ADS-B航迹信息和飞行计划信息分别判断两者的呼号与状态信息的相关性，如果呼号相同并且状态相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且状态也不相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划不相关；如果呼号和状态有且仅有一项相关，则判断该条航迹与飞行计划疑似相关，还需进一步判断以确定是否能消除疑似相关；

疑似相关判断模块，对经过呼号与状态判断模块的疑似相关ADS-B航迹和飞行计划信息进一步判断并处理，如果通过判断消除了疑似相关，则仍然将该条ADS-B航迹和飞行计划信息相关；否则，则判断该条ADS-B航迹和飞行计划信息不相关；

相关结论判断模块，得出最终的相关结论判断，对疑似相关判断模块中没有疑似相关的情况有两种：如果呼号相同并且状态相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且状态也不相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划不相关；对有疑似相关的情况：如果能消除疑似相关，则该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果不能消除疑似相关，则判断该条航迹与飞行计划不相关。

本发明与现有技术相比的优点在于：作为一种新的航空监视手段，ADS-B报文数据中提供了飞机呼号信息。本发明了一种准确且工程上较容易实现的ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，对于采集到的信息首先判断呼号相关，再判断其他状态信息的相关，如果两者都相关上则直接确定为相关；如果两者都未相关上则直接确定为不相关；如果两者只有一个相关上，则被确定为疑似相关，再做进一步的判断，如果能消除疑似则仍然判断为相关。克服了传统相关处理方法的不足，兼具了相关判断的准确度和工程可实施性，有效地实现了ADS-B航迹与飞行计划的相关问题。

附图说明

图1为本发明的组成框图；

图2为本发明中的信息采集模块的流程图；

图3为本发明中的呼号与状态判断模块中状态判断流程图；

图4为本发明中的疑似相关判断模块的流程图；

图5为本发明中的相关结论判断模块的流程图。

具体实施方式

本发明以下涉及的符号说明：

p：状态相关系数；

f_ph：位置相关系数；

f_sc：时间相关系数；

f_fx：航向相关系数；

k_ph.k_sc：常数项；

d_n：航迹点与飞行计划间的距离；

θ_f：航路段角度，即飞行计划提供的角度值；

θ_n：当前航迹的方向角。

如图1所示，本发明的ADS-B航迹与飞行计划的相关处理总体流程，它包括四个部分：信息采集模块、呼号与状态判断模块、疑似相关判断模块和相关结论判断模块，实现如下：

(1)信息采集模块

如图2所示，该模块功能为分别采集所需的ADS-B航迹信息和飞行计划信息。在该模块中并行处理ADS-B航迹信息和飞行计划信息并提取有用的信息，为了数据采集与处理方便，模块中使用键值和实值的形式存储和管理ADS-B航迹信息和飞行计划信息，即分别赋给每个ADS-B航迹信息和飞行计划信息一个序号，ADS-B航迹的序号为系统航迹号，飞行计划的序号为飞行计划ID；键值部分存储序号，实值部分存储该ADS-B航迹信息和飞行计划有用信息的具体内容。

A.ADS-B航迹信息的采集与处理

如图2所示，用来采集与处理ADS-B航迹信息。首先采集ADS-B航迹中某个航迹点报文信息，其中包括状态报文数据(State Vector Report)、模式报文数据(Mode StatusReport)、勤务报文数据(0n Condition report)，需要提取状态报文数据和模式报文数据中的相关有用信息，主要包括模式报文数据中的呼号信息和状态报文中的位置、高度、航向与时间信息；然后接收线程提取这些有用信息并写入缓存；接着处理线程并更新以系统航迹号为键值的ADS-B航迹信息；随后搜索经过更新后已进行相关处理的ADS-B航迹，如果还未与飞行计划相关上，则在未相关ADS-B航迹所在位置一定范围内利用飞行计划ID号搜索未相关的飞行计划，再对两者继续后面的相关处理过程。

