基于ADS-B样机接收的天津空域航空数据流量分析及未来流量预测.pdf
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1、2023 年 25 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application基于 ADS-B 样机接收的天津空域航空数据流量分析及未来流量预测曲腾,张祺,徐梓乔,何跃翔,李恒,郭荣泉,鞠宁*(中国民航大学,天津 300000)天津滨海国际机场,位于中国北方的天津市,是一座现代化的国际航空枢纽,承担着重要的航空运输任务。随着市场需求的增加,滨海国际机场所处的空域数据和流量统计变得越来越重要,以确保空中交通的流畅性和安全性。因此,通过 ADS-B 技术对滨海国际机场的空域数据和流量统计进行分析和研究,具有十分重要的意义。1背景介绍1.1空域数据统计通过 A
2、DS-B 接收机收集和分析滨海国际机场的空域数据,可以得出每小时/每天空域内不同高度层次的航空器数量,以及不同高度层次的航空器飞行速度和高度等统计数据。这些数据可供空中交通管理局进行飞行管制,并对流量进行控制。1.2空域数据统计基于 ADS-B 技术获取的航空器位置、速度、高度信息可以用于统计滨海国际机场每小时/每天的流量,包括起降航班数量、飞行方式、航班目的地城市及机型等。这些数据可用于优化机场航班起降时间和流量,从而提高机场的航空交通效率。1.3数据分析通过对收集到的 ADS-B 数据进行分析,可以了解机场情况并制定相应的策略。例如,分析机场拥堵及航班延误情况,基于统计数据优化航班起降时间
3、,调整航空器航线,以提高机场效率和降低运营成本。2ADS-B的样机组成和工作原理ADS-B 是广播式自助相关监视技术的简称,是一套基于飞机的监视技术,主要用于实现对空探测。飞机安装 ADS-B 系统后可以实现与飞机之间的信息共享,同时也可以向地面传递这些数据,包括经纬度、速度、航行方向和高度爬升率等信息。地面站可通过这些信息的统计与解析来实现对空中交通动态流量的预测分析。ADS-B 样机主要是由接收机模块、处理模块组成,接收机模块应用 ADS-B IN 系统来实现接收和处*通信作者:鞠宁(1988-),女,硕士,讲师。研究方向为创新创业教育。摘要:随着航空业的快速发展,机场空域数据和流量统计变
4、得越来越重要。ADS-B 系统(广播式自动相关监视系统)是当前最常用的空中交通管理系统之一,其可以在交通机载发出数据后,通过接收机将数据传递到地面控制中心。该文将从 ADS-B 样机组成及基本原理、源码接收及其解码解析处理、航空轨迹数据分析、流量统计分析和简单预测 5 方面展开介绍基于 ADS-B 接收机的滨海国际机场空域数据流量统计及预测未来流量。关键词:ADS-B 报文;流量检测;航空;空域数据;源码解析中图分类号院V355.1文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0078-06Abstract:With the rapid development of the av
5、iation industry,the airport airspace data and traffic statistics are becomingmore and more important.ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)technology is one of the most commonly usedair traffic management systems,which can transmit the data to the ground control center after sending the d
6、ata on the trafficonboard.This paper will introduce the flow statistics and prediction of future traffic flow based on ADS-B receiver from fiveaspects of ADS-B prototype,source code receiving and decoding analysis processing,aviation trajectory data analysis,flowstatistical analysis and simple predi
7、ction.Keywords:ADS-B message;traffic detection;aviation;airspace data;source code analysisDOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.01978-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期理飞机信息。ADS-B 系统其实是实现地面接收,卫星和飞机链接的一个涉及三空间层次的综合系统。在ADS-B 系统中的一条完整信息的时间长度为 120 滋s,前导脉冲占 8 滋s,数据位信息占 112 滋s,数据脉冲在前
8、导脉冲后会生成 112 bit 的报文。这个报文在 ADS-B接收系统软件处理模块的报文检测模块进行解析处理,再由数据位处理模块接收信号进行解码,从而获得信号中所包含的信息。ADS-B IN 系统的作用是接受并处理由 ADS-B OUT 机载发射器所广播的各架飞机的实时信息,实现地面对空的实时监控。通过飞机向地传递的飞机实时 ADS-B 报文信息供地面站统计和处理,就可以实现实时监控和预测空域的流量。ADS-B的样机组成和工作原理如图 1 所示。图 1ADS-B 的样机组成和工作原理通过对这些信息的统计和处理,地面站再进一步建立飞机航行数据库的管理系统作为原始数据调用来源,再对原始数据进行统计
