CN111754817B - 所需监视性能可用性评估方法 - Google Patents

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CN111754817B CN202010762574.8A CN202010762574A CN111754817B CN 111754817 B CN111754817 B CN 111754817B CN 202010762574 A CN202010762574 A CN 202010762574A CN 111754817 B CN111754817 B CN 111754817B
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Abstract

本发明涉及民用航空航空器监视技术领域，具体公开了一种所需监视性能可用性评估方法，包括接收每一条航迹的监视数据；根据接收到监视数据一一对应地建立参考航迹；将所述参考航迹按测量间隔时间划分并计算出每一条参考航迹的测量间隔数量NT；计算每一条参考航迹存在有效水平位置的测量间隔的数量NR以及计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR；计算每一条参考航迹存在的有效气压高度的测量间隔的数量NH以及计算所有参考航迹的水平位置更新率PUH；计算每一条参考航迹存在的有效飞机身份的测量间隔的数量NI以及计算所有参考航迹的飞机身份更新率PUI；根据水平位置更新率PUR、气压高度更新率PUH、飞机身份更新率PUI计算监视系统所需监视性能可用性。

Description

所需监视性能可用性评估方法
技术领域
本发明涉及民用航空航空器监视技术领域，特别是涉及一种所需监视性能可用性评估方法。
背景技术
航空监视(Surveillance)技术是国际民航组织新航行系统(CNS/ATM)的重要组成部分，是星基定位与导航、航空器机载设备与地面设备等多种先进技术的结合，为管制员和飞行员提供所需的航空运行态势感知信息，是现代空中交通管理的基础，是保障飞行安全、提高运行效率的重要手段。空管自动化系统作为民航空管部门实施对空指挥的核心系统，通过处理监视雷达信号、广播式自动相关监视(ADS-B)等监视数据，为管制员提供空中飞行态势的显示和各种飞行冲突及各种异常的告警，通过处理飞行计划和动态电报，为管制员提供飞行计划和飞行动态相关信息以及管理手段，在确保民航空管对空指挥任务的安全实施中发挥着重要的作用。因此监视系统监视性能的优劣对民航空中交通管理体系至关重要。
监视性能可用性是指监视系统能够按要求提供监视服务的概率,表示为系统实际服务的时间Treal和计划用于服务的时间Tplan之比。当监视系统航空器端或通信服务提供系统环节出现非计划中断时，会对航空器监视数据的更新概率产生影响，甚至出现目标位置长时间丢失的情况，严重影响空中交通管理的效率。一个监视系统性能的好坏有几个要素，包括完整性，连续性，可用性等综合判断。因此很有必要对监视系统的监视性能可用性进行评估，目前国内还没有相关研究。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供了一种所需监视性能可用性评估方法，为民用航空监视系统监视性能提供一种可靠的可用性能基础参数。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种所需监视性能可用性评估方法，包括以下步骤：
接收每一条航迹的监视数据；
根据接收到的每一条航迹的监视数据一一对应地建立参考航迹；
将所述参考航迹按测量间隔时间划分并计算出每一条参考航迹的测量间隔数量NT；
计算每一条参考航迹存在有效水平位置的测量间隔的数量NR，并根据所述每一条参考航迹的有效水平位置的测量间隔的数量NR以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR；
计算每一条参考航迹存在的有效气压高度的测量间隔的数量NH，并根据所述每一条参考航迹的有效气压高度的测量间隔数量NH以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的水平位置更新率PUH；
计算每一条参考航迹存在的有效飞机身份的测量间隔的数量NI，并根据所述每一条参考航迹存在的有效飞机身份的测量间隔的数量NI以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的飞机身份更新率PUI；
根据水平位置更新率PUR、气压高度更新率PUH、飞机身份更新率PUI计算监视系统所需监视性能可用性。
进一步的，还包括：
