趙澤榮

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）[1-6]是基于GPS衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視系統(tǒng)。與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B具有使用成本低、精度誤差小、數(shù)據(jù)更新率高以及監(jiān)視能力強等明顯優(yōu)勢，對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)（如場面監(jiān)視等）也有廣泛的應(yīng)用前景。許多國家把它當(dāng)作下一代監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向。而ADS-B分為UAT模式、1090ES模式和VDL4模式[7]，本文就UAT模式下的Asterix Category 033協(xié)議的編碼、解析以及在監(jiān)視終端的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，為地面站和監(jiān)視終端軟件的開發(fā)以及空管自動化的應(yīng)用提供參考。

1 Category 033 UAT模式的報文協(xié)議構(gòu)架[1]

目標(biāo)報告的格式基于歐洲航空安全組織所采用的用于監(jiān)視數(shù)據(jù)交換的Asterix信息標(biāo)準(zhǔn)。Asterix結(jié)構(gòu)以及編碼的背景信息見1997年11月發(fā)布的SUR.ET1.STOP5.2000-STD-01-01文件“Asterix”的第一部分“歐洲航空安全組織監(jiān)視數(shù)據(jù)交換”。

用戶應(yīng)用規(guī)范（UAP）作為一種機制，分配數(shù)據(jù)項到Asterix信息數(shù)據(jù)字段，并包含為了成功地對這些信息進(jìn)行編碼和解碼而需要標(biāo)準(zhǔn)化的所有必要信息。一種Asterix數(shù)據(jù)類型（CAT）由一套數(shù)據(jù)項（包含于此數(shù)據(jù)類型的有效信息中）來定義。來自UAT模式的地面站目標(biāo)報告的Asterix數(shù)據(jù)類別己被定為“033”。該數(shù)據(jù)類別定義了Asterix Category 033數(shù)據(jù)的編解碼方式，同時也說明了該標(biāo)準(zhǔn)與其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) （RTCA DO-282A/282B、RTCA DO-242A等）的引用和參考關(guān)系。

1.1 Category 033 UAT模式的報文組裝原理

Category 033報文是地面站和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的報文格式，ADS-B數(shù)據(jù)源需要轉(zhuǎn)換為這種報文形式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。Category 033報文的格式如表1所示。同步序列分為同步頭和尾同步序列，都為固定的4 B，其格式為：0x01FFFFFF。報文內(nèi)容中包括了Category 033的數(shù)據(jù)項，這些數(shù)據(jù)項如表2所示。CRC校驗為2 B，其作用是確保報文在傳輸過程中的完好性。CRC校驗的實現(xiàn)采用查表的方式，首先生成長度為256的CRC數(shù)據(jù)表，然后把要進(jìn)行CRC校驗的內(nèi)容與CRC數(shù)據(jù)表中的隨機異或而獲得CRC的值。

表1 Category 033報文格式

1.2 Category 033協(xié)議的數(shù)據(jù)項及應(yīng)用

在Category 033協(xié)議中，數(shù)據(jù)項是報文的組裝內(nèi)容，每個數(shù)據(jù)項的內(nèi)容都是監(jiān)視終端處理的依據(jù)，而且在Category 033協(xié)議中，有些數(shù)據(jù)項是必須包含的，有的數(shù)據(jù)項是可選擇的，這些都要根據(jù)地面站的配置以及目標(biāo)的報文來決定，因此在監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計過程中，既要考慮到應(yīng)用監(jiān)視終端對數(shù)據(jù)項的需求和實時性，同時也考慮到數(shù)據(jù)項在網(wǎng)絡(luò)傳輸中是否影響網(wǎng)絡(luò)的帶寬。根據(jù)表2，現(xiàn)將Category 033協(xié)議中一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)項以及在監(jiān)視終端軟件設(shè)計中的關(guān)鍵作用作詳細(xì)的說明。

（1）數(shù)據(jù)源標(biāo)識符：表示Category 033協(xié)議報文來自哪個地面站，它包含了系統(tǒng)區(qū)域碼（SAC）和系統(tǒng)標(biāo)識碼（SIC）兩個方面的內(nèi)容，方便監(jiān)視終端識別信息源。

