楊澤華

(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京市 100876)

Android系統(tǒng)下空情仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊澤華

(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京市 100876)

傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視手段采用詢問(wèn)/應(yīng)答方式對(duì)目標(biāo)探測(cè)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，雷達(dá)系統(tǒng)自身具有很多局限性。因此，需要發(fā)展新的監(jiān)視手段。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS-B即航空器自動(dòng)廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的精確定位信息，地面設(shè)備和其他航空器通過(guò)航空數(shù)據(jù)鏈接收此信息，衛(wèi)星系統(tǒng)、飛機(jī)以及地基系統(tǒng)通過(guò)高速數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行空天地一體化協(xié)同監(jiān)視，是未來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成部份和發(fā)展方向。本文實(shí)現(xiàn)的空情仿真系統(tǒng)是通過(guò)一定規(guī)律模擬飛行物信息，將這些信息根據(jù)ASTERIX CAT021協(xié)議將其封裝到報(bào)文中，之后發(fā)送給指定的ADS-B站。與此同時(shí)本系統(tǒng)將獲取的報(bào)文信息解析出相應(yīng)的飛行物信息呈現(xiàn)在用戶界面上。用戶通過(guò)本系統(tǒng)可以監(jiān)視到指定區(qū)域上飛機(jī)的運(yùn)行軌跡和即時(shí)的飛行信息。

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)；ADS-B；Android；ASTERIX CAT021；報(bào)文

本文著錄格式：楊澤華. Android系統(tǒng)下空情仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2016，37（11）：55-59

0 引言

ADS-B全稱是“廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)”，它是一種全新科技，主要依靠機(jī)載電子設(shè)備和地面設(shè)施，來(lái)精確監(jiān)視飛機(jī)的位置、高度、速度等數(shù)據(jù)[1]。

近年來(lái)國(guó)際上一些公司己經(jīng)研制出機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)，比如場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)，但是由于系統(tǒng)價(jià)格昂貴，后期的維護(hù)也需要投入大量的資金，所以這些監(jiān)視系統(tǒng)并未在我國(guó)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行廣泛的推廣，因此我國(guó)很大一部分機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)還使用目視的方法對(duì)場(chǎng)面進(jìn)行管制避免產(chǎn)生場(chǎng)面沖突，所以當(dāng)前研究設(shè)計(jì)出一套適用于我國(guó)廣大機(jī)場(chǎng)的空情監(jiān)視系統(tǒng)顯得尤為迫切[2-3]。

本文介紹的基于android系統(tǒng)下的空情仿真軟件就是在此背景下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)設(shè)計(jì)基于ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)的空情仿真軟件可增強(qiáng)管制員對(duì)場(chǎng)面監(jiān)視能力，保障機(jī)場(chǎng)安全，提高機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行效率和吞吐量。