预先设定可用性评估区域；
在接收每一条航迹的监视数据中，接收可用性评估区域内每一条航迹的监视数据；
在计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR的步骤中，计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的水平位置更新率PUR
在计算所有参考航迹的水平位置更新率PUH的步骤中，计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的水平位置更新率PUH；
在计算所有飞机身份更新率PUI的步骤中，计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的飞机身份更新率PUI。
进一步的，还包括：
预先设定时间跨度；
在接收每一条航迹的监视数据中，在每一时间跨度内接收可用性评估区域内的每一条航迹的监视数据。
进一步的，在根据接收到的每一条航迹的监视数据一一对应地建立参考航迹的步骤中，包括：
使用卡尔曼滤波算法处理接收的监视数据，以建立与所述真实航迹相对应的参考航迹，并以此作为监视性能评估的基准航迹。
进一步的，在使用卡尔曼滤波算法处理接收的监视数据，以建立与所述真实航迹相对应的参考航迹，包括：
通过k-1时刻的最优状态估计值预测k时刻状态，其中k-1时刻为k时刻的前一时刻：
Figure BDA0002613487400000021
计算k时刻预测误差协方差矩阵：
Pk|k-1＝FPk-1|k-lFT+GQGT (4)
计算k时刻卡尔曼滤波增益：
Kk＝Pk|k-1HT(HPk|k-1HT+R)-1 (5)
根据卡尔曼滤波增益及k时刻接收到的监视数据状态向量Xk，计算k时刻状态最优估计值：
Figure BDA0002613487400000031
计算k时刻估计误差协方差矩阵：
Pk|k＝(I-KkH)Pk|k-1 (7)
式(3)至(7)中，Xk为k时刻的航空器状态向量Xk＝[pk,vk，ak]T包括其位置pk，速度vk和加速度ak，F表示状态转移矩阵，G表示过程噪声转移矩阵，Q为过程噪声的协方差，Pk为k时刻误差协方差矩阵，H为观测矩阵，Zk为k时刻的观测到的航空器状态向量，R为观测噪声的协方差,FT、GT、HT表示各矩阵的转置矩阵，I为单位矩阵。
根据式(3)至(7)得到时间对应的参考航迹点，并以此形成每一条参考航迹。
进一步的，将所述参考航迹按测量间隔时间划分并计算出每一条参考航迹的测量间隔数量NT的步骤中，通过以下公式计算所述测量间隔数量NT：
Figure BDA0002613487400000032
式(8)中，t1表示所述参考航迹上首个参考航迹点的时间，首个参考航迹点在第一个测量间隔的中心位置，tN表示所述参考航迹上最后一个参考航迹点的时间，MI为测量间隔时间，其针对不同的航空运行场景具有不同取值。
进一步的，在计算每一条参考航迹存在有效水平位置的测量间隔的数量NR，并根据所述每一条参考航迹的有效水平位置的测量间隔的数量NR以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR的步骤中，包括：
计算每一测量间隔内对应的监视数据水平位置与参考航迹上相应点的水平位置误差小于第一预设值的数量NR；
通过以下公式计算评估区域内水平位置更新概率PUR：
Figure BDA0002613487400000033
式(9)中，n为区域内所有航迹总数。
进一步的，计算每一条参考航迹存在的有效气压高度的测量间隔的数量NH，并根据所述每一条参考航迹的有效气压高度的测量间隔数量NH以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的水平位置更新率PUH的步骤中，包括：
计算每一测量间隔内接收的监视数据气压高度与参考航迹相应点的气压高度误差小于第二预设值的数量NH；
通过以下公式计算评估区域内气压高度更新概率PUH，公式如下:
Figure BDA0002613487400000041
式(10)中，n为目标航迹总数。
进一步的，在计算飞机身份更新率PUI的步骤中，包括：
参考航迹内一个测量间隔内存在至少一个具有气压高度的参考航迹点并且相同时间点接收的飞机身份数据正确，统计此参考航迹中满足上述要求的所有测量间隔数量NI；
通过以下公式计算飞机身份更新率PUI：
Figure BDA0002613487400000042
式(11)中，n为目标航迹总数。
进一步的，通过以下公式计算所需监视性能可用性：
RSP可用性＝PUR×PUH×PUI (12)。
本发明的所需监视性能可用性评估方法，填补了我国民用航空行业关于航空器监视系统的监视性能可用性评估方面的空白。本方法适用于二次雷达、ADS-B、ADS-C等监视系统。