B.飞行计划信息的采集与处理

用来采集与处理飞行计划信息。首先采集飞行计划信息并判断其有效性，只有满足有效性才能进一步提取其中的有用项，主要包括ID号、呼号和飞行航路信息中的位置、高度、航向与时间信息；然后接收线程提取这些有用信息并写入缓存；接着处理线程并更新以飞行计划ID为键值的飞行计划信息；随后搜索经过更新后已进行相关处理的飞行计划，如果还未与ADS-B航迹相关上，则在未相关飞行计划所在位置一定范围内利用系统航迹号搜索未相关的ADS-B航迹，再对两者继续后面的相关处理过程。

(2)呼号与状态判断模块

在将ADS-B航迹和飞行计划相关时，把相关信息划分为两类：一类是呼号信息，即飞机的呼号；另一类是其他决定相关与否的飞机状态信息，包括飞机的位置、高度、航向和时间信息，统称为状态信息，可以为相关判断提供依据。

本模块的功能即用来分别判断呼号与状态的相关性，呼号的判断相对比较简单，相同则认为呼号相关，不同则认为呼号不相关；但是状态的判断则比较复杂，需要一套判断准则。其详细过程及所含内容如图3所示：

A.呼号判断

基于数据采集模块所得到的ADS-B航迹中某个航迹点和飞行计划的呼号进行判断，如果两个呼号相同，则判断为呼号相关；如果两个呼号不同，则判断为呼号不相关。由于相关信息还包含状态部分，此时还无法确定最终的相关性结论。

B.状态判断

由于状态信息由飞机的位置、高度、航向和时间信息共同组成，所以状态的相关判断应由一个综合因子决定，定义为状态相关系数p。相关质量由位置相关系数f_ph、时间相关系数f_sc、航向相关系数f_fx共同决定，当最终状态相关系数小于预定门限时，则判断为状态相关；并且在每一个系数的计算过程中，如果发现计算结果大于预定门限，都会直接返回0。采用统计相关方法：即当该航迹和飞行计划在m次相关中有大于等于n次相关上(m和n的选择由用户根据实际需要定制)，则认为该航迹与飞行计划最终相关。在计算过程中，只考虑航路上在航迹区域内的那部分航路段。下面分别定义位置相关系数、时间相关系数和航向相关系数：

位置相关系数：取航迹到飞行计划航路段的垂直距离为位置差，位置相关系数定义为与距离成正比，定义式如下，其中k_ph为常数项，d_n为基于上述规定的航迹点与飞行计划间的距离。

$f_{\mathrm{ph}}=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(k_{\mathrm{ph}}{d}_n\right)$

时间相关系数：取飞行计划航迹到达雷达航迹在该航路段投影点的时间与实际时间之差为时间差，时间相关系数定义为与时间差成正比，定义式如下，其中k_sc为常数项，t_n为基于上述规定的航迹点与飞行计划间的时差。

$f_{\mathrm{sc}}=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(k_{\mathrm{sc}}{t}_n\right)$

航向相关系数：取ADS-B航迹当前方向与飞行计划航路段的角度差为角度偏差。取角度偏差的绝对值的正弦值为航向相关系数，定义式如下，其中θ_f为航路段角度，即飞行计划提供的角度值，θ_n为当前航迹的方向角。

$f_{\mathrm{fx}}=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\sin |{\mathrm{\θ}}_f-{\mathrm{\θ}}_n|$

在上述任何一个相关系数计算出来后，如果结果大于预设门限，则直接认为状态相关系数为0。

否则，按下面的方法计算状态相关系数p：

$p=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sin |{\mathrm{\θ}}_f-{\mathrm{\θ}}_n|+k_{\mathrm{sc}}{t}_n+k_{\mathrm{ph}}{d}_n}{3}---\left(1\right)$

最终，如果呼号相同并且通过上述判断方法确定状态相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且通过上述判断方法确定状态也不相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划不相关；如果呼号和状态有且仅有一项相关，则判断该条航迹与飞行计划疑似相关，还需进一步判断以确定是否能消除疑似相关。

