ADS-B系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式分析

干浩亮，吳世桂，陳 龍，宋 凱，王盈君遙，蘇 柯

(重慶機(jī)場集團(tuán)有限公司 航務(wù)管理部，重慶 401120)

0 引言

中國經(jīng)濟(jì)的快速增長帶動(dòng)了民航業(yè)的蓬勃發(fā)展，中國民航航空運(yùn)輸規(guī)模連續(xù)15年穩(wěn)居世界第二位，且與第一位的差距逐年縮小。面對航空運(yùn)輸規(guī)模的快速增長，空中交通管理部門迫切需要應(yīng)用新技術(shù)，確保管制指揮人員能夠?qū)苤瓶沼騼?nèi)飛機(jī)的飛行動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，使航路上的飛機(jī)科學(xué)、準(zhǔn)確地按照飛行計(jì)劃安全飛行。目前，空管部門對于空中飛機(jī)的監(jiān)視主要依靠傳統(tǒng)的一、二次雷達(dá)來完成。航管雷達(dá)具有很多局限性：雷達(dá)旋轉(zhuǎn)周期限制了數(shù)據(jù)更新率的提高；精度不高；假目標(biāo)多；存在大量的雷達(dá)盲區(qū)；無法獲取飛行態(tài)勢信息。此外，航管雷達(dá)設(shè)備昂貴，且運(yùn)營成本較高[1]。

與傳統(tǒng)一、二次雷達(dá)的監(jiān)視能力相比，以地空數(shù)據(jù)鏈、星基導(dǎo)航、高速網(wǎng)絡(luò)通信等新技術(shù)為支撐的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)系統(tǒng)具有更明顯的優(yōu)越性。與雷達(dá)系統(tǒng)相比，ADS-B系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)和更加準(zhǔn)確的航空器位置、速度等監(jiān)視信息，設(shè)備成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的航管雷達(dá)，并且維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長[2]。國際民航組織將ADS-B技術(shù)確定為未來監(jiān)視技術(shù)的主要發(fā)展方向，大力推進(jìn)ADS-B技術(shù)的應(yīng)用。中國民航也已經(jīng)制定了ADS-B技術(shù)應(yīng)用的總體實(shí)施方案，大力開展ADS-B技術(shù)研究和應(yīng)用推廣[3]。2019年，中國民航按計(jì)劃全面啟動(dòng)ADS-B管制運(yùn)行。

ADS-B系統(tǒng)還需與其它監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)如空管自動(dòng)化系統(tǒng)、A-SMGCS系統(tǒng)、ADS-B中小顯系統(tǒng)等進(jìn)行互聯(lián)互通、協(xié)同工作才能充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能，這就要求ADS-B系統(tǒng)報(bào)文格式在不同監(jiān)視系統(tǒng)之間傳輸時(shí)具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，否則，將會阻礙不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)、報(bào)文解析，傳輸報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化成為其功能應(yīng)用的前提。因此深入解析和探討ADS-B系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式有助于提高對ADS-B系統(tǒng)的應(yīng)用能力。本文以重慶江北國際機(jī)場已安裝建設(shè)的國產(chǎn)ADS-B系統(tǒng)報(bào)文格式為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 ADS-B系統(tǒng)簡介

ADS-B是利用地空、空空數(shù)據(jù)鏈完成空中交通態(tài)勢監(jiān)視和信息傳遞的一種新興監(jiān)視技術(shù)，無需人工干預(yù)。ADS-B監(jiān)視示意圖如圖1所示。ADS-B系統(tǒng)使用星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)得到航空器精確的位置、速度和高度等信息，利用機(jī)載電子設(shè)備向外周期性地廣播航空器的航班號、位置、高度、速度等參數(shù)。管制人員通過航空數(shù)據(jù)鏈、ADS-B地面站或其他航空器接收此數(shù)據(jù)報(bào)文，獲得航空器的精確定位信息，增強(qiáng)了管制人員和機(jī)組人員的空中交通情景意識和位置感知，極大提升了航班的運(yùn)行效率和飛行安全管理水平[4]。衛(wèi)星、飛機(jī)和地面站形成空天地協(xié)同監(jiān)視。從航空器的角度，ADS-B系統(tǒng)應(yīng)用功能可分為發(fā)射(OUT)和接收(IN)兩類。ADS-B OUT是指航空器向外發(fā)送信息，即機(jī)載設(shè)備以一定周期對外廣播飛機(jī)的位置、速度和識別碼等信息。對于地空監(jiān)視而言，采用的是ADS-B OUT模式，即航空器發(fā)信息，地面站通過接收信息來實(shí)現(xiàn)對航空器的監(jiān)視。ADS-B IN是指航空器接收其它航空器及地面服務(wù)設(shè)施發(fā)送的ADS-B OUT信息，通過駕駛艙顯示設(shè)備獲知其他航空器的運(yùn)行態(tài)勢，從而為機(jī)組人員提供運(yùn)行支持[5]。

