ADS-B空中位置數(shù)據(jù)異常檢測與統(tǒng)計分析

張思遠(yuǎn)， 鄭佳雪， 沈笑云， 焦衛(wèi)東

(中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300000)

0 引言

隨著機(jī)載應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)的全面升級，基于廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)的監(jiān)視技術(shù)可以獲得全空域幾乎所有飛行器的實時數(shù)據(jù)，ADS-B數(shù)據(jù)在機(jī)場、航空公司和空管等民航眾多領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用價值。然而，ADS-B采用單向廣播的方式使得接收端雖然可以輕易獲取由飛機(jī)發(fā)出的報文信息，但卻無法驗證信息的準(zhǔn)確性與可靠性，導(dǎo)致ADS-B技術(shù)在民航系統(tǒng)的推廣和使用受到了一定的制約[1]。

數(shù)據(jù)異常檢測是ADS-B安全領(lǐng)域的一項重要研究內(nèi)容。2013年，英國牛津大學(xué)STROHMEIER等[2]綜述了ADS-B安全領(lǐng)域的相關(guān)研究，將該領(lǐng)域分為兩大類進(jìn)行討論，即安全廣播授權(quán)和安全位置驗證。安全廣播授權(quán)是指ADS-B數(shù)據(jù)源必須是經(jīng)過授權(quán)的安全目標(biāo)，而非虛假目標(biāo)，虛假目標(biāo)發(fā)射的ADS-B偽數(shù)據(jù)對飛行安全的影響較大，相關(guān)的研究有很多。然而偽數(shù)據(jù)在真實環(huán)境中很少出現(xiàn)，目前的研究都是通過注入自定義的偽數(shù)據(jù)或直接修改原始數(shù)據(jù)來進(jìn)行仿真驗證，實際意義并不大。安全位置驗證則是對真實的ADS-B數(shù)據(jù)尤其是空中位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，檢測和識別ADS-B數(shù)據(jù)中與飛機(jī)實際飛行狀況不符的數(shù)據(jù)，雖然對飛行安全的影響較小，但卻具有很大的不確定性。2014年，ALI等[3]對倫敦終端區(qū)附近的ADS-B數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性、延遲、可用性和更新率等指標(biāo)進(jìn)行評估；2017年，TABASSUM等[4]對?？怂箼C(jī)場接收的ADS-B數(shù)據(jù)的消息丟失、數(shù)據(jù)漏點、高度差異等異常情況的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。國內(nèi)學(xué)者通常將ADS-B與航管雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以實現(xiàn)二者的互補(bǔ)[5-7]，但大多數(shù)空管系統(tǒng)只擁有其中的一種，而即便兩者都有，通常也是主備關(guān)系，很少使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)。還有一些學(xué)者采用航跡濾波的方式修正ADS-B數(shù)據(jù)中的跳點、斷點等問題[8-10]，但這種表面的修正并沒有揭示ADS-B數(shù)據(jù)異常的嚴(yán)重性，也未能全面修正所有的ADS-B異常數(shù)據(jù)。

本文針對ADS-B數(shù)據(jù)中最重要的空中位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以大量數(shù)據(jù)的TYPE值統(tǒng)計規(guī)律作為參考，在時間窗的約束下，組成置信數(shù)據(jù)集合，通過滑動時間窗，計算局部航跡曲率，檢測并分類異常航跡點。通過對選取的30架飛機(jī)連續(xù)7 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出目前ADS-B空中位置異常數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，為ADS-B數(shù)據(jù)的實時檢測和修正提供技術(shù)支持，并為ADS-B技術(shù)的快速推廣和應(yīng)用鋪平道路。

1 機(jī)載原始數(shù)據(jù)TYPE值統(tǒng)計

機(jī)載S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射的原始ADS-B數(shù)據(jù)為DF17格式，主要包括CA，AA，ME這3個字段：CA字段用于描述S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射ADS-B消息的能力，以及位于空中還是地面；AA字段是ICAO為飛機(jī)分配的24位地址，也是每架飛機(jī)全球唯一不變的身份標(biāo)識；ME字段是ADS-B消息中最核心的部分，其中包含了實際傳送的有效數(shù)據(jù)。

每一條ADS-B機(jī)載原始數(shù)據(jù)傳送不一定是同一種類型的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)ME字段的前5位進(jìn)行判斷，這5位也被稱為TYPE值，可表示的范圍為0～31，主要對應(yīng)8種不同類型的數(shù)據(jù)：1) 飛機(jī)ID與類型(TYPE1～4)；2) 地面位置(TYPE5～8)；3) 空中位置(TYPE9～18和TYPE20～22)；4) 空中速度(TYPE19)；5) 測試消息(TYPE23)；6) 擴(kuò)展間歇振蕩器飛機(jī)狀況(TYPE28)；7) 目標(biāo)狀態(tài)與狀況(TYPE29)；8) 飛機(jī)運行狀況(TYPE31)。

