摘 要: 研究了广播式自动相关监视( ADS-B) 与飞机通信寻址报告系统( ACAＲS) 两种数据链路的优缺点; 提出了以 ADS-B 监视为主，将两种数据链路数据融合的思想。研究数据融合算法，构建数据融合模型，并编程实现了 ADS-B/ ACAＲS 组合空域监视软件。现场运行证明，系统增大了多源监视范围、丰富了监视信息、提高了监视精度。 

关键词: 空域监视; 数据融合; 广播式自动相关监视; 飞机通信寻址报告系统

Design of Airspace Surveillance System Based on Data Fusion ADS-B/ACAＲS ZHANG Zhao-yue，HAN Bang-cun，GAO Chun-yan ( College of Air Traffic Management，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China) Abstract: Ｒesearch on the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast ( ADS-B) and Aircraft communication addressing and reporting system ( ACAＲS) advantages and disadvantages of the two kinds of data link in this paper; put forward the thought of fusing the two kinds of the data link based ADS-B． This paper uses the data fusion algorithm to construct the data fusion model and programmed the airspace surveillance software based on the combination of ADS- B and ACAＲS． Field operation proved that the system increases the multi-source monitoring range，enriching the monitoring information and improves the monitoring accuracy．

Key words: airspace surveillance; data fusion; ADS-B; ACAＲS

引言 

    空域监视系统是民航实施空中交通管制、保障航 空运输安全高效有序运行的核心系统［1］。ADS - B ( Automatic Dependant Surveillance Broadcast，自动广播 相关监视) 是依靠 GNSS( 全球导航卫星系统) 来确定 空中飞行目标的精确位置及航行参数，是未来空域监 视系统的发展方向。ADS- B 信息具有更新速度快的 特点，但不包含飞行计划信息、气象信息、发动机状态 等 信 息。ACAＲS ( Aircraft Communication Addressing and Ｒeporting System，飞机通信寻址报告系统) 同样作 为空域监视的手段，具有信息丰富的特点，但存在报文 更新比较慢的问题。目前国内外研究雷达与 ADS- B 信息融合处理的较多［2 － 6］，尚未将 ACAＲS 与 ADS- B 进行融合。将 ACAＲS 融合到空域监视中，对有效、全 面地掌握飞机信息有重要意义。

     本文针对 ADS- B /ACAＲS 目前存在的问题，基于 数据融合的思想，采用 ADS- B /ACAＲS 进行组合空域 监视。在 ADS-B 短时间丢点严重、信息不足时，融合 ACAＲS 数据，确保监视的连续性、丰富性。ADS- B / ACAＲS 组合空域监视系统有利于提高监视的时空覆 盖能力，有利于用户掌握当前空域飞机更全面的信息， 能够为民航单位及科研人员提供数据支持。

1 系统总体设计 

    ADS-B /ACAＲS 组合空域监视系统主要从量测融 合与航迹融合的角度进行了设计。对数据预处理，从 飞行目标的具体数据出发，研究数据之间的相关性从而进行数据的融合。具体包括 ADS-B /ACAＲS 数据链 路研究、数据接收、数据预处理、数据匹配算法、监视软 件设计等方面的研究。研究框图如图 1 所示。

2 ADS-B/ACAＲS 数据链路 

2． 1 ADS-B 数据链路 

    ADS- B 是空中和场面航空器或车辆的一项监视 技术，它以先进的地空、空空数据链为通信手段，以先 进的导航系统及其他机载设备产生的信息为数据源， 通过对外发送自身的状态参数，并接收其他飞机的广 播信息，达到飞机间的相互感知，进而实现对周边空域 交通状况全面、详细的了解。应用 ADS- B 技术，能够 更好地利用空域，降低高度和能见度的限制，提高场面 监测能力，增强航空安全［7］。

    目前 ADS- B 数据链技术有三种: 1090ES( 1 090 MHz Extended Squitter) ，UAT( Universal Access Transceiver) ，VDL 4 ( Very High Frequency Data Link Mode 4) ［7］。其中，1090ES 数据链技术是国际民航组织推荐 的应用于商业运输的 ADS- B 技术。它基于 S 模式数 据链，能够提供的最大数据带宽为 1 Mb /s，可提供航 空器的航班号、ICAO 地址码、位置、高度、速度、航向、 飞行意图等相关丰富的信息。ADS- B 监视信息的更 新频率是雷达的 4 ～ 5 倍，成本却是雷达系统的十分之 一，本文主要针对 1090ES 数据链进行研究。 

    通过现有 1090ES 地面接收机监视航迹，发现由于 接收机误差、数据链误差、系统延时等误差的存在［8］， 飞机飞行过程中的航迹异常、丢点现象比较突出，有效 补充丢点信息对空域监视有重要意义。基于此，本文 提出了应用丰富的 ACAＲS 数据信息去弥补ADS-B信 息的不足。

