基于S模式ADS-B數(shù)據(jù)解碼算法研究

民航內(nèi)蒙古空管分局 白志剛

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基于S模式ADS-B數(shù)據(jù)解碼算法研究

民航內(nèi)蒙古空管分局 白志剛

【摘要】廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）作為空管系統(tǒng)對(duì)空監(jiān)視的一種重要手段，相比傳統(tǒng)二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)具有成本低、精度高和數(shù)據(jù)更新速度快等優(yōu)點(diǎn)。1090兆赫擴(kuò)展電文廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)作為國(guó)際民航組織推薦的唯一標(biāo)準(zhǔn)，是未來(lái)ADS-B系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。以實(shí)際監(jiān)視數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)的解碼算法進(jìn)行研究，從底層加深對(duì)ADS-B系統(tǒng)的理解與認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】S模式；ADS-B；數(shù)據(jù)解碼；CPR算法

0 引言

近年來(lái)中國(guó)民航業(yè)呈井噴式發(fā)展，對(duì)空中交通管制系統(tǒng)的保障能力提出了極高的要求。作為管制員的“千里眼”，對(duì)空監(jiān)視系統(tǒng)早已成為空管運(yùn)行中不可缺少的工具。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）和二次雷達(dá)系統(tǒng)均是實(shí)現(xiàn)對(duì)空監(jiān)視的重要手段，且ADS-B系統(tǒng)以其成本低、精度高以及監(jiān)視數(shù)據(jù)更新速度快等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為監(jiān)視新技術(shù)運(yùn)用的核心。ADS-B對(duì)提升空域容量、優(yōu)化航路設(shè)置和縮小航空器間隔有重要作用，且在傳統(tǒng)雷達(dá)無(wú)法覆蓋區(qū)域，比如沙漠、海洋等區(qū)域，可提供可靠的飛行器監(jiān)視服務(wù)，有效增加監(jiān)視空域的覆蓋范圍。

1090兆赫擴(kuò)展電文（1090MHz ES）ADS-B系統(tǒng)是基于Mode S數(shù)據(jù)鏈的一種ADS-B 技術(shù)。作為國(guó)際民航組織唯一推薦的一種模式，該系統(tǒng)通過(guò)GNSS機(jī)載設(shè)備的支持，按固定速率自動(dòng)廣播飛行器當(dāng)前狀態(tài)信息、模式信息、目標(biāo)信息等，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、導(dǎo)航、敵我識(shí)別等功能。

本文研究了Mode S數(shù)據(jù)鏈ADS-B系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)譯碼的關(guān)鍵算法，對(duì)飛行器空中位置信息、空中速度等重要狀態(tài)信息的譯碼算法進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 簡(jiǎn)介

1.1 模式S數(shù)據(jù)鏈ADS-B系統(tǒng)

ADS-B系統(tǒng)有三種架構(gòu)，分別是基于VDL-4數(shù)據(jù)鏈、UAT數(shù)據(jù)鏈和Mode S數(shù)據(jù)鏈的ADS-B系統(tǒng)。Mode S數(shù)據(jù)鏈ADS-B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬高達(dá)1M Bits/s，是國(guó)際民航組織（ICAO）唯一推薦的標(biāo)準(zhǔn)，是ADS-B系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

1090 ES (1090 MHz Extended Squitter)是基于S模式應(yīng)答機(jī)的一種技術(shù)。它的下行頻率是1090MHz，數(shù)據(jù)傳輸采用脈沖位置編碼。1090 ES用發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線來(lái)傳送不同的消息，包括24比特碼、高度、呼號(hào)等。由于消息長(zhǎng)度的限制，每次傳送的消息只能包含有限的信息，所以需要通過(guò)多次傳輸消息才能獲得完整的飛行器信息。然而消息的更新率卻比傳統(tǒng)二次雷達(dá)系統(tǒng)高很多，比如重要的位置消息和速度消息每0.4~0.6秒就會(huì)更新一次，而次重要的標(biāo)識(shí)消息和類型消息每4.8~5.2秒更新一次，意向改變消息每1.6~1.8秒更新一次。接收機(jī)將飛行器送來(lái)的位置、速度、標(biāo)識(shí)等信息，按照一定格式編碼匯總，形成標(biāo)準(zhǔn)的ADS-B報(bào)告(包括狀態(tài)報(bào)告、模式報(bào)告和速度報(bào)告)，并以脈沖位置編碼的數(shù)據(jù)格式發(fā)送至ADS-B數(shù)據(jù)用戶。

