基于巨量ADS‑B监视数据的分级处理系统及处理方法与流程

本发明涉及卫星定位导航应用领域。

背景技术：

广播式自动相关监视(ADS-B)是一种基于GPS全球卫星定位系统和空-空、地-空数据链通信的航空器运行监视技术。与航管一二次雷达不同，ADS-B监视技术具有更低的部署成本、更高的信息更新频率、更多更准确的飞机态势报告、更强的可扩展性等特点。

根据中国民用航空局制定的《中国民用航空ADS-B实施规划》，该规划明确了ADS-B实施的指导思想、基本原则、总体目标、阶段规划与技术方案，提出了推进ADS-B建设与运行维护的政策措施，该规划为全国ADS-B的建设与应用提供了指南，同时也推动了ADS-B技术在中国的全面应用，促进民航持续安全与科学发展。

按照《民用航空ADS-B数据处理中心系统配置要求》和《民用航空ADS-B数据处理中心系统运行最低功能与性能要求》中的技术需求，以每个ADS-B地面站的一个数据通道最大输出航迹目标数量600个、单个目标本身的更新频率小于1秒为前提，地区级的单个ADS-B数据站系统要求最多可接收处理128个ADS-B地面站以双通道发送过来的原始ADS-B数据，系统处理目标数最多可达1024个；对于区域级的二级中心系统，要求最多可接收处理512个ADS-B地面站以双通道发送过来的原始ADS-B数据，系统处理目标数最多可达4096个。显然，上述要求对于后端ADS-B数据处理系统意味着巨大的数据处理压力。

目前对于ADS-B监视数据的处理，基本还是沿用雷达数据处理的思路，从目标的初始化、航迹的形成、到航迹的定时整理和丢弃等都是串行集中式的处理，一般的做法是首先由一个或若干个前置数据处理模块来接收多路雷达或ADS-B等监视数据，分别进行格式解析、时空归一化等处理后，汇总到多监视源融合处理模块进行航迹目标的生成和维护，最后向外输出处理后的航迹信息，如图1所示。这种倒置多叉树形的处理架构，主要是为了易于实现多监视源目标融合，保证融合后目标的唯一性和及时性。

上述的监视数据处理架构立足于集中式处理思路，最后进行多监视源融合处理的模块由于需要汇总所有参与融合的监视数据进行计算,在系统引接的监视源数量比较多、更新频率比较快的情况下(例如引接了多路ADS-B数据),将面临巨量的数据流接收和处理压力，很有可能无法满足系统用户对于容量和响应时间的要求，系统的可扩展性将受到限制和约束。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种分级处理系统及处理方法，在面临巨量的ADS-B监视数据时，能保证数据处理始终实时稳定可靠，系统的可扩展性得以实现。

为达到上述目的，本发明基于巨量ADS-B监视数据的分级处理系统可采用如下技术方案：

一种基于巨量ADS-B监视数据的分级处理系统，包括：

多个前置数据处理模块，用以接收ADS-B监视数据，并对ADS-B监视数据分别进行格式解析、时空归一化处理；

多个初级融合处理模块，每个初级融合模块接收处理不同的若干多个前置数据处理模块中的ADS-B监视数据；每个初级融合处理模块将自己负责处理的多路ADS-B数据进行融合后生成一路初级合成航迹向后发送；

至少一个次级融合处理模块，所述多路初级合成航迹汇总到次级融合处理模块，进行再次融合，最后生成总的系统融合航迹信息。

而优选的，该分级处理系统中，还具有第三级融合处理模块，所述次级融合处理模块具有多个，并将每个次级融合处理模块生成的系统融合航迹信息汇总到第三级融合处理模块进行再次融合。

本发明提供的分级处理方法法可采用如下技术方案：

一种基于巨量ADS-B监视数据的分级处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、通过多个前置数据处理模块接收ADS-B监视数据，并对ADS-B监视数据分别进行格式解析、时空归一化处理；

(2)、通过多个初级融合模块接收处理不同的若干多个前置数据处理模块中的ADS-B监视数据；每个初级融合处理模块将自己负责处理的多路ADS-B数据进行融合后生成一路初级合成航迹向后发送；

