ADS-B监视一致性分析

本文主要介绍ADS-B数据安全及监视一致性

专业探索 l通信导航监视

文/朱士新 (民航局空管局 )陈兵李钢 (民航空管技术装备发展有限公司)

A SB D -监视安全性分析A nal ysi DS— sur s of A— B veil lance saf y et

—■ I -

一

l 置

二次雷达校验算法如果需要利用二次雷达参照识别虚

3 )二次雷达航迹与 ADS B航迹—

随着 ADS B建设的进一步展开， - 19 E 0 0 SADSB(u)安全性问题逐— o t的渐浮现，之后国际和国内均对此问题进行了较长时间的研究。在国际上，F AAAD— S APs c ryc r f ain S B C (e ui et i t t ic oa1 c r d t t O1P O e t e )和 1 a c e ia i 1 F c d i s d r

的对比算法必须考虑不同传感器的测量时间差异及传输延迟引起的位置差异 (要按照本文提供的航迹对比算需法执行 )。

假目标，那么识别的方式应该以雷达航迹与 ADS B航迹对比的模式进行，并—可以遵照以下原则进行计算模型的建立。

(一)雷达坐标转换算法 1 )二次雷达位置报告必须形成航

使用地心直角坐标系进行转换，首先将雷达获取的斜距、角度和气压高转换到雷达站站心直角坐标系 (般雷达一站为原点，正北为 X轴，正东为 Y轴， 铅锤线为 Z )中。轴

E rC n o AS AD ( SB一Scry uo o t l C EAD— ) eui rC t

迹，航迹建立的算法与一般自动化系统航迹形成的算法保持一致，但航迹形成的波门窗口参数应该作为系统参数；在

是 2个主要的、针对 AD— SB安全性研究的项目。

F AA认为电子欺骗及无线电干扰问题是 ADS B Ou的主要安全性— t问题，同时 C CADE ( AS ADS B)一 . S c rt eui y对 ADS B安全性的讨论与—F AAADS B S AP有很多共通之处。— C

多雷达情况下，二次雷达航迹滤波算法可使用 ap ab t算法，其滤波的基本 lh/ea参数应该作为系统参数。 2 )二次雷达航迹位置不应该使用投影以后的坐标系。为了与 ADS B航迹对比，二次—雷达航迹的位置应该直

图 1

示为雷达坐标转换示意图，所 通过示意图中表示的几何关系，可以推轴

z

电子欺骗本质上是无意或者恶意的利用 ADS B发射机发射错误飞行器识—别编码或者错误的飞行器位置，如果

ADs B接收机系统没有抗电子欺骗的—能力，将会导致产生连续且无法消除的虚假目标。目前，主要可以通过 2种方法来

接使用 WGS 4坐标系。投影平面 8 雷达本地坐标到 WGS 4 8坐标转换应该使用基于WGS 4椭球体模型的地 8

雷达站雷达站海拔高 p d/ H哪l / 、:,::;一

x轴

R

解决电子欺骗的问题：第 1种是利用现有二次雷达校验 ADSB目标的真实性，— 第 2种是利用双基站时差定位技术校验

心直角坐标三维精密算法，保证雷达坐标转换过程不引入计算误差 (需要按照本文提供的雷达

目标的真实性。本文将分别讨论这 2种方式的具体实现算法并进行分析。

/|

坐标转换算法执行)。

图 1雷达坐标转换示意图

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, ... ... . . ., . . . .。

y Z、 1 ●●●●●●,,,.。。,.。, . .。 .

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S

一

S

n

n

C

导出雷达站站心直角坐标系的计算公式 (,Y x,Z为站心直角坐标值，r为雷达斜距，tea为雷达转角) ht(R )+ (+ )"2|+ r 0= ac o— rc s—————

A—迹通过了验证。 DSB航

玩∞ ∞ S,新坐标旋转 l瓯 系的厶

Y与航向一致，旋轴

雷达航迹波门的基础参数是雷达在不同区域的 R MS值，这个值由雷达的角

转可按照公式 ( ) 4进行 (。 Y为航向角度 ),被校验的 ADS B测量位置必须转换到—

度与距离测量精度计算获得，由于雷达普遍存在角度系统误差 ( I误差 ) B AS,需要依据历史经验获取雷达的 BAS修正量。 I 如果考虑飞行器速度及雷达与 ADSB测量误差，理想波门应为一个复—杂封闭曲线，但为了简化计算，按照如图 2所示的方式，可将波门设置为一个