附图说明
图1是本发明所需监视性能可用性评估方法一实施例的流程图。
图2是参考航迹与真实航迹的示意图。
图3是水平位置和气压高度更新率示意图。
图4是飞机身份正确判断示意图。
图5是飞机身份不正确判断示意图。
真实航迹-1，参考航迹-2，监视数据-3，具有有效水平位置及气压高度数据项-4，缺少水平位置及气压高度数据项-5，参考测量间隔-6
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1至图5，本发明所需监视性能可用性评估方法，包括以下步骤：
S10A、预先设定可用性评估区域；
在评估监视系统件监视性能可用性时，需要事先设定可用性评估区域，将要评估的监视数据都必须在此评估范围内。所述可用性评估区域为被评估的监视系统所提供监视服务的范围。
S10B、预先设定时间跨度；所述时间跨度可以设定为一年、半年、一月等等，此处不对所述时间跨度作任何具体限定。
上述S10A、S10B无严格意义的先后顺序，在具体实例中，可以先确定可用性评估区域，也可以先确定时间跨度。
S101、接收每一条航迹的监视数据，具体在每一时间跨度内接收所述可用性评估区域内每一条航迹的监视数据；
假设时间跨度为一年，则收集一年内的每一条航迹的监视数据。本实施方式中，通过地面接受站接受航空器(以下以飞机为例进行说明)发送的监视数据
S102、根据接收到的每一条航迹的监视数据一一对应地建立参考航迹；
由于监视数据在传输过程中会受到噪声污染，降低监视数据的准确性，因此本实施例可使用卡尔曼滤波算法处理接收的监视数据报告，生成接近真实航迹的参考航迹，并以此作为监视性能评估的基准航迹。可理解的，在其他的实施例中，所述参考航迹的建立并不限于卡尔曼滤波算法，还可以是粒子滤波，神经网络等等算法。以下以卡尔曼滤波算法为例进行进一步说明。
具体地，本步骤具体通过以下方式建立参考航迹：
假设航空器在空中运动过程中的状态方程：
xk＝FXk-1+Gwk-1 (1)
在式(1)中，Xk为k时刻的航空器状态向量Xk＝[pk,vk]T包括其位置pk和速度vk，F表示状态转移矩阵，G表示过程噪声转移矩阵，wk-1为k-1时刻过程噪声，是一个期望值为0协方差为Q的高斯白噪声。
航空器向地面站发送数据过程中会受到噪声干扰，因此地面站接收的数据状态方程：
Zk＝HXk+vk (2)
在式(2)中，Zk为k时刻的观测到的航空器状态向量，也就是地面站接收到的k时刻的监视数据，H为观测矩阵，vk为k时刻的观测噪声，即航空器向地面站发送数据过程中受到的噪声，是一个期望值为0协方差为R的高斯白噪声。卡尔曼滤波算法如下：
通过k-1时刻的最优状态估计值预测k时刻状态，其中k-1时刻为k时刻的前一时刻：
Figure BDA0002613487400000061
计算k时刻预测误差协方差矩阵：
Pk|k-1＝FPk-1|k-1FT+GQGT (4)
计算k时刻卡尔曼滤波增益：
Kk＝Pk|k-1HT(HPk|k-1HT+R)-1 (5)
根据卡尔曼滤波增益及k时刻接收到的监视数据状态向量Xk，计算k时刻状态最优估计值：
Figure BDA0002613487400000062
计算k时刻估计误差协方差矩阵：
Pk|k＝(I-KkH)Pk|k-1 (7)
式(3)至(7)中，Xk为k时刻的航空器状态向量Xk＝[pk,vk，ak]T包括其位置pk，速度vk和加速度ak，F表示状态转移矩阵，G表示过程噪声转移矩阵，Q为过程噪声的协方差，Pk为k时刻误差协方差矩阵，H为观测矩阵，Zk为k时刻的观测到的航空器状态向量，R为观测噪声的协方差,FT、GT、HT表示各矩阵的转置矩阵，I为单位矩阵。
根据式(3)至(7)得到时间对应的参考航迹点，并以此形成每一条参考航迹。也即将地面站接收到的航空器监视数据通过卡尔滤波算法，就能得到时间对应的参考航迹点，并形成参考航迹
S103、将所述参考航迹按测量间隔时间划分并计算出每一条参考航迹的测量间隔数量NT；
本步骤中，通过以下公式计算所述测量间隔数量NT：
Figure BDA0002613487400000063
式(8)中，t1表示所述参考航迹上首个参考航迹点的时间，首个参考航迹点在第一个测量间隔的中心位置，tN表示所述参考航迹上最后一个参考航迹点的时间，MI为测量间隔时间，其针对不同的航空运行场景具有不同取值。依据EUROCONTROL发布的《EUROCONTROLSpecification for ATM Surveillance System Performance》标准文档中规定，在3海里间隔保持运行场景下最大测量间隔时间MI＝5s，在5海里间隔保持运行场景下最大测量间隔时间MI＝8s。
