一種S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪偉佳

（中國民用航空汕頭空中交通管理站，廣東汕頭 515000）

0 引言

隨著航班量的逐年增加，A/C模式雷達(dá)數(shù)據(jù)已經(jīng)無法完全滿足空中交通管制的需求，特別在SSR分配的處理上，SSR的不足已經(jīng)成為空管航班計(jì)劃相關(guān)無法當(dāng)即解決的問題，航班量超過1 000架次的空管單位，A/C模式的監(jiān)視能力已經(jīng)接近極限。近年空管系統(tǒng)新建設(shè)的雷達(dá)都具備S模式輸出，其具有基本監(jiān)視、增強(qiáng)監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈等多種功能，攜帶的24位地址碼更是成為航班計(jì)劃相關(guān)的新生的、有效的重要參數(shù)。但是空管系統(tǒng)在S模式雷達(dá)的應(yīng)用上還不夠成熟，相關(guān)地區(qū)分局站的S模式應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)手段還是有限，特別對(duì)于S模式雷達(dá)的數(shù)據(jù)測(cè)試幾乎為0，只能直接引入空管自動(dòng)化測(cè)試，存在著一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。本文從實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)一種S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)，可以為S模式雷達(dá)的數(shù)據(jù)本地測(cè)試提供參考。

1 S模式數(shù)據(jù)

目前空管系統(tǒng)部署的S模式雷達(dá)基本數(shù)據(jù)格式是基于ASTERIX格式，能夠輸出CAT001、CAT002、CAT008、CAT048和CAT034數(shù)據(jù)格式。其中，CAT048和CAT034數(shù)據(jù)是S模式應(yīng)用的2個(gè)數(shù)據(jù)格式，前者用于航跡目標(biāo)信息描述，后者用于雷達(dá)服務(wù)信息描述。ASTERIX是歐控組織定義的一種雷達(dá)數(shù)據(jù)交換格式，廣泛應(yīng)用于各國生產(chǎn)的雷達(dá)和ADS-B地面站，是一種應(yīng)用層協(xié)議，用于定義數(shù)據(jù)和組織，數(shù)據(jù)以種類（Category）進(jìn)行分類，并引入用戶應(yīng)用相關(guān)表（User Application profile）字段用于定義輸出的具體數(shù)據(jù)項(xiàng)。實(shí)際工作中的CAT034傳輸雷達(dá)的服務(wù)類信息，在天線的旋轉(zhuǎn)過程中跨越正北雷達(dá)會(huì)發(fā)送一個(gè)正北識(shí)別信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)該信號(hào)的優(yōu)先級(jí)最高。CAT034是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重要信息，可以提供扇區(qū)、天線旋轉(zhuǎn)周期、系統(tǒng)配置狀態(tài)和報(bào)文統(tǒng)計(jì)等信息。CAT048則是系統(tǒng)探測(cè)的目標(biāo)信息，在輸出目標(biāo)位置信息時(shí)，包含了點(diǎn)跡和航跡在內(nèi)的測(cè)量位置，主要是通過以本地雷達(dá)站自身的坐標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立極坐標(biāo)系的極坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)。另外，CAT048還可以傳輸包括地址碼、AC標(biāo)識(shí)、航跡號(hào)、航跡狀態(tài)、航跡質(zhì)量和高度等豐富的信息。相對(duì)而言，S模式的傳輸數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)更豐富，是未來空管監(jiān)視應(yīng)用方面的重要手段[1-3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了提高開發(fā)效率，系統(tǒng)采用民航汕頭空管站本地的空管自動(dòng)化系統(tǒng)所配備的多通道協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器，可以將雷達(dá)站送來的S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)由HDLC同步串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為UDP網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以直接處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)即可，實(shí)現(xiàn)主要分為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和航跡界面顯示模塊，軟件主要通過C++和C#設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)的接收主要處理UDP格式的雷達(dá)數(shù)據(jù)，并在結(jié)果上增加時(shí)間戳，用于后續(xù)界面上的回放雷達(dá)數(shù)據(jù)操作；數(shù)據(jù)的處理則主要針對(duì)S模式的特點(diǎn)進(jìn)行基于ASTERIX格式的解析，按照點(diǎn)跡航跡信息進(jìn)行逐項(xiàng)解析并統(tǒng)計(jì)；航跡界面顯示則將解析完畢的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理和顯示，此處涉及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、投影處理及地圖處理。

