ADS-B性能分析及异常分解

Posted 2022-12-01 及时行樂_

paper：Performance Analysis Of Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) And Breakdown Of Anomalies

一、摘要

本文分析了从格兰德福克斯国际机场接收的自动相关监控广播（ADS-B）数据的性能，检测数据中的异常情况，并量化相关的潜在风险。这项工作还评估了无人机系统（UAS）探测和规避（DAA）中与严重性相关的异常数据。收到的数据是原始数据，并以GDL-90格式存档（我这儿得到的是CAT021协议数据，目前使用C++进行解析）。开发了一个python模块，以将原始数据解析为可读取的数据。csv文件。异常检测算法基于联邦航空管理局（FAA）的ADS-B性能评估报告。对两种主要的异常进行了广泛的研究，即辍学和海拔偏差。当更新速率超过三秒时，将考虑退出。辍学的持续时间不同，风险水平也不同，这取决于ADS-B作为监控系统不可用的时间长短。高度偏差是指气压高度和几何高度之间的偏差（这一个量在后面的研究中可以留意）。观测到的偏差范围为25英尺至600英尺。到目前为止，气压高度已用于分离和监视，而几何高度可用于气压高度不可用的情况。由于尺寸和重量的限制，许多UAS可能没有同时安装两个传感器。如果本船无人机和入侵者载人飞机使用两个不同的高度源作为分离标准，则可能会有误解垂直分离的机会，特别是在国家空域（NAS）飞行时。采用基于回归的方法研究了两个不同高度之间的特征和一致性。根据DAA的严重程度，建立了多个风险矩阵。ADS-B被称为美国联邦航空局下一代航空运输系统NextGen的骨干。NextGen是实施先进技术和能力的一系列相互关联的计划、系统和政策。ADS-B利用基于卫星的全球定位系统（GPS）技术，为飞行员和空中交通管制（ATC）提供更多信息，使飞机能够在日益拥挤的空域进行有效导航。美国联邦航空局要求所有飞机，包括有人和无人驾驶飞机，在2020年前配备ADS-B，以便在大多数受控制的空域内飞行。作为NextGen的基本组成部分，了解ADS-B系统的行为和潜在风险至关重要。

二、异常类型

（一）丢失

任何监控系统的首要性能指标是信息的连续传输和接收。每个监视传感器都有一个基于能力和要求的定义更新率或扫描率。ADS-B旨在每秒更新一次，以提供更好的交通场景，增强态势感知，并解决地面监控传感器的局限性。Dropout（应该也可以理解为丢包）是指在一秒钟内停止更新。虽然预期和设计ADS-B将以1Hz的速率更新信息，但初步检查表明，更新速率通常比1秒长得多。

（二）缺失有效载荷（收到的数据帧不完整）

缺失有效载荷是指两种不同的异常情况。在某些情况下，整个基本消息和长消息丢失，在某些情况下，部分消息字段不存在于有效负载中。第一项任务是验证接收和分析的报告总数。根据该算法，即使数据流有一个基本/长报告，如果它不是完整长度的，或者如果计算的帧检查序列（FCS）与报告中的FCS不匹配，它也不会被视为有效报告[34]。此验证丢弃了不真实的消息。平均而言，87%的收到的信息是完整和真实的。收到的包含重要导航信息的报告中，约有13%是无用的。即使成功解析的消息也会丢失一些有效负载信息。大多数情况下，这是长35报告中的位置导航精度值（NACp）和辅助高度（基本上是几何高度）值。

（三）数据跳转

数据跳转是指任何数据点都显著偏离其上一个和下一个样本的情况。这种异常主要发生在经纬度数据中。这也指的是来自常规数据集的分散数据。用图形表示时，它看起来像一个跳转。因此，跳变是指一个数据点显著偏离其上一个和下一个样本的事件。由于数据跳变仅发生在纬度和经度数据上，最可能的原因是数据编码问题。从GPS端或ADS-B消息生成端。FAA还报告了ADS-B在其早期实施经验中的位置跳跃，并证明原因是位置编码问题[4]。UND航空航天公司的专家也将这一事实解释为转发器问题。

（四）高度差

从长报告中可以看出，有两种不同的高度，一种来自压力传感器，另一种来自GPS/WAAS。气压高度长期以来被航空工业用来测量高度和间隔。从长报告的分析中观察到气压高度和几何高度之间的偏差。

虽然这与ADS-B系统本身并不完全是一种异常，但在使用ADS-B信息中的几何高度进行分离时，这种偏差可能会降低安全性。根据惯例，压力高度用于分离[23]，当气压高度不可用时，将使用几何高度。

（五）低置信度数据

预计ADS-B位置报告的NIC值将大于8，NACp值将大于7。但是，ADS-B系统报告的位置在某些情况下低于预期值。当NIC>8或NACp>7时，该数据称为精度条件数据。

数据过滤流程：

数据以两种不同的格式保存，一种用于高度差异分析，另一种用于其余三种分析。

三、异常分析

在所有检测到的异常中，丢失和高度差异更为频繁。考虑到它们的多样性和危险性，对丢失和高度差进行了深入分析。

（一）丢失

指ADS-B信息未以1Hz频率持续更新的事件。ADSB连续性是指系统在没有计划外中断的情况下执行其所需功能的概率，假设程序启动时系统可用。

来自飞行数据的四条基本信息被认为是下降背后的潜在因素，即机载因素。这些是：

• 飞行高度层（高度）
• 与地面接收器的距离（范围）
• 航向
• 位置（纬度、经度）

由于数据分布不符合正态性，采用非参数假设检验“Friedman检验”来检验丢失因素的显著性。当测量的因变量为有序变量，或连续数据偏离正态性，且自变量为分类变量时，弗里德曼检验用于测试两组或更多组之间的差异。

结论：

• 海拔高度在丢失频率中起着关键作用。海拔越低，地面接收器发生脱落的可能性越大。
• 鉴于接收到的数据在接收器的有效范围内，范围对丢失频率没有任何显著影响。
• 飞机航向不是丢失的重要因素。
• 如果导致视线通信丢失，则某些位置可能会影响丢失的发生。

（二）高度差

在航空中，高度是导航和垂直间隔最关键的信息之一。气压高度（Barometric/pressure altitude），长期以来一直被航空工业用于测量高度和分离标准。

过渡高度是指飞机的垂直位置通过参考高度控制的高度。调谐被称为高度计设置，分为三种不同的设置

• i）设置在本地QNH（查询：航海高度）
• ii）设置在标准QNE（查询：航海当量）
• iii）设置在QFE（查询：野外高程）

几何高度由全球卫星导航系统（GNSS）引入现代航空。几何高度由全球导航卫星系统传感器得出，表示飞机与参考椭球体WGS-84的垂直距离。WGS-84是地球周围平均海平面的一个很好的近似值，但是，它显示了一些关于大地水准面的误差。

气压高度表的高度数据的可用性更好，因为高度表只测量大气压力，不需要电源或卫星来工作。

猜想的两个决定因素：

• 飞行阶段
• 飞行水平

环境的突然变化可能会降低气压高度表的性能；海拔较高气压读数可能不准。

偏差由于外部环境而发生；更具体地说是由于气压高度表对温度和压力的依赖性。