1 空情仿真軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

據(jù)系統(tǒng)需求分析以及系統(tǒng)的功能，整個(gè)空情模

擬系統(tǒng)可以分成七個(gè)大模塊：ADS-B報(bào)文構(gòu)造模塊，ADS-B報(bào)文解析模塊，監(jiān)測(cè)界面模塊、系統(tǒng)配置模塊、添加航線模塊、報(bào)文接收模塊和報(bào)文發(fā)送模塊。ADS-B報(bào)文構(gòu)造模塊通過(guò)一定規(guī)律計(jì)算模擬出飛行物信息并遵循ADS-B標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視電文數(shù)據(jù)格式ASTERIX CAT021構(gòu)造報(bào)文。該模塊使用了多線程技術(shù)，為每一個(gè)飛行物單獨(dú)創(chuàng)建了一個(gè)線程。ADS-B的信息包含了飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間的四維信息以及其他一些附加識(shí)別信息。由于本文是模擬空情信息，所以報(bào)文中只包含了一些必選項(xiàng)。ADS-B報(bào)文解析模塊是根據(jù)ADS-B標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視電文數(shù)據(jù)格式ASTERIX CAT021將獲取的報(bào)文內(nèi)容解析出來(lái)并將其中的飛行物信息顯示在監(jiān)測(cè)界面上。監(jiān)測(cè)界面模塊負(fù)責(zé)顯示模擬監(jiān)測(cè)動(dòng)畫(huà)圖層，在地圖中央顯示一個(gè)雷達(dá)掃描樣式，并加載離線地圖等多項(xiàng)利用百度地圖SDK實(shí)現(xiàn)的界面效果。系統(tǒng)配置模塊主要功能是控制模擬空情的開(kāi)始和配置目標(biāo)ADS站的地址。如圖1所示，用戶在“監(jiān)測(cè)界面”選擇開(kāi)始模擬功能時(shí)，會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的“ADS-B報(bào)文構(gòu)造”模塊，構(gòu)造完成的報(bào)文通過(guò)“報(bào)文發(fā)送”模塊發(fā)送至目標(biāo)ADS站與本機(jī)。在本系統(tǒng)的“報(bào)文接收”模塊接收到ADS報(bào)文后，報(bào)文經(jīng)過(guò)“ADS-B報(bào)文解析”模塊的解析，利用百度地圖的SDK將飛行物信息顯示在“監(jiān)測(cè)界面”上。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖Fig.1 system data flow diagram

當(dāng)用戶在“監(jiān)測(cè)界面”選擇配置目標(biāo)ADS站功能后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入“系統(tǒng)配置”頁(yè)面，用戶確定改變目標(biāo)ADS站地址后，“報(bào)文發(fā)送”模塊的ADS站地址就此改變。當(dāng)用戶選擇添加航線功能后，系統(tǒng)進(jìn)入“添加航線”界面，用戶選擇起始和到達(dá)城市完畢后，啟動(dòng)相應(yīng)的“ADS-B報(bào)文構(gòu)造”模塊，之后與用戶選擇模擬功能啟動(dòng)ADS-B報(bào)文構(gòu)造模塊功能后的流程一致。

2 空情仿真軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 ADS-B報(bào)文構(gòu)造模塊

從1999年12月至2010年12月，Asterix Category021協(xié)議總共經(jīng)過(guò)了30次版本修改。該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議屬于歐管有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件的一個(gè)組成部分，主要描述了ADS-B報(bào)文傳輸?shù)募軜?gòu)，定義了Asterix Category021數(shù)據(jù)的輸出，同時(shí)也說(shuō)明了該標(biāo)準(zhǔn)與其它協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（如ICAO ANNEX 10，Vol. IV.，RTCA 260/260A等）的引用、參考關(guān)系[4]。

ADS-B報(bào)文構(gòu)造模塊的功能就是根據(jù)需求與Asterix Category021協(xié)議構(gòu)造所需報(bào)文，提供給相應(yīng)的模塊使用。其中client_thread_circle類主要功能是根據(jù)Asterix Category 021協(xié)議構(gòu)造報(bào)文并發(fā)送給指定的ADS站和本地顯示界面上。client_thread_ circle類具體工作流程如下。首先，獲取系統(tǒng)配置好的ADS站地址。將地址中的端口作為參數(shù)實(shí)例化一個(gè)DatagramSocket類，用于本系統(tǒng)與ADS站之間的通訊。然后在計(jì)算經(jīng)緯度的時(shí)候以之前的航跡點(diǎn)為中心用函數(shù)得出。最后將當(dāng)前時(shí)間信息，經(jīng)緯度信息，飛行物標(biāo)識(shí)等信息封裝至報(bào)文中。本文使用

的GIS組件是百度地圖Android SDK。在百度地圖中顯示的點(diǎn)用的是GeoPoint類，GeoPoint類中包含了經(jīng)緯度信息，在地圖控件上繪制點(diǎn)對(duì)象就是以這個(gè)GeoPoint類中的信息為基礎(chǔ)完成繪制。client_ threa d_circle類最終模擬了兩個(gè)以天安門(mén)為中心的軌跡。

