中航航空電子有限公司 劉 暢

1090ES廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)CPR算法解析

中航航空電子有限公司 劉 暢

本文描述了1090ES廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)采用的CPR算法應(yīng)用和原理，并描述了CPR算法的解碼的步驟。

1090ES；廣播式自動(dòng)；監(jiān)視系統(tǒng)；CPR算法

1 簡(jiǎn)介

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)是廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視的英文縮寫,它主要實(shí)施空對(duì)空監(jiān)視,一般情況下,只需機(jī)載電子設(shè)備(GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI),不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能,裝備了ADS-B的飛機(jī)可通過(guò)數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其它數(shù)據(jù)(如速度、高度及飛機(jī)是否轉(zhuǎn)彎、爬升或下降等)。ADS-B接收機(jī)與空管系統(tǒng)、其它飛機(jī)的機(jī)載ADS-B結(jié)合起來(lái),在空地都能提供精確、實(shí)時(shí)的沖突信息。

1090ES(1090 Extended Squitter,1090MHz S模式擴(kuò)展電文數(shù)據(jù)鏈)是ADS-B技術(shù)的一種,是在ADS和TCAS和場(chǎng)面監(jiān)視的基礎(chǔ)上,綜合三者的特點(diǎn)提出的一種監(jiān)視技術(shù)。與傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比,ADS-B技術(shù)具有精度高誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)的特點(diǎn)。目前用于ADS-B早期實(shí)施的多數(shù)方法之一就是選擇1090ES作為數(shù)據(jù)鏈。而在1090ES ADS-B系統(tǒng)中為了提高數(shù)據(jù)的傳輸效率對(duì)于飛機(jī)的經(jīng)度和緯度消息其信源編碼采用簡(jiǎn)潔位置報(bào)告CRP的形式。本文闡明了CRP編解碼的基本原理,針對(duì)全球位置情況給出了相關(guān)的經(jīng)度和緯度的解碼算法及實(shí)現(xiàn)步驟。

本文的依據(jù)為RTCA發(fā)布的DO-260B文檔。

2 CPR編解碼算法的基本原理

1090ES能夠攜帶112 bit字長(zhǎng)的信息量,其中ADS信息字長(zhǎng)為56 bit。由于字長(zhǎng)限制,需要采取特別編碼方式以保證能夠承載必要的信息量,這種編碼方式被成為CPR編碼(Compact Position Report,緊湊位置報(bào)告)。

CPR編碼主要體現(xiàn)在對(duì)經(jīng)緯度的編碼壓縮方面,經(jīng)緯度一般用3個(gè)字節(jié)(24 bit)表示,但在CPR編碼中,需要用17 bit表示經(jīng)度和緯度。

其具體方法為在每個(gè)消息中不再發(fā)送長(zhǎng)時(shí)間不變的幾個(gè)高階位。例如在緯度的二進(jìn)制編碼中有一位專門于指明飛機(jī)是否位于南半球或北半球,由于該位在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持不變,因此在發(fā)送位置消息時(shí)不需要重復(fù)發(fā)送該位,否則會(huì)影響傳輸效率。由于高階位不發(fā)送,因此地球上的多個(gè)位置將產(chǎn)生相同的編碼位置,如果只接收到單個(gè)的位置消息,解碼時(shí)將包含不明確性。難以確定多個(gè)位置中的哪一個(gè)是飛機(jī)的正確位置。

在1090ES接收機(jī)處理時(shí),有一個(gè)重要的參考信息,即接收機(jī)本地位置,根據(jù)接收機(jī)GPS獲得的地理信息(緯度和經(jīng)度)以及ADS-B的接收范圍約100公里,即可唯一確認(rèn)ADS-B發(fā)射源的位置。

3 CRP解碼算法

3.1 消息描述

1090ES使用112位2進(jìn)制數(shù)(7字節(jié))表示飛行器信息。具體為:

1 -5 6 -7 8 9 -2 0 2 1 2 2 2 3 -3 9 4 0 -5 6類型 監(jiān)視狀況單天線 高度 時(shí)間 C R P格式緯度編碼經(jīng)度編碼

CRP解碼主要分析22-56位。

CRP格式分為奇編碼和偶編碼,通過(guò)兩種編碼交替方式使編碼值更逼近實(shí)際值。緯度編碼和經(jīng)度編碼值域?yàn)?-131071(2的17次方)。

3.2 解碼步驟

CRP解碼分為以下4個(gè)步驟:

