空管自動(dòng)化航跡丟失分析與雷達(dá)融合機(jī)制探討

宮昕昱

摘? 要：雷達(dá)融合處理是ATC自動(dòng)化系統(tǒng)最核心的功能，也是自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本。文章以民航二所空管公司的AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生的一起航跡丟失案例，深入分析了異常發(fā)生的過程及導(dǎo)致異常的原因。在此基礎(chǔ)上對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的雷達(dá)融合機(jī)制進(jìn)行了一定程度的探討，提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)融合處理;AirNet自動(dòng)化系統(tǒng);航跡丟失

中圖分類號(hào)：V355.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0017-04

Abstract： Radar fusion processing is the core function of ATC automation system， and is also the basis of stable operation of automation system. In this paper， a case of track loss occurred in the actual operation of AirNet automation system of air traffic control （ATC） companies of civil aviation is taken as an example， and the process of abnormal occurrence and the causes of abnormal occurrence are analyzed in depth. On this basis， the radar fusion mechanism of automation system is discussed to a certain extent， and some suggestions are put forward.

Keywords： radar fusion processing; AirNet automation system; track loss

引言

ATC空管自動(dòng)化系統(tǒng)是空中交通管制員最主要的手段之一[1]。雷達(dá)融合處理是自動(dòng)化系統(tǒng)最核心的功能，其穩(wěn)定性極大程度決定了一套自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的性能表現(xiàn)和用戶體驗(yàn)。近年來，隨著終端區(qū)飛行流量急速增長(zhǎng)，以及高空移交區(qū)管中心，自動(dòng)化上的雷達(dá)航跡呈現(xiàn)出更加復(fù)雜高低扇飛行姿態(tài)。雷達(dá)航跡在位置上的接近，給自動(dòng)化雷達(dá)融合處理增加了難度。而單雷達(dá)信號(hào)由于覆蓋范圍、雷達(dá)頭故障、傳輸?shù)仍驇淼男盘?hào)不穩(wěn)定，也對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)雷達(dá)處理的穩(wěn)定性和強(qiáng)健度提出了考驗(yàn)。

2015年5月，民航二所空管公司AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)在中國(guó)民航空中交通管理局下屬的包括重慶、廈門在內(nèi)的九地空管分局和空管站投入運(yùn)行。本文基于多年對(duì)該系統(tǒng)的保障維護(hù)實(shí)踐，以2015年9月30日在重慶空管分局發(fā)生的一起較為典型又極具研討價(jià)值的AirNet系統(tǒng)航跡丟失案例展開分析，進(jìn)一步探討了自動(dòng)化系統(tǒng)中雷達(dá)融合相關(guān)機(jī)制的目標(biāo)與方向。為下一步AirNet系統(tǒng)的軟件改進(jìn)，以及其他空管單位的AirNet系統(tǒng)運(yùn)行提供一些建議與參考。

1 AirNet雷達(dá)航跡丟失現(xiàn)象

2015年9月30日20：06，重慶區(qū)域（區(qū)調(diào)）管制席位反映AirNet自動(dòng)化中，從恩施ENH的進(jìn)港航班CHB6252標(biāo)牌（計(jì)劃應(yīng)答機(jī)為A5670）與實(shí)際應(yīng)答機(jī)為A5070的目標(biāo)進(jìn)行了錯(cuò)誤相關(guān)，而實(shí)際應(yīng)答機(jī)A5670的目標(biāo)（航班號(hào)本應(yīng)為CDG8792）的雷達(dá)航跡在AirNet自動(dòng)化上沒有出現(xiàn)。而在Telephonics自動(dòng)化中，兩個(gè)目標(biāo)的雷達(dá)航跡均顯示正常。對(duì)目標(biāo)丟失過程進(jìn)行回放與梳理如下。

在多雷達(dá)下，19：53：00，應(yīng)答機(jī)為A5070（高度8400米）和A5670（高度7800米）的兩個(gè)航班同時(shí)從東面向本場(chǎng)飛行，高度差為600米，水平間隔為5公里。其中A5070應(yīng)屬于成都區(qū)管高扇指揮，A5670為武漢移交過來的低扇航班。19：56：09，航跡A5670完成與其計(jì)劃CHB6252自動(dòng)相關(guān)。而A5070未能正常完成自動(dòng)相關(guān)，如圖1所示。

