CN107404349A - 一种融合ads‑b实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法 - Google Patents
一种融合ads‑b实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种融合ADS‑B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，包括以下内容：一、基于凹包模型的ADS‑B实测信号覆盖分析；二、基于ADS‑B信号可靠性等级的航段覆盖分析；三、融入地理信息系统的ADS‑B信号多重融合信息覆盖分析；本发明用于民用航空器ADS‑B监视与运行分析及选址建议。本发明信号覆盖分析方法，提高了现有ADS‑B监视范围准确性，解决了ADS‑B基站未来布点选址问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，属于民航ADS-B监视及运行安全保障技术领域。
背景技术
Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(简写ADS-B)全称为广播式自动相关监视系统，该系统由飞行器自动播报由卫星定位系统生成的定位信息，还提供速度和飞行意图等信息，地面设备和其他飞行器通过数据链接收此报文，通过高速数据链进行空、天、地一体化协同监视，尤其适合于不宜建设雷达的区域，是未来监视系统的重要组成部分和发展方向。
ADS-B(1090ES)数据链地面站以机载星基导航设备和其他机载设备产生的定位信息为数据源，通过地空通信，接收空中飞机广播的ADS-B信息，通过地面网络分发与信息处理系统完成监视信息的分发，在地面端系统的管制员工作站显示飞行航迹并进行实时跟踪，实现对其覆盖空域内交通状况全面、详细的了解，更好地对飞行提供交通管制服务。地面站除接收飞机广播的报文外，同时也向飞机提供交通信息服务(TIS-B)和飞行情报服务(FIS-B)。
对ADS-B地面站覆盖分析主要针对地面站接收飞机广播报文的能力。目前，针对ADS-B地面站的信号覆盖的相关研究在主要停留在理论层面，难以适用于ADS-B性能监视和ADS-B地面站选址。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，融合基于凹包算法和航段上可靠性等级的ADS-B实测信号覆盖范围分析方法，提升视距传输模型对ADS-B信号覆盖范围结果，从而实现对不同高度层民航飞机ADS-B的信号覆盖范围的分析。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，包括如下步骤：
步骤1，采集航空器ADS-B实测信号，得到民航划分的不同飞行高度层下，给定飞行高度层的ADS-B实测信号，利用凹包生成算法，得到该飞行高度层的ADS-B实测信号覆盖结果；ADS-B实测信号包括ADS-B航迹点；
步骤2，将给定飞行高度层对应的航路进行分段，得到多个航段，根据距离误差阈值和角度误差阈值将给定飞行高度层的ADS-B实测信号匹配到对应的航段；统计匹配到各个航段上的航空器出现的漏点率，根据漏点率计算航段的平均漏点率，根据平均漏点率所在范围，判断航段的可靠性等级，得到不同可靠性等级的航段在航路上的覆盖结果；
步骤3，基于地理信息系统，得到给定飞行高度层地理信息系统经纬度网格上ADS-B实测信号视距传输的理论覆盖结果；将上述三种结果进行叠加，得到多重覆盖结果。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤1具体过程为：
步骤A1，根据民航划分的飞行高度层，将采集的航空器ADS-B实测信号按飞行高度层进行归类，得到给定飞行高度层的ADS-B实测信号；
步骤A2，基于经纬度坐标，采用兰勃特投影方法将给定飞行高度层对应的ADS-B航迹点投影到兰勃特地图平面，得到该飞行高度层对应的投影点集；
步骤A3，根据投影点集构成兰勃特平面直角坐标系，利用凹包生成算法，依据给定飞行高度层对应的投影点集计算得到给定飞行高度层下ADS-B实测信号覆盖结果。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤A3具体过程为：
