ADS-B中經(jīng)緯度編解碼算法及實現(xiàn)

紀愛玲 張正華

摘要：在1090ES廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）模式下，針對飛機的位置信息中涉及經(jīng)緯度編解碼算法的內(nèi)容進行了簡要介紹，主要涉及經(jīng)緯度編碼、本地解碼、全球解碼算法的具體實現(xiàn)步驟。通過檢飛驗證，研究結(jié)果表明，簡潔位置報告（Compact Position Reporting，CPR）編解碼具有很高的有效性和準確性，能有效提高成功接收報文的概率。

關(guān)鍵詞：廣播式自動相關(guān)監(jiān)視；簡潔位置報告；編碼；解碼

中圖分類號：TN79文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）01-59-5

0引言

1090ES廣播式自動相互監(jiān)視（Automatic Dependent Surverillance-Broadcast，ADS-B）是國際民航組織（ICAO）為了未來航空運輸發(fā)展的需要，以衛(wèi)星技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)提出的一種監(jiān)視技術(shù)[1]。ADS-B系統(tǒng)主要實現(xiàn)空對空監(jiān)視，一般情況下只需機載電子設(shè)備（如GPS接收機、數(shù)據(jù)鏈收發(fā)機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器），不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能，實時、自發(fā)、間歇性地對外廣播自身狀態(tài)參數(shù)[2]。

ADS-B技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的雷達監(jiān)視技術(shù)，體現(xiàn)在高精度、小誤差、較強的監(jiān)視能力等方面。單個ADS-B監(jiān)視基站監(jiān)控范圍覆蓋方圓200 n mile以上，可提供全視角監(jiān)視、監(jiān)控更新頻率是雷達的4倍，精度可達米級，成本卻只有雷達的1/10[3]。ADS-B技術(shù)在實現(xiàn)空對空通信、導(dǎo)航、監(jiān)視方面具有重大應(yīng)用前景。

1簡潔位置報告編解碼算法及驗證

簡潔位置報告（Compact Position Reporting，CPR）算法包括編碼和解碼2部分，其示意如圖1所示。

1.1編碼

目標飛機的經(jīng)度和緯度信息運用CPR算法可以分解成17 bit的二進制編碼值，空中飛機ADS-B報文有112 bit，即14 Byte，其信息格式如表1所示[4]。當=17時，代表基于1 090 MHz ES的發(fā)射機數(shù)據(jù)通信包；CA代表CommA或者CommB的通信標志；AA代表發(fā)射機唯一的ICAO地址；PI代表CRC校驗，計算時包含該字段前面88 bit的校驗值；ME代表預(yù)留值，可以擴展為多種信息，例如飛機標識與類型信息、空中速度信息、地面位置信息和空中位置信息等[5]。

空中位置信息報文的“ME”字段如表2所示[5]。

地球根據(jù)經(jīng)度和緯度可以劃分為很多編號不同的區(qū)域（Zone），以此來準確地確認飛機的精準位置。CPR編碼指的是依據(jù)對經(jīng)度和緯度的編碼計算飛機的空中實際坐標位置。編碼過程依據(jù)經(jīng)度和緯度的值，以輸入的實數(shù)形式為準，轉(zhuǎn)化成整數(shù)形式的和坐標。=0時代表偶編碼；=1時代表奇編碼[6]。飛機空中位置的編碼實現(xiàn)的具體步驟如下：

1.2.2全球解碼

在ADS-B系統(tǒng)中，為提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，飛機位置報文采用CPR的形式[9]。不發(fā)送高階位的信息會引起飛機不同位置的編碼值是一樣的，所以編碼時把地球劃分為南北方向上的緯度Zone和東西方向上的經(jīng)度Zone。其中緯度Zone和經(jīng)度Zone根據(jù)不同的編碼形式，劃分為“奇/偶”緯度Zone，“奇/偶”經(jīng)度Zone[1]。

空中飛機交替發(fā)送含有偶形式（0，0）和奇形式（1，1）兩種CPR編碼的位置報文，解碼時接收設(shè)備依據(jù)規(guī)定的時間范圍內(nèi)（空中目標約10 s，地面目標約50 s）接收到一組含奇/偶編碼的報文信息，便可準確地計算出飛機的空中位置[10]。

解碼算法中用下標區(qū)分奇偶編碼，=0時代表偶編碼，=1時代表奇編碼，目標飛機空中位置全球解碼經(jīng)緯度算法如下：

1.3 CPR編解碼算法仿真驗證

1.3.1 CPR編碼仿真驗證

隨機抽取10組飛機的位置信息經(jīng)緯度值進行CPR編碼驗證，如表4所示。

1.3.2 CPR本地解碼仿真驗證

實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)在成功接收到1 090 MHz頻率上的報文信息之后，選用=17格式的信息進行CPR本地解碼驗證，隨機抽取其中10組數(shù)據(jù)，如表5所示[11]。

1.3.3 CPR全球解碼仿真驗證

實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)在成功接收到1 090 MHz頻率上的報文信息之后，選用=17格式的信息進行CPR全球解碼驗證，隨機抽取其中10組數(shù)據(jù)，如表6所示[12]。

對CPR解碼的測試數(shù)據(jù)進行綜合分析，實際數(shù)據(jù)誤差處于10-6～10-4，充分體現(xiàn)了CPR解碼算法的有效性和可靠性。CPR算法使經(jīng)度碼位（24 bit）和緯度碼位（23 bit）均降為17 bit，降低了位置信息編解碼的位數(shù)。在傳輸帶寬有限的條件下，為1 090ES數(shù)據(jù)鏈提供了更多的可用空間，有效地提高了信息的傳輸效率。

2 CPR解碼的實現(xiàn)

2.1原理框圖

系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，接收到飛機ADS-B信息后，混頻到中頻60 MHz，進行AD采樣，DDC到零中頻。對零中頻信號進行PPM解調(diào)獲得飛機的112 bit報文信息，報文信息通過網(wǎng)口通信送至計算機端進行經(jīng)緯度解碼。

經(jīng)緯度解碼可采用本地解碼方式，也可采用全球解碼方式。

2.2飛機解碼實驗結(jié)果

全球解碼后ADS-B監(jiān)視的目標飛機信息如圖3所示。

3結(jié)束語

本文針對飛機空中位置ADS-B報文信息的CPR編解碼算法，給出了詳細的解決步驟，通過仿真實驗與方案論證，最終通過硬件實現(xiàn)以及檢飛驗證，達到預(yù)期效果。但從單個ADS-B基站得到的目標軌跡異常點較多，丟點也不少，實際效果比理論值差。如何關(guān)聯(lián)歷史目標點跡，用本地解碼等方式過濾掉異常點跡，優(yōu)化算法降低丟點率，以保證ADS-B目標識別的正確性和平穩(wěn)性是下一步研究的重點。

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