19：56：35，多雷達(dá)下，A5670航跡的二次碼突然變?yōu)锳5070，系統(tǒng)出現(xiàn)DUPE告警。隨后系統(tǒng)將兩個(gè)目標(biāo)判斷為A5070這一個(gè)航跡，從圖2可以看到，19：56：44，5070和5670的航跡均進(jìn)入推測(cè)航跡狀態(tài)，同時(shí)A5670的航跡位置跳變至A5070的位置上去，而原A5670的尾跡點(diǎn)已經(jīng)中斷。

19：56：57，航跡結(jié)束推測(cè)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)徹底將兩個(gè)航跡判斷為A5070這一個(gè)航跡并將其融合，同時(shí)重新開始跟蹤這個(gè)新的A5070的航跡位置;在圖3可以看到，A5070之前的尾跡點(diǎn)消失，證明這個(gè)航跡是重新開始計(jì)算的。同時(shí)，原本屬于的標(biāo)牌CHB6252也錯(cuò)誤相關(guān)至A5070，如圖3所示。

19：57：12，區(qū)調(diào)管制員根據(jù)標(biāo)牌航班號(hào)CHB6252將目標(biāo)接管。此時(shí)，管制員在SDD上接管的其實(shí)是不該屬于他指揮的A5070目標(biāo)，他并不知道真正該他指揮的A5670目標(biāo)其實(shí)就在A5070下方600米處，但在15秒前已經(jīng)丟失。

2 航跡丟失原因分析

從上述的異常過程可見，9月30日的航跡丟失是一起連環(huán)性的自動(dòng)化系統(tǒng)處理異常案例，而不僅僅只是單個(gè)航跡因?yàn)槔走_(dá)信號(hào)原因?qū)е碌亩虝r(shí)間航跡丟失。對(duì)該異常情況根據(jù)時(shí)間順序進(jìn)行分解，可以拆分為以下四個(gè)方面的問題：

（1）為何A5070沒有正常自動(dòng)相關(guān)？

（2）為何多雷達(dá)下，A5670的二次碼會(huì)突變?yōu)锳5070？

（3）為何兩個(gè)目標(biāo)二次碼一致后，存在那么明顯的高度差，系統(tǒng)卻將兩個(gè)目標(biāo)判斷為了一個(gè)航跡？

（4）為何在融合出現(xiàn)錯(cuò)誤后，A5670對(duì)應(yīng)的CHB6252飛行計(jì)劃與標(biāo)牌會(huì)錯(cuò)誤相關(guān)至A5070？

根據(jù)異常情況的4個(gè)方面問題，對(duì)異常原因進(jìn)行逐級(jí)的分析。

2.1 A5070自動(dòng)相關(guān)異常

首先需要分析的是：為何A5070沒有正常完成與飛行計(jì)劃的自動(dòng)相關(guān)？AirNet系統(tǒng)對(duì)進(jìn)港航班的自動(dòng)相關(guān)機(jī)制為：進(jìn)港航班在收到DEP起飛報(bào)后，將報(bào)中的二次代碼自動(dòng)填入計(jì)劃;當(dāng)進(jìn)港航班的航跡進(jìn)入相關(guān)區(qū)（或外擴(kuò)區(qū)）后，觸發(fā)相關(guān)判斷，完成自動(dòng)相關(guān)。

A5070與A5670從東面幾乎同時(shí)進(jìn)入外擴(kuò)相關(guān)區(qū)，那么按照機(jī)制兩個(gè)目標(biāo)也應(yīng)該幾乎同時(shí)完成與計(jì)劃的相關(guān)。對(duì)A5070的DEP報(bào)文進(jìn)行查詢，其報(bào)文內(nèi)容如圖4所示。

從DEP報(bào)文可以看到，報(bào)文中的二次代碼填寫格式存在錯(cuò)誤。根據(jù)AirNet系統(tǒng)FDP的處理情況提示“編組7[5070]不是5為的SSR模式和編碼，解析中止”可知，報(bào)文錯(cuò)誤格式的二次代碼填寫，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)該DEP報(bào)解析失敗，A5070對(duì)應(yīng)的飛行計(jì)劃中沒有二次碼，從而造成A5070目標(biāo)無法正常相關(guān)。

