空管自動化系統(tǒng)中機場區(qū)域航跡異常融合的分析和處理改進

王小為 阮敏

摘要：監(jiān)視數(shù)據(jù)處理是空管自動化系統(tǒng)的一項核心功能。在機場低空區(qū)域，由于覆蓋等問題，其監(jiān)視數(shù)據(jù)處理更為復雜。本文通過分析一次成都英德拉自動化系統(tǒng)對兩架同時起飛的相似航班的錯誤相關，深入研究了自動化系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理和相關處理的機制，從而找出了故障原因，提出了優(yōu)化自動化系統(tǒng)在機場區(qū)域監(jiān)視數(shù)據(jù)處理的方法，減少了管制運行風險。

關鍵詞：空管自動化系統(tǒng)；機場區(qū)域；監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

引言

監(jiān)視數(shù)據(jù)處理是空管自動化系統(tǒng)中的核心功能，是解決管制員“看得見”的主要手段。傳統(tǒng)雷達和ADS-B對機場區(qū)域覆蓋較差，加大了自動化系統(tǒng)對于該區(qū)域航班航跡處理和相關處理的難度。

2017年9月，成都英德拉空管自動化系統(tǒng)發(fā)生一起相似航班錯誤相關的故障。兩架飛機幾乎同時起飛，02L起飛UEA2735飛機航跡錯掛02R起飛的UEA2235計劃，兩飛機所開應答機均與飛行計劃應答機一致。若不是管制員責任心強，提前預判、準備充分，兩機很有可能執(zhí)行錯誤的離場程序，導致小于間隔事件發(fā)生甚至交叉相撞。

為分析故障原因，本文研究了自動化系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理機制和相關機制，結合該時間段內(nèi)系統(tǒng)接收的監(jiān)視數(shù)據(jù)，分析了故障發(fā)生時系統(tǒng)對兩個航班航跡處理的全過程，最終定位了故障原因。為避免類似故障的出現(xiàn)，提出了優(yōu)化自動化系統(tǒng)在機場區(qū)域監(jiān)視數(shù)據(jù)處理的方法，減少了管制運行風險。

1 背景情況及故障現(xiàn)象

成都主用空管自動化系統(tǒng)為英德拉空管自動化系統(tǒng)，雙流國際機場目標主要由牧馬山一二次合裝泰雷茲雷達CTUTHA、本場二次雷神雷達CTURAY和ADS-B信號覆蓋。

成都雙流國際機場目前有兩條跑道，事件發(fā)生時，運行情況為向北雙起運行，即同時使用02L和02R跑道進行起飛。兩架相似航班UEA2735和UEA2235幾乎同時起飛，自動化系統(tǒng)錯將 UEA2735飛機航跡掛上了02R起飛的UEA2235計劃。同時，自動化系統(tǒng)將02R起飛航班的二次代碼錯誤的顯示為A1502，給了管制員造成了很大誤導。異常情況如圖1：

圖1 自動化系統(tǒng)異常相關

為了將故障原因分析清楚，筆者首先深入研究了英德拉自動化系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理和相關處理的機制。

2 監(jiān)視數(shù)據(jù)處理及相關處理機制

英德拉自動化系統(tǒng)中，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理服務器SDP主要完成單路監(jiān)視數(shù)據(jù)處理和多監(jiān)視數(shù)據(jù)處理，最終形成系統(tǒng)航跡。安全網(wǎng)及告警服務器SNET主要完成系統(tǒng)航跡與飛行計劃的相關。

2.1 單路監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

單路監(jiān)視數(shù)據(jù)處理主要進行各單路監(jiān)視信號中的點跡信息處理，并利用點跡信息創(chuàng)建單路航跡。系統(tǒng)為點跡創(chuàng)建新的單路航跡的條件是：

1）其C模式高度高于系統(tǒng)設定門限

2）其速度處于系統(tǒng)設定范圍內(nèi)

3）其點跡連續(xù)出現(xiàn)在三個雷達掃描周期

2.2 多監(jiān)視數(shù)據(jù)處理

多監(jiān)視數(shù)據(jù)處理主要進行單路航跡與系統(tǒng)航跡的融合處理，對于不能與系統(tǒng)航跡融合的單路航跡，系統(tǒng)將會為其創(chuàng)建新的系統(tǒng)航跡[1]。

