民航云南空管分局 云南 昆明 650211
摘 要
本文对ADS-B的精度重点展开分析，通过对ADS-B的作用距离和传播距离的计算，得出ADS-B的作用距离和传播距离与二次雷达（SSR）的作用距离和传播距离是相似的；分析ADS-B的监视精度和完整性对空管间隔的影响，并对延迟时间进行了计算，最后根据碰撞模型实例分析，得出结论ADS-B的精度满足国际民航组织对其监视精度的要求。
关键词：广播式自动相关监视；导航精度等级；导航完整等级；监视完整等级；精度分析；碰撞模型
一 ADS-B的准确性和完整性
ADS-B的监视精度由导航系统的定位精度信号的延迟时间确定。ADS-B的位置和速度信息是由机载导航系统提供的，所以ADS-B的准确性和完整性是根据机载导航系统来确定。通常的导航系统采用全球定位系统（GPS），但是GPS定位误差是不同的。比如GPS水平误差是：
(1.1)
其中DOP是精度衰减因子，反映了由于观测卫星与接收机空间几何布局的影响造成的伪距误差与用户定位授时误差间的比例系数，是评估用户定位授时精度的重要参数。它是用来描述基于卫星几何位置的品质因数。DOP根据卫星不同的几何位置其值也是不一样的，HDOP是水平精度衰减因子。通过公式（4.1），当水平精度衰减因子（HDOP）是稳定的，GPS的水平误差将可能更加精确，但是水平精度衰减因子（HDOP）是不稳定的，因此GPS的水平误差的精度将会有不同的值。所以我们如何知道ADS-B信息的精确性和完整性？我们可以根据ADS-B记录的信息可知ADS-B的精确性和完整性，其中ADS-B记录的信息包括：导航完整性等级（NIC）、监视完整性等级（SIL）、导航精度等级（NAC）和延迟时间，这些参数都可以表示ADS-B的精确性和完整性的。
1.1 导航完整性等级（NIC）
导航完整性等级（NIC）是监视设备根据报告的几何位置来判定报告的数据对于所需用途在完整性容量区域是否有一个可接收的水平。导航完整性等级（NIC）参数指定一个完整性容量半径。监视完整性等级（SIL）参数说明了在假设航空电子设备正常情况下虽然这个报告的水平位置可能超过了这个定义的容量半径，但NIC没有触发告警。
对于导航完整性（NIC）而言，其意思是对于不同的完整等级规定一个容量半径Rc。例如导航完整等级为四，那么就要求其容量半径小于3.704KM（2NM）当设备报告的位置和真实位置的距离在这个半径内则说明该设备具有该等级的完整性；对于水平位置的导航精度，也是根据不同的要求划分了等级，例如等级为四的导航精度要求不确定的位置距以报告的位置为圆心的距离小于1582M,即只要真实的位置在这个圆圈内则说明该设备的导航位置精度满足该标准规定的精度要求；监视完整性是根据每小时事故率为标准划分监视等级的，例如监视等级为三，则要求在一个小时内的事故率1×10-7，只要满足这个要求这监视设备就满足这个规定的等级。
1.2导航精度等级（NAC）
导航精度等级（NAC）包括位置精度等级（NACp）和速度精度（NACv）等级。位置精度等级就是监视应用程序根据设备报告的位置判定报告的几何位置对于所需用途是否在一个可以接收的精度水平范围内。
导航精度等级，它是用来描述ADS-B设备发射的位置信息精度。不确定的预计位置（EPU）是一个在水平位置上有接近95%的精确度。以报告的位置为圆心，以不确定的预计位置距圆心的距离为半径。这真实的位置可能在这个圆圈外面0.05。
1.3 监视完整性等级（SIL）
监视完整性等级定义的是假定航空电子设备正常，设备报告的水平位置可能超过导航完整性等级规定的容量半径，但没有触发告警情况下所确定的。虽然SIL假定了航空电子系统正常，但是还要考虑如果一个空间信号被位置源利用时这个错误空间信号的影响。
1.4 ADS-B的时间延迟
航空器的位置和速度是通过机载导航系统测量的，然后经过数据的传输和处理，ADS-B的机载设备发射这些信息到地面ADS-B接收机，最后ADS-B发送一个航空器的垂直位置和速度的报告到一个应用程序，因此与这些数据刚测量时的时间相比将存在一个时间的滞后。这个时间的差异就是时间延时，即是测量数据的时间和被ADS-B设备输入报告的时间存在的时间差。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆设ADS-B的输出报告时间为T1，测量数据时的时间为T2，则其公式表示为：
T延时= T1—T2 （1.2）
