基于ADS-B水平位置不确定度的碰撞风险研究

保护半径 Ｒc Unknown Ｒc ＜ 20 nm Ｒc ＜ 10 nm Ｒc ＜ 2 nm Ｒc ＜ 1 nm
Ｒc ＜ 0． 5 nm Ｒc ＜ 0． 2 nm Ｒc ＜ 0． 1 nm To be discussed
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EPU ＜ 0． 0016 nm
To be discussed
２ ＡＤＳ － Ｂ 位置精度统计分析
Ｒesearch on Collision Ｒisk Based NUCp of ADS － B
LIU Shuai，QIN Shanshan，GUO Jinxiang （ Ningxia Branch，Northwest Ｒegional Air Traffic Management Branch of CAAC，Yinchuan 750009，China） Abstract Automatic Dependent Surveillance Broadcast （ ADS － B） technology had the advantages of high monitoring accuracy，fast refresh，low cost and simple maintenance． It was favored by civil aviation air traffic control departments and was often used in route surveillance services． As an important parameter of ADS － B，the horizontal position uncertainty of ADS － B reflected the level accuracy of target positioning． In this paper，the horizontal position uncertainty of DO － 260 version was analyzed，and the correctness of position errors of different levels of horizontal accuracy was verified． Based on the probabilistic and statistical characteristics of position error，the collision risks such as target conflict and danger proximity under current ADS － B operating interval were evaluated，which provided a theoretical basis for flight interval assessment under ADS － B control． Keywords automatic dependent surveillance； horizontal position uncertainty； collision risk； air traffic control
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刘 帅，等： 基于 ADS － B 水平位置不确定度的碰撞风险研究
Electronic Science and Technology
身的各类误差，造成了 ADS － B 测量位置出现误差，导 致飞行间隔的计算也随之出现抖动误差，因此需要对 ADS － B 数 据 定 位 精 度 进 行 分 析，进 而 需 要 重 新 对 ADS － B 管制下的潜在飞行冲突和危险接近等碰撞风 险进行评估。
机载 ADS － B 版本为 DO － 260 将飞机位置精度 和完整性综合编码为 NUCp 值，在 ADS － B 标准传输 报文 ASTEＲIX CAT21 中的 I021 /210 MOPS VEＲSION 数据项表明了该 ADS － B 信息版本，其中 BIT6 ～ 4 共 3 位为 0，则为机载 ADS － B 版本为 DO － 260，为 1 表示 DO － 260A，为 2 表示 DO － 260B。本文统计了银川河 东机场 ADS － B 数据站，包含了额济纳旗地面站、巴彦 地面站、银川地面站、乌海地面站、中卫地面站和固原 地面站共 6 个台站，共分析了 DO － 260 版本 1 817 745 条报文，NUCp 0 ～ 9 级各级个数为［43 342，0，6，3， 568，19 859，189 278，1 555 220，9 469，0］，占比为 ［2． 384 4% ，0% ，0． 000 3% ，0． 000 2% ，0． 031 2% ， 1． 092 5% ，10． 412 7% ，85． 557 1% ，0． 520 9% ， 0% ］。NUCp 等级为 0 占比为 2． 384 4% ，主要是因为 ADS － B 机载发送系统不能确定合适的完好性保护半 径，但报告的位置有效，自动将其质量指标 NUCp 设置 为 0，以表明完好性半径是未知的，对于 ADS － B 管制 来说属于无用信息，需要在后续处理中滤除。等级 9 占比 0% ，因为只有在陆基增强系统中使用。根据《广 播式自动相关监视（ ADS － B） 管制运行规程 》（ AC － 93 － TM － 2011 － 01） 2． 5． 1 条要求［10］，NUCp 等级大于等 于 5 时，才能接入空管自动化系统，提供定位监视服务， 从统计数据来看 97． 5832% 的 NUCp 等级大于等于 5。
收稿日期：2018-12-26 基金项目：宁夏自然科学基金（ 2018AAC03219） Natural Science Foundation of Ningxia （ 2018AAC03219） 作者简介：刘帅（ 1985 － ） ，男，硕士，工程师。研究方向： 民航监 视导航。