(3)疑似相关判断模块

如图4所示，该模块对经过呼号与状态判断模块的疑似相关进一步判断并处理，如果通过判断消除了疑似相关，则仍然将该条ADS-B航迹和飞行计划相关；否则，则判断该条ADS-B航迹和飞行计划不相关。

首先判断本航迹点是否可疑，如果可疑再判断其可疑类型。

A.类型为呼号可疑，则判断本航迹后q-1(q≥3，可根据用户需求设置)个航迹点，如果仍然都呼号可疑，则继续判断第q+1个新的航迹点，首先对该航迹点与已有的航迹进行相关判断，如果可以与已有航迹相关上，则继续判断呼号是否可疑，仍然可疑则得出结论该呼号出错，并向管制员告警；该航迹点如果与飞行计划可以相关，则消除呼号疑似相关并进行航迹相关。

B.类型为状态可疑，则判断本航迹后q-1个航迹点，如果仍然都状态可疑，则继续判断第q+1个新的航迹点，首先对该航迹点与已有的航迹进行相关判断，如果可以与已有航迹相关上，则继续判断状态是否可疑，仍然可疑则得出结论该状态出错，并向管制员告警；该航迹点如果与飞行计划可以相关，则消除状态疑似相关并进行航迹相关。

(4)相关结论判断模块

如图5所示，相关结论判断模块用于得出最终的相关结论判断，对没有疑似相关的情况有两种：如果呼号相同并且通过上述判断方法确定状态相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且通过上述判断方法确定状态也不相关，则确定该条ABS-B航迹与飞行计划不相关，并且向管制员告警。对有疑似相关的情况：如果能消除疑似相关，则该条ADS-B航迹可以与飞行计划相关；如果不能消除疑似相关，则判断该条航迹与飞行计划不相关，并且向管制员告警。

Claims (6)

1.一种ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，其特征在于包括：信息采集模块、呼号与状态判断模块、疑似相关判断模块和相关结论判断模块，其中：

信息采集模块，分别采集和处理所需的ADS-B航迹信息和飞行计划信息，送至呼号与状态判断模块；

呼号与状态判断模块，对从信息采集模块来的ADS-B航迹信息和飞行计划信息分别判断两者的呼号与状态信息的相关性，如果呼号相同并且状态相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且状态也不相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划不相关；如果呼号和状态有且仅有一项相关，则判断该条航迹与飞行计划疑似相关，还需进一步判断以确定是否能消除疑似相关；

疑似相关判断模块，对经过呼号与状态判断模块的疑似相关ADS-B航迹和飞行计划信息进一步判断并处理，如果通过判断消除了疑似相关，则仍然将该条ADS-B航迹和飞行计划信息相关；否则，则判断该条ADS-B航迹和飞行计划信息不相关；

相关结论判断模块，得出最终的相关结论判断，对疑似相关判断模块中没有疑似相关的情况有两种：如果呼号相同并且状态相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且状态也不相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划不相关；对有疑似相关的情况：如果能消除疑似相关，则该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果不能消除疑似相关，则判断该条航迹与飞行计划不相关。

2.根据权利要求1所述的ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，其特征在于：所述的采集与处理ADS-B航迹信息的过程为：

(1)首先采集ADS-B航迹中某个航迹点报文信息，包括：状态报文数据、模式报文数据、勤务报文数据，提取状态报文数据和模式报文数据中的相关有用信息，主要包括模式报文数据中的呼号信息和状态报文中的位置、高度、航向与时间信息；

(2)然后通过接收线程提取所述的有用信息并写入缓存；

(3)接着处理线程并更新ADS-B航迹信息；

(4)随后搜索经过更新后已进行相关处理的ADS-B航迹，如果还未与飞行计划相关上，则在未相关ADS-B航迹所在位置一定范围内利用飞行计划ID号搜索未相关的飞行计划信息，再将该信息送至呼号与状态判断模块中对两者进行相关处理过程。

3.根据权利要求1所述的ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，其特征在于：所述的采集与处理飞行计划信息的实现过程为：