2． 2 ACAＲS 数据链路研究 

    ACAＲS 是通过飞机的甚高频通信系统( VHF) 实 现空地之间的数据和信息的自动传输交换的。我国民 航已从 2005 年起，要求 100 座以上的飞机必须强制安 装并使用 ACAＲS 系统［9］。凭借丰富的数据信息，通 过 ACAＲS 系统可以有效实现对航空器远距离位置监 控，便于及早发现飞行冲突，合理调配空中交通流量， 保证在更大范围内规划空中交通流，在保障运输量增 长的同时，减少航班延误［10］。 

    虽然 ACAＲS 信息丰富，但是 ACAＲS 的报文信息 更新比较慢，制约了 ACAＲS 在航空中的应用。为此提 出了将其作为空域监视的辅助手段来丰富监视数据的 信息。

2． 3 两种数据链路比较分析 

    通过研究两种数据链的特性，总结了 ADS- B 与ACAＲS 报文特点，如表 1 和表 2 分别列出了两种数据 链路的监视性能比较和监视信息比较。从表 1 和表 2 可以得出 ADS- B 信息更新速度快、ACAＲS 信息丰富 的特点。

3 数据融合方法 

    针对两种数据链路的特点，本文从数据的预处理、 时间校准、数据的关联匹配统一三方面进行了数据融 合。数据融合整体流程图，如图 2 所示。 

3． 1 数据预处理 

    通过数据滤波将采集的数据预处理，可以增加数 据的可信度，提高目标的识别率，最终提高数据融合的 效率。在融合前首先滤波剔除错误点，消除其对后续计算的影响。本文采取 FX 相关处理常用的野值剔除 算法［11］，以测量数据的均值代替真值，求取标准差，按 照正态分布理论如公式( 1) 所示:

    当误差大于 3σ 的概率约为 0． 3% ，为小概率事 件。当该小概率时间发生的时候，就认为是野值，并将 其剔除。

3． 2 时间校准 

    时间校准是实现 ADS-B /ACAＲS 数据融合的关键 技术之一。因为 ADS- B 报文中没有 UTC 时间，只能 靠卫星给 ADS-B 设备单独授时，而 ACAＲS 设备中的 报文信息是含有 UTC 时间的。将两个数据链路的数 据融合，必须建立在同一时间上，否则融合后数据可用 性不高。基于此，本文从以下步骤对时间提取和校准。 

    接收一定数量的数据，将两种数据的 UTC 时间进 行对比，检测跟踪目标的时间一致性。具体校准方法 如下: 

1) 读取 ADS-B 设备的 UTC 时间，当获取成功后， 记录下该时间。 

2) 以上步骤中记录下来的 UTC 时间为搜索标识， 搜索 ACAＲS 设备报文中的 UTC 时间。当时间落入一 定时间域 Δt( Δt≤5 min) 时，认为时间匹配上。

 3． 3 数据关联匹配 

    数据关联是 ADS-B /ACAＲS 信息融合的关键。在将 ADS-B 航迹和 ACAＲS 相关联时，把相关信息( 即 用来判断是否关联的信息) 划分为三类: 一类是标识信 息，即飞机的呼号信息; 另一类是飞机状态信息，包括 飞机的位置、高度、航向和时间信息; 第三类是飞机意 向信息，包含飞行计划信息、飞行意图信息。这三类中 标识信息，是数据融合的关键。

    根据 ADS-B /ACAＲS 监视信息的特点，总结发现 ADS-B 信息是通过 24 位的 ICAO 地址来区分每条报 文的，而 ACAＲS 是通过飞机注册号来区分报文的。进 行数据匹配，必须进行标识信息的关联。系统从以下 三个方面进行了关联: 

1) 对 ADS-B 航迹中某个航迹点的呼号和 ACAＲS 的呼号进行比较，如果两个呼号相同，则判断呼号关 联，否则判断为呼号不相关。由于相关信息还包含状 态和意图信息，此时还无法确定最终的相关性结论。 

2) 呼号关联成功后，分别获取 ADS- B 和 ACAＲS 的状态信息，主要从经纬度、高度、航向、时间上进行比 较，状态的相关判断由状态相关系数 ρ 决定，其值由位 置相关系数 fph、时间相关系数 fsc、航向相关系数 ffx共 同设定［1］。

    设相关判断次数为 m( m≥n) ，则 fph，fsc，ffx分别定 义为: 

    设 dn 为航迹点到飞行计划行路段的垂直距离，

其中，kph为常数项。

     设 tn 为航迹点与飞行计划航迹上最近航路点的 时间差，

其中，ksc为常数项。 

    设 θf 为飞行计划航迹当前航向，θn 为航迹点当前 航向，

    在上述任何一个相关系数计算出来后，如果结果 大于预定门限，则可直接判断状态关联失败; 否则按公 式( 5) 的方法计算状态相关系数 p，若 p 大于预设门 限，则仍然判断状态关联失败，否则判断状态关联成功。

