監視數據在全國流量管理系統中的設計研究

馮 巖,張震亞,丁娜娜

(南京萊斯信息技術股份有限公司,江蘇 南京 210014)

0 引言

隨著我國國民經濟的發展,中國已成為僅次于美國的全球第二大出港航班量最繁忙的國家,日益增長的航班出行需求與航班延誤的矛盾日益突出。根據飛常準App發布的“2019年全球機場&航空公司準點率報告”,2019年中國大陸地區機場實際出港航班量達480.23萬架次,出港準點率為75.57%,起飛平均延誤時長28.11分鐘[1]。為有效降低航班延誤,提高空管安全水平和運行效率,中國民用航空局空中交通管理局于2018年開始建設全國流量管理系統,并已于2021年6月正式啟用。該套系統是國內首個中央流量管理平臺,通過采集、存儲和處理全國范圍內的運行數據,實現全民航單位的整體協同決策。

全國流量管理系統采集的數據內容覆蓋空管、機場、航空公司及各級流量管理單位,采集數據的類型包括監視數據、飛行計劃數據、氣象數據、航行情報數據、環境數據等[2]。本文將結合全國流量管理系統,詳細論述監視數據在該系統中的信號引接和處理方法。

1 監視數據引接

我國的流量管理機構分為全國級、地區級和執行級3個層次[3],要引接的監視數據涉及多個管理生產單位和多種類型數據源系統,為兼顧效率、分散風險,同時符合我國現有的流量管理模式,全國流量管理系統中的監視數據引接按照分區、分級的架構設計,如圖1所示。

圖1 全國流量管理系統監視處理架構

二級節點部署在各地區局,負責收集本區域內自動化系統輸出的綜合航跡(含區管自動化系統、大型終端區自動化系統、分局中低空自動化系統和未接管高空自動化系統)、場面監視系統輸出的綜合航跡、ADSB二級數據中心輸出的綜合航跡。二級節點的監視數據處理子系統對該區域內所有監視數據前置處理和航跡融合后,形成二級節點的綜合航跡。二級節點的綜合航跡除用于本節點外(如若二級節點與一級節點網絡中斷,二級節點仍可使用本區域的綜合航跡),也通過數據引接子系統傳輸至一級節點,以便做進一步的航跡融合。

一級節點部署在民航局空管局三中心,如圖2所示,該節點除引接各分局二級節點輸出的綜合航跡信息外,還引接了民航數據通信有限責任公司提供的ADS-B一級數據中心的輸出航跡(境內ADS-B數據)、境外ADS-B數據(暫未接入)、民航空管設備保障基地提供的ACARS(Aircraft Communications Addressing and Reporting System)數據(用于境外航班補盲)。一級節點監視處理子系統同時接收上海飛行計劃集中處理中心輸出的全國飛行計劃,用于與全國監視數據進行飛行計劃自動關聯。同時,一級節點也支持人工相關/去相關飛行計劃功能,值班人員可人工維護異常的掛牌航班。一級節點的綜合航跡除用于本節點外,也通過數據引接子系統傳輸下發至各二級節點。

圖2 監視處理子系統(一級節點)

2 監視數據分析

2.1 監視數據特點

與空管自動化系統引接的原始雷達數據不同,全國流量管理系統引接的監視數據有其自身的特點,主要包括以下幾個方面。

2.1.1 更新周期

全國流量管理系統引接的監視數據更新周期不同。一般情況下,自動化系統輸出綜合航跡周期為4秒或8秒,場監、ADS-B系統輸出的綜合航跡周期為1秒。但在實際引接中發現,部分自動化系統的數據更新周期為16秒或20秒,ACARS位置數據更新周期為2分鐘,遠大于其他監視源。監視數據更新周期不一致或更新周期過長,全國流量管理系統在航跡融合處理時,易出現目標分裂/不穩定、位置回跳/漂移等現象。

2.1.2 協議格式

常見的綜合航跡的輸出格式有ASTRIX CAT 062,CAT 010,CAT 021和MH 4008。其中MH 4008協議格式中,數據項I 003/042(用直角坐標計算的目標位置)表示的直角坐標位置范圍為[-1024,+1024](單位:千米),因此使用MH 4008協議引接的航跡范圍不應超過1024 KM。另外,MH 4008協議中含數據項I 003/181(表示降落機場),但未有數據項表示起飛機場。因此在引接監視數據時,應盡量配置ASTRIX CAT 062格式,避免使用MH 4008格式。

ACARS數據輸出格式為XML,包含航班號、經緯度、起降場和發送時間信息等。需要注意的是,ACARS數據中的航班號使用二字碼表示,為實現與其他空管監視源的統一,系統處理前須將航班號的二字碼轉換為三字碼。