為了設(shè)計(jì)的模塊化，系統(tǒng)定義了C++的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括對(duì)ASTERIX CAT048和CAT034的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)必須解析的數(shù)據(jù)項(xiàng)定義，將數(shù)據(jù)屬性結(jié)構(gòu)化，例如CAT048的結(jié)構(gòu)部分定義代碼如下：

struct FIELD_I048130

{

BOLL f_SRL，f_SRR，f_SAM，f_PRL，f_PAM，f_RPD，f_APD；

BYTE SRL，SRR，SAM，PRL，PAM，RPD，APD

}I048130；

char target_address[4]；

char target_Iden[9]；

struct FIELD_I048250

{

short REP；

char DATA[36]；

BYTE BDS1[5]，BDS2[5]；

}I048250；

而對(duì)于每次接收到的雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將其加入到航跡結(jié)構(gòu)列表中，用于后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和界面分析。為了提高數(shù)據(jù)封裝性，系統(tǒng)采用C#定義了目標(biāo)類部分代碼如下：

class TAFGET

{

int Num；//航跡號(hào)

char ModA[6]；//A 碼

float ModC；//C碼

float Speed；//速度

float RangeN//極坐標(biāo)斜距

float Azimuth；//方位角

int EOB；//扇區(qū)

bool EMG；//緊急標(biāo)志位TARCK_HISTORY_LIST target_list；//航跡歷史列表TIME time；//目標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間戳

typedef vector＜RADAR_TRACK＞RADAR_TRACK_VECTOR；//航跡向量表

...

}

CAT034數(shù)據(jù)的處理過程類似，此處不贅述。在地圖的處理上，此處可以采用空管自動(dòng)化系統(tǒng)配置的地圖文件，實(shí)際工作中地圖被定義為一個(gè)可讀的.txt文本文件。以民航汕頭空管站萊斯自動(dòng)化系統(tǒng)的地圖顯示為例，其定義了相應(yīng)的報(bào)告點(diǎn)、機(jī)場(chǎng)、航線和航路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以模塊化字段命名，畫圖參數(shù)為WGS-84的經(jīng)緯度坐標(biāo)值。系統(tǒng)只需要識(shí)別各個(gè)地圖的數(shù)據(jù)塊即可，開發(fā)較為便捷。

2.1 數(shù)據(jù)接收

系統(tǒng)為了提高魯棒性，在數(shù)據(jù)接收模塊提供了數(shù)據(jù)配置文件供用戶對(duì)基礎(chǔ)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。在安裝路徑下，系統(tǒng)可以配置雷達(dá)的名稱、經(jīng)緯度、高程、天線周期、本地IP地址和監(jiān)聽的端口號(hào)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于UDP是一種無連接的協(xié)議，在C#編程中，系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個(gè)Socket對(duì)象[4]，并將創(chuàng)建的套接字對(duì)象與本地IPEndPoint進(jìn)行綁定。如此而來，創(chuàng)建的套接字就能夠在IPEndPoint上接收流入的UDP數(shù)據(jù)包。另一方面，使用UDP進(jìn)行通信時(shí)，并不需要TCP連接，UDP應(yīng)用不是嚴(yán)格意義上的真正的服務(wù)器和客戶機(jī)，因此系統(tǒng)部署的主機(jī)與協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器沒有主與次的關(guān)系，所以UDP不能使用標(biāo)準(zhǔn)的Receive（）套接字方法進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，而是使用ReceiveFrom（）方法，與其他普通的方法不一樣。ReceiveFrom（）方法主要使用ref修飾，并將參數(shù)傳遞給一個(gè)EndPoint對(duì)象。對(duì)于接收流入的UDP服務(wù)器程序來說，系統(tǒng)必須將程序與本地系統(tǒng)中指定的UDP端口進(jìn)行綁定，這個(gè)端口和協(xié)議轉(zhuǎn)換器中配置的雷達(dá)對(duì)應(yīng)端口一致，完成對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的某一路S模式雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理。這就可以通過使用合適的本地IP地址創(chuàng)建一個(gè)IPEndPoint對(duì)象，以及當(dāng)前雷達(dá)在協(xié)議轉(zhuǎn)換器中配置的UDP端口號(hào)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的主要流程為：首先根據(jù)用戶配置文件的讀取結(jié)果傳入?yún)?shù)（包括數(shù)據(jù)包指針、長(zhǎng)度、雷達(dá)名稱和通道號(hào)）；其次對(duì)傳入的時(shí)間戳進(jìn)行處理并檢測(cè)CAT字段的值和數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，如若判斷的CAT=1或者CAT=48，系統(tǒng)則進(jìn)行下一步的操作，通過字符串截取方法得出字段描述域的內(nèi)容；再之，根據(jù)字段描述域內(nèi)容逐項(xiàng)解析CAT001數(shù)據(jù)和CAT0048數(shù)據(jù)，最終將獲取到的目標(biāo)航跡信息插入到目標(biāo)列表。CAT002和CAT034的處理與此類似，其主要用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。CAT034可以輸出SAC和SIC，并解析出當(dāng)日時(shí)間、扇區(qū)編號(hào)、天線旋轉(zhuǎn)周期等。在目標(biāo)的解析處理上系統(tǒng)可以通過正則表達(dá)式和C#的string類對(duì)數(shù)據(jù)接收處理后的字符串進(jìn)行處理[5]。在模塊處理的最后步驟，系統(tǒng)將基于CAT048和CAT034格式實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的解析并以類對(duì)象屬性的形式填入目標(biāo)列表中。當(dāng)然，接收到的ASTERIX數(shù)據(jù)是16進(jìn)制字符串?dāng)?shù)據(jù)，這個(gè)過程需要按照各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行字符串的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)的部分代碼如下：

