湯國防，閆永恒，張寒雪

(中國電子科技集團公司 第十五研究所國家空管科技自主創(chuàng)新基地，北京 100083)

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基于Android平臺的1090ES數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

湯國防，閆永恒，張寒雪

(中國電子科技集團公司 第十五研究所國家空管科技自主創(chuàng)新基地，北京 100083)

隨著空中交通管理技術(shù)的發(fā)展，1 090 MHz擴展電文(1090ES)數(shù)據(jù)鏈已經(jīng)成為承載地空通信、空空通信的重要數(shù)據(jù)鏈，在民用航空及通用航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用;傳統(tǒng)的二次雷達或ADS-B地面站設(shè)備大而沉重，為了構(gòu)建便攜、低成本的1090ES數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出了一種基于Android智能終端和廣播數(shù)據(jù)采集板卡的解決方案，利用1 090 MHz天線接收廣播信號，由單片機(PIC18F2550)實現(xiàn)模數(shù)信號轉(zhuǎn)換，通過USB-OTG接口發(fā)送至Android智能終端；開發(fā)了數(shù)據(jù)采集APP，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合解譯、數(shù)據(jù)采集以及航空器的飛行監(jiān)視；經(jīng)測試驗證，系統(tǒng)能夠有效采集1090ES數(shù)據(jù)鏈公開協(xié)議航空數(shù)據(jù)，覆蓋范圍超過150公里，即插即用，應(yīng)用前景廣泛。

1090ES數(shù)據(jù)鏈； 安卓系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集； 飛行監(jiān)視

0 引言

隨著民用航空通信與監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展，1 090 MHz 擴展電文(1090ES)數(shù)據(jù)鏈已經(jīng)成為二次雷達、機載防撞系統(tǒng)TCAS、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B的重要通信鏈路[1]。根據(jù)我國規(guī)劃，2015年底所有運輸飛機都已具備基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的ADS-B監(jiān)視能力，通用航空正在推廣機載及便攜式1090ES ADS-B設(shè)備以實現(xiàn)飛行監(jiān)視和地空數(shù)據(jù)通信[2]。1090ES數(shù)據(jù)鏈作為全球公開協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈，可以通過1 090 MHz天線實現(xiàn)對1090ES數(shù)據(jù)鏈廣播數(shù)據(jù)信號的接收，配合智能硬件和軟件完成數(shù)字信號的解析和采集存儲。

隨著Android智能終端的廣泛應(yīng)用[3-4]，為了實現(xiàn)低成本、即插即用的便攜式1090ES數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)采集工具，滿足執(zhí)行空中巡視、航拍測量、無人機巡航等野外作業(yè)時對航空器飛行監(jiān)視的需要，本文基于微型1 090 MHz廣播信號采集設(shè)備和Android平臺研究構(gòu)建了一種1090ES數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體由1 090 MHz廣播信號采集端和Android系統(tǒng)平臺組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1 090 MHz廣播信號采集端由1 090 MHz全向天線、信號過濾放大器、信號采集控制模塊組成，實現(xiàn)1090ES數(shù)據(jù)鏈廣播信號的接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換和采集控制。為實現(xiàn)數(shù)字信號采集以及與Android系統(tǒng)平臺的通信，信號采集控制模塊選用PIC18F2550單片機，內(nèi)置通用串行總線和10路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持控制、中斷、等待和批量數(shù)據(jù)傳輸模式，能夠?qū)? 090 MHz模擬信號轉(zhuǎn)換為0～255數(shù)字信號并通過USB接口輸出。

Android系統(tǒng)平臺為搭載Android操作系統(tǒng)的智能終端，如手機或平板電腦。Android平臺通過USB-OTG接口與采集端信號采集控制模塊進行數(shù)據(jù)通信和控制，并為采集端供電；基于Android系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)采集APP，實現(xiàn)對采集端的通信控制、數(shù)據(jù)解析處理、數(shù)據(jù)可視化顯示和存儲功能。

2 軟件功能設(shè)計

Android操作系統(tǒng)自3.1版本開始增加了對USB-OTG接口功能的支持[5]。外部USB設(shè)備(采集端單片機PIC18F2550)接入后，Android系統(tǒng)將自動注冊并創(chuàng)建USB字符設(shè)備[6]，以支持應(yīng)用層對USB設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)通信。