表1 ADS-B消息結(jié)構(gòu)

表2 空中位置信息ME字段結(jié)構(gòu)

1.2 ADS-B消息結(jié)構(gòu)

一條ADS-B消息長(zhǎng)度為112個(gè)比特序列。表1為 ADS-B 消息的基本結(jié)構(gòu)。Bit 1~5為下行鏈路格式域（DF），DF=17格式表示S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射的ADS-B消息；Bit 6~8為CA域，表示S模式應(yīng)答機(jī)能力；Bit9~32總共24個(gè)比特為AA域，表示應(yīng)答機(jī)24比特ICAO地址；Bit 33~88總共56個(gè)比特為ADS-B消息域ME，承載飛行器報(bào)告的重要狀態(tài)信息。ME字段中，前 5個(gè)比特為消息類型字段，緊接著的3個(gè)比特為消息子類型，剩余48個(gè)比特為消息具體內(nèi)容。最后24比特為校驗(yàn)域 PI。

2 ADS-B消息解碼

2.1 空中位置信息解碼

空中位置信息包括編碼后的經(jīng)緯度和高度信息，其類型字段值為9到18。表2列出ME字段結(jié)構(gòu)。

由于飛行器運(yùn)動(dòng)軌跡是連續(xù)的，不可能出現(xiàn)大跨度的跳躍，加之ADS-B位置信息廣播速率高等因素，可得知位置信息中表示經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的高位比特必定變化緩慢。若每次都將完整位置信息廣播的話，幾乎不變化的高位比特會(huì)降低信息的傳輸效率，浪費(fèi)有限的帶寬資源。若將變化緩慢的高位比特在編碼時(shí)進(jìn)行忽略，可以提升傳輸效率，但也會(huì)造成相同的一組數(shù)據(jù)卻可以對(duì)應(yīng)全球多個(gè)位置，導(dǎo)致解碼時(shí)不能正確確定飛行器的位置。為了解決這一問(wèn)題，可以采用緊湊位置報(bào)告（CPR）算法來(lái)編碼飛行器經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)，CPR算法將經(jīng)緯度信息編碼為奇格式編碼信息和偶格式編碼信息，接收機(jī)如果在短時(shí)間內(nèi)可以接收到上述兩種編碼信息，通過(guò)CPR算法解碼，就可以計(jì)算出飛行器的精確位置。

當(dāng)DF=17，TC=9到18時(shí)，數(shù)據(jù)幀所包含的信息為位置信息。以下為接收到的真實(shí)的ADS-B數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)1：8D40621D58 C382D690C8AC2863A7，數(shù)據(jù)2：8D40621D58C386435CC4126 92AD6。將其ME字段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制后按結(jié)構(gòu)劃分，如下表：

表3 空中位置信息ME字段域?qū)?yīng)數(shù)據(jù)

其中53bit（T位置）代表時(shí)間標(biāo)記，第54bit（F位置）為0時(shí)代表偶格式編碼，為1時(shí)代表奇格式編碼。55到57bit代表CPR緯度，72到88bit表CPR經(jīng)度。

解碼算法如下：

（1）將奇格式編碼和偶格式編碼的CPR緯度和CPR經(jīng)度數(shù)據(jù)歸一化處理。

奇格式編碼緯度：LATCPR_E= 92095 / 131072 = 0.7026

奇格式編碼經(jīng)度：LONCPR_E= 88385 / 131072 = 0.6743

偶格式編碼緯度：LATCPR_O= 39846 / 131072 = 0.3040

偶格式編碼經(jīng)度：LONCPR_O= 125818 / 131072 = 0.9599

（2）計(jì)算緯度區(qū)域索引值j。

函數(shù)floor()代表取整，帶入(1)中數(shù)據(jù)，得出j = 1。

（3）計(jì)算緯度Lat。

函數(shù)mod()代表取模。其中DLatE = 360 / 60，DLatO = 360/59，帶入(1)和(2)中數(shù)據(jù)，得出RLatE = 10.2157745361328，RLatO = 10.21621445478026。接下來(lái)判斷LatE和LatO是否在同一緯度區(qū)。若不在同一緯度區(qū)，表明飛行器正在跨越緯度區(qū)域飛行，數(shù)據(jù)不可解碼，需要等待下一組接收到的數(shù)據(jù)。查表可知RLatE和RLatO在同一緯度區(qū)，根據(jù)公式：