圖1 ADS-B監(jiān)視示意圖

ADS-B系統(tǒng)可使用下列三種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)進(jìn)行信息發(fā)送：

(a)VDL-4：工作于VHF頻段(108.000～136.975 MHz)，單頻道帶寬為25 kHz，數(shù)據(jù)速率為19600 bps，調(diào)制方式為GFSK，由瑞典民航局提出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路格式，其數(shù)據(jù)通信與ATN完全兼容；

(b)UAT：工作于單一帶寬信道，設(shè)計(jì)頻段為978 MHz，數(shù)據(jù)速率為1 Mbps，調(diào)制方式為GFSK，由FAA提出的一種數(shù)據(jù)鏈路格式，雙向傳輸;

(c)1090ES：工作于傳統(tǒng)二次雷達(dá)使用的1090 MHz頻段，數(shù)據(jù)速率為1 Mbps，調(diào)制方式為PPM，發(fā)送Mode S信號[6]。

2 ASTERIX數(shù)據(jù)幀格式

1999年12月歐洲航空安全組織發(fā)布了ADS-B CAT21 v0.10[7]。重慶江北國際機(jī)場安裝建設(shè)的ADS-B系統(tǒng)輸出報(bào)文格式是基于ASTERIX(All Purpose Structured Eurocontrol Radar Information Exchange Format)標(biāo)準(zhǔn)。ASTERIX是歐洲航空安全組織為雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸和交換定義的一種結(jié)構(gòu)化協(xié)議。該協(xié)議本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)的定義和集合，具有格式統(tǒng)一、易于擴(kuò)展、可以更新，新版本能兼容老版本等優(yōu)點(diǎn)，其目的是支持不同監(jiān)視設(shè)備之間按照約定的格式信息交換。目前，ASTERIX協(xié)議已經(jīng)成為了國際標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了一次場監(jiān)雷達(dá)、二次場監(jiān)雷達(dá)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)等監(jiān)視設(shè)備，以及空管自動(dòng)化、場監(jiān)融匯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心等相關(guān)設(shè)備。

ASTERIX協(xié)議定義了監(jiān)視數(shù)據(jù)編碼的框架結(jié)構(gòu)，以HDLC(High-level Data Link Control)為協(xié)議基礎(chǔ)。HDLC是鏈路層協(xié)議的一項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶間資源共享以及信息交互，HDLC幀由6個(gè)字段組成的，幀的兩端都是以標(biāo)志字段(FLAG)結(jié)束，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含在信息字段。ASTERIX監(jiān)視數(shù)據(jù)塊封裝在HDLC的信息字段內(nèi)，一個(gè)HDLC幀可以包含一個(gè)或多個(gè)ASTERIX數(shù)據(jù)塊。ASTERIX數(shù)據(jù)塊包括數(shù)據(jù)類型CAT、數(shù)據(jù)長度LENGTH、字段描述FSPEC、數(shù)據(jù)項(xiàng)Data Item 等字段[8]。HDLC幀及ASTERIX數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。CAT字段表示該條數(shù)據(jù)的類型，占一個(gè)字節(jié)長度，ASTERIX協(xié)議最多可以定義28=256種數(shù)據(jù)格式。LENGTH表示該數(shù)據(jù)的長度，是數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)記錄的總長度，占兩個(gè)字節(jié)。每幀ASTERIX格式的數(shù)據(jù)至少包含一個(gè)數(shù)據(jù)記錄，每個(gè)數(shù)據(jù)記錄只包含一架飛機(jī)的ADS-B報(bào)告。多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)(Data Item)組成一個(gè)數(shù)據(jù)記錄，是每種ASTERIX數(shù)據(jù)格式中最小的信息單位。