TYPE0為無法獲得水平位置信息的空中或地面位置數(shù)據(jù)，TYPE24～27和TYPE30為預(yù)留消息?？罩形恢煤偷孛嫖恢脤?yīng)多個TYPE值，不同的TYPE值可描述該位置信息對應(yīng)的水平半徑容限(Rc)。由于TYPE值與Rc并不是一一對應(yīng)的，因此，ADS-B數(shù)據(jù)還使用了導(dǎo)航完整度類別(NIC)和NIC補(bǔ)充碼對位置信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步描述。TYPE值越大，對應(yīng)的NIC值越小，Rc越大，即位置準(zhǔn)確性越差，可用性也越差。如果一個TYPE值只對應(yīng)一個Rc，則無需NIC補(bǔ)充碼，如果一個TYPE值對應(yīng)多個Rc，則必須用到NIC補(bǔ)充碼。此外，ADS-B還提供源完整性級別(SIL)數(shù)據(jù)來描述水平位置超出NIC半徑容限的概率。但這3種數(shù)據(jù)只能給出大致的誤差范圍，在沒有其他驗證手段的情況下，無法清晰地描述飛機(jī)位置數(shù)據(jù)的實際異常情況。

表1是2020年連續(xù)7 d地面站收到的空中位置消息按TYPE值展開后進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果。

表1 空中位置數(shù)據(jù)按TYPE值展開統(tǒng)計Table 1 ADS-B class statistics by TYPE

由表1可知，接近90%的空中位置數(shù)據(jù)為TYPE11，其Rc理論上小于0.1 n mile(185.2 m)。隨著TYPE值的增大，數(shù)據(jù)量越來越少，說明誤差越大數(shù)據(jù)越少，但TYPE18的數(shù)據(jù)顯著高于TYPE14～17，主要是由于TYPE18數(shù)據(jù)中包含很多無法判斷位置精度的數(shù)據(jù)。

2 基于航跡曲率變化的空中位置異常數(shù)據(jù)檢測

根據(jù)連續(xù)的空中位置數(shù)據(jù)可以繪制飛機(jī)的航跡，而間隔較小的空中位置形成的航跡曲線曲率接近常數(shù)，或者說曲率變化是很小的。根據(jù)這個原則通過對比任意相鄰3個空中位置形成的2個線段斜率，可以分析和判斷位置數(shù)據(jù)是否異常，如圖1所示。

圖1 航跡點和航跡角Fig.1 Track points and track angles

圖1中，4個航跡點Pn-1，Pn，Pn+1，Pn+2構(gòu)成了3段航跡線段，每個線段的斜率用航跡角Jn-1，Jn，Jn+1表示，而航跡角之差就反映了航跡曲線曲率的變化，如果航跡角之差較大，則說明曲線曲率變化較大，位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較差。曲率算式為

(1)

準(zhǔn)確的曲率計算中，Pn+1Pn應(yīng)使用弧線長度，由于ADS-B位置數(shù)據(jù)間隔時間較短，因此可用線段長度代替弧線長度。ADS-B數(shù)據(jù)最小速度變化為0.22 kn，統(tǒng)計顯示，超過95%的相鄰兩點速度數(shù)據(jù)的差為0[11]，因此，實際計算中可使用時間差來代替線段長度從而大幅提高計算速度。此時曲率算式可轉(zhuǎn)換為

(2)

Zn雖然不是真正的曲率，但同樣可以反映航跡曲率和曲率變化，在時間窗內(nèi)選取曲率變化較小的若干個航跡點作為初始置信數(shù)據(jù)集合并計算其曲率平均值，然后計算時間窗內(nèi)的所有航跡點數(shù)據(jù)與該平均值的平均絕對偏差，從而確定航跡曲率平均絕對偏差的變化閾值。平均絕對偏差既可以反映整體的離散程度，也可以檢驗新數(shù)據(jù)與置信數(shù)據(jù)集合的偏離程度，算式為

S={min(Zn)}T

(3)

(4)