Step1，以ADS-B地面站为坐标原点，地理信息上过原点的经线作为y轴，过原点的纬线的切线作为x轴，构造兰勃特平面直角坐标系；
Step2，将兰勃特平面直角坐标系分为N个扇区，每个扇区的夹角为2π/N，由x轴开始逆时针方向分别为每个扇区编号：扇区1，扇区2，…，扇区N；
Step3，计算坐标系上各航迹点与x轴的夹角，并根据夹角的大小判断各航迹点所在的扇区；
Step4，在每个扇区中找出距离坐标原点最远的航迹点，连接各扇区中距离坐标原点最远的航迹点和坐标原点，构成的凹多边形即为所有航迹点的凹包。
作为本发明的一种优选方案，步骤2所述根据距离误差阈值和角度误差阈值将给定飞行高度层的ADS-B实测信号匹配到对应的航段具体过程为：
设定航段两端的坐标分别为A(xa,ya)、B(xb,yb)，某航空器ADS-B实测信号输出位置为Pi(xi,yi)，则ADS-B实测信号到航段的距离为：
航段的方向θ为：
设ADS-B实测信号的航迹角为则ADS-B实测信号与航段的夹角为：
当ADS-B实测信号到航段的距离di≤δ，且ADS-B实测信号与航段的夹角Δθi≤α时，认为该ADS-B实测信号匹配到该航段，否则不能匹配到该航段，其中，δ、α分别为距离误差阈值、角度误差阈值。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2统计匹配到各个航段上的航空器出现的漏点率，根据漏点率计算航段的平均漏点率具体过程为：
航段的平均漏点率ρ为：
其中，M为匹配到该航段上的所有航空器的个数，nm、ρm分别为匹配到该航段上的第m个航空器ADS-B实测信号航迹点数、漏点率。
作为本发明的一种优选方案，步骤3所述基于地理信息系统，得到给定飞行高度层地理信息系统经纬度网格上ADS-B实测信号视距传输的理论覆盖结果具体过程为：
以ADS-B地面站为视点，即理论覆盖结果的中心，采用Xdraw算法从中心开始从内向外逐层扩散，判定经纬度网格上所有格网点的可视性，直至扩散半径达到ADS-B地面站可视的最大理论范围时，停止扩散，此时生成的包含视点在内的封闭区域即为ADS-B实测信号视距传输的理论覆盖结果。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明所提出的信号覆盖分析方法利用实测信号和视距传输理论模型，融合地理信息系统，能够更准确地反映ADS-B信号在不同高度层的覆盖能力。
2、本发明所提出的ADS-B实测信号覆盖分析方法考虑ADS-B设备实际性能，有利于监视能力的分析，方法速度快，并结合数据融合算法，有利于本发明方法的推广应用。
附图说明
图1是本发明信号覆盖分析方法的整体架构图。
图2是兰勃特平面直角坐标系。
图3是ADS-B信号给定方向和高度层上的视距传输示意图。
图4是地理信息系统经纬度网格示例图。
图5是凹包范围确定示意图。
图6是航空器与航段匹配示意图。
图7是ADS-B地面站5400米高度实际覆盖范围凹包及ADS-B航迹连续性分布图。
图8是ADS-B地面站5400米高度理论覆盖范围。
图9是ADS-B地面站5400米高度理论覆盖范围与实际覆盖范围凹包叠加结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，本发明信号覆盖分析方法具体步骤如下：
步骤一、基于ADS-B实测数据的覆盖范围分析
步骤A1、按民航划分的飞行高度层，将不同高度层上航班的ADS-B实测数据进行分类。
步骤A2、基于经纬度坐标，给定高度层采用兰勃特投影方法将ADS-B航迹点投影到兰勃特地图平面，组成该高度层的投影点子集。
对包含高度信息的航班ADS-B航迹点操作兰勃特等角投影法。设想用一个正圆锥割于球面两标准纬线，应用等角条件将地球面投影到圆锥面上，然后沿一母线展开，即为兰勃特投影平面。兰勃特等角投影后纬线为同心圆弧，经线为同心圆半径。
以ADS-B接收机的位置作为原点O，地理信息上过原点经线Lo作纵坐标y轴(向北为正)，过原点纬线Bo的切线作为横坐标x轴(向东为正)，由此构成兰勃特平面直角坐标系，如图2所示。
将航空器ADS-B航迹的地理坐标(B,L)转化为兰勃特投影下的平面坐标(xd,yd)，利用兰勃特等角投影正解公式，如：
r＝a×F×tn (5)
