监视数据在全国流量管理系统中的设计研究

冯 岩,张震亚,丁娜娜

(南京莱斯信息技术股份有限公司,江苏 南京 210014)

随着我国国民经济的发展,中国已成为仅次于美国的全球第二大出港航班量最繁忙的国家,日益增长的航班出行需求与航班延误的矛盾日益突出。根据飞常准App发布的“2019年全球机场&航空公司准点率报告”,2019年中国大陆地区机场实际出港航班量达480.23万架次,出港准点率为75.57%,起飞平均延误时长28.11分钟[1]。为有效降低航班延误,提高空管安全水平和运行效率,中国民用航空局空中交通管理局于2018年开始建设全国流量管理系统,并已于2021年6月正式启用。该套系统是国内首个中央流量管理平台,通过采集、存储和处理全国范围内的运行数据,实现全民航单位的整体协同决策。

全国流量管理系统采集的数据内容覆盖空管、机场、航空公司及各级流量管理单位,采集数据的类型包括监视数据、飞行计划数据、气象数据、航行情报数据、环境数据等[2]。本文将结合全国流量管理系统,详细论述监视数据在该系统中的信号引接和处理方法。

我国的流量管理机构分为全国级、地区级和执行级3个层次[3],要引接的监视数据涉及多个管理生产单位和多种类型数据源系统,为兼顾效率、分散风险,同时符合我国现有的流量管理模式,全国流量管理系统中的监视数据引接按照分区、分级的架构设计,如图1所示。

图1 全国流量管理系统监视处理架构

二级节点部署在各地区局,负责收集本区域内自动化系统输出的综合航迹(含区管自动化系统、大型终端区自动化系统、分局中低空自动化系统和未接管高空自动化系统)、场面监视系统输出的综合航迹、ADSB二级数据中心输出的综合航迹。二级节点的监视数据处理子系统对该区域内所有监视数据前置处理和航迹融合后,形成二级节点的综合航迹。二级节点的综合航迹除用于本节点外(如若二级节点与一级节点网络中断,二级节点仍可使用本区域的综合航迹),也通过数据引接子系统传输至一级节点,以便做进一步的航迹融合。

一级节点部署在民航局空管局三中心,如图2所示,该节点除引接各分局二级节点输出的综合航迹信息外,还引接了民航数据通信有限责任公司提供的ADS-B一级数据中心的输出航迹(境内ADS-B数据)、境外ADS-B数据(暂未接入)、民航空管设备保障基地提供的ACARS(Aircraft Communications Addressing and Reporting System)数据(用于境外航班补盲)。一级节点监视处理子系统同时接收上海飞行计划集中处理中心输出的全国飞行计划,用于与全国监视数据进行飞行计划自动关联。同时,一级节点也支持人工相关/去相关飞行计划功能,值班人员可人工维护异常的挂牌航班。一级节点的综合航迹除用于本节点外,也通过数据引接子系统传输下发至各二级节点。

图2 监视处理子系统(一级节点)

2.1 监视数据特点

与空管自动化系统引接的原始雷达数据不同,全国流量管理系统引接的监视数据有其自身的特点,主要包括以下几个方面。

2.1.1 更新周期

全国流量管理系统引接的监视数据更新周期不同。一般情况下,自动化系统输出综合航迹周期为4秒或8秒,场监、ADS-B系统输出的综合航迹周期为1秒。但在实际引接中发现,部分自动化系统的数据更新周期为16秒或20秒,ACARS位置数据更新周期为2分钟,远大于其他监视源。监视数据更新周期不一致或更新周期过长,全国流量管理系统在航迹融合处理时,易出现目标分裂/不稳定、位置回跳/漂移等现象。

2.1.2 协议格式

常见的综合航迹的输出格式有ASTRIX CAT 062,CAT 010,CAT 021和MH 4008。其中MH 4008协议格式中,数据项I 003/042(用直角坐标计算的目标位置)表示的直角坐标位置范围为[-1024,+1024](单位:千米),因此使用MH 4008协议引接的航迹范围不应超过1024 KM。另外,MH 4008协议中含数据项I 003/181(表示降落机场),但未有数据项表示起飞机场。因此在引接监视数据时,应尽量配置ASTRIX CAT 062格式,避免使用MH 4008格式。

ACARS数据输出格式为XML,包含航班号、经纬度、起降场和发送时间信息等。需要注意的是,ACARS数据中的航班号使用二字码表示,为实现与其他空管监视源的统一,系统处理前须将航班号的二字码转换为三字码。