式中：S表示置信數(shù)據(jù)集合；ZS為該置信數(shù)據(jù)集合的曲率平均值；B表示平均絕對偏差；T表示時間窗約束條件。由于ADS-B的數(shù)據(jù)間隔并不是固定不變的，航跡長度可能存在較大差異,所以并不適合使用固定數(shù)量的航跡點來進(jìn)行曲率分析。采用時間窗約束后的航跡長度基本一致，便于在同一條件下設(shè)定閾值并進(jìn)行曲率分析。利用置信集合內(nèi)的航跡點驗證新航跡點是否存在整體偏離，如果平均絕對偏差變化大于某一閾值，則認(rèn)為存在航跡偏離。如果是正常航跡點，則滑動時間窗，剔除最舊的置信航跡點，增加最新正常航跡點，更新置信數(shù)據(jù)集合。

根據(jù)斷點時間差、曲率變化和置信數(shù)據(jù)平均絕對偏差等結(jié)果，將所有空中位置數(shù)據(jù)分為正常航跡點數(shù)據(jù)、斷點數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)3大類，由于斷點只是兩個相距較遠(yuǎn)的航跡點，本身不能算作異常數(shù)據(jù)，本文定義的異常數(shù)據(jù)包括以下5類。

1) 抖動點：曲率變化大于25°，飛機(jī)呈現(xiàn)S形運動，基本不符合飛機(jī)正常的飛行航跡曲線。

2) 橫跳點：曲率變化接近90°，飛機(jī)呈現(xiàn)橫向運動，完全不符合飛機(jī)正常的飛行航跡曲線。

3) 折返點：曲率變化大于90°，飛機(jī)呈現(xiàn)倒飛，完全不符合飛機(jī)正常的飛行航跡曲線。

4) 偏離點：曲率變化正常，但在時間窗內(nèi)與置信樣本集合偏差較大，體現(xiàn)為局部航跡偏離，不符合飛機(jī)正常的飛行航跡曲線。

5) 重復(fù)點：相鄰兩點位置數(shù)據(jù)完全相同。

重復(fù)點并不需要特殊檢測算法，但這種數(shù)據(jù)的存在對于其他異常數(shù)據(jù)的檢測有很大影響，必須在預(yù)處理階段將其刪除。由于重復(fù)點對ADS-B空中位置數(shù)據(jù)整體的有效性和可靠性具有統(tǒng)計意義，因此本文仍將其列為異常數(shù)據(jù)的一種進(jìn)行統(tǒng)計分析。ADS-B空中位置數(shù)據(jù)的異常檢測流程如圖2所示。

圖2 空中位置數(shù)據(jù)異常檢測流程圖Fig.2 Anomaly detection of air position data

由于ADS-B數(shù)據(jù)庫存儲地面站附近所有空中和地面飛機(jī)廣播的ADS-B數(shù)據(jù)，因此首先必須根據(jù)飛機(jī)的AA身份從數(shù)據(jù)庫中提取并單獨存儲其中的TYPE9～18的空中位置數(shù)據(jù)，然后標(biāo)記并刪除重復(fù)點數(shù)據(jù)，根據(jù)相鄰兩點數(shù)據(jù)的時間差判斷其是否為斷點數(shù)據(jù)，計算航跡曲率并根據(jù)曲率變化判斷其是否為抖動點、橫跳點或折返點數(shù)據(jù)，在時間窗的約束下，根據(jù)與置信數(shù)據(jù)集合的航跡曲率平均絕對偏差判斷其是否為偏離點數(shù)據(jù)，如果不是，則最終判定為正常數(shù)據(jù)，并更新置信數(shù)據(jù)集合。

3 仿真分析

根據(jù)表1的統(tǒng)計結(jié)果，同一架飛機(jī)的連續(xù)兩條ADS-B空中位置數(shù)據(jù)平均間隔約為0.8 s。斷點的時間差閾值通常設(shè)定為20 s，為了保證置信集合內(nèi)至少有10個以上的正常數(shù)據(jù)，并能夠跨越間隔較大的數(shù)據(jù)點以及偏離點數(shù)據(jù)，時間窗通常選取40～60 s。

為使仿真分析具有代表性，選取了連續(xù)7 d都出現(xiàn)在地面站監(jiān)視范圍內(nèi)且數(shù)據(jù)量較大的30架飛機(jī)作為分析對象，其中11架為在某機(jī)場起降的飛機(jī)，另外19架為過境飛機(jī)。以AA值為7808F3的飛機(jī)為例，該飛機(jī)在一天中兩次在該機(jī)場起降，形成的航跡曲線見圖3。

圖3 7808F3的全天空中航跡Fig.3 All-day air track of 7808F3

圖3是根據(jù)7808F3的原始數(shù)據(jù)繪制的空中航跡曲線，通過異常數(shù)據(jù)檢測，在圖中標(biāo)注出各種異常數(shù)據(jù)，包括57個斷點，1個抖動點，4個橫跳點，2個折返點和10個偏離點，沒有出現(xiàn)重復(fù)點，將圖3中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放大如圖4所示。