圖2 HDLC幀及ASTERIX數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ADS-B系統(tǒng)所處理的報(bào)文，在內(nèi)容上是按照一定的順序排列起來的數(shù)據(jù)項(xiàng)。數(shù)據(jù)項(xiàng)在數(shù)據(jù)記錄中的排列順序由UAP(User Application Profile)定義，其本質(zhì)為某類型下所有數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合。v0.26版本的ASTERIX CAT21標(biāo)準(zhǔn)UAP表如表1所示，該UAP中包含了ASTERIX CAT21數(shù)據(jù)格式所能傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)項(xiàng)。UAP為每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)置了索引編號FRN、字段代碼和字段描述，并限定了數(shù)據(jù)項(xiàng)的傳輸順序即按FRN編號從小到大的順序傳輸，最后一欄表示數(shù)據(jù)項(xiàng)的長度，以字節(jié)為單位[9]。FSPEC為數(shù)據(jù)字段描述。FSPEC類似于一個(gè)UAP表的目錄索引，定義了ASTERIX數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)腢AP表中的數(shù)據(jù)項(xiàng)。FSPEC的二進(jìn)制bit位從左到右傳輸順序依次與 UAP表中的FRN編號列從上到下一一對應(yīng)。當(dāng)報(bào)文中發(fā)送某一數(shù)據(jù)項(xiàng)，則FSPEC相應(yīng)的比特位為1,0表示不發(fā)送該數(shù)據(jù)項(xiàng)；FX位是字段擴(kuò)展位，F(xiàn)X=0表示擴(kuò)展結(jié)束，F(xiàn)X=1表示其后有擴(kuò)展字節(jié)。不同版本的ASTERIX CAT21數(shù)據(jù)格式的UAP是不同的。

表1 v0.26版本的ASTERIX CAT21標(biāo)準(zhǔn)UAP表

續(xù)表1

3 ADS-B系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀解析

在實(shí)際應(yīng)用中，ADS-B接收站將收到的ADS-B信息進(jìn)行處理，生成ASTERIX CAT21報(bào)文送往ADS-B監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)，經(jīng)過一系列的處理，生成綜合航跡，在顯示終端上進(jìn)行顯示。以重慶江北國際機(jī)場安裝建設(shè)的國產(chǎn)ADS-B系統(tǒng)輸出的ASTERIX CAT21報(bào)文數(shù)據(jù)為例進(jìn)行解析，通過網(wǎng)絡(luò)抓包軟件抓取一幀數(shù)據(jù)，一幀ADS-B系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文如表2所示，數(shù)據(jù)內(nèi)容由十六進(jìn)制表示，按字節(jié)逐一進(jìn)行解析：

表2 一幀ADS-B系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文

(1)字節(jié)1：15，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)為21，表示該報(bào)文類別為CAT21；

(2)字節(jié)2-3：0031，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為49，表示這幀數(shù)據(jù)長度為49個(gè)字節(jié)；

(3)字節(jié)4-7：fb a1 df 86為FSPEC字段，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制表示為11111011101000011101111110000110，其中fb、a1和df的二進(jìn)制表示最后一位為1，是字段擴(kuò)展標(biāo)識，表示向后擴(kuò)展一個(gè)字節(jié)，86的二進(jìn)制表示最后一位為0，表示FSPEC字段結(jié)束。此FSPEC字段表示在UAP表中選取FRN=1-5、7-8、10、15-16、18-21、22、27-28的數(shù)據(jù)項(xiàng)，共17個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。

(4)字節(jié)8-9：1690，為數(shù)據(jù)源識別，包括SAC和SIC，SAC為系統(tǒng)區(qū)域代碼，表示不同的國家或地區(qū)；SIC為系統(tǒng)標(biāo)識代碼，表示不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備。16為SAC，即SAC=22；90為SIC，即SIC=112。