9、分析,实现对空域流量的实时监控,以辅助飞行员能更加及时清楚地了解周围空域的交通情况,提高飞行效率,降低飞行风险。首先我们通过 ADS-B 样机接收采集的数据,用航班号进行分组统计整理来生成航班的行迹路线来预测飞机的过点时间,再导入数据库进行特征性分析,得到航路点、航路段和空域的飞机预测修订,根据周期性时间段进行统计任务,获取实时最新的流量信息,并实时反馈给管理员,也能及时调整系统预测更加准确的空域流量。通过接收飞机飞行计划和实时对飞机飞行状态的检测,就可以预测空域的飞行流量,以便修正飞机的飞行速度和过点时间等,能让飞行员和地面管理人员提前做出反应和规划航路,以保证该空域的飞行安全,大大降低了飞
10、机失事的风险。3源码解析生成具体报文信息设备:RTL 电视棒,天线,SDR 内存卡。原理:本次项目使用的 ADS-B 系统的数据几乎都是使用的 1090ES 地空数据链,其中应用层使用的是DF-17 数据编码,下面将简要概述报文中对飞机经纬度的解码原理。空中的位置信息包括了编码后的经纬度和高度信息,其类型字段值为 9 到 18。表 1 中列出 ME 字段结构。空中位置信息 ME 字段结构见表 1。表 1空中位置信息 ME 字段结构ME 字段 比特位置 15 67 8 920 21 22 2339 4056 名称 类型(TC)子类型(ST)是否单天线 高度(ALT)时间 T CPR 编码格式(F
11、)纬度编码(LAT-CPR)经度编码(LON-CPR)CPR 编码作为设计的位置编码方式,目的是提高ADS-B 消息传输效率,由于飞机在正常飞行情况下,表示经纬度的编码在一段时间内不会发生较大的变化,如此将造成消息传输的效率低。如果采用 CPR 编码的方法,通过对地球进行区域的划分,然后只对划分后的区域进行 2 种不同方式的编码,避免了高阶位的重复发送,在接收端通过比较不同类型的编码消息,得出位置信息,如此一来就提高了传输效率。CPR 的编码方式是根据经纬度进行两极划分,首先会把全球的纬度划分为奇、偶 2 种区段;其次把全球经度也划分为奇、偶 2 种区段;最后把划分完成的纬度奇、偶区段和经度奇
12、、偶区段进行一个二次划分,划分为更小的箱块,无论是经度区还是纬度区,一个区段内,箱块的个数固定。CPR 采用划分后目标所在的箱块中心值来表示实际经纬度位置,箱块的编号就是 CPR 的编码。高度就决定了编码的精度。CPR 最终的编码结果是用经度与纬度的奇偶编码箱块编号表示。解码流程:淤打开已经下载好的文件夹,插入电视棒,安装驱动程序。于找到并打开 zadig.exe;找到解码软件,打开 rtl1090 文件夹下的 rtl1090,新建一个快捷方式。打开解码软件,开始 start,开始接收数据。接收时需留在 table 选项卡。盂打开 virtualradar(安装地图显示软件);然后安装 Dat
13、abaseWriterPluginSetup(显示飞机的插件),路径要和 VirtualRadarSetup 一样;打开database(安装地图显示扩展),接收信号的源码界面如图 2 所示。榆开始运行软件。单机点开 Tools,寻找79-2023 年 25 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationPlugins 并单击,启用唯一的一个扩展,初步完成(Tools-Plugins-Options-Create Database-OK)。打开链接(界面默认语言是英语,单位是英尺,我们可以将其改为熟悉的语言和计量单位,比如说中文、米、公里和公
14、里/小时等,还有一些其他选项可以自行设定),地图缩放或者移动到你所在的地区,如果有飞机,地图上就能显示。点中飞机变黄的可以显示飞行的轨迹和信息。4数据处理4.1ADS-B 采集航空数据原理ADS-B 数据一般都是由航空器所携带的 ADS-B信号输出设备发出即时飞行数据从而被地面 ADS-B接收器获取,并集中发送到服务器后台运算后,处理成ASTERIX CAT021 格式的数据。本实验采集的数据是2023 年 2 月 4 日由 ADS-B 样机在以天津滨海国际机场为中心,以 100 km 为半径范围所收集到的数据,图3(仅部分数据)为采集到的航班号、数据采集时间、高度、航向角、速度及经纬度等信息
15、。图 2接收信号的源码界面4.2SPSS 数据对比分析独立样本 t 检验是针对 2 组不相关样本(各样本量可以相等也可以不相等),检验其在某数值型指标上,均值之间的差异。该检验方法需要满足 2 个前提,即 2 组样本服从正态分布,且样本之间不相关,互不干扰。下面为利用统计学中的四步法进行独立样本 t检验,对收集到的数据进行分析的步骤。步骤一:提出原假设和备择假设。H0:样本均值(X軍)和总体均值(滋)相等。H1:样本均值(X軍)和总体均值(滋)不相等。步骤二:构造 t 统计量。当 2 组样本的方差相等时图 3部分设备采集到的数据80-研究视界科技创新与应用Technology Innovati
16、on and Application2023 年 25 期式中:n1为样本组 1 的样本量,n2为样本组 2 的样本量,S21,2由 2 组样本的方差构成,计算公式为在原假设满足的情况下,t 统计量服从自由度为n1+n2-2 的 t 分布。当 2 组样本的方差不相等时式中:df 为方差不相等时,t 统计量的自由度的计算公式如下步骤三:计算 t 统计量。利用设备接收到的测量数据及官网收集到的实际数据,可得到测试数据与官网数据的组统计量,SPSS计算结果见表 2。表 2组统计量根据步骤二中的计算公式,便可以轻松地得到 t统计量的值与 Sig值,见表 3。需要注意的是,在计算 t统计量之前,应该检验
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