(3)、将多路初级合成航迹汇总到次级融合处理模块，进行再次融合，最后生成总的系统融合航迹信息。

而优选的，还可以增加的步骤为：将每个次级融合处理模块生成的系统融合航迹信息汇总到第三级融合处理模块进行再次融合。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明基于分布式数据处理思路，利用ADS-B数据更新频率比传统雷达数据更快而能容忍多次融合的特性，对原先的集中式数据处理架构进行拆分改造，形成分布式分级融合处理架构，容易实现而又可塑性强。面对巨量的ADS-B数据时，只需使用廉价设备简单堆叠，即可形成具备高可用性和高扩展性的计算集群，无论何种规模的ADS-B数据都能够得到稳定高效的处理。

附图说明

图1是现有技术中串行集中式数据处理架构系统示意图。

图2是本发明中分级处理系统的示意图。

具体实施方式

本发明中包含的技术术语有：

ADS-B：(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)广播式自动相关监视

GPS：(Global Positioning System)全球定位系统

PF：(Primary Fusion Module)初级融合处理模块

SF：(Secondary Fusion Module)次级融合处理模块

航迹：(track)已跟踪的目标。

本发明技术方案原理框图如图2所示，本发明中提供的基于巨量ADS-B监视数据的分级处理系统，与集中式处理架构最大的区别在于后端的多路数据融合处理是由多个互相独立的进程模块合作完成，而不再是由唯一的一个处理模块集中所有数据后独力完成。

考虑部署若干个初级融合处理模块(以PF1、PF2、…PFn表示),每个初级融合模块接收处理不同的若干路ADS-B监视数据，例如PF1接收处理ADSB1到ADSB20共20路数据，而PF2则接收处理ADSB21到ADSB30共10路数据，等等以此类推。每个PF将自己负责处理的多路ADS-B数据进行融合后生成一路初级合成航迹向后发送，所有的多路初级合成航迹汇总到后端的一个次级融合处理模块(SF)进行再次融合，最后生成总的系统融合航迹信息，如图2所示。另外，如果PF的数量很多，SF的处理能力也将达到瓶颈时，也可采用类似并联PF的方式来并联多个SF进行分担，最后由一个第三级融合处理模块来汇总融合。也即此种结构具有低耦合性和高扩展性，可通过简单地横向增加并列处理模块或纵向增加处理层级，迅速扩充系统的数据处理能力。

这种数据处理架构实质是将巨量的ADS-B数据接收处理压力分摊到多个处理模块上，将原先的单一模块集中一次性处理改为多个进程模块多层级分次处理。位于最后端的SF融合处理模块不需要再直接面对巨量的原始数据，而只需要把有限的若干路初级合成航迹进行再次融合即可，只要PF生成初级合成航迹时注意对各路ADS-B数据进行有效汇总，SF最终融合时不会缺失任何有用信息。

对于更新周期在4秒以上的普通航管雷达数据，多次融合的处理架构可能会带来可观的处理延迟，但是对于更新周期在1秒以内的ADS-B数据，3次以内融合处理带来的处理延迟完全可以接受。对实际应用本方法的“莱斯公司ADS-B数据处理中心系统”进行压力测试后发现，仅采用两级融合架构，部署16个PF模块和1个SF模块，即可较好地处理512路双通道ADS-B数据；在进行两级融合的前提下，最多可增加PF模块到32个左右，即系统容量可增加到1024路双通道ADS-B数据；更大的容量要求则需要进行三级融合。

本发明优点：

对于常规的集中式数据处理思路，提高系统容量的方法在于提高最终融合处理模块的计算能力，一般考虑改进融合算法或使用更高端的硬件设备这两个方向，前者具有现实的技术上的困难，后者又受限于成本和效率问题，因此往往代价高昂而性能提升有限，投入产出比通常较低。

本发明基于分布式数据处理思路，利用ADS-B数据更新频率比传统雷达数据更快而能容忍多次融合的特性，对原先的集中式数据处理架构进行拆分改造，形成分布式分级融合处理架构，容易实现而又可塑性强。面对巨量的ADS-B数据时，只需使用廉价设备简单堆叠，即可形成具备高可用性和高扩展性的计算集群，无论何种规模的ADS-B数据都能够得到稳定高效的处理。