2.1 Android系統(tǒng)與PIC18F2550通信控制

Android系統(tǒng)連接采集端單片機PIC18F2550后，可根據(jù)單片機的設(shè)備屬性進行遍歷獲得對應(yīng)的USB設(shè)備，并獲取設(shè)備的通信管理權(quán)限；根據(jù)設(shè)備接口的通信端點的通信方向，識別指令通信端點(OUT)和數(shù)據(jù)通信端點(IN)；當(dāng)需要啟動數(shù)據(jù)采集時，通過打開設(shè)備連接，在指令通信端點寫入通信指令或參數(shù)配置指令，并在數(shù)據(jù)通信端點進行監(jiān)聽接收采集的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸方式采用塊傳輸(Bulk Transfers)，以實現(xiàn)錯誤檢測和重傳機制。停止數(shù)據(jù)采集時，則在指令通信端點寫入停止指令，停止單片機的數(shù)據(jù)采集運算并釋放USB設(shè)備接口。

2.2 1 090 MHz廣播數(shù)據(jù)融合解譯

1090ES數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)包括航空器S模式應(yīng)答機面向二次雷達的應(yīng)答信息、ADS-B報文以及TCAS機載防撞系統(tǒng)的問答信息。根據(jù)1090ES數(shù)據(jù)鏈路通信協(xié)議[1]，每條擴展電文均在電文開頭以5比特位標(biāo)識數(shù)據(jù)的下傳格式(DownFormat，簡稱DF)，以隨后3比特位標(biāo)識詳細的電文數(shù)據(jù)內(nèi)容類別。主要數(shù)據(jù)格式及說明如表1所示。

表1 1090ES數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)格式

航空器S模式應(yīng)答機及機載ADS-B設(shè)備的電文數(shù)據(jù)均含有24比特位全球唯一的應(yīng)答機地址碼，由ICAO分配，可以用來識別當(dāng)前空中唯一的飛行目標(biāo)[7]?；谶@種特性，可以對1 090 MHz廣播收到的雷達應(yīng)答信息、機載ADS-B報文、TCAS報文進行融合解譯，以提高飛行目標(biāo)監(jiān)視定位的頻率和定位精度。數(shù)據(jù)解譯流程如圖2所示。

圖2 1 090 MHz廣播數(shù)據(jù)解譯流程

在數(shù)據(jù)解譯流程中，首先根據(jù)接收到的廣播數(shù)據(jù)識別數(shù)據(jù)格式DF并進行CRC較驗，對正確的報文解析獲得航空器應(yīng)答機地址碼，并維護以地址碼為關(guān)鍵字的航空器目標(biāo)列表；解析報文中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并更新對應(yīng)航空器的飛行狀態(tài)屬性。其中，ADS-B報文的空中位置數(shù)據(jù)采用CPR簡潔位置編碼，文獻[8]給出了詳細的編解碼算法，需要采集至少2個周期的空中位置數(shù)據(jù)才可獲得準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息。

2.3 數(shù)據(jù)采集與可視化顯示

1090ES數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集APP進行可視化顯示，實現(xiàn)對空中航空器目標(biāo)的飛行監(jiān)視。數(shù)據(jù)采集APP設(shè)計了采集控制模塊與單片機PIC18F2550進行通信交互，并接收處理報文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理的邏輯流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理邏輯流程

2.3.1 數(shù)據(jù)接收處理模塊

模塊采用獨立線程運行，對USB設(shè)備接口的數(shù)據(jù)通信端點進行監(jiān)聽，對接收到的報文數(shù)據(jù)進行解譯；維護航空器目標(biāo)列表緩存，并更新緩存中對應(yīng)航空器的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)清理模塊

航空器降落或飛出可監(jiān)視區(qū)域后，系統(tǒng)采集端將無法繼續(xù)從1090ES數(shù)據(jù)鏈獲得對應(yīng)航空器的廣播報文，超出預(yù)設(shè)時間閥值即視為過期目標(biāo)。模塊采用線程調(diào)度機制，定時對航空器目標(biāo)列表緩存中的過期對象進行清理。