（2）鏈路技術(shù)指示符：表示該數(shù)據(jù)鏈路的模式，在1090ES、UAT、VDL4和其他鏈路中選擇。

（3）星歷基準(zhǔn)時間：報告目標(biāo)此刻位置的當(dāng)日時間。該時間戳有利于監(jiān)視終端對目標(biāo)狀態(tài)的更新和目標(biāo)報文的丟棄。由于每個地面站的時間都是通過GPS獲得同步，Category 033協(xié)議報文網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)具有不確定性，可以比較該時間戳而避免目標(biāo)在監(jiān)視界面上出現(xiàn)倒退的現(xiàn)象發(fā)生。

（4）目標(biāo)地址：目標(biāo)的唯一標(biāo)識，監(jiān)視終端根據(jù)該數(shù)據(jù)項對目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行更新。

（5）完整性及精確度參數(shù)：明確了Category 033協(xié)議報文的完好性，如果該參數(shù)的值不滿足民航規(guī)定的完好性指標(biāo)，就把該報文丟棄。該數(shù)據(jù)項包括導(dǎo)航完好性、監(jiān)視完好性以及位置完好性類別。

（6）緯度/經(jīng)度：目標(biāo)的WGS-84地理坐標(biāo)，給出了目標(biāo)當(dāng)前的位置。

（7）氣壓高度：給出了目標(biāo)的飛行高度。

（8）目標(biāo)呼號：目標(biāo)的航班號，該數(shù)據(jù)項方便管制員記憶，不是唯一的，管制員與飛行員進(jìn)行通話就使用目標(biāo)的呼號。

（9）目標(biāo)狀態(tài)：表示目標(biāo)是否處在緊急狀態(tài)，如醫(yī)療事故、最低燃料、無法通信、劫機等，監(jiān)視終端可以根據(jù)該數(shù)據(jù)項給管制員呈現(xiàn)目標(biāo)的狀態(tài)。

其他的數(shù)據(jù)項包括目標(biāo)的速度、航向、目標(biāo)的機型類別等。

1.3 Category 033協(xié)議報文的編解碼處理

Category 033協(xié)議報文的編碼是按照表中的字段參考編號順序進(jìn)行編碼，然而一條Category 033協(xié)議報文不是包含所有數(shù)據(jù)項，而數(shù)據(jù)項的有無與目標(biāo)發(fā)送的ADS-B數(shù)據(jù)源有關(guān)，為了明確Category 033協(xié)議報文中包含的數(shù)據(jù)項，在報文內(nèi)容中規(guī)定標(biāo)識了數(shù)據(jù)項的協(xié)議，報文內(nèi)容的具體格式如表3所示。數(shù)據(jù)項標(biāo)識中，1 B能標(biāo)識7個數(shù)據(jù)項的有無，根據(jù)表2可以知道，要標(biāo)識所有的數(shù)據(jù)項，只需用3 B就足夠了。表4給出一個Category 033協(xié)議報文的編碼的實例。

表3 報文內(nèi)容格式

根據(jù)表4可知，字節(jié)的某一位用來表示數(shù)據(jù)項，如果為1表示數(shù)據(jù)項被編碼，否則沒有該數(shù)據(jù)項。當(dāng)某一字節(jié)的7 bit都被編碼了，如果后面還有數(shù)據(jù)項，該字節(jié)的第8 bit必須設(shè)置為1，否則為0。由表4可以得到數(shù)據(jù)項標(biāo)識的編碼為0xFFCE，只用了2 B，而該條報文所包括的數(shù)據(jù)項為版本號、數(shù)據(jù)源標(biāo)識符、鏈路技術(shù)指示符、星歷基準(zhǔn)時間、目標(biāo)地址、完整性和精度參數(shù)、緯度/經(jīng)度、氣壓高度、速度（空中）、目標(biāo)呼號、發(fā)射機類別和目標(biāo)狀態(tài)。該條報文的長度為41 B，其中數(shù)據(jù)項總字節(jié)數(shù)為34 B，數(shù)據(jù)項標(biāo)識為2 B，CRC校驗為2 B，Category 033報文長度為2 B，報文類型標(biāo)識為1 B。

1.4 Category 033協(xié)議在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用

UAT模式的ADS-B是美國MITRE／CAASDIR&D從1995年開始研制的多用途的地空數(shù)據(jù)鏈通信模式，主要用于美國的通用航空監(jiān)視。在全世界范圍內(nèi)，除了美國用UAT模式的ADS-B外，只有中國民航飛行學(xué)院在使用自主研發(fā)的UAT模式的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)在飛行學(xué)院運行了10年之久，為國內(nèi)ADS-B技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了參考。其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 UAT監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，主要包括了UAT地面站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和監(jiān)視終端等硬件，而且地面站通過網(wǎng)絡(luò)送出的數(shù)據(jù)都是基于Category 033協(xié)議的報文。下面分別對每個重要的部件功能作詳細(xì)的論述。