θd＝n(Ld-Lo) (6)
基于公式(1)-(6)纵坐标xd，横坐标yd为：
xd＝ro-rdcosθd (7)
yd＝rdsinθd (8)
其中，a为地球长半轴；e为第一偏心率；B1为第一标准纬线纬度；B2为第二标准纬线纬度；ro为原点维度处的r值；rd为Bd纬度处的r值；分别为标准纬线B1和B2处的m值；分别为标准纬线B1和B2处的t值。
步骤A3、利用凹包生成算法，依据给定高度层上实测ADS-B航迹的计算出不同高度层下ADS-B的实测覆盖图。即基于步骤A2中得到的给定高度层所有ADS-B航迹点上在平面上投影坐标(xd,yd)，计算信号覆盖凹包。凹包的计算步骤如下：
步骤A31：首先以ADS-B地面站为原点O(xo,yo)，将水平面分为N个扇区，因此每个扇区的夹角为
步骤A32：对于每个ADS-B航迹点Pi上在平面上投影坐标(xd,yd)，计算向量OPi与x轴的夹角，计算公式如下：
步骤A33：计算第k个扇区中包含的航迹点集合Sk，对于每个ADS-B航迹点Pi，判断向量OPi是否位于扇区k，判断依据是：(k+1)2π/N>αi≥k2π/N。
步骤A34：若第k个扇区中包含的航迹点集合Sk不为空，则计算点集Sk中距离ADS-B地面站最远的航迹点Pk，即：任意Pk∈Sk：|PoPk|>|PoPj|；反之若Sk为空，则令该扇区离ADS-B地面站最远的航迹点为Po。
步骤A35：将每个扇区离ADS-B地面站最远的航迹点构成多形，得到的凹多边形即为覆盖所有航迹点的凹包。
步骤二、基于ADS-B信号可靠性的航路覆盖分析
步骤B1、按民航划分的飞行高度层，将不同高度层上航班的ADS-B实测数据进行分类，并根据距离误差和角度误差准则将ADS-B实测数据匹配到对应的航路。
步骤B11、某航空器的ADS-B实测数据输出位置为Pi(xi,yi)，直线航段两端的坐标分别为A(xa,ya)、B(xb,yb)。可求得ADS-B实测数据到航段的距离为：
而航段的方向为：
假设ADS-B实测数据的航迹角为则ADS-B实测数据与航段的夹角为：
步骤B12、当ADS-B实测数据到航段的距离di≤δ，且ADS-B实测数据与航段的夹角Δθi≤α，该数据匹配到该航段，否则不能匹配到该航段，其中δ与α是给定的阈值。
步骤B2、对上述分段航路，统计在一段时间间隔内，该航段上所有航空器出现的漏点数，依据ADS-B可靠性计算原理，通过丢包率结果确定可靠性等级；
选定任意一架航空器，连续m秒内未收到航迹点，则判断为ADS-B的航迹的漏点，上述航段上所有航空器出现的漏点数，根据公式得到丢失点百分比计算结果：
步骤B3、依据事先设置的可靠性等级辨别表，如表1所示，判断不同航段上的漏点率所处的范围，确定该航段的可靠性等级，得到给定高度层下不同可靠性级别的航段在航路上分布。
表1可靠性等级判别表
| 可靠性等级 | 漏点率阈值 |
| 可靠 | 0-5％ |
| 适度可靠 | 6％-10％ |
| 不可靠 | 10％-100％ |
步骤三、融入地理信息系统的ADS-B信号多重融合覆盖分析
ADS-B采用1090ES通讯链建立空地通信的视距传播，融入地理信息系统后，首先考虑地形遮蔽对ADS-B信号的影响。沿ADS-B地面站接收天线与障碍物顶端做一条射线，该射线与水平面夹角为θ2，当飞机的下滑角小与θ2时，其机载ADS-B发射器所发出的信号就无法被地面站接收到，如图3所示。其计算步骤为：
步骤C1、假设ADS-B地面站位于视点位置，从视点向目标点Tp引出一条视线，如图4所示。
步骤C2、基于Xdraw算法，从内向外来逐层判定块内格网点的可视性，扩散覆盖范围。
对第j层网格上的网格点可视性的判断，比较与目标点上存储的的大小。若则视点V与目标点Tp之间通视；反之，若则视点V与目标点Tp之间不通视；使用布尔值表示目标点的可视性，布尔值为1代表可视，为0代表不可视。
步骤C3、由扩散后分块的判断顺序可知，此时该分块的上边界和左边界的可视信息已知。对分块内的点，按行从上到下、列从左至右的顺序来判断每个格网点的可视性。
随着扩散的进行，可视域的计算范围不断增大，由于地球表面是一个弧形球面，可视域的计算一般是基于笛卡尔平面直角坐标的，所以要对高程进行预校正，可以采用如下近似公式进行校正：
H'＝H+(D/2R)2 (14)