融合處理由三個部分組成：

1）二次代碼/呼號檢查：單路航跡必須具有與系統(tǒng)航跡一致的二次代碼或呼號。二次代碼/呼號檢查的前提條件為：

a）單路航跡必須具有二次代碼或呼號

b）系統(tǒng)航跡必須具有二次代碼或呼號或兩者兼?zhèn)洹?/p>

2）高度信息檢查：單路航跡的高度與系統(tǒng)航跡的高度差異必須在一定范圍內(nèi)。高度檢查的前提條件為單路航跡和系統(tǒng)航跡均具有有效的高度信息。

3）位置信息檢查：單路航跡與系統(tǒng)航跡的距離必須處于系統(tǒng)門限內(nèi)。

英德拉自動化系統(tǒng)中的位置信息檢查，對于不同的監(jiān)視信號源設置了不同的參數(shù)。其中，雷達航跡與ADS-B航跡間融合的距離門限為3海里，即5.556公里。

2.3 相關處理

在滿足其他相關條件的情況下，英德拉系統(tǒng)可通過呼號信息及二次代碼進行系統(tǒng)航跡和飛行計劃相關，呼號信息的優(yōu)先級高于二次代碼信息[2]。

3 故障分析

3.1 監(jiān)視數(shù)據(jù)情況

通過分析自動化系統(tǒng)收到的雷達原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：最初多個雷達掃描周期內(nèi)，CTUTHA和CTURAY雷達掃描到的兩架航班的情況并不穩(wěn)定，具體情況如下表：

兩部雷達均為傳統(tǒng)雷達。雷達數(shù)據(jù)中，含有二次代碼信息，無呼號信息。

而英德拉自動化系統(tǒng)收到ADS-B數(shù)據(jù)中，含有呼號信息，無二次代碼信息。故障發(fā)生階段，ADS-B信號數(shù)據(jù)較多，此處不再詳細一一列舉，只將結論陳訴：

通過將雷達數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)進行對比，筆者發(fā)現(xiàn)，對于02L航班UEA2735，持續(xù)穩(wěn)定的ADS-B信號先于持續(xù)穩(wěn)定的雷達信號出現(xiàn)；而對于02R航班UEA2235，持續(xù)穩(wěn)定的雷達信號先于ADS-B信號出現(xiàn)。

接下來，根據(jù)自動化系統(tǒng)工作機制，筆者分別單獨分析了系統(tǒng)中02L與02R航跡的出現(xiàn)及相關過程，試圖找出系統(tǒng)發(fā)生異常的原因。

3.2 02L跑道航跡

（1）UTC23：42：40 系統(tǒng)持續(xù)收到UEA2735的ADS-B數(shù)據(jù)報，創(chuàng)建了單路ADS-B信號。由于該單路航跡無法與任何已經(jīng)存在的系統(tǒng)航跡相融合，系統(tǒng)為其創(chuàng)建02L系統(tǒng)航跡。02L系統(tǒng)航跡具有呼號信息EU2735，但無二次代碼信息，此時情況如圖2（a）所示。英德拉系統(tǒng)具備通過呼號進行相關處理的能力，但要求航跡呼號必須與飛行計劃呼號完全一致，由于該航班使用的二字碼EU2735，而系統(tǒng)中其飛行計劃呼號為三字碼UEA2735，因此系統(tǒng)無法進行航跡與飛行計劃的相關。

（2）UTC23：42：49 系統(tǒng)連續(xù)三個周期收到CTURAY雷達送出二次代碼為A1521的點跡，為其創(chuàng)建了A1521單路航跡。根據(jù)三個融合條件：

a）A1521單路航跡無呼號信息，02L系統(tǒng)航跡無二次代碼信息，系統(tǒng)不需對其進行二次代碼/呼號檢查。

b）A1521單路航跡與02L系統(tǒng)航跡高度接近，滿足高度檢查條件。

c）A1521單路航跡與02L系統(tǒng)航跡距離僅為5.1公里，小于系統(tǒng)中雷達航跡與ADS-B航跡的門限5.556公里，滿足位置檢查條件。

因此，系統(tǒng)將A1521單路航跡與02L系統(tǒng)航跡進行了融合。02L系統(tǒng)航跡獲得二次代碼A1521。如圖2（b）所示。其后，類似地，CTUTHA雷達的A1521單路航跡也與02L系統(tǒng)航跡融合。