    最终，如果呼号相同并且通过上述判断方法确定 状态相关联，则确定该条 ADS- B 航迹与 ACAＲS 报文 相关; 如果呼号不同并且通过上述判断方法确定状态 也不相关联，则确定该条 ADS-B 航迹与 ACAＲS 不相关。 

3) 当状态相关成功后，认为两数据链已经关联上，将 ADS-B 的意图变更的信息，ACAＲS 的飞行计划信 息、气象信息、OOOI 时间信息关联到信息报文中，输出 给用户界面。

4 软件实现 

    实时接收天津滨海机场上空的 ADS-B /ACAＲS 数 据，采用 VB 编写程序对软件进行设计。主要包括数 据接收函数的设计、数据融合及分发设计、地图的显示 设计。具体监视系统图如图 3 所示。

4． 1 数据接收 

    ADS-B 地面站接口采用串口转 USB 接口模块，设 计波特率为 3M 来满足数据链信息传输速率。ACAＲS 地面站接口采用 232 串口接口模块，设计波特率为 115 200 来满足数据链路。利用 VB 调用系统串口控 件 MSComm，编写串口事件消息处理函数，实现大数据 量的接收。 

4． 2 数据融合及分发 

    采用 3 节中的数据融合方法，编写数据野值剔除 函数、时间校准函数、呼号关联函数、状态关联函数，实 现数据融合。为达到数据共享的目的，调用 Winsock 控件，采用 UDP 定点广播的方式，为数据用户提供服务。 

4． 3 地图显示 

    为能够直观显示空域监视状况，利用 VB 自带的 PictureBox 加载天津上空的 google 地图，采用不同的颜 色代表不同飞机的航迹，用飞机的 24 位 ICAO 地址码 标识每一条航迹。

5 结束语 

    空域监视技术是保障飞行安全、提高空管运行效 率的关键，是空中交通管制系统的核心。国内外对雷 达与 ADS-B 数据融合研究的较多，将 ACAＲS 数据融 合到监视系统中的较少。为了提高监视系统信息的丰 富性、精度，进一步提高空域监视能力，本文提出将 ADS-B 与 ACAＲS 两种数据源融合的思想，设计了数 据融合的方法; 采用 VB 编程实现了基于数据融合的 ADS-B /ACAＲS 组合空域监视系统。

参考文献: 

［1］ 张军． 空地协同的空域监视新技术［M］北京: 航空工业出 版社，2011． 

［2］ 阳宇． 多源相关监视雷达数据融合研究［D］． 成都: 电子 科技大学，2012． 

［3］ 孙沂，吴仁彪． 空管自动化系统的多雷达与 ADS- B 数据 融合技术综述［A］． 天津市电子学会、天津市仪器仪表学 会． 第二十五届中国( 天津) 2011'IT、网络、信息技术、电 子、仪器仪表创新学术会议论文集［C］． 天津市电子学 会、天津市仪器仪表学会，2011: 5． 

［4］ Baud O，Honor N，Taupin O． Ｒadar/ADS- B data fusion architecture for experimentation purpose［C］． Proceedings of the 9th International Conference on Information Fusion． 2006: 1 － 6． 

［5］ 杨荣盛，程擎，罗军． 一种 ADS-B 和多雷达数据融合方案 研究［J］． 苏州科技学院学报( 工程技术版) ，2009，26 ( 4) : 58 － 61．

［6］ Campbell S D，Grappel Ｒ D，Flavin J M． Multi- sensor processing for aircraft surveillance in mixed radar/ADS-B environments［C］． Proceedings of ESAV'08． 2008: 1 － 6． 

［7］ 何桂萍，徐亚军． ADS- B 数据链的比较及特性研究［J］． 中国民航飞行学院学报，2010，21( 4) : 3 － 6． 

［8］ 孙立新，陈亚青，刘国毅． ADS- B 空管监视系统误差分析 与研究［J］． 武汉理工大学学报( 交通科学与工程版) ， 2011，35( 4) : 798 － 801． 

［9］ 袁 树 德，曹 力，邓 雪 云，等． 基 于 二 码 元 长 度 的 实 时 ACAＲS 信号分析算法［J］． 信息技术，2012，36 ( 7) : 6 － 10． 

［10］ 张昕． 飞机通信寻址报告系统( ACAＲS) 简介及常见故 障分析［J］． 江苏航空，2010，30( 1) : 41 － 42． ［11］ 路伟涛，杨文革，洪家财，等． FX 型相关处理方案及野值 剔除算法［J］． 中国空间科学技术，2012，32( 6) : 54 － 61．