对可视域计算范围，当外接圆所包含的每个网格点都被考虑到时，算法停止。当算法停止时，可视域计算范围内的每个网格点都有对应的布尔值，所有布尔值为1的网格点可以采用凹包算法拟合成一个包含视点V在内的封闭区域，为ADS-B地面站在高度层H0的ADS-B覆盖范围。
结合图1至图4、表1具体阐述实施方式，本实施方式包括以下步骤：
步骤一：按民航划分的飞行高度层，将不同高度层上航班的ADS-B实测信号进行分类；基于经纬度坐标，计算给定高度层下与ADS-B接收机距离按径向线每一度划分最远的航迹点，组成该高度层的覆盖范围凹包。
Step1：首先以ADS-B地面站为原点O(xo,yo)，将水平面分为6个扇区，因此每个扇区的夹角为2π/6，即为60°，如图5所示，由X轴逆时针方向开始分别为扇区命名扇1、扇2至扇6。
Step2：对于每个ADS-B航迹点Pi上在平面上投影坐标(xd,yd)，计算向量OPi与X轴的夹角。如图有四个点P1(8,6)、P2(4,4)、P3(0,4)、P4(8,8)。根据公式(9)计算各点与X轴的夹角分别为37°、45°、90°、135°。
Step3：根据判断依据(k+1)2π/N>αi≥k2π/N：可得P1、P2在第一扇区，P3在第二扇区，P4在第三扇区。
Step4：通过计算可得，扇区1中P1为距离ADS-B地面站最远的航迹点，扇区2中为P3，扇区3中为P4。
Step5：连接各扇区中距离ADS-B地面站最远的航迹点P1、P3、P4与坐标原点，构成如图7所示的多边形即为凹包。
南京ADS-B地面站东经118.786111度、北纬31.939167度、高度50米。采集2017年3月22日上午9:00至12:00的航迹数据。在NASA World Wind地理信息系统平台上开发了ADS-B地面站覆盖性分析软件，如图7所示。
步骤二：统计在一长段时间间隔内，给定高度层，某一航段上所有航空器出现的漏点数，并依据事先设置的可靠性等级参数，如表1所示，确定该航段的可靠性等级。将处于不可靠等级下的航段采用不同的颜色加以区别，现以图6为例来说明具体的航段可靠性等级确定方法。
Step1：假设直线航段两端的坐标分别为A(10,10)、B(20,20)，假设该航段附近包含三组ADS-B实测数据，航空器1的ADS-B实测数据输出位置为P1(12,15)，漏点率为ρ1＝6％，航迹点数为n1＝109，航空器2的ADS-B实测数据输出位置为P2(11,12)，漏点率为ρ2＝8％，航迹点数为n2＝103，航空器3的ADS-B实测数据输出位置为P3(15,18)，漏点率为ρ3＝7％，航迹点数为n3＝106。
Step2：由公式(10)，可求得航空器ADS-B实测数据到航段的距离分别为2.12、0.71、2.12。由公式(11)，可求得航段的方向为45°。假设航空器ADS-B实测数据的航迹角分别为60°、45°、37°，则ADS-B实测数据与航段的夹角Δθ可由公式(12)求得，分别为15°、0°、8°。
Step3：假设距离匹配阈值δ＝10，匹配夹角阈值α＝30°，比较ADS-B实测数据到航段的距离d≤δ，且数据与航段的夹角Δθ≤α，3架航空器ADS-B实测数据均能匹配到该航段。
Step4：计算该航段的平均可靠度等级为为适度可靠。
步骤三：基于地理信息系统，可视域计算范围内的每个网格点都有对应的布尔值，所有布尔值为1的网格点可以拟合成一个包含视点V在内的封闭区域，为ADS-B地面站在高度层的ADS-B可视范围，以上图4中第1部分的分块为例来说明具体的判断方法。如图4，由扩散后分块的判断顺序可知，此时该分块的上边界和左边界的可视信息已知。对分块内的点，按行从上到下、列从左至右的顺序来判断每个格网点的可视性。
得到ADS-B地面站5400米高度理论覆盖范围，其中圆形区域为仅仅考虑地球曲率影响下的理论最大覆盖范围，而多边形区域为考虑地形遮蔽影响下的理论最大覆盖范围，如图8所示。
ADS-B地面站5400米高度考虑地形遮蔽因素时理论覆盖范围与实际覆盖范围凹包叠加结果，如图9所示。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采集航空器ADS-B实测信号，得到民航划分的不同飞行高度层下，给定飞行高度层的ADS-B实测信号，利用凹包生成算法，得到该飞行高度层的ADS-B实测信号覆盖结果；ADS-B实测信号包括ADS-B航迹点；