（3）飛行計劃UEA2235的二次代碼為A1521，系統(tǒng)通過二次代碼信息，錯誤地將02L系統(tǒng)航跡與飛行計劃UEA2235進行相關。出現(xiàn)了如圖1中所示的情況。

3.3 02R跑道航跡

（4）UTC23：43：09系統(tǒng)持續(xù)收到UEA2235的ADS-B數(shù)據(jù)報，創(chuàng)建了單路ADS-B信號。由于呼號不一致，該單路航跡無法與02L系統(tǒng)航跡相融合，系統(tǒng)為其創(chuàng)建了新的02R系統(tǒng)航跡。02R系統(tǒng)航跡具有呼號信息EU2235，但無二次代碼信息。此時情況如圖3（a）所示。

2）UTC23：43：17 系統(tǒng)連續(xù)三個周期收到CTUTHA雷達送出二次代碼為A1502的點跡，為其創(chuàng)建了A1502單路航跡，根據(jù)三個融合條件：

a）A1502單路航跡無呼號信息，02R系統(tǒng)航跡無二次代碼信息，系統(tǒng)不需對其進行二次代碼/呼號檢查。

b）A1502單路航跡與02R系統(tǒng)航跡高度接近，滿足高度檢查條件。

c）A1502單路航跡與02R系統(tǒng)航跡距離僅為4.7公里，小于系統(tǒng)中雷達航跡與ADS-B航跡的門限5.556公里，滿足位置檢查條件。

因此，系統(tǒng)將A1502單路航跡與02R系統(tǒng)航跡進行了融合。02R系統(tǒng)航跡獲得二次代碼A1502。如圖3（b）所示。其后，類似地，CTURAY雷達的A1502單路航跡也與02R系統(tǒng)航跡融合。

3）系統(tǒng)未繼續(xù)收到02R系統(tǒng)航跡的ADS-B數(shù)據(jù)報，02R系統(tǒng)航跡失去呼號信息，系統(tǒng)航跡顯示二次代碼信息A1502，出現(xiàn)了如圖1中所示的錯誤情況。

4 故障思考

通過對故障過程的詳細分析發(fā)現(xiàn)：本次故障主要是自動化系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理異常引起，與航班號相似并無直接關聯(lián)。但由于故障發(fā)生在相似航班上，加大了對管制工作的影響。由于ADS-B信號和雷達信號發(fā)現(xiàn)目標的先后順序的不同，系統(tǒng)混淆了兩個航班的ADS-B信號和雷達信號，進行了錯誤的融合處理，在錯誤融合的情況上，系統(tǒng)又進行了錯誤的相關，導致了故障。

故障過程中，自動化系統(tǒng)基本按照了其工作機制進行監(jiān)視數(shù)據(jù)處理，但仍然出現(xiàn)了異常，雖然出現(xiàn)異常與機場區(qū)域監(jiān)視信號覆蓋情況有關聯(lián)，但也說明目前自動化系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理機制存在缺陷。筆者根據(jù)其缺陷，提出了自動化系統(tǒng)機場區(qū)域監(jiān)視數(shù)據(jù)處理的兩種改進方案：

4.1 自動化系統(tǒng)在機場區(qū)域設置特定的融合參數(shù)

現(xiàn)階段，自動化系統(tǒng)大多在全系統(tǒng)處理范圍內(nèi)采用統(tǒng)一的融合參數(shù)。統(tǒng)一的設置有利于系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)一性，但某種意義上，加大了融合異常的風險。機場區(qū)域的航班運行情況特殊，與高空區(qū)域的運行環(huán)境差距較大：

高空區(qū)域，兩架飛機間，要么水平距離較遠，要么具有較大的高度差。而在機場區(qū)域，特別是多跑道的機場，若航班同時起飛，兩架飛機的高度會幾乎一致、而距離也會很接近。例如本次故障中的兩架航班，兩者直線距離不足5公里，高度差小于50米。