2.1.3 時延

全國流量管理系統引接的各地監視數據時延大小不同,主要原因有:(1)部分監視源系統輸出的綜合航跡經過轉發平臺引接至全國流量管理系統,中間鏈路或系統增多,加大了信號延遲。(2)部分監視源系統輸出的綜合航跡經過串口引接至全國流量管理系統。受串口帶寬的影響,可能出現數據丟包或延遲的情況。(3)一級節點引接的ADS-B數據中心輸出的綜合航跡延遲較小(小于1秒),引接的二級節點輸出的綜合航跡延遲偏大(二級節點對監視數據的融合處理產生了一定的延遲)。

監視數據時延大小不一致,全國流量管理系統在航跡融合處理時,易出現目標分裂/不穩定、位置回跳/漂移等現象。

2.1.4 數據項內容

相對原始雷達數據源,自動化、場監系統輸出的綜合航跡含有飛行計劃信息(航班號、地址碼、起降場等),ADS-B數據中心輸出的綜合航跡含有S模式數據。全國流量管理系統引接的監視數據的數據項內容更豐富,有助于系統更準確地進行航跡相關和“掛牌”處理,但也會帶來一定的干擾,以航班號為例:(1)同一目標,不同監視源航跡中的計劃航班號不一致?？赡艿脑蚴?管制區外的航班相關了錯誤的飛行計劃。(2)計劃航班號與S模式航班號不一致,可能的原因是,飛行員輸錯或遺漏航班號中的數字/字母,或使用二字碼、機尾號等作為航班號。

2.2 監視數據質量分析

監視數據源信號的實時性、數據項內容的準確性和全面性,是正確處理監視數據的前提。全國流量管理系統主要從以下幾個方面對監視源信號進行質量評價:(1)鏈路的通斷、數據的有無。(2)數據誤碼率及錯幀數。(3)數據延遲大小。(4)關鍵數據項內容缺失占比。(5)與實際偏差較大或錯誤的數據項占比,如航班號不正確、空中目標速度明顯偏小等。

3 監視數據處理

3.1 目標相關、融合

與空管自動化系統不同[4],全國流量管理系統中的目標相關和融合算法有其自身特點。

(1)全國范圍內航班二次代碼重復的幾率增加,因此,航跡相關時,二次代碼的權重應降低,航班號、地址碼、起降場的權重可適當增加。對于少量未掛牌航班,目標位置、高度、速度、航向等可作為目標相關的重要因子。

(2)綜合航跡的數據項內容盡量選擇同一數據源,避免在不同數據源反復切換選擇,綜合航跡產生數據項內容跳變的情況。一般情況下,管制區內航班的數據項內容的準確性高于管制區外的航班。因此,可通過判定當前航班所屬的管制區,從而優選該管制區信號源數據項內容作為綜合航跡的數據項內容。

(3)監視數據源更新周期、延遲大小等不同,目標融合算法可結合目標航向、航跡更新時間等信息,增加防回跳、防分裂的處理機制。

3.2 航跡與飛行計劃關聯

全國流量管理系統中航跡與飛行計劃關聯算法也與空管自動化系統不同,主要在以下方面。

(1)全國范圍內航班二次代碼重復的概率增加,因此,航跡與飛行計劃關聯時,關聯因子中航班號、地址碼、起降場的權重可適當增加,二次代碼的權重應降低。

(2)飛行計劃中地址碼存在填錯的可能,如目標無航班號,但有地址碼標識時,不可將地址碼作為相關飛行計劃的唯一關聯因子,可結合二次代碼和航路檢查等共同判斷。

(3)航跡與飛行計劃時,關聯因子不同,在航路檢查時,可使用不同的偏差門限。如目標帶有航班號標識時,航路檢查的偏差門限可適當增加;如目標無航班號標識,僅有地址碼或二次代碼標識時,航路檢查的偏差門限可適當減小。

(4)全國流量管理系統中接入了全國的飛行計劃,同一航班可能存在多條預激活或正在執行的飛行計劃。在空管自動化系統中,當有多條飛行計劃與目標關聯時,系統給予管制員提示,由管制員人工相關正確的飛行計劃。在全國流量管理系統中,飛行計劃中的SOBT(Scheduled Off-Block Time)和EOBT(Estimated Off-Block Time),也被作為航跡與飛行計劃關聯的參考因子。

4 結語

現階段,全國流量管理系統已經匯集了涵蓋高空、中低空以及部分場面的監視數據,相信在不久的未來,更多的場面監視數據和境外監視數據會接入該系統。更大范圍監視數據的接入,需要系統具備更大的網絡負載、存儲以及更優化的數據處理能力。目前,全國流量系統中對實時航跡的應用較多,存儲的歷史航跡應用較少。未來,通過對海量歷史航跡的數據挖掘[5],并結合氣象信息、飛行計劃、環境信息等數據,可進一步輔助流量管理決策,降低航班延誤率和延誤時間。