用于存放報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)byte類型的數(shù)組，由于各個(gè)信息原本存放的數(shù)據(jù)類型不一致，需要統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為byte類型。datagramAnalyse類就是用于這些數(shù)據(jù)類型之間的轉(zhuǎn)換。例如：latitudeTobyte (byte[] b，int latitude，int offset)就是將int類型的緯度轉(zhuǎn)換為byte類型的數(shù)據(jù)。threebytesToInt(byte b[]，int offset)就是講三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的數(shù)字存入一個(gè)int類型的數(shù)據(jù)中。

2.2 監(jiān)測(cè)界面模塊

2.2.1 模塊功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

空情監(jiān)視界面不僅顯示百度地圖提供的地圖控件，還在其上模擬一個(gè)雷達(dá)掃描樣式[5]。繪制是通過(guò)Android提供的Canvas類和Paint類實(shí)現(xiàn)的。Canvas類相當(dāng)于一個(gè)畫(huà)布，Paint類相當(dāng)于一個(gè)畫(huà)筆。雷達(dá)掃描樣式中的圓是通過(guò)Canvas的drawcircle方法繪制的。使用drawArc方法填充一個(gè)指定扇區(qū)，將多個(gè)扇區(qū)使用不同的透明度繪制后，就可以實(shí)現(xiàn)掃描時(shí)的陰影效果[6-7]。

2.2.2 系統(tǒng)流程圖

如圖2所示，首先在程序根據(jù)編寫(xiě)好的布局文件設(shè)置完成加載初始界面后，使用在百度地圖開(kāi)發(fā)社區(qū)申請(qǐng)的key初始化地圖控件。隨后通過(guò)調(diào)用百度地圖的API將之前下載至設(shè)備中的離線地圖包載入到地圖控件中，此時(shí)地圖控件上就顯示了全國(guó)概要的一些地理信息。

在監(jiān)測(cè)界面上還有一個(gè)菜單按鈕，其中有模擬，配置，添加航線三個(gè)選項(xiàng)。點(diǎn)擊模擬選項(xiàng)則會(huì)讓系統(tǒng)開(kāi)始模擬兩個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好軌跡的飛行物。點(diǎn)擊配置選項(xiàng)則會(huì)讓系統(tǒng)轉(zhuǎn)入配置頁(yè)面，可以在這個(gè)界面對(duì)ADS-B站的ip地址進(jìn)行配置。點(diǎn)擊添加航線選項(xiàng)則會(huì)讓系統(tǒng)轉(zhuǎn)入添加航線頁(yè)面，通過(guò)界面用戶可以設(shè)置航線的起始點(diǎn)信息，設(shè)置完成后會(huì)在地圖上顯示出航跡。

2.3 系統(tǒng)配置模塊

sendTo類繼承于activity類，可以在此activity中設(shè)置目的ADS站的地址。在布局文件中添加兩個(gè)輸入文本框和一個(gè)按鍵，文本框用于輸入ip地址和端口。按鍵用于確認(rèn)地址輸入完成。在主activity中按配置鍵轉(zhuǎn)入sendTo activity，在確認(rèn)配置好地址信息后，sendTo activity將信息傳回主activity。

圖2 監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)流程圖Fig.2 monitering module workflow diagram

當(dāng)用戶點(diǎn)擊了配置選項(xiàng)進(jìn)入配置界面后，會(huì)有兩個(gè)文本框供用戶輸入ip地址和端口號(hào)。文本框內(nèi)會(huì)提示當(dāng)前配置的ip地址和端口號(hào)。當(dāng)用戶點(diǎn)擊確認(rèn)鍵后，系統(tǒng)會(huì)將ip地址和端口號(hào)返回給主activity以便配置。如果在用戶沒(méi)點(diǎn)擊確認(rèn)鍵之前，用戶點(diǎn)擊了返回鍵，則不會(huì)改變?cè)扰渲煤玫膇p地址和端口號(hào)，界面跳轉(zhuǎn)回主activity。