2.3.3 航跡動態(tài)存儲模塊

模塊采用線程調(diào)度模式，每5秒調(diào)度運行一次，循環(huán)遍歷航空器目標(biāo)列表中的對象，將其飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)記錄形式批量存儲存儲至數(shù)據(jù)庫。

2.3.4 數(shù)據(jù)顯示界面

以16進制文本方式滾動顯示實時接收到的報文數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)樣本如下所示：

2800098FDEBC31(DF=5)

8D7806A099040911C8220E8C62B9(DF=17)

5D780AE871C60D(DF=11)

0261813A1BF3A6(DF=0)

20000738D2B7E6(DF=4)

80A1849D6025D26369C8288F6835(DF=16)

……

2.3.5 飛行監(jiān)視界面

基于地圖界面，對采集獲取的航空器目標(biāo)位置、飛行軌跡數(shù)據(jù)進行動態(tài)標(biāo)繪展現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

2.3.6 軌跡查詢界面

根據(jù)照航空器標(biāo)識、起始時間條件對采集的歷史數(shù)據(jù)進行查詢和可視化顯示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文以Android 4.0智能手機作為Android平臺，利用Java語言編寫了1090ES數(shù)據(jù)解碼庫，并以百度地圖提供的Android SDK開發(fā)了數(shù)據(jù)采集APP，實現(xiàn)了智能手機與1 090 MHz信號采集端的通信與控制、數(shù)據(jù)采集、地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[9]以及基于在線/離線地圖模式的航空器飛行監(jiān)視功能。系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集APP飛行監(jiān)視界面

為了驗證功能和性能，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在北京南苑機場附近航班早/晚高峰時期進行了多次采集測試，采集數(shù)據(jù)總量均超過50萬條，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

表2 1090ES數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計

限于可能的廣播重疊、1 090 MHz天線的靈敏度以及信號的濾波處理，剔除系統(tǒng)啟動初始化階段及其他格式噪音數(shù)據(jù)影響，高峰時段系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平均誤碼率約為6.4%，正確探測解碼率仍滿足不小于90%的應(yīng)用指標(biāo)[10]；在視距無遮擋條件下，系統(tǒng)能夠有效采集150公里范圍的1 090 MHz航空數(shù)據(jù)，大氣能見度條件良好時最遠接收距離達220公里，能夠有效實現(xiàn)空中目標(biāo)的飛行監(jiān)視。

4 結(jié)論

本文基于Android平臺和1 090 MHz信號采集板卡構(gòu)建了一種微型的地面接收設(shè)備，可以較好的實現(xiàn)對1090ES數(shù)據(jù)的采集和可視化飛行監(jiān)視；同時，設(shè)計了對廣播數(shù)據(jù)的融合編碼，相比單二次雷達監(jiān)視或ADS-B監(jiān)視提高了數(shù)據(jù)采集頻率和跟蹤精度；另外，所使用的移動地圖支持離線模式應(yīng)用，方便開展野外作業(yè)。整個系統(tǒng)輕便智能，兼容性好，應(yīng)用前景廣闊。

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Data Acquisition System for 1090ES Data Link Based on Android Platform

Tang Guofang，Yan Yongheng，Zhang Hanxue

(National Air Traffic Management Science & Technology Independent Innovation Base,China Electronics Technology Group Corporation No.15 Research Institute, Beijing 100083, China)

With the development of air traffic management technology, 1 090 MHz extended squitter (1090ES) data link which realize air-to- ground and air-to-air communication, has been widely used in the field of civil aviation and general aviation. Traditional radar or ADS-B ground station equipment is large and heavy, with the purpose of developing portable and low cost data acquisition system for 1090ES, proposed a solution based on Android platform and radio module, using 1 090 MHz antenna to receive radio signals, with single chip microcomputer (PIC18F2550) to achieve digital signal conversion, in addition to communicate with Android platform through the USB-OTG interface. A data acquisition APP was developed to realize data decoding, data persistence, and flight surveillance. After the testing and verification, the system can effectively collect the 1090ES aviation data, covering the range of over 150 kilometers, plug and play, and has a bright application prospect.

1090ES data link; Android; data acquisition; flight surveillance

2015-12-01；

2015-12-25。

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃(2013KTZB01-02-05)。

湯國防(1987-)，男，山東濟寧人，碩士，工程師，主要從事空中交通管理信息技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)06-0168-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.046

TP274

A