(1)首先采集飞行计划信息，主要包括ID号、呼号和飞行航路信息中的位置、高度、航向与时间信息，并判断这些有用信息的有效性；

(2)然后接收线程提取所述的有用信息并写入缓存；

(3)接着处理线程并更新该飞行计划信息；

(4)随后搜索经过更新后已进行相关处理的飞行计划登信息，如果还未与ADS-B航迹相关上，则在未相关飞行计划所在位置一定范围内利用系统航迹号搜索未相关的ADS-B航迹信息，再将该信息送至呼号与状态判断模块中对两者进行后面的相关处理过程。

4.根据权利要求1所述的ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，其特征在于：所述的呼号判断的实现过程为：对于从数据采集模块所得到的ADS-B航迹中某个航迹点和飞行计划的两个呼号，如果两个呼号相同，则判断为呼号相关；如果两个呼号不同，则判断为呼号不相关。

5.根据权利要求1所述的ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，其特征在于：所述的状态判断的实现过程为：

(1)所述的状态相关判断由一个综合因子状态相关系数p决定，p的计算公式为：

$p=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sin |{\mathrm{\θ}}_f-{\mathrm{\θ}}_n|+k_{\mathrm{sc}}{t}_n+k_{\mathrm{ph}}{d}_n}{3}$

p由位置相关系数f_ph、时间相关系数f_sc、航向相关系数f_fx三者取平均值共同决定，其中位置相关系数f_ph为：

$f_{\mathrm{ph}}=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(k_{\mathrm{ph}}{d}_n\right)$

k_ph为常数项，d_n为航迹点与飞行计划间的距离；

时间相关系数f_sc为：

$f_{\mathrm{sc}}=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(k_{\mathrm{sc}}{t}_n\right)$

k_sc为常数项，t_n为基于上述规定的航迹点与飞行计划间的时差航向相关系数f_fx为：

$f_{\mathrm{fx}}=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\sin |{\mathrm{\θ}}_f-{\mathrm{\θ}}_n|$

θ_f为航路段角度，即飞行计划提供的角度值，θ_n为当前航迹的方向角；

m和n由用户根据需要选定；

(2)如果最终状态相关系数p小于预定门限时，则判断为状态相关；

(3)如果在所述的位置相关系数f_ph、时间相关系数f_sc、航向相关系数f_fx中任何一个相关系数计算出来后，结果大于预设门限时，则直接认为状态相关系数p为0，即状态不相关。

6.根据权利要求1所述的ADS-B航迹与飞行计划的相关处理系统，其特征在于：所述的疑似相关判断模块实现过程为：判断本航迹点是否可疑，如果可疑再判断其可疑类型：

(1)类型为呼号可疑，则判断本航迹后q-1，q≥3个航迹点，如果仍然都呼号可疑，则继续判断第q+1个新的航迹点，首先对该航迹点与已有的航迹进行相关判断，如果可以与已有航迹相关上，则继续判断呼号是否可疑，仍然可疑则得出结论该呼号出错，并向管制员告警；该航迹点如果与飞行计划可以相关，则消除呼号疑似相关并进行航迹相关；

(2)类型为状态可疑，则判断本航迹后q-1个航迹点，如果仍然都状态可疑，则继续判断第q+1个新的航迹点，首先对该航迹点与已有的航迹进行相关判断，如果可以与已有航迹相关上，则继续判断状态是否可疑，仍然可疑则得出结论该状态出错，并向管制员告警；该航迹点如果与飞行计划可以相关，则消除状态疑似相关并进行航迹相关；

得出最终的相关结论判断，对疑似相关判断模块中没有疑似相关的情况有两种：如果呼号相同并且状态相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果呼号不同并且状态也不相关，则确定该条ADS-B航迹与飞行计划不相关；对有疑似相关的情况：如果能消除疑似相关，则该条ADS-B航迹与飞行计划相关；如果不能消除疑似相关，则判断该条航迹与飞行计划不相关。

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