2.4 添加航線模塊

addLine類繼承于activity類，在多選欄中選擇始發(fā)機(jī)場(chǎng)與到達(dá)機(jī)場(chǎng)完畢后，addLine類將始發(fā)機(jī)場(chǎng)及到達(dá)機(jī)場(chǎng)返回給主activity類。

關(guān)于多選欄的實(shí)現(xiàn)，首先新建ArrayAdapter 對(duì)象將可選的內(nèi)容與ArrayAdapter連接起來(lái)。再使用setDropDownViewResource（）方法設(shè)置下拉列表風(fēng)格，將ArrayAdapter添加到spinner類中。最后添加spinner監(jiān)聽(tīng)事件，在點(diǎn)擊下拉列表其中某個(gè)項(xiàng)目后，監(jiān)聽(tīng)事件就會(huì)啟動(dòng)，保存始發(fā)機(jī)場(chǎng)或者到達(dá)機(jī)場(chǎng)。

主activity類收到后，新建一個(gè)子線程，利用百度地圖提供的地址編碼方法得到機(jī)場(chǎng)的經(jīng)緯度，并將始發(fā)機(jī)場(chǎng)與到達(dá)機(jī)場(chǎng)連線，通過(guò)公式計(jì)算經(jīng)緯度再讓飛機(jī)勻速在兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)。在計(jì)算得到經(jīng)緯度信

息后，調(diào)用報(bào)文構(gòu)造模塊將飛行物信息封裝到報(bào)文中發(fā)送給指定的ADS站并且在空情監(jiān)視界面中顯示出來(lái)。

當(dāng)系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至添加航線界面時(shí)，會(huì)有兩個(gè)下拉菜單讓用戶選擇始發(fā)城市與到達(dá)城市，在每個(gè)下拉菜單的上方還會(huì)以文本的形式顯示當(dāng)前選擇的選項(xiàng)。當(dāng)用戶點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕時(shí)，如果始發(fā)城市和到達(dá)城市是同一個(gè)城市，系統(tǒng)會(huì)彈出提示，提示用戶輸入有誤并且讓用戶重新選擇。成功確認(rèn)后，系統(tǒng)會(huì)跳轉(zhuǎn)回主activity，之后新建線程，使用百度地圖的API將城市機(jī)場(chǎng)進(jìn)行地址編碼，使用構(gòu)造報(bào)文模塊構(gòu)造報(bào)文，然后將報(bào)文發(fā)送出去。如果是通過(guò)點(diǎn)擊返回鍵回到主activity的，系統(tǒng)將只是將頁(yè)面跳轉(zhuǎn)回去而已。

2.5 報(bào)文接收模塊

由于在Android系統(tǒng)的版本更新后，主UI線程是不可以阻塞的。于是接收?qǐng)?bào)文的功能只能在子線程中實(shí)現(xiàn)，而在子線程中是不可以更新主線程的UI的。所以當(dāng)接收到報(bào)文時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)Handler對(duì)象進(jìn)行報(bào)文的解析工作。

如圖3所示，系統(tǒng)在初始界面加載完成后，新建一個(gè)監(jiān)聽(tīng)線程，將設(shè)備的一個(gè)閑置端口用于創(chuàng)建datagramsocket。當(dāng)該datagramsocket接受到報(bào)文時(shí)，發(fā)送一個(gè)message給handler，讀取報(bào)文類型判斷該報(bào)文的數(shù)據(jù)塊是否含有ADS-B報(bào)文。如果報(bào)文類型值為21，即數(shù)據(jù)塊包含ADS-B報(bào)文，則對(duì)報(bào)文內(nèi)容進(jìn)行解析并通過(guò)百度地圖SDK展示在地圖上。

圖3 報(bào)文接收模塊系統(tǒng)流程圖Fig.3 packet received module workflow diagram

2.6 運(yùn)行測(cè)試

如圖4所示，打開(kāi)模擬功能后，成功顯示兩個(gè)按照預(yù)定軌跡模擬的飛行物，使用一個(gè)紅點(diǎn)代表飛行物所在位置，所在位置正上方成功顯示飛行物信息標(biāo)簽，標(biāo)簽信息包括經(jīng)度，緯度和時(shí)間。