//計(jì)算目標(biāo)地址項(xiàng)對(duì)應(yīng)的值

int TargetAddress（vector＜BYTE＞ lhs）

{

int rhs；

rhs=（（unsigned int）lhs[0]＜＜ 16） + （（unsigned int） lhs[1]＜＜ 8） + （unsigned int） lhs[2]；

cout＜＜"ADDR:"＜＜ std::hex ＜＜ rhs ＜＜ endl＜＜endl；//以16進(jìn)制輸出rhs

return 0；

}

//計(jì)算速度精確度項(xiàng)對(duì)應(yīng)的值

int VelocityAccuracy（vector＜BYTE＞ lhs）

{

圖1 UDP軟件設(shè)計(jì)過程

int rhs；

rhs=lhs[0]；

cout＜＜"VA:"＜＜ rhs＜＜ endl＜＜endl；

return 0；

}

2.3 航跡界面處理

在航跡界面處理上，為了與當(dāng)前空管自動(dòng)化處理一致，系統(tǒng)采用C#的Timer控件，設(shè)置周期為4 s。在Timer控件觸發(fā)函數(shù)中對(duì)圖形進(jìn)行繪制[6-8]。具體的繪制需要獲取繪圖工作區(qū)并設(shè)置畫刷的顏色屬性以及相應(yīng)的內(nèi)存CDC。對(duì)于背景的處理，此處采用本地萊斯自動(dòng)化系統(tǒng)的SDD_map地圖文件，其定義了相應(yīng)的地圖名稱和對(duì)應(yīng)的地圖顏色、區(qū)域和畫圖形狀，所有參數(shù)都是統(tǒng)一的WGS-84經(jīng)緯度坐標(biāo)。因此界面可以將WGS-84的地圖參數(shù)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)，C#設(shè)計(jì)部分代碼如下：

var a=6378245.0；//a:衛(wèi)星橢球坐標(biāo)投影到平面地圖坐標(biāo)系的投影因子。

var ee=0.00669342162296594323；//ee:橢球的偏心率。var dLat=this.transformLat（t.Tlng-105.0，t.Tlat-35.0）；var dLng=this.transformLng（t.Tlng-105.0，t.Tlat-35.0）；var radLat=t.Tlat/180.0*PI；var magic=Math.Sin（radLat）；magic=1-ee*magic*magic；

var sqrtMagic=Math.Sqrt（magic） ；

return new TempGps（） {Tlat= （dLat*180.0） /（（a* （1-ee）） /（magic*sqrtMagic） *PI），Tlng= （dLng*180.0） /（a/sqrtMagic*Math.Cos（radLat） *PI） }；

另一方面，系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)的處理只需要遍歷目標(biāo)列表，將航跡目標(biāo)對(duì)象以24位地址碼為唯一屬性讀出即可。此過程，涉及航跡相關(guān)的判斷。在軟件的航跡相關(guān)上，算法定義如上個(gè)周期的航跡位置和當(dāng)前的航跡位置距離小于10 km，并且24位地址碼一致，則判別為同一目標(biāo)，這種方法可以大概率減少S模式雷達(dá)由于環(huán)境或自身原因的影響，以及因目標(biāo)瞬間丟失而造成的目標(biāo)分裂問題。再之，系統(tǒng)將其極坐標(biāo)屬性作為參數(shù)傳入繪圖函數(shù)實(shí)現(xiàn)航跡在繪圖區(qū)域的繪制。

系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)查詢和回放功能，軟件實(shí)現(xiàn)界面如圖2所示。數(shù)據(jù)查詢只需要在C#中對(duì)目標(biāo)列表的具體對(duì)象屬性進(jìn)行查找即可。數(shù)據(jù)回放則需要根據(jù)數(shù)據(jù)接收模塊的時(shí)間戳和接收的16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串顯示，并控制數(shù)據(jù)包內(nèi)部發(fā)送的間隔時(shí)間。軟件實(shí)現(xiàn)上可以首先定義回放的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，設(shè)置需要回放的端口號(hào)（不同于接入的雷達(dá)UDP端口號(hào)），按照數(shù)據(jù)接收模塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)記錄文本文件逐行讀入數(shù)據(jù)并存入內(nèi)存向量表中。程序設(shè)置專門的進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的迭代訪問并當(dāng)即生成二進(jìn)制數(shù)據(jù)消息，發(fā)送回接收模塊。數(shù)據(jù)接收模塊會(huì)以新接入雷達(dá)數(shù)據(jù)方式，按照正常的雷達(dá)數(shù)據(jù)解析該消息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)界面的數(shù)據(jù)回放。

圖2 軟件界面圖

3 結(jié)束語

本文從實(shí)際出發(fā)，探討了S模式的應(yīng)用數(shù)據(jù)格式，并根據(jù)該格式進(jìn)行了軟件數(shù)據(jù)解析。軟件主要通過C++和C#來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過將來自協(xié)議轉(zhuǎn)換器的UDP格式S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)接收處理后，基于ASTERIX CAT048和CAT034的格式實(shí)現(xiàn)逐個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)處理，最終實(shí)現(xiàn)軟件的圖形化界面顯示，可以為S模式雷達(dá)的數(shù)據(jù)測(cè)試提供技術(shù)手段。