2.1.3 时延

全国流量管理系统引接的各地监视数据时延大小不同,主要原因有:(1)部分监视源系统输出的综合航迹经过转发平台引接至全国流量管理系统,中间链路或系统增多,加大了信号延迟。(2)部分监视源系统输出的综合航迹经过串口引接至全国流量管理系统。受串口带宽的影响,可能出现数据丢包或延迟的情况。(3)一级节点引接的ADS-B数据中心输出的综合航迹延迟较小(小于1秒),引接的二级节点输出的综合航迹延迟偏大(二级节点对监视数据的融合处理产生了一定的延迟)。

监视数据时延大小不一致,全国流量管理系统在航迹融合处理时,易出现目标分裂/不稳定、位置回跳/漂移等现象。

2.1.4 数据项内容

相对原始雷达数据源,自动化、场监系统输出的综合航迹含有飞行计划信息(航班号、地址码、起降场等),ADS-B数据中心输出的综合航迹含有S模式数据。全国流量管理系统引接的监视数据的数据项内容更丰富,有助于系统更准确地进行航迹相关和“挂牌”处理,但也会带来一定的干扰,以航班号为例:(1)同一目标,不同监视源航迹中的计划航班号不一致。可能的原因是,管制区外的航班相关了错误的飞行计划。(2)计划航班号与S模式航班号不一致,可能的原因是,飞行员输错或遗漏航班号中的数字/字母,或使用二字码、机尾号等作为航班号。

2.2 监视数据质量分析

监视数据源信号的实时性、数据项内容的准确性和全面性,是正确处理监视数据的前提。全国流量管理系统主要从以下几个方面对监视源信号进行质量评价:(1)链路的通断、数据的有无。(2)数据误码率及错帧数。(3)数据延迟大小。(4)关键数据项内容缺失占比。(5)与实际偏差较大或错误的数据项占比,如航班号不正确、空中目标速度明显偏小等。

3.1 目标相关、融合

与空管自动化系统不同[4],全国流量管理系统中的目标相关和融合算法有其自身特点。

(1)全国范围内航班二次代码重复的几率增加,因此,航迹相关时,二次代码的权重应降低,航班号、地址码、起降场的权重可适当增加。对于少量未挂牌航班,目标位置、高度、速度、航向等可作为目标相关的重要因子。

(2)综合航迹的数据项内容尽量选择同一数据源,避免在不同数据源反复切换选择,综合航迹产生数据项内容跳变的情况。一般情况下,管制区内航班的数据项内容的准确性高于管制区外的航班。因此,可通过判定当前航班所属的管制区,从而优选该管制区信号源数据项内容作为综合航迹的数据项内容。

(3)监视数据源更新周期、延迟大小等不同,目标融合算法可结合目标航向、航迹更新时间等信息,增加防回跳、防分裂的处理机制。

3.2 航迹与飞行计划关联

全国流量管理系统中航迹与飞行计划关联算法也与空管自动化系统不同,主要在以下方面。

(1)全国范围内航班二次代码重复的概率增加,因此,航迹与飞行计划关联时,关联因子中航班号、地址码、起降场的权重可适当增加,二次代码的权重应降低。

(2)飞行计划中地址码存在填错的可能,如目标无航班号,但有地址码标识时,不可将地址码作为相关飞行计划的唯一关联因子,可结合二次代码和航路检查等共同判断。

(3)航迹与飞行计划时,关联因子不同,在航路检查时,可使用不同的偏差门限。如目标带有航班号标识时,航路检查的偏差门限可适当增加;如目标无航班号标识,仅有地址码或二次代码标识时,航路检查的偏差门限可适当减小。

(4)全国流量管理系统中接入了全国的飞行计划,同一航班可能存在多条预激活或正在执行的飞行计划。在空管自动化系统中,当有多条飞行计划与目标关联时,系统给予管制员提示,由管制员人工相关正确的飞行计划。在全国流量管理系统中,飞行计划中的SOBT(Scheduled Off-Block Time)和EOBT(Estimated Off-Block Time),也被作为航迹与飞行计划关联的参考因子。

现阶段,全国流量管理系统已经汇集了涵盖高空、中低空以及部分场面的监视数据,相信在不久的未来,更多的场面监视数据和境外监视数据会接入该系统。更大范围监视数据的接入,需要系统具备更大的网络负载、存储以及更优化的数据处理能力。目前,全国流量系统中对实时航迹的应用较多,存储的历史航迹应用较少。未来,通过对海量历史航迹的数据挖掘[5],并结合气象信息、飞行计划、环境信息等数据,可进一步辅助流量管理决策,降低航班延误率和延误时间。