(5)字節(jié)10-11：0030，為目標(biāo)報(bào)告描述符，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制為0000000000110000，表明該數(shù)據(jù)的性質(zhì)和類型，目標(biāo)報(bào)告描述符各個(gè)數(shù)據(jù)位的含義如表3所示：

表3 目標(biāo)報(bào)告描述符各個(gè)數(shù)據(jù)位的含義

其中，Bit-16(DCR)：0-無微分修正，1-微分修正；Bit-15(GBS)：0-未設(shè)置接地位，1-已設(shè)置接地位；Bit-14(SIM)：0-實(shí)際目標(biāo)報(bào)告，1-模擬目標(biāo)報(bào)告；Bit-13(TST)：0-默認(rèn)，1-測試目標(biāo)；Bit-12(RAB)：0-來自目標(biāo)應(yīng)答機(jī)的報(bào)告，1-來自固定應(yīng)答機(jī)的報(bào)告；Bit-11(SAA)：0-設(shè)備不能提供選定高度，1-設(shè)備能夠提供選定高度；Bit-10(SPI)：0-SPI不存在，1-特殊位置識別(SPI)；Bit-9：0-備用未設(shè)；Bit-(8-6)(ATP)：0-非唯一地址，1-24位ICAO地址，2-地面車輛地址，3-匿名地址，4-預(yù)留地址；Bit-(5-4)(ARC，高度報(bào)告能力)：0-未知，1-762.000 cm，2-3048.000 cm；Bit-(3-1)：0-備用未設(shè)。

(6)字節(jié)12-14：037b ac為報(bào)文日時(shí)間，表示所報(bào)告位置的星歷基準(zhǔn)時(shí)間，以上一個(gè)午夜零點(diǎn)起所消逝的時(shí)間計(jì)算，并以UTC時(shí)間表示，最低有效位為1/128 s，將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為1783 s，用UTC表示為0 h 29 min 43 s。

(7)字節(jié)15-22：005539 a9013182 a3為目標(biāo)WGS-84坐標(biāo)位置。前四個(gè)字節(jié)為緯度，后四個(gè)字節(jié)為經(jīng)度，最低有效位均為180/225°。將前四個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，計(jì)算得緯度等于29.962°，將后四個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，計(jì)算得經(jīng)度等于107.406°。

(8)字節(jié)23-25：780c 42為目標(biāo)地址，即目標(biāo)24位ICAO地址=780c42。

(9)字節(jié)26、27：0007為品質(zhì)因數(shù)，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)為0000000000000111，品質(zhì)因數(shù)各個(gè)數(shù)據(jù)位的含義如表4所示：

表4 品質(zhì)因數(shù)各個(gè)數(shù)據(jù)位的含義

其中，Bit-16、15(AC)：00-未知，01-ACAS不可用，10-ACAS可提供使用，11-無效；Bit-14、13(MN)：00-未知，01-多個(gè)導(dǎo)航設(shè)備未處于工作狀態(tài)，10-多個(gè)導(dǎo)航設(shè)備處于工作狀態(tài)，11-無效；Bit-12、11(DC)：00-未知，01-微分校正，10-無微分校正，11-無效；Bit-(10-5)：備用位設(shè)為零；Bit-(4-1)(PA)：位置精確度，PA分為9個(gè)等級，等級越低誤差越大。

(10)字節(jié)28：08為數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，表示使用何種鏈路技術(shù)來傳輸目標(biāo)報(bào)告，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)為00001000，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)各個(gè)數(shù)據(jù)位定義如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)各個(gè)數(shù)據(jù)位定義

其中，Bit-(8-6)：0-備用未設(shè)；Bit-5(DTI，交通信息座艙顯示器)：0-未知，1-飛機(jī)裝有CDTI；Bit-4(MDS，S模式擴(kuò)展型數(shù)據(jù)鏈)：0-未使用，1-使用；Bit-3(UAT)：0-未使用，1-使用；Bit-2(VDL，是高頻數(shù)據(jù)鏈VDL-4)：0-未使用，1-使用；Bit-1(OTR，其他技術(shù))：0-未使用，1-使用。