(1)緯度區(qū)的確認(rèn)

緯度區(qū)偶編碼:

全球共分30個(gè)區(qū),北半球15個(gè),南半球15個(gè),每個(gè)緯度區(qū)6°緯度。如北京機(jī)場(chǎng)附近,緯度為+40°,屬于北半球第7個(gè)緯度區(qū)(36°-42°)。

緯度區(qū)奇編碼:

全球共分30個(gè)區(qū),北半球15個(gè),南半球15個(gè),每個(gè)緯度區(qū)約6.1°(360/59)緯度。如北京機(jī)場(chǎng)附近,緯度為+40°,屬于北半球第7個(gè)緯度區(qū)(36.6101695° -42.7118644°)。

(2)經(jīng)度區(qū)的確認(rèn)

經(jīng)度區(qū)偶編碼:

經(jīng)度區(qū)距離固定,經(jīng)度區(qū)與緯度相關(guān),緯度越低,經(jīng)度區(qū)越多,赤道區(qū)有60個(gè)經(jīng)度區(qū),每區(qū)6經(jīng)度,87度以上為1個(gè)經(jīng)度區(qū)。經(jīng)度區(qū)數(shù)量NL的計(jì)算方式為:

lat為CRP解碼計(jì)算的參考緯度,一般使用ADS-B接收機(jī)自帶GPS定位的緯度值。如北京機(jī)場(chǎng)附近,緯度為+40°,計(jì)算得到NL為45,即北緯40°緯度圈分為45個(gè)經(jīng)度區(qū),每經(jīng)度區(qū)的經(jīng)度范圍為360°/45=8°,北京經(jīng)度約116°,所在的經(jīng)度圈為第15個(gè)經(jīng)度圈,范圍為112°-120°,經(jīng)度區(qū)起始位置為112°。

經(jīng)度區(qū)奇編碼:

經(jīng)度區(qū)距離固定,經(jīng)度區(qū)與緯度相關(guān),緯度越低,經(jīng)度區(qū)越多,赤道區(qū)有60個(gè)經(jīng)度區(qū),每區(qū)6經(jīng)度,87°以上為1個(gè)經(jīng)度區(qū)。經(jīng)度區(qū)數(shù)量NL的計(jì)算方式與奇編碼一致。如北京機(jī)場(chǎng)附近,緯度為+40度,計(jì)算得到NL為45,即北緯40度緯度圈分為45個(gè)經(jīng)度區(qū),每經(jīng)度區(qū)的經(jīng)度范圍為360°/(45-1) =8.181818°,北京經(jīng)度約116°,所在的經(jīng)度圈為第15個(gè)經(jīng)度圈,范圍為114.545455°-122.727273°,經(jīng)度區(qū)起始位置為114.545455°。

(3)CRP解碼

(YZ為緯度編碼,偶編碼時(shí),緯度區(qū)單位為6°,奇編碼時(shí),緯度區(qū)單位約為6.1°,即360°/59)

(XZ為經(jīng)度編碼,偶編碼時(shí),緯度區(qū)單位為360/ NL,奇編碼時(shí),緯度區(qū)單位約為360/(NL-1))

(4)檢驗(yàn)

計(jì)算出經(jīng)度和緯度后,需要和參考點(diǎn)(接收機(jī)本地位置)經(jīng)緯度進(jìn)行比較,如果經(jīng)度或緯度差超過(guò)1度,則需要進(jìn)行校正,加或減一個(gè)經(jīng)度或緯度區(qū)單位,以保證飛行器位置和接收機(jī)在合理范圍(接收機(jī)的接收范圍一般在100公里范圍以內(nèi))。

4 應(yīng)用展望

隨著航空監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展,以及我國(guó)通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, ADS-B技術(shù)越來(lái)越貼近航空專業(yè)技術(shù)人員和普通航空愛(ài)好者,隨著更多廠商進(jìn)入航空監(jiān)視設(shè)備領(lǐng)域,對(duì)設(shè)備原理和算法的研究也會(huì)更加深入。

［1］RTCA DO-260B MOPS for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast and Traffic Information Service-Broadcast.

［2］彭良福,鄭 超,劉志剛,林云松 1090ES廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)的CPR算法［J］.中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào),2010.2(28.2).

劉暢（1974—），男，陜西西安人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于中航航空電子有限公司，主要研究方向?yàn)榭罩薪煌ü芾怼?/p>