延迟时间包括很多方面，GPS接收机对信号的接收处理，信号在机载设备的传输，ADS-B的信息生成，无线电传播延迟和ADS-B报告接收处理等。
就状态向量的延时要求而言是有规定的，在航空系统最低性能标准（MASPS）关于ADS-B延时要求中写道：假如NACp＞8时，在这种情况下满足95%的可信度时，ＡDS-B延时应该少于0.4s。假如NACp＜8时，在这种情况下满足95%的可信度时，ＡDS-B延时应该小于1.2s。
监视精度是由ADS-B的延迟时间和NACP的准确边界；对于NACP的准确边界如表4-2所示的，如果位置导航精度的等级为7，那么其准确边界值就为0.1NM；如果有广域增强系统（WAAS）和区域增强系统（LAAS）等导航设备时监视精度将更高。
二 ADS-B的精确性和完整性对ATC间隔水平的影响
我们知道ADS-B信息包括NIC,NAC,SIL和延迟时间。这些代表着ADS-B位置和速度的精度和完整性，但是它们如何影响交通管制的最小管制间隔的呢？
这个系统的安全取决于空间大量的特性。当影响系统安全的相关特性被识别和量化时，我们就能判定该系统在安全上是否可以接收。国际民航组织（ICAO）出台的9689-AN/953文件中确定了两个可替换的评估方法：一种方法是被评估的系统与曾经被认为安全的基准系统进行比较；第二种是设定一个边界值进行系统风险评估，这是一个绝对的方法。
我们根据相对风险评定方法着手做一个风险评估，用于评估的最低监视要求支持ADS-B可用于3NM和5NM间隔。
首先，对于正态分布。正态分布为X～N(U,σ2),函数为：
（2.4）
如果它是标准的正态分布X～N(0,1)，这个函数表示为
（2.5）
（2.6）
不同的σ对应不同的区域，例如[-3σ,3σ],这区域占整个区域的99.730020%。
这个标准正态累计分布函数是：
（2.7）
（2.8）
我们知道最低间隔是由碰撞风险决定的，为了评估这个碰撞风险，我们应该与系统所能承受的最大碰撞风险相比较。最大的容忍风险通常是依据安全目标水平（TLS）描述的。我们根据TLS综合值范围是在1×10-8 和1×10-9 每小时死亡事故之间和该系统的横向和纵向尺寸的风险评估是5×10-9每小时死亡事故的TLS去判定5NM和3NM的这个纵向最小间隔。
对于两个航空器相撞的概率正态分布图。我们需要算出最大的标准误差，根据ICAO规定，当TLS在Pr=5×10-9时 ，飞机的位置误差≈6σ。则两飞机之间的位置误差是12σ，所以，根据航路区域5NM和终端区域3NM的间隔标准，可以计算最大标准偏差σmax：
Minima=5NM ，σmax=
Minima=3NM ，σmax=
从NAC和NIC表中可知，当NACp=7，EPU<185.2M；当NACp=6，EPU<556.6M，所以对于3NM的间隔ADS-B精确度的最低要求是NACp=7，对于5NM的间隔NACp=6。对于监视完整等级，在没有触发告警时SIL=2的风险水平，对于3NM和5NM独自间隔需要NIC=6和NIC=4的误差边界。因此，ADS-B与二次雷达比较，二次雷达对于3NM间隔有一个304m的精确度要求，对于5NM间隔精度要求为911M，根据二次雷达和ADS-B的精度对照表。对于3NM和5NM间隔ADS-B的NACp超过了精度要求并有118M和355M的余度。这些余度可以用于补偿由于任何延时引起的额外误差。
4.3 结 论
基于ADS-B的以上众多优点，本文重点对ADS-B的精度做出具体分析，首先是对ADS-B的作用距离和传播距离的分析计算，得到ADS-B的作用距离和传播距离与二次雷达作用距离相似，在此基础上分析了ADS-B的导航精度（NAC）、导航完整性（NIC）、监视的完整性（SIL）以及ADS-B的延时并对延时做出预算然后根据公式可计算出ADS-B在对于不同速度不同导航等级对应的监视精度；最后借用碰撞模型以3NM，5NM的间隔标准实例对ADS-B的精度做出评估得到：ADS-B的精度满足国际民航组织对3NM，5NM监视设备的精度要求，并且在监视精度上比二次雷达的余度更大，安全性更高。
随着民航的发展，未来空域变得更加复杂同时对ADS-B的精度要求也会增加。根据本文中叙述影响ADS-B精度因素可知我们可以增加导航设备（GPS）的精度，ADS-B延迟时间的补偿等方面去提高ADS-B的精度。
论文作者:高峰
论文发表刊物:《科技中国》2016年9期
论文发表时间:2016/12/8
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