（1）UAT地面站

在該監(jiān)視系統(tǒng)中，UAT地面站接收機載設(shè)備發(fā)出的ADS-B報文，并處理Category 033協(xié)議的報文，通過UDP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式發(fā)送給UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

（2）UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能就是接收地面站發(fā)來的Category 033協(xié)議的報文，并對報文進(jìn)行跟蹤過濾，對不同地面站重疊區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行處理，把接收到的正確報文轉(zhuǎn)發(fā)給登錄服務(wù)器的監(jiān)視終端，同時也能把本服務(wù)器接收到的地面站報文轉(zhuǎn)發(fā)給其他服務(wù)器。因此UAT數(shù)據(jù)服務(wù)器具有對數(shù)據(jù)加密[8]的功能，把收到地面站的數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，通過TCP/IP的傳輸方式發(fā)送給登錄到服務(wù)器的監(jiān)視終端和其他服務(wù)器。UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的作用就是充分利用Category 033協(xié)議的報文，把Category 033協(xié)議的報文發(fā)送到地面站監(jiān)視范圍外的區(qū)域，供更多的監(jiān)視終端使用。

圖2 Category 033協(xié)議報文解析監(jiān)視圖

（3）監(jiān)視終端

監(jiān)視終端通過登錄服務(wù)器獲得服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的加密Category 033協(xié)議的報文，并對其進(jìn)行解密，獲得Category 033協(xié)議的報文并對其進(jìn)行解析顯示，向管制員呈現(xiàn)目標(biāo)的運動軌跡以及在空中的狀態(tài)，方便管制員對目標(biāo)進(jìn)行直觀的監(jiān)控。圖2展現(xiàn)了對Category 033協(xié)議報文解析的呈現(xiàn)方式。

2 Category 033的應(yīng)用前景

通過以上對Category 033協(xié)議的分析以及在實際應(yīng)用系統(tǒng)中的使用驗證，可以了解該協(xié)議在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中組裝ADS-B數(shù)據(jù)包和解析該協(xié)議編碼的數(shù)據(jù)包的方法，分析了Category 033協(xié)議中的數(shù)據(jù)項在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的關(guān)鍵應(yīng)用，為UAT模式的ADS-B地面站設(shè)計以及后端的監(jiān)視應(yīng)用提供了理論依據(jù)和設(shè)計方法。

3 結(jié)論

Category 033協(xié)議是一種基于UAT模式的ADS-B數(shù)據(jù)編碼規(guī)范，明確了UAT模式數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一格式，方便監(jiān)視終端的設(shè)計，使ADS-B數(shù)據(jù)在應(yīng)用層得到高效的處理。同時數(shù)據(jù)的編碼過程中添加了同步頭和CRC校驗處理，使數(shù)據(jù)的可靠性和安全性得到了保證。隨著ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的深入應(yīng)用，空中交通廣播（TISB）[2-3]報文在Category 033協(xié)議中的應(yīng)用將會成為未來發(fā)展方向。

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[2]SC-186，RTCA DO-282A.Minimum operational performance standards for universal access transceiver（UAT）automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）[S].RTCA，Inc.，2004.

[3]SC-186，RTCA DO-282B.Minimum operational performance standards for universal access transceiver（UAT）automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）[S].RTCA，Inc.，2009.

[4]SC-186，RTCA DO-260A.Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）and traffic information services-broadcast（TIS-B）[S].RTCA，Inc.，2003.

[5]SC-186，RTCA DO-260B.Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）and traffic information services-broadcast（TIS-B）[S].RTCA，Inc.，2009.

[6]SC-186，RTCA DO-242A.Minimum aviation system performancestandardsforautomaticdependentsurveillance broadcast（ADS-B）[S].RTCA，Inc.，2002.

[7]李自俊.ADS-B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視原理及未來的發(fā)展和應(yīng)用[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2008，19（5）：11-14.

[8]劉引川，楊成.基于UAT數(shù)據(jù)鏈的ADS-B系統(tǒng)加密研究[J].中國西部科技，2011，10（30）：32-33.