因此，高空區(qū)域適合使用較大的融合門限，以減少導致航跡分裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。而機場區(qū)域適合使用較小的融合門限，以避免本次故障中的異常融合現(xiàn)象。全系統(tǒng)統(tǒng)一的參數(shù)很難同時滿足兩種截然不同的運行環(huán)境。

筆者建議，自動化系統(tǒng)在設計時，就應在機場區(qū)域設置特定的融合參數(shù)，距離門限應較小。以成都雙流機場的情況為例，綜合跑道中心點距離和機場環(huán)境情況，可將機場區(qū)域的雷達信號與ADS-B信號位置的融合門限設置為4公里，而其他區(qū)域保持5.556公里的設置，這樣就能基本避免本次故障中出現(xiàn)的錯誤融合的異常。對于其他的運行現(xiàn)場，融合參數(shù)應根據(jù)實際運行情況進行調(diào)整和優(yōu)化。

4.2 自動化系統(tǒng)應在機場區(qū)域設置ADS-B信號抑制區(qū)

現(xiàn)階段，ADS-B信號在機場附近區(qū)域使用的意義不大，反而偶爾會對管制正常指揮工作造成影響，例如地面飛機的ADS-B信號干擾問題、ADS-B信號造成的速度跳變問題、ADS-B信號與雷達信號融合錯誤的問題。在弊大于利的情況下，筆者建議自動化系統(tǒng)在機場區(qū)域設置ADS-B信號抑制區(qū)。

抑制區(qū)應是以跑道中心點為中心、半徑為R（系統(tǒng)可設置）、高度范圍為H（系統(tǒng)可設置）的立體空間。系統(tǒng)通過解析ADS-B數(shù)據(jù)包中的經(jīng)緯度坐標和高度信息，與抑制區(qū)范圍進行對比，若目標處于抑制區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)將該ADS-B數(shù)據(jù)包丟棄，不進行處理（含有緊急告警信息的數(shù)據(jù)包除外）。

理想情況下，抑制區(qū)可在線開關，在本場雷達均失效的情況下，可將ADS-B抑制區(qū)關閉，使用ADS-B信號為管制員提供應急顯示。

抑制區(qū)的設置可采用單路ADS-B分別設置或全系統(tǒng)統(tǒng)一設置的方式。采用單路ADS-B設置抑制區(qū)的方式較為繁瑣，但使用更為靈活，可根據(jù)各ADS-B臺站覆蓋情況和數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，使用其ADS-B信號；全系統(tǒng)統(tǒng)一設置ADS-B抑制區(qū)的方式較為簡單，避免了設置出現(xiàn)錯誤的可能性，但使用起來靈活性較差。

通過設立機場區(qū)域的ADS-B抑制區(qū)，也可有效避免機場區(qū)域出現(xiàn)錯誤融合的異常。

5 結束語

機場作為民航事故高發(fā)區(qū)域，飛機起降階段也是重大事故發(fā)生的高危階段，自動化系統(tǒng)中，任何在機場區(qū)域的異常處理都應得到高度重視。目前，國內(nèi)大多數(shù)機場無MLAT或S模式雷達覆蓋（同時含有呼號和二次代碼信息），而傳統(tǒng)雷達與ADS-B信號間通過位置和高度信息進行融合的處理方式，出現(xiàn)異常的可能性相對較大，因此，自動化系統(tǒng)應對該區(qū)域的監(jiān)視數(shù)據(jù)處理和相關處理重點關注。

本文詳細分析了一次英德拉自動化系統(tǒng)中，兩架相似航班起飛階段錯誤相關的故障，找出了自動化系統(tǒng)存在的缺陷，并提出了兩種相應的改進方案，希望能夠避免問題的再次出現(xiàn)，減少運行風險。

參考文獻：

[1] Revised Chengdu Automation System Subsystem Specification[Z]. INDRA，2012.

[2] 李小鵬.INDRA空管自動化系統(tǒng)技術操作手冊[Z].民航西南空管局.2013.

作者簡介：

王小為，民航西南空管局。