圖4 飛行物模擬Fig.4 flying object simulation

圖5 描述了該系統(tǒng)接收到的一個(gè)內(nèi)容150018d-980110000000aa4000071e88c014 bb98e78027a08的ADS-B報(bào)文實(shí)例。該報(bào)文是從地址為10.206.37.1 0的設(shè)備發(fā)送到地址10.206.37.15的10503號(hào)端口。以此報(bào)文為例，說(shuō)明ADS-B數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)此Category 021協(xié)議報(bào)文的內(nèi)容的解析已驗(yàn)證本文構(gòu)造報(bào)文和發(fā)送報(bào)文的功能。

3 總結(jié)和展望

本文的主要思想是在論述在Android手機(jī)操作系統(tǒng)上進(jìn)行空情仿真軟件的開(kāi)發(fā)。在對(duì)這個(gè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建空中飛行器顯示平臺(tái)功能，構(gòu)造ADS-B報(bào)文、解析ADS-B報(bào)文內(nèi)容功能，在空中飛行物顯示平臺(tái)上顯示ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)，添加航線，并模擬飛機(jī)在始發(fā)城市和到達(dá)城市間飛行的功能。

ADS-B技術(shù)代表著航空監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向，其在航空飛行管理中的應(yīng)用優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，替代航管監(jiān)視雷達(dá)是遲早的事情[8]。目前來(lái)說(shuō)已知最早的ADS-B強(qiáng)制要求是在2010年11月的加拿大哈德森灣，在那里尾隨間隔將從80海里縮小到5海里。另外澳大利亞在2013年12月開(kāi)始強(qiáng)制實(shí)施ADS-B運(yùn)行。歐洲計(jì)劃2015年對(duì)進(jìn)入歐洲空域的

飛機(jī)強(qiáng)制實(shí)施ADS-B OUT，且自2013年起對(duì)生產(chǎn)線上飛機(jī)強(qiáng)制要求滿足ADS-B OUT運(yùn)行。美國(guó)計(jì)劃到2020年1月對(duì)所有飛機(jī)，包括商用飛機(jī)和通用航空，強(qiáng)制要求ADS-B OUT。隨著需求的增長(zhǎng)以及民航局給予了高度重視，研究發(fā)展力度不斷加大，同時(shí)伴隨著各種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)不斷創(chuàng)新進(jìn)步，ADS-B技術(shù)在國(guó)內(nèi)必將得到廣泛的應(yīng)用，并帶動(dòng)新一代空中交通管理體系的發(fā)展。

圖5 wireshark軟件抓到的報(bào)文Fig.5 packet captured by wireshark

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Design and Implementation of Air Intelligence Simulation

YANG Ze-hua
(Institute of network technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876)

The traditional means of radar surveillance is using challenge/response mode to detect targets.In the long run, the radar system itself has many limitations. Therefore, it is time to develop new means of surveillance. ADS-B (Automatic, Dependent, Surveillance, Broad cast) is that aircraft automaticaly broadcasting the precise location data generated by the onboard satellite-based navigation and positioning system, ground equipment and other aircraft received this information by the Aviation data link. Satellite systems, aircraft and ground-based systems monitor space, sky and ground via high-speed data chain, and that is an important part of the composition of the future direction and deve-lopment of the monitoring system. Air intelligence simulation system is implemented in this article analog information by certain rules and in accordance with the ASTERIX CAT021 agreement encapsulates the packet, then sent the packet to the designated ADS-B station. At the same time this system will show the information of aircraft which obtained by analysing the messsage in the user interface presentation. Users of the system can monitor the designat-ed area of aircraft trajectory and instant flight information. Firstly, the ADS-B technologies were introduced.

Computer Science and Technology; ADS-B; Android; ASTERIX CAT021; Packet

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.013