2(+ ) ( F) R+

z F O一 R 1s )圳 ( )=

CS[ (一i+ n0 1

x√。 ‘o (e) ,+ c tt s ha Y√ Z。 n(e ) r+ 2 s tt i ha得到如公式组 ( )表达的雷达站 1

s协 i n￣/ o位置的比较。同时在航向方向，矩形框

站心直角坐标后，将这个坐标系经过旋

转和平移，转换以北极方向为 z轴，本初子午线方向为 x轴，东经 9。方向 0

矩形框，且矩形框长度方向与航向保持一

致。

为 Y轴的地心空间直角坐标值。a

在 W GS 4坐标系中，可将雷达位 8值共同组成，矩形框起始位置由 RMS值确定，这几个值可根据实际情况确定。() 2可能性，矩形框宽度值为 R MS值加上

N=—=:== ==:一

、一 i/ Ps 1 nX=

N H)c s ooL + oB cs o

( )c s 0n oⅣ} oB s L i

Z= (- )s B oN 1e i n n

—

s厶 cs￣ s￣ i ) oBc L n l I 、 o

一

cL cBi, o c o, L1 sJ sl ) s n0 s ( J i ) n口

更新率及飞行器性能确定，这几个值可根据实际情况来决定。图 2雷达航迹波门示意图

㈢得到如公式组 ( )表达的地心 2

民航空管技术装备发展有限公司在

置测量值作为基准点进行投影，将经纬度以极射投影的方式表示，需要校验的 A— DSB航迹位置均需按照此投影计算其平面坐标值。R=

实现了该算法，并在北京机场进近区域的实验中证明该算法计算精度优异。

直角坐标系，地心直角坐标系可通迭代法计算 (代 tn迭 a B值 )地坐标值大和高程，从雷达坐标转换到大地坐标， 才有了通过雷达校验 ADS B目标的—可能。

=、理想条件下双基站位置校验在双基站条件下，通过 T O/S A D AT O

进行位置校验的主要理论推导如下：一

+

( )航迹对比算法二

等 c 2‘ ’

在双基站双重覆盖条件下，如图 3

航迹对比基于航迹自身特征参数进行，由于位置外推法在更新率较高:

+

f 8 sn(,墅 0J i 4 ) 4 8+ 8塑

所示，假定 1目标能够被 2个基站同个时看到假定目标位置为 (,) xY,根据几何定义基站 1的坐标位置为 (,)

0,假 0定基站 2与基站 1的距离为 L,令

的 ADS B数据中引入的误差过大 (—时

l s ( )i(,+csB o(,csL一厶)+ i B s B, o( ) csB )o( n n ) ,

间不确定性 ),不能有效评估航迹之间的差异，因此航迹对比不使用位置外推法。

x k o() s 一0= cs i L) B n

r

Y k.c s o i )s (0=[ ( ) s 一nB) oB n i cs )o -o o( c s L) B】

,=二

,

那么基站 2的坐标为 (,

:

)。可以得到基本方程 x+Y+Z=c () 5

航迹对比应该使用波门判定法，以雷达航迹位置更新为基准，在一个波门范围内寻找 ADS B肮迹，如果 ADS B -—航迹连续进入 3个雷达波门范围，认为 ADSB航迹与雷达航迹相关，同时认为—

参照公式组 ( )可知，由于波门 3与飞行器航向与速度相关，略去数学推

(,十(,+Z=c一 ) Y一 )。 。 其中，C为大气中光速。因此，可以推导出

() 6

导，可以认为波门矩形长度方向与航向一

致，宽度方向与航向垂直。为了简化

数学处理，需要将投影后的坐标系进行

2一2( )c一cY f lX+= 2,

() 7

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、

可以变换为 dXY= ( )基站2,,

明，2台设备定时误差在 1 g的数量/ s 8 (A ) dc T (1 1)级上，能够达到 9%的同步率。那么单 8台设备误差 1 g范围内的概率为/ s 8 9%;考虑时间离散值的问题，可以认 9为单台设备在 9%的概率下，时间误差 9

厶

,/,

|

, .X

由公式 (1 1 )可以看出，双基站在理想条件下，目标校验的误差与只与目 标到基站之间的距离有关。根据解析几何，在不考虑飞行高度的情况下，公式 (1 1)表征了一个椭圆形区域，在椭圆形区域以内误差将小于指定值。

,

/

基站1 . .