2.2 A5670融合航跡二次碼突變

本次異常情況的直接原因是在多雷達(dá)融合下，目標(biāo)A5670的二次碼突變?yōu)锳5070。多雷達(dá)融合信號(hào)是單雷達(dá)信號(hào)融合處理后的結(jié)果，多雷達(dá)出現(xiàn)異常往往與單雷達(dá)有關(guān)。基于此思路，對(duì)單雷達(dá)信號(hào)依次進(jìn)行回放。

根據(jù)目標(biāo)位置，在出現(xiàn)信號(hào)丟失的前后時(shí)間段中，可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的單雷達(dá)為：恩施雷達(dá)（ES）、張家界雷達(dá)（ZJJ）和銅仁雷達(dá)（TR）。其中恩施雷達(dá)和銅仁雷達(dá)在故障時(shí)刻及其前后時(shí)間段中信號(hào)均正常。但張家界雷達(dá)信號(hào)出現(xiàn)問題。

首先，在異常時(shí)刻之前19：53：45，張家界雷達(dá)信號(hào)下，目標(biāo)A5670發(fā)生第一次突變，二次碼變?yōu)锳5470，高度跳變?yōu)?290，如圖5所示;然后目標(biāo)二次碼保持在A5470，直至19：55：10，才又重新恢復(fù)為5670。

19：56：34，張家界單雷達(dá)的A5670目標(biāo)發(fā)生第二次突變，二次碼變?yōu)榱薃5070（如圖6所示）。1秒后，多雷達(dá)的A5670目標(biāo)二次碼也變?yōu)锳5070，單雷達(dá)信號(hào)突變時(shí)間與多雷達(dá)融合信號(hào)突變時(shí)間完全吻合?？梢源_定多雷達(dá)信號(hào)二次碼突變就是張家界單雷達(dá)信號(hào)導(dǎo)致。

2.3 A5070與A5670錯(cuò)誤判定與融合

解決了二次碼突變的原因后，接下來需要分析的是，為什么二次碼突變成一樣，系統(tǒng)就會(huì)將兩個(gè)目標(biāo)判定并融合為一個(gè)航跡？

目前在AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)中，為了抑制目標(biāo)分裂，系統(tǒng)通過一個(gè)區(qū)域配置文件associate.cfg中劃設(shè)的區(qū)域及其參數(shù)設(shè)置，去對(duì)“兩個(gè)相同二次碼航跡是否為同一個(gè)目標(biāo)”進(jìn)行判斷。發(fā)生異常時(shí)的associate.cfg設(shè)置為：在3500-8500高度層中，兩個(gè)目標(biāo)必須滿足水平距離小于8公里，垂直距離小于250米，才會(huì)判斷為同一目標(biāo)。從發(fā)生異常時(shí)的兩個(gè)目標(biāo)的高度差和水平距離看，雖然水平距離（5公里）小于8公里，但垂直距離（600米）并未小于250米，因此按照此機(jī)制執(zhí)行，不應(yīng)該將兩個(gè)目標(biāo)判斷為一個(gè)目標(biāo)。

但當(dāng)筆者進(jìn)一步觀察associate.cfg設(shè)置的區(qū)域邊界時(shí)，發(fā)現(xiàn)associate.cfg區(qū)域并沒有覆蓋到異常發(fā)生時(shí)的目標(biāo)位置，如圖7所示。因此可以判斷，9月30日異常發(fā)生時(shí)，兩個(gè)目標(biāo)沒有進(jìn)入associate.cfg區(qū)域，因此上述判斷機(jī)制沒有生效。系統(tǒng)按照默認(rèn)值水平距離8公里，垂直距離300米去進(jìn)行融合判斷，從而將兩個(gè)航跡融合為了一個(gè)航跡。

2.4 CHB6252標(biāo)牌錯(cuò)誤相關(guān)

由于發(fā)生了融合錯(cuò)誤，系統(tǒng)將兩個(gè)目標(biāo)判斷為了一個(gè)目標(biāo)。因此系統(tǒng)將A5607的航跡號(hào)賦予給了A5070。FDP處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)相關(guān)的飛行計(jì)劃CHB6252，雖然二次碼有變化，但航跡號(hào)未變，因此沒有去相關(guān)，而保持相關(guān)。從而導(dǎo)致CHB6252錯(cuò)誤相關(guān)在A5070上。