步骤2，将给定飞行高度层对应的航路进行分段，得到多个航段，根据距离误差阈值和角度误差阈值将给定飞行高度层的ADS-B实测信号匹配到对应的航段；统计匹配到各个航段上的航空器出现的漏点率，根据漏点率计算航段的平均漏点率，根据平均漏点率所在范围，判断航段的可靠性等级，得到不同可靠性等级的航段在航路上的覆盖结果；
步骤3，基于地理信息系统，得到给定飞行高度层地理信息系统经纬度网格上ADS-B实测信号视距传输的理论覆盖结果；将上述三种结果进行叠加，得到多重覆盖结果。
2.根据权利要求1所述融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，其特征在于，所述步骤1具体过程为：
步骤A1，根据民航划分的飞行高度层，将采集的航空器ADS-B实测信号按飞行高度层进行归类，得到给定飞行高度层的ADS-B实测信号；
步骤A2，基于经纬度坐标，采用兰勃特投影方法将给定飞行高度层对应的ADS-B航迹点投影到兰勃特地图平面，得到该飞行高度层对应的投影点集；
步骤A3，根据投影点集构成兰勃特平面直角坐标系，利用凹包生成算法，依据给定飞行高度层对应的投影点集计算得到给定飞行高度层下ADS-B实测信号覆盖结果。
3.根据权利要求2所述融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，其特征在于，所述步骤A3具体过程为：
Step1，以ADS-B地面站为坐标原点，地理信息上过原点的经线作为y轴，过原点的纬线的切线作为x轴，构造兰勃特平面直角坐标系；
Step2，将兰勃特平面直角坐标系分为N个扇区，每个扇区的夹角为2π/N，由x轴开始逆时针方向分别为每个扇区编号：扇区1，扇区2，…，扇区N；
Step3，计算坐标系上各航迹点与x轴的夹角，并根据夹角的大小判断各航迹点所在的扇区；
Step4，在每个扇区中找出距离坐标原点最远的航迹点，连接各扇区中距离坐标原点最远的航迹点和坐标原点，构成的凹多边形即为所有航迹点的凹包。
4.根据权利要求1所述融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，其特征在于，步骤2所述根据距离误差阈值和角度误差阈值将给定飞行高度层的ADS-B实测信号匹配到对应的航段具体过程为：
设定航段两端的坐标分别为A(xa,ya)、B(xb,yb)，某航空器ADS-B实测信号输出位置为Pi(xi,yi)，则ADS-B实测信号到航段的距离为：
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设ADS-B实测信号的航迹角为则ADS-B实测信号与航段的夹角为：
当ADS-B实测信号到航段的距离di≤δ，且ADS-B实测信号与航段的夹角Δθi≤α时，认为该ADS-B实测信号匹配到该航段，否则不能匹配到该航段，其中，δ、α分别为距离误差阈值、角度误差阈值。
5.根据权利要求1所述融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，其特征在于，所述步骤2统计匹配到各个航段上的航空器出现的漏点率，根据漏点率计算航段的平均漏点率具体过程为：
航段的平均漏点率ρ为：
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其中，M为匹配到该航段上的所有航空器的个数，nm、ρm分别为匹配到该航段上的第m个航空器ADS-B实测信号航迹点数、漏点率。
6.根据权利要求1所述融合ADS-B实测信号和视距传输分析的信号覆盖分析方法，其特征在于，步骤3所述基于地理信息系统，得到给定飞行高度层地理信息系统经纬度网格上ADS-B实测信号视距传输的理论覆盖结果具体过程为：
以ADS-B地面站为视点，即理论覆盖结果的中心，采用Xdraw算法从中心开始从内向外逐层扩散，判定经纬度网格上所有格网点的可视性，直至扩散半径达到ADS-B地面站可视的最大理论范围时，停止扩散，此时生成的包含视点在内的封闭区域即为ADS-B实测信号视距传输的理论覆盖结果。
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