,目 标

为 31( 017 )g/6即 .8 5 s,其标准差为00 2 7 ( . 6根据统计学，假定其误差分布 7为正态分布 ),方差为 0 0 2 1 . 5 8,根据 0双基站时间误差相互无关假定，△随

图 3

双基站双重覆盖示意图

三、双基站校验的实际可用区域估算由于地球表面并非平面，在距离较大的范围内，必须考虑基站海拔高度及

机变量的方差为双基站方差之和，即 0 15,因此 A . 06 0 T随机变量的标准差为0 1 2 gs .0 7。

令 T=+, A 一，可将 T= 公式 ( )变形为 7

地球表面曲率对算法的影响。上节描述 () 8() 9

对于定位水平误差，我们可以采

x y -cT T+.:l 2A。 T— ) z+Y=C( AT ! 一

的算法适用于理想平面，在真实情况下可以以基站间连线中点位置的法线为 Z 轴构建切平面，假定 2个基站间的高度差为△ H,理想平面与切平面的夹角为 d,公式 (2 1 )成立:tn a

用 ADS B规定的导航位置精度等级—NA p ( aiainacrc a g r o C nvgt cuay ct oyfr o e

p s in oio )来衡量。依据 R C 2 0 t T ADO 6 B— Ap e dxA文档的规定，NAC p n i p实际上是对 E U te sma d oio cr i y P ( t t sin netn ) hei ep t u at

在一个时刻，双基站测量到的是信号到达的时间差△,因此在知道飞行器飞行高度的前提下，飞行器位置可由式 ( )和式 ( )连立得到 1 8 9个双曲线方程，

值的一个等级化标准，而 E U指 9%置 P 5

f ] L

() 1 2

信率情况下，目标位置所落入圆区域的

也就是说，双基站得到目标的 T A/ DOTO△ S A(为 T O T为 T O值以后， D A, S A)

由理想平面到切平面的椭圆形区域

圆周半径。以 NAC= p 8为基本要求 (即E U 9 .,对于 ADS一00设备， P< 26 m) B2 0A 9%置信率条件下，有公式 5

将产生变形，变形主要集中在椭圆形区域的长轴，变形率小于— os￣ 1 -c—

目标应该位于双曲线上 (某些特殊情况下可能退化为 1条直线 )。一

。

般一

COS0c

cT:

显然在双基站情况下，我们不可能通过飞行器下行信号接收时间差得到飞行器位置，根据上述分析，我们可以得到 1条飞行器可能存在位置的曲线，我们的目的就是利用该曲线来判定飞行器位置

的可靠性。 双基站接收时间差是一个测量值， 其误差范围必然影响可能的位置曲线， 我们必须寻找一个与测量误差和基站布局有关方程，用于描述测量误差在空间的可判定性。 △的变化引起直线最大偏移为-

!::13 鱼 54.

f 31 1

情况下，假定基站间距离约 5k 0 m,而基站间海拔高度差异在 50以内，以 0m

2

3 8X19 0. .6

对于相距 10 m的基站而言，相 0k

此计算的最大变形率为 00 4%;如果 . 9 0对应 10 m的作用距离，变形量在 5 0k m

当于椭圆焦点间的距离为 10 m,因此 0k椭圆长半轴为 1 3 0/= 67m,短 . 4X102 7 . 5 k半轴为 5 . k 81 m。 6

的范围内。因此可以认为基站在一般布局的条件下，不需要考虑理想平面到实际切平面的变形问题。 根据上述分析，飞行器到 2个基站的T O ( S A传播时间和 )最终影响椭圆

根据公式 (3 1 )的计算结果，假定接收机可用接收距离为 2 0 m,如图 4 2k所示，可以绘制出可满足精度要求的校

验区域 ( 4中的椭圆形区域 )图。 C P 00型 ADSB数据处理中心系 D 20—

误差区域的形状，而较高的飞行高度将影响 T OA,同时由于民航飞行器通常 S飞行高度不超过 10 0 5 0 m,在最差的情

统中已经实现了双基站 ADSB位置校验 -算法，并在验证过程中取得了满意的结果。

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￣ dA ) (T

,¨

) 2,

¨ ) (O 1

况下 (按基站 5 k 0 m距离计算 ) S ,T OA将增大 1%。 0

四、主要结论和建议ADS B的主要安全性问题是虚假 -

参数直线的最大偏移量可以视为飞行器位置的误差范围，由于公式 (0的 1)