可求得緯度Lat = LatE = 10.2157745361328。

（4）計(jì)算經(jīng)度索引值。

函數(shù)NL()可通過(guò)查表得出，NL(LatE) = 59，NL(LatO) = 59，帶入公式得出m = -39。

（5）計(jì)算經(jīng)度。

其中ni = 58，帶入數(shù)據(jù)，獲得經(jīng)緯度坐標(biāo)為：

表4 空中速度消息子類1的ME字段結(jié)構(gòu)

Lon = 123.889128586342

（6）計(jì)算高度。

高度編碼格式如下：高度字段總長(zhǎng)12比特，在“ME”字段域中為bit9~bit20，bit16為單位指示比特Q，當(dāng)Q=0時(shí)，編碼單位為100英尺，Q=1，編碼單位為 25 英尺，編碼范圍為：-1000英尺至+50175英尺。不論奇偶數(shù)據(jù)幀，均包含高度碼數(shù)據(jù)。

取出高度編碼數(shù)據(jù)：110000111000，其中第8位比特為Q比特，移除Q比特后，編碼數(shù)據(jù)變?yōu)?1000011000，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為N=1560。高度值計(jì)算公式為：

代入數(shù)據(jù)可得Alt = 1560 * 25 - 1000 = 38000 ft。

通過(guò)上述計(jì)算，我們最終獲得飛行器位置的三個(gè)參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度。

LAT：10.2157745361328

LAT：123.889128586342

ALT：38000 ft

2.2 空中速度消息解碼

ADS-B空中速度信息格式有兩種，一種是飛行器能夠獲知自身水平運(yùn)動(dòng)速度，在此情況下用子類型來(lái)區(qū)別是否是超音速速度報(bào)告，子類1表示亞音速，子類2則表示超音速；另一種是不能獲得自身水平速度時(shí)廣播的速度報(bào)告，子類3表示亞音速，子類4表示超音速。由于現(xiàn)有飛行器主要在亞音速飛行，所以在接收到的ADS-B速度消息中有95%以上為子類1，其結(jié)構(gòu)如下表。

ME字段中，東西向標(biāo)志表明速度矢量是向東還是向西，為0時(shí)向東飛；南北向標(biāo)志表明速度矢量是向南還是向北，為0時(shí)向北飛。接收到的ADS-B數(shù)據(jù)：8D485020994409940838175B284F，按照表4將ME字段解碼后各域數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)如下表：

表5 空中速度消息ME字段域?qū)?yīng)數(shù)據(jù)

（1）水平速度計(jì)算。

計(jì)算水平速度和方向需要四個(gè)參數(shù)，東西速度V（ew），東西速度標(biāo)志S（ew），南北速度V（ns），南北速度標(biāo)志S（ns）。速度V和方向H計(jì)算公式如下：

將各域?qū)?yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后可得V-EW=9，S-EW=1，V-NS=160，S-NS=1。帶入公式計(jì)算得出：

V(we)=-(9-1)=-8

V(sn)=-(160-1)=-159

v=159.20 (kn)

h=182.88 (deg)

即飛行器水平速度159.20節(jié)，航向?yàn)?82.88度。

（2）垂直速度計(jì)算。

信息69比特S（Vr）字段為0時(shí)，表示飛行器向上飛，為1時(shí)表示飛行器向下飛，Vr字段是二進(jìn)制表示的垂直飛行速率，單位為ft/min，將對(duì)應(yīng)域中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為10進(jìn)制后，可得Vr=14， S-Vr=0，所以可知飛行器以14ft/min的速度上升飛行。

3 結(jié)束語(yǔ)

在空管系統(tǒng)大力提倡創(chuàng)新的環(huán)境下，本文通過(guò)對(duì)S模式ADS-B數(shù)據(jù)空中位置信息和速度信息解碼算法進(jìn)行深入研究并通過(guò)實(shí)例解讀計(jì)算程序，從底層來(lái)分析ADS-B系統(tǒng)的運(yùn)行原理。希望能夠?yàn)閺V大同行在系統(tǒng)維護(hù)與創(chuàng)新的過(guò)程中提供一些思路。由于能力有限，不正確之處還請(qǐng)大家批評(píng)指正，謝謝。

參考文獻(xiàn)

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