3 雷達(dá)融合機(jī)制探討

根據(jù)原因分析的四個(gè)方面，除了第一點(diǎn)的未正常相關(guān)是由于報(bào)文內(nèi)容有誤，其余三點(diǎn)均與AirNet系統(tǒng)的軟件處理機(jī)制，尤其是雷達(dá)融合機(jī)制及其配置有關(guān)。在高空移交后的高低扇運(yùn)行模式下，9月30日這樣的兩架航班上下層同向飛行的飛行姿態(tài)經(jīng)常存在。那么自動(dòng)化系統(tǒng)需要什么樣的處理機(jī)制，去有效地避免同類異常情況再次出現(xiàn)？根據(jù)上述異常原因，分別從多雷達(dá)融合選擇機(jī)制，相近航跡判定，計(jì)劃與航跡號(hào)的關(guān)聯(lián)這三個(gè)環(huán)節(jié)展開探討。

3.1 多雷達(dá)融合的二次代碼選擇

在9月30日的異常案例中，AirNet系統(tǒng)在多雷達(dá)融合處理中存在一個(gè)明顯的問題：在異常時(shí)刻三部單雷達(dá)覆蓋目標(biāo)，而恩施和銅仁兩部雷達(dá)的二次碼都是正常的情況下，融合處理為什么偏偏會(huì)采納不正常的張家界的單雷達(dá)信號(hào)？這一問題涉及多雷達(dá)融合的二次碼選擇機(jī)制。

在多雷達(dá)的融合處理中，需要對(duì)航跡位置、二次碼、高度、速度這四項(xiàng)進(jìn)行融合處理[2]。其中，航跡位置可以參照多部雷達(dá)的位置最終判斷出一個(gè)中間值;高度可以對(duì)比多部雷達(dá)的高度差進(jìn)行平均計(jì)算;速度可以通過單獨(dú)計(jì)算融合信號(hào)的速度來規(guī)避單雷達(dá)的影響。唯有二次碼，多雷達(dá)融合時(shí)只能是選擇某一部單雷達(dá)提供的二次碼數(shù)值。根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)的處理機(jī)制，系統(tǒng)在目標(biāo)出現(xiàn)的第一時(shí)間，會(huì)選擇首先探測(cè)到該目標(biāo)的單雷達(dá)提供的二次碼。那么當(dāng)這部雷達(dá)的二次碼出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，要如何確保融合雷達(dá)的二次碼不受影響？

筆者認(rèn)為，在多重雷達(dá)覆蓋且所有單雷達(dá)平均權(quán)重前提下，“少數(shù)服從多數(shù)”的二次碼選擇機(jī)制是確保融合雷達(dá)正常的正確處理方式。多雷達(dá)在航跡更新時(shí)，判斷當(dāng)前選擇的單雷達(dá)二次代碼與其他單雷達(dá)二次碼是否一致，若不一致則選擇其他單雷達(dá)的二次碼作融合使用。這樣，一個(gè)航跡只要在三重雷達(dá)覆蓋下，且兩部單雷達(dá)不同時(shí)出現(xiàn)二次碼跳變，則基本可以確保該航跡融合信號(hào)的二次碼正確穩(wěn)定。這也是雷達(dá)多重覆蓋的存在意義之一。如圖8所示，對(duì)9月30日的情況在該機(jī)制下進(jìn)行模擬，即使張家界雷達(dá)出現(xiàn)二次碼突變，融合雷達(dá)信號(hào)也不會(huì)受到影響。而融合信號(hào)二次碼若不發(fā)生突變，便不會(huì)有后面的融合和相關(guān)一系列錯(cuò)誤發(fā)生。

3.2 位置相近航跡的融合判斷

在AirNet自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)于兩個(gè)航跡位置接近的目標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)配置管理DBM上的一個(gè)區(qū)域配置文件associate.cfg里設(shè)置的融合條件，去判斷兩個(gè)目標(biāo)究竟是兩個(gè)真實(shí)的航跡，還是一個(gè)航跡產(chǎn)生的分裂。這一機(jī)制的引入，很大程度地避免了雷達(dá)航跡分裂和假目標(biāo)的出現(xiàn)。