S104、计算每一条参考航迹存在有效水平位置的测量间隔的数量NR，并根据所述每一条参考航迹的有效水平位置的测量间隔的数量NR以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR(具体计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的水平位置更新率PUR)；
本步骤中，计算每一测量间隔内对应的监视数据水平位置与参考航迹上相应点的水平位置误差小于等于第一预设值的数量NR；具体为：参考航迹内一个测量间隔内存在至少一个具有水平位置的参考航迹点并且与相同时间点接收的水平位置数据的误差小于等于2100米(此数值仅作为示例性描述)，统计此参考航迹中满足上述要求的所有测量间隔数量NR。
通过以下公式计算评估区域内水平位置更新概率PUR：
Figure BDA0002613487400000071
式(9)中，n为区域内所有航迹总数。
S105、计算每一条参考航迹存在的有效气压高度的测量间隔的数量NH，并根据所述每一条参考航迹的有效气压高度的测量间隔数量NH以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的水平位置更新率PUH(具体计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的水平位置更新率PUH)；
本步骤中，计算每一测量间隔内接收的监视数据气压高度与参考航迹相应点的气压高度误差小于第二预设值的数量NH；具体为：参考航迹内一个测量间隔内存在至少一个具有气压高度的参考航迹点并且与相同时间点接收的气压高度数据的误差小于等于300英尺(此数值仅作为示例性描述)的测量间隔数量，统计此参考航迹中满足上述要求的所有测量间隔数量NH。
通过以下公式计算评估区域内气压高度更新概率PUH，公式如下:
Figure BDA0002613487400000072
式(10)中，n为目标航迹总数。
S106、计算每一条参考航迹存在的有效飞机身份的测量间隔的数量NI，并根据所述每一条参考航迹存在的有效飞机身份的测量间隔的数量NI以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的飞机身份更新率PUI(具体计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的飞机身份更新率PUI)；
本步骤中，参考航迹内一个测量间隔内存在至少一个具有气压高度的参考航迹点并且相同时间点接收的飞机身份数据正确，统计此参考航迹中满足上述要求的所有测量间隔数量NI；判断飞机身份数据报告正确的方法：接收的飞机身份数据与上一测量间隔内参考航迹的至少一个航迹点的飞机身份一致就认为此刻数据报告的飞机身份正确。
通过以下公式计算飞机身份更新率PUI：
Figure BDA0002613487400000081
式(11)中，n为目标航迹总数。
S107、根据水平位置更新率PUR、气压高度更新率PUH、飞机身份更新率PUI计算监视系统所需监视性能可用性。
本步骤中，通过以下公式计算所需要监视性能可用性(RSP可用性)
需要监视性能可用性＝PUR×PUH×PUI (12)。
本所需要监视性能可用性可以作为其他实施例中所需要的输入数据，也可以直接输出本所需要监视性能可用性以供相关人员查看。
可以理解的，在一些实施例中，所述可用性评估区域、时间跨度的设定并非必要的，在没有设定评估区域时，可以是评估所有的能够评估到的航迹以及在当前时间以前的所有航迹。
本发明所需要性能可用性评估方法，可以实现对航空器监视系统的监视性能可用性进行评估，填补了我国民用航空监视领域关于航空器监视系统的监视性能可用性评估方面的空白。本方法实现简单，具有广泛的应用前景。本所需要监视性能可用性评估方法适用于二次雷达、ADS-B、ADS-C等监视系统，对这些监视系统接收的监视数据进行评估。本发明所需要性能可用性评估方法作为民用航空监视系统监视性能的基础参数之一，能够反映监视系统能够提供有效监视服务的能力。为旧监视系统的改进和新监视系统的应用提供参考依据。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种所需监视性能可用性评估方法，包括以下步骤：
接收每一条航迹的监视数据；
根据接收到的每一条航迹的监视数据一一对应地建立参考航迹；
将所述参考航迹按测量间隔时间划分并计算出每一条参考航迹的测量间隔数量NT；