制，监视数据源为二次雷达，随着 ADS － B 地面站和数 据中心建设完成，空管系统正在大规模的试验雷达和 ADS － B 多数据源融合监视服务，同时在 2019 年民航 工作 报 告 中 明 确 了 2019 年 将 全 面 启 动 ADS － B 管制［4］。
表 1 NUCp 编码规则
Table 1． Encoding rule of NUCp
等级 0 1 2 3 4 5 6 7 8
位置不确定度（ 95% ） EPU Unknown
EPU ＜ 10 nm EPU ＜ 5 nm EPU ＜ 1 nm EPU ＜ 0． 5nm EPU ＜ 0． 25 nm EPU ＜ 0． 1 nm EPU ＜ 0． 05 nm EPU ＜ 0． 005 nm
自动相关监视 － 广播 （ Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS － B） 作为 CNS / ATM 重要的组 成部分，是国际民航组织下一代监视方式，能够自动广 播飞机识别码 / 状态和位置信息［1 － 2］。目前国内采用 1090ES 数据链作为机载设备与地面设备之间信息传 输协议［3］。民航空管系统自 2008 年对成都 － 九寨，成 都 － 拉萨，H15 和 Z1 航路的 ADS － B 监视工程进行了 试验和应用，2018 年建设完成了民航 ADS － B 西部地 区和东部地区 308 套 ADS － B 地面站，在 7 个地区空 管局和三亚区管中心建设二级数据处理中心，在空管 分局（ 站） 建设数据 站； 在 全 国 167 个 地 方 机 场 建 设 ADS － B 小型数据处理显示终端，建成了亚太地区规 模最大的 ADS － B 网络。目前国内管制方式为雷达管
雷达管制的监视数据源为二次雷达或者二次雷达 和 ADS － B 融合数据，以雷达数据为主，ADS － B 数据 为辅助源，而 ADS － B 管制的监视数据源为 ADS － B 数据或者 ADS － B 和雷达融合数据，以 ADS － B 数据 为主，雷达数据为辅助源。雷达管制有经过充分论证 和验证的冲突间隔和危险接近间隔，根据 DOC4444 文 件规定，雷达管制和 ADS － B 最小水平间隔为 9． 3 km （ 5NM） 。航路 ADS － B 最小间隔与航路二次雷达最小 间隔相同，均为 9． 3 km，实际应用是终端区 ADS － B 最 小间 隔 为 6 km，航 路 ADS － B 最 小 间 隔 为 10 km。 ADS － B 数据链提供目标的定位坐标，可根据定位坐 标计算飞机的飞行间隔［5］。ADS － B 管制监视数据主 要依据 ADS － B 数据，雷达管制下评估的安全间隔不 能完全应用在 ADS － B 管制中，随着机载定位系统自
机载 ADS － B 设备对 HFOM 和 HPL 进行编码处 理，提供 ADS － B 的位置精度和完整性两项性能参数。 不同的机载 ADS － B 设备版本表示位置性能方式不 同，机载 ADS － B 设备版本为 DO － 260，用导航不确定 类别 NUC （ Navigation Uncertain Category） 综合表示位 置精度和完整性，NUC 对 HFOM 和 HPL 综合编码，分 为水平不确定度类别 NUCp 和垂直确定度类别 NUCv， 一般地面设备用 NUCp 即可［7］。HFOM 由参数估计位 置不确定度 EPU（ Estimated Position Uncertainty） 表征， 位置不确定度 EPU 是指以目标报告位置为圆心，EPU 数值为半径的圆，表明飞机真实目标有 95% 的概率落 在此 圆 中［8］。 HPL 由 参 数 水 平 保 护 半 径 Ｒc 表 征。 NUCp 是对位置不确定度 EPU 数值和水平保护半径 Ｒc 的综合编码，NUCp 编码规则如表 1 所示［9］。
2019 年第 32 卷第 9 期 Electronic Sci. ＆ Tech. / Sep. 15，2019
基于 ＡＤＳ － Ｂ 水平位置不确定度的碰撞风险研究
刘 帅，秦姗姗，郭进祥
（ 中国民用航空西北地区空中交通管理局 宁夏分局，宁夏 银川 750009） 摘 要 广播式自动相关监视（ ADS － B） 技术具有监视精度高、刷新快、成本低、维护简单等优点，得到民航空中交 通管制部门的青睐，常用于航路监视服务。ADS － B 水平位置不确定度作为 ADS － B 的重要参数，反应了目标定位的水 平精度等级。文中统计和分析 DO － 260 版本的水平位置不确定度，验证了不同水平精度等级位置误差的正态性。基于 位置误差的概率统计特性，评估了当前 ADS － B 运行间隔下的目标冲突和危险接近等碰撞风险，为 ADS － B 管制下的飞 行间隔评估提供理论基础。 关键词 自动相关监视； 水平位置不确定度； 碰撞风险； 空中交通管制 中图分类号 TN95 文献标识码 A 文章编号 1007 － 7820（2019）09 － 072 － 04 doi：10. 16180 / j. cnki. issn1007 － 7820. 2019. 09. 015
１ ＡＤＳ － Ｂ 位置不确定度
ADS － B 管 制 下 的 碰 撞 风 险 评 估，基 础 在 于 对 ADS － B 定位精度的分析和碰撞概率的评估。ADS － B 提供的飞机实时 WGS － 84 经纬度定位坐标是依据 机载全球卫星导航系统 （ GNSS） 给出的，由于 GPS 卫 星误差、时钟 误 差 和 接 收 机 误 差 等 各 方 面 误 差，导 致 GPS 位置测量会出现抖动误差，因此飞机机载接收机 自主完好性监视系统 ＲAIM （ Ｒeceiver Autonomous Integrity Monitoring） 对 GPS 位置信息提供水平品质因数 HFOM（ Horizontal Figure of Merit） 和飞机水平保护限制 HPL（ Horizontal Protection Limit） 两项监视指标，HFOM 表征飞机在 95% 概率下的水平位置精度，HPL 表征飞 机在 10 － 7 / 小时的告警能力，即每 107 小时只允许位 置告警一次［6］。