從另一方面，雖然AirNet系統(tǒng)提供給用戶這樣一個(gè)可以靈活配置的文件，但associate.cfg的區(qū)域應(yīng)該如何配置，參數(shù)如何設(shè)置才能滿足運(yùn)行要求，才能避免出現(xiàn)本文案例的類似問題？可以從以下幾點(diǎn)考慮。

（1）由于區(qū)調(diào)，進(jìn)近，塔臺(tái)的航空器的間隔不一致，因此在一個(gè)管制區(qū)內(nèi)建議劃分多個(gè)associate區(qū)域分別為區(qū)進(jìn)塔使用。這些associate區(qū)組合起來盡量能夠包含管制區(qū)所有區(qū)域范圍。同時(shí)，結(jié)合不同管制室各自的航空器安全間隔參數(shù)，對(duì)各自的associate區(qū)域的判定條件進(jìn)行設(shè)置。

（2）將區(qū)調(diào)范圍的associate區(qū)域進(jìn)行外擴(kuò)，從而盡量避免本文案例的相近航班在associate區(qū)域外出現(xiàn)航跡錯(cuò)誤融合的情況。

（3）associate區(qū)域不可能無限外擴(kuò)，所以AirNet系統(tǒng)仍然需要對(duì)默認(rèn)的判定值進(jìn)行調(diào)整，可以考慮將其調(diào)整為與區(qū)調(diào)的設(shè)定值相同。

3.3 計(jì)劃與航跡號(hào)的關(guān)聯(lián)

從上述原因分析可知，在AirNet系統(tǒng)中，飛行計(jì)劃與雷達(dá)航跡相關(guān)后，會(huì)與該雷達(dá)航跡的航跡號(hào)（這個(gè)航跡號(hào)是系統(tǒng)在建立航跡時(shí)在后臺(tái)自動(dòng)分配的編號(hào)）產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。一旦該航跡的二次代碼發(fā)生變化，飛行計(jì)劃會(huì)通過與航跡號(hào)的關(guān)聯(lián)，從而保持與該航跡的相關(guān)。

這一機(jī)制的作用是：當(dāng)航空器在空中由于飛行員或其他原因?qū)е聭?yīng)答機(jī)二次碼改變后，自動(dòng)化系統(tǒng)中航跡不會(huì)與飛行計(jì)劃相關(guān)。這時(shí)，AirNet系統(tǒng)提供了一個(gè)DS告警，提示管制員當(dāng)前目標(biāo)的二次碼與飛機(jī)計(jì)劃中的二次碼不一致。該功能在管制指揮中發(fā)揮了良好的作用。

但是，從本文案例中可知，一旦航跡出現(xiàn)融合錯(cuò)誤后，飛行計(jì)劃可能會(huì)跟隨其關(guān)聯(lián)的航跡號(hào)，錯(cuò)誤相關(guān)至其他航跡上去，為管制員帶來更大的誤導(dǎo)。在這種情況下，飛行計(jì)劃與航跡號(hào)的關(guān)聯(lián)反而成為束縛。那么這一機(jī)制是否具有存在的必要？筆者認(rèn)為該問題具有進(jìn)一步探討的空間。但如果能夠?qū)⒏鞣N異常狀況，有效地控制在多雷達(dá)融合選擇和相近航跡判定這前兩個(gè)環(huán)節(jié)中，那么飛行計(jì)劃與航跡號(hào)關(guān)聯(lián)便不會(huì)成為束縛，可以考慮保留。

4 結(jié)束語

雷達(dá)融合處理是ATC自動(dòng)化系統(tǒng)的核心功能，也是自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本。9月30日出現(xiàn)的航跡丟失案例是一起典型的由于系統(tǒng)處理機(jī)制及其他外部原因，從而突破了系統(tǒng)的各個(gè)判定條件，最終導(dǎo)致系統(tǒng)處理異常的設(shè)備不正常情況。其可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)值得我們關(guān)注。本文以該案例為契機(jī)，在對(duì)案例進(jìn)行詳細(xì)梳理和深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)AirNet系統(tǒng)雷達(dá)融合相關(guān)機(jī)制展開了研究和探討，提出了一些建議。希望為未來AirNet系統(tǒng)的軟件改進(jìn)，以及其他空管單位的AirNet系統(tǒng)運(yùn)行提供一些參考與幫助。

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