(11)字節(jié)29、30：0336為飛行高度，即通過氣壓測得的高度，范圍為-15 FL≤大氣壓高度≤1500 FL，最低有效位為1/4 FL。計(jì)算得飛行高度為6363.64 m。

(12)字節(jié)31、32：01 f6為幾何垂直遞減率，最低值為190.500，計(jì)算得幾何垂直遞減率為95631.000。

(13)字節(jié)33-36：07903e f7為地向量，包括地速和航向角。前兩個(gè)字節(jié)表示地速，最低有效位為3704～25928 m/s，后面兩個(gè)字節(jié)表示航向角，最低有效位為360/216°，計(jì)算的地速為218.536 m/s，航向角為88.54°。

(14)字節(jié)37-42：0c 3074 c31e 60為目標(biāo)識別碼，目標(biāo)識別碼編碼結(jié)構(gòu)如表6所示。

表6 目標(biāo)識別碼編碼結(jié)構(gòu)

航空器身份識別碼編碼規(guī)則如表7所示，獲取目標(biāo)身份識別碼的字符1-8后，可以按照表7對字符進(jìn)行解碼即可得到目標(biāo)身份識別碼，即目標(biāo)識別碼為CCA4019(國航4019)。

表7 航空器身份識別碼編碼規(guī)則

(15)字節(jié)43：00為速度準(zhǔn)確度，即速度不確定性，故速度不確定性為0。

(16)字節(jié)44：80為日時(shí)間準(zhǔn)確度，最低有效位為2(16)～8(16) s，可得日時(shí)間精度為0.5 s。

(17)字節(jié)45：00為目標(biāo)狀態(tài)，0-無緊急情況/不報(bào)告，1-一般緊急情況，2-醫(yī)療/救護(hù)，3-最低油量，4-無通信信號，5-非法干擾，該目標(biāo)狀態(tài)為無緊急情況/不報(bào)告。

(18)字節(jié)46：02為發(fā)射器種類，表示加裝ADS-B設(shè)備目標(biāo)的類型，對于飛機(jī)目標(biāo)而言，包括飛機(jī)的重量信息和種類信息，該目標(biāo)發(fā)射器種類為預(yù)留。

(19)字節(jié)47-48：0a f9為mode 3/A識別碼，目標(biāo)mode 3/A識別碼編碼規(guī)則如表8所示。其中，Bit16(V，驗(yàn)證)：0-碼字已驗(yàn)證，1-碼字未驗(yàn)證；Bit15(G，錯(cuò)亂)：0-默認(rèn)，1-碼字錯(cuò)亂；Bit14(L，碼字來源)：0-識別碼來自應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答，1-上次掃描期間未提取識別碼；Bit13：0-備用未設(shè)置位；Bits-12/1：八進(jìn)制表示的mode 3/A識別碼，依次將A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1和D4D2D1轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)，組成ABCD，即為mode 3/A識別碼，該目標(biāo)的mode 3/A識別碼為5371。

(20)字節(jié)49：b7為信號強(qiáng)度，將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)183，即該目標(biāo)信號強(qiáng)度為183。

至此，將截取的這一幀ADS-B系統(tǒng)輸出CAT21數(shù)據(jù)報(bào)文解析完畢。

表8目標(biāo)mode 3/A識別碼編碼規(guī)則

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)討論了ADS-B系統(tǒng)輸出報(bào)文ASTERIX CAT21的數(shù)據(jù)解析方法，并以重慶江北國際機(jī)場ADS-B系統(tǒng)輸出的一幀CAT21數(shù)據(jù)為例進(jìn)行解析。通過對ASTERIX CAT21報(bào)文內(nèi)容的解析，可以很好地了解 ASTERIX CAT21報(bào)文的基本框架、各數(shù)據(jù)項(xiàng)的含義，以及各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)封裝的結(jié)構(gòu)，其它類別的ASTERIX協(xié)議監(jiān)視數(shù)據(jù)報(bào)文也可以通過上述方法進(jìn)行解析；同時(shí)也方便對ADS-B系統(tǒng)信號質(zhì)量、工作方式、數(shù)據(jù)開發(fā)等問題進(jìn)行進(jìn)一步地探討，能更好滿足空管監(jiān)視設(shè)備保障工作的需要，很有實(shí)用價(jià)值。