计算每一条参考航迹存在有效水平位置的测量间隔的数量NR，并根据所述每一条参考航迹的有效水平位置的测量间隔的数量NR以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR；其中，通过以下公式计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR：
Figure FDA0003031214850000011
式(9)中，n为区域内所有航迹总数；
计算每一条参考航迹存在的有效气压高度的测量间隔的数量NH，并根据所述每一条参考航迹的有效气压高度的测量间隔数量NH以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的气压高度更新率PUH；其中，通过以下公式计算所有参考航迹的气压高度更新率PUH：
Figure FDA0003031214850000012
式(10)中，n为目标航迹总数；
计算每一条参考航迹存在的有效飞机身份的测量间隔的数量NI，并根据所述每一条参考航迹存在的有效飞机身份的测量间隔的数量NI以及每一条参考航迹的测量间隔数量NT计算所有参考航迹的飞机身份更新率PUI；其中，通过以下公式计算飞机身份更新率PUI：
Figure FDA0003031214850000013
式(11)中，n为目标航迹总数；
根据水平位置更新率PUR、气压高度更新率PUH、飞机身份更新率PUI计算监视系统所需监视性能可用性。
2.如权利要求1所述的所需监视性能可用性评估方法，其特征在于，还包括：
预先设定可用性评估区域；
在接收每一条航迹的监视数据中，接收可用性评估区域内每一条航迹的监视数据；
在计算所有参考航迹的水平位置更新率PUR的步骤中，计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的水平位置更新率PUR；
在计算所有参考航迹的气压高度更新率PUH的步骤中，计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的气压高度更新率PUH；
在计算所有飞机身份更新率PUI的步骤中，计算所述可用性评估区域内的所有参考航迹的飞机身份更新率PUI。
3.如权利要求2所述的所需监视性能可用性评估方法，其特征在于，还包括：
预先设定时间跨度；
在接收每一条航迹的监视数据中，在每一时间跨度内接收可用性评估区域内的每一条航迹的监视数据。
4.如权利要求2所述的所需监视性能可用性评估方法，其特征在于，在根据接收到的每一条航迹的监视数据一一对应地建立参考航迹的步骤中，包括：
使用卡尔曼滤波算法处理接收的监视数据，以建立与真实航迹相对应的参考航迹，并以此作为监视性能评估的基准航迹。
5.如权利要求4所述的所需监视性能可用性评估方法，其特征在于，在使用卡尔曼滤波算法处理接收的监视数据，以建立与所述真实航迹相对应的参考航迹，包括：
通过k-1时刻的最优状态估计值预测k时刻状态，其中k-1时刻为k时刻的前一时刻：
Figure FDA0003031214850000021
计算k时刻预测误差协方差矩阵：
Pk|k-1＝FPk-1|k-1FT+GQGT (4)
计算k时刻卡尔曼滤波增益：
Kk＝Pk|k-1HT(HPk|k-1HT+R)-1 (5)
根据卡尔曼滤波增益及k时刻接收到的监视数据状态向量Xk，计算k时刻状态最优估计值：
Figure FDA0003031214850000022
计算k时刻估计误差协方差矩阵：
Pk|k＝(I-KkH)Pk|k-1 (7)
式(3)至(7)中，Xk为k时刻的航空器状态向量Xk＝[pk,vk，ak]T包括其位置pk，速度vk和加速度ak，F表示状态转移矩阵，G表示过程噪声转移矩阵，Q为过程噪声的协方差，Pk为k时刻误差协方差矩阵，H为观测矩阵，Zk为k时刻的观测到的航空器状态向量，R为观测噪声的协方差，FT、GT、HT表示各矩阵的转置矩阵，I为单位矩阵；
根据式(3)至(7)得到时间对应的参考航迹点，并以此形成每一条参考航迹。
6.如权利要求2所述的所需监视性能可用性评估方法，其特征在于，将所述参考航迹按测量间隔时间划分并计算出每一条参考航迹的测量间隔数量NT的步骤中，通过以下公式计算所述测量间隔数量NT：
Figure FDA0003031214850000031
式(8)中，t1表示所述参考航迹上首个参考航迹点的时间，首个参考航迹点在第一个测量间隔的中心位置，tN表示所述参考航迹上最后一个参考航迹点的时间，MI为测量间隔时间，其针对不同的航空运行场景具有不同取值。
7.如权利要求1至6中任一项所述的所需监视性能可用性评估方法，其特征在于，通过以下公式计算所需监视性能可用性：
所需监视性能可用性＝PUR×PUH×PUI (12)。
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