依据以上理论分析，对于典型设

备——民航空管技术装备发展有限公司开发的 A B-0 0 DS 2 0A设备，目前能够记

目标识别问题，在雷达覆盖区域，可以通过雷达航迹与 ADS B航迹的对—

变换为一个线性变换，可以认为 d ( ) 与 d( T处于同一置信区间， A)故式 (0 1)

录 11B精度的数字时标。实际实验表/6 s

比判定虚假目标；在无雷达区域，可

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ADS B信号传输时间差

异进行虚假目 标判定。 利用飞行器 ADSB信号传输时间—

经得到解决，但无论是雷达参照方法还是双基站方法，都离不开 ADSB数据集—中处理和 ADSB站址选择的科学规划。— 我国中西部地区的雷达覆盖率较低，东部地区也未能全部做到雷达多重冗余覆盖，在我国 ADSB监视体系的建设过程—

差异进行虚假目标判定是一项非常有用的技术，它几乎不增加 ADS B地面—站建站的成本。配合 ADS B数据处理 .

中心 ( CDP,可以在无雷达区域解决 )图 4仿真计算的可校验区域

中，应该综合考虑雷达参照和双基站这 2种虚假目标判定技术，尤其是中西部地区，应该增大 ADS B地面站的冗余度，—

ADSB的主要安全性问题；在雷达覆盖 -区域，也可增加一种虚假目标判定手段， 为 A— DSB安全性提供更好的保障。 ADS B虚假目标的判定在技术上已—

在 ADS B接收机上增加时间同步和精 -

密时标功能，并在 ADS B建设布局的—时候考虑多重覆盖问题，利用飞行器

为双基站法的广泛应用创造条件。◇(远晖张编校 1

(接第 1上 5页 ):

它是进行空中交通流量管理的基础。因j l 、

此流量预测是空中交通流量管理和空中交通管制的重要组成部分，但它在目前

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的空中交通管理体系中尚不构成管理决策的主体。故本文的工作有助于改善空,,-: . -卜 1一

目一

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中交通流量管理，能够起到优化流量，减少飞行冲突和飞行等待的目的。对在

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现有体制下改善空中交通现状有积极的意义。

巨王二6 8 】 0 l 2 l 4】 6 l 8 2 0

2

4

S VM嵌入维数

图 1修正后的相对误差 0

航班优化是流量管理的基础，通过流量数据的有效预测可以为航班优化

图 B Al型阶数与 S M嵌入维数 l模 V70

要将随机因素从中剥离以期得到更好的预测结果，对于这一问题

在以后的工作中进一步研究。

65—

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。

提供指导，以此实现高效流量管理的目的。本文探索了科学制定航班计划的方

6 0

堡岛

肇5】 (

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45

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| I ,| f ? | I∥、 j、、、 、、、

法，对空中交通流量预测进行研究；根

五、结论算例中的结果表明： )采用支持向 1量机预测的效果要好于 AR模型的预测效果； )遇到危险天气突变时，支持向 2

据交通流量历史数据中包含的随机性和

不确定性特点，分别采用 AR模型和支持向量机进行预测。在随机性方面，重点对已有数据进行合理处理，使需要预

r,

墅 4 0、

3 5 50

51

52

53

5 4

5 5

5 6

量机的抗干扰性要好于 AR模型。从文中可以得知，经过流量修正之后的预测效果，除了流量突变处，其他的预测效

测的结果精度得到进一步提高；在不确定性方面，根据实际的需求，改变以往对天气和流量运行机理的建模研究，对因天气影响产生流量突变的日期进行了

j十预测样本一 S M@I 日 V￣步预测 _— R o A提前1步预测

图 9修正后预测结果

相对误差结果如图 1示，支持 0所向量机相对误差均值为 87%,AR模 .l

果还是很理想的，均在 1%以下，在实 0

际应用中具有可操作性，可以接受的；是对于天气原因造成的流量突变将是下一

计算。这对于在实际运行过程中结合天气预报进行航班优化和流量控制具有一

型相对误差均值为 1.1 03%。

可以看到除天气骤变的预测失真外，其余 6天的预测相对误差均在 1% 0以下。由此可以看出，支持向量机对平稳随机数列具有很好的预测效果，但修正后的流量其中包含着航班信息，有必

阶段工作研究的方向。 区域流量的统计数据按时问顺序 (空间顺序、或其他物理量的顺序 )或 依次排列，并有其大小。正是这种顺序和大小，蕴含了系统状态的重要信息，

定的参考价值。同时考虑到变更航班计划通常在 3日前进行，研究结果亦具有一

定的应用价值。0(李鹤编校 )

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a6ii.html