圖4 7808F3的各種異常數(shù)據(jù)Fig.4 Different types of abnormal data of 7808F3

將選定的30架飛機(jī)以同樣的方式檢測并統(tǒng)計其連續(xù)7 d空中位置數(shù)據(jù)中存在的5種異常數(shù)據(jù)，由于實驗采用單地面站接收數(shù)據(jù)，而斷點主要發(fā)生在ADS-B地面站的監(jiān)視邊緣，因此統(tǒng)計意義不大。統(tǒng)計結(jié)果顯示,除了偏離點外，TYPE值基本不能用于識別異常數(shù)據(jù)，即使是精度較好的TYPE11的空中位置數(shù)據(jù)也可能出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。30架飛機(jī)中只有1架飛機(jī)同時出現(xiàn)了這5種異常數(shù)據(jù)，AA身份為7813E5，觀察發(fā)現(xiàn)該飛機(jī)所有的空中位置數(shù)據(jù)的TYPE值都是18，推斷其自身的定位設(shè)備存在故障。不考慮7813E5這種存在故障的飛機(jī)，其余29架飛機(jī)的空中位置數(shù)據(jù)大部分是TYPE11或TYPE12，少量飛機(jī)有高TYPE值數(shù)據(jù)，對這29架飛機(jī)的5種異常數(shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)數(shù)量和數(shù)據(jù)量的單項統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖5 異常數(shù)據(jù)單項統(tǒng)計Fig.5 Individual statistics of abnormal data

圖5中折返點的數(shù)據(jù)量占比和出現(xiàn)的飛機(jī)數(shù)量都是最高的，抖動點和橫跳點的數(shù)據(jù)量占比不大，但出現(xiàn)的飛機(jī)數(shù)量接近一半，重復(fù)點的數(shù)據(jù)量占比僅次于折返點，但出現(xiàn)的飛機(jī)數(shù)量較少，而偏離點無論是數(shù)據(jù)量還是飛機(jī)數(shù)量都是最小的。所有異常數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的1.59%，也就是說每100條空中位置數(shù)據(jù)中就有1.59條異常數(shù)據(jù)，雖然占比很小，但還要看這些異常數(shù)據(jù)的分布情況，如果過于集中依然會對航空安全運行產(chǎn)生一定影響。表2是單位時間內(nèi)異常數(shù)據(jù)占比超過25%的情況統(tǒng)計。

表2 異常數(shù)據(jù)連續(xù)性統(tǒng)計Table 2 Continuity statistics of abnormal data

注：N/A表示不適用。

由表2可知，排除7813E5的特殊情況，這7 d的數(shù)據(jù)中只有1架飛機(jī)的異常數(shù)據(jù)持續(xù)時間超過1 min，AA身份為780525，異常數(shù)據(jù)占比達(dá)到了40%，大于10 s小于1 min的有5架，其余23架飛機(jī)異常數(shù)據(jù)持續(xù)時間都小于10 s。

4 結(jié)論

本文將ADS-B空中位置數(shù)據(jù)分為正常數(shù)據(jù)、斷點數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，對實際接收的連續(xù)7 d的ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行了異常數(shù)據(jù)檢測、識別和統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

1) 各種異?？罩形恢脭?shù)據(jù)相對整體數(shù)據(jù)量來說占比較小，約為1.59%；

2) 折返點數(shù)據(jù)是最常見的異常數(shù)據(jù)，幾乎所有飛機(jī)都存在這類數(shù)據(jù)；

3) 重復(fù)點數(shù)據(jù)并不常見，但個別飛機(jī)會出現(xiàn)大量該類數(shù)據(jù)；

4) 約半數(shù)飛機(jī)會出現(xiàn)橫跳點或抖動點數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)量并不大；

5) 偏離點數(shù)據(jù)最罕見，通常只有TYPE18的數(shù)據(jù)中會存在該類數(shù)據(jù)；

6) 如果飛機(jī)全部空中位置數(shù)據(jù)的TYPE值都是18，則無法用于正常的空管監(jiān)視；

7) 單位時間內(nèi)占比超過25%的異常數(shù)據(jù)很少且持續(xù)時間很短，但仍會有極少數(shù)超過1 min的情況。

下一步研究工作將針對異常數(shù)據(jù)的時空統(tǒng)計規(guī)律和分布特點，分析其產(chǎn)生的原因以及對空管監(jiān)視和航空安全的影響程度。