劉俊波

目前，低空空域監(jiān)視缺乏有效的監(jiān)視手段，傳統(tǒng)的雷達監(jiān)視，由于其覆蓋范圍較小，僅包括航路航線及周邊。而通用航空的飛行活動靈活多樣，飛行范圍大多處于非雷達覆蓋區(qū)域。因此，必須引進新的技術手段或監(jiān)視方式，才能有效的解決通航飛行監(jiān)視的難題。ADS-B 由于其建設成本低廉，建設難度較低，因此在低空監(jiān)視領域得到大力推廣及應用。

1 相關技術

1.1 WebSocket

WebSocket 是 HTML5 開始提供的一種在單個TCP 連接上進行全雙工通訊的協(xié)議。允許客戶端和服務器之間進行全雙工通信，以便任一方都可以通過建立的連接將數(shù)據(jù)推送到另一端。WebSocket 只需要建立一次連接，就可以一直保持連接狀態(tài)。

1.2 ActiveMQ

ActiveMQ 是Apache 軟件基金下的一個開源軟件，它遵循JMS 規(guī)范，是消息驅(qū)動中間件軟件。ActiveMQ 的設計目標是提供標準的，面向消息的，能夠跨越多語言和多系統(tǒng)的應用集成消息通信中間件。

1.3 SuperMap

SuperMap 是一款商業(yè)化的地理信息系統(tǒng)軟件，通過該軟件可以實現(xiàn)地圖繪制、空間分析、數(shù)據(jù)編輯處理等操作，并且其可提供標準化的SOAP 服務以及Restful 服務。

1.4 Cat021

Cat021 是空管專用ADS-B 地面站輸出的ADS-B報文格式，是一整套的信息傳輸規(guī)范，定義了傳輸數(shù)據(jù)的各個組成部分的不同含義。

2 研究與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)流圖

圖1

2.2 數(shù)據(jù)源引接

數(shù)據(jù)源主要包括：

1）航班計劃數(shù)據(jù)，以讀取消息隊列數(shù)據(jù)的方式，采集航班計劃系統(tǒng)中航班計劃。航班計劃系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)包括運輸航班數(shù)據(jù)、以及通用航空數(shù)據(jù)，通過任務類型區(qū)分，獲取對應的通航航班計劃（主要包括航班號、二次代碼、起飛機場、降落機場等屬性）。

2）ADS-B 監(jiān)視數(shù)據(jù)，以接收UDP 報文的方式，采集ADS-B 數(shù)據(jù)中心的監(jiān)視數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心的監(jiān)視數(shù)據(jù)為已處理過的數(shù)據(jù)，包括去重、虛假目標處理、去除鋸齒等操作。通關過解析UDP 報文，獲取報文中的航班號、二次代碼數(shù)據(jù)，從而與步驟（1）中獲取到的通航計劃數(shù)據(jù)列表進行關聯(lián)，過濾出通航飛行監(jiān)視數(shù)據(jù)。

2.3 ADS-B 數(shù)據(jù)解析

通過接收單播或廣播方式傳送的ADS-B 監(jiān)視數(shù)據(jù)，按照Cat021 數(shù)據(jù)格式進行解析，獲取其航班號、應答機編碼、UTC 時間、經(jīng)度、緯度、飛行高度、地速、角度、目標標識等信息字段。

系統(tǒng)設計有UDP 端口監(jiān)聽程序，當監(jiān)聽到數(shù)據(jù)到來時，觸發(fā)數(shù)據(jù)解析進程，對該UDP 報文進行拆分解析，每一個UDP 報文可能包含多個Cat021 格式的數(shù)據(jù)，需在解析前進行處理。解析成功的數(shù)據(jù)存儲于內(nèi)存中，通過設置閥值來判斷是否批量存入消息隊列中。

2.4 航班計劃關聯(lián)

航班計劃系統(tǒng)中的航班計劃數(shù)據(jù)以消息隊列的方式對外發(fā)布。所發(fā)布的數(shù)據(jù)既包含運輸航班的數(shù)據(jù)，也包含通航航班的數(shù)據(jù)。通過關聯(lián)通航相關的任務性質(zhì)（比如“訓練”“護林”“巡線”等），篩選出通航計劃數(shù)據(jù)。將獲取到的數(shù)據(jù)，以內(nèi)存對象的形式存儲。每個對象均包含航班號、應答機等重要信息。航班計劃關聯(lián)程序通過將此信息與ADS-B 監(jiān)視數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，過濾出通航飛行的監(jiān)視數(shù)據(jù)，暫不對運輸航班監(jiān)視數(shù)據(jù)進行處理。同時補充起飛機場、降落機場字段，同時將該數(shù)據(jù)保存消息隊列中。

2.5 消息隊列緩存

由于ADS-B 監(jiān)視數(shù)據(jù)中既包含運輸航空的監(jiān)視數(shù)據(jù)，也包括通用航空的監(jiān)視數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大。雖然已經(jīng)成功過濾出通航的監(jiān)視數(shù)據(jù)，但對于監(jiān)視數(shù)據(jù)的發(fā)布頻次來看，還是過于頻繁。對于低空飛行監(jiān)視來說，并不需要如此小的間隔數(shù)據(jù)，因此還需要設置一個數(shù)據(jù)過濾閥值，主動過濾部分數(shù)據(jù)。對于判斷為通航的航班來說，其軌跡數(shù)據(jù)較多，如果對于每一條軌跡數(shù)據(jù)均直接進行數(shù)據(jù)庫操作的話，將會大大增加數(shù)據(jù)庫的負載壓力。因此，引入了并發(fā)性能更加優(yōu)越的消息隊列。通過設置消息隊列深度，來調(diào)用數(shù)據(jù)庫批量寫入操作。為避免應用程序頻繁的對數(shù)據(jù)進行寫操作，將解析程序與數(shù)據(jù)庫操作程序通過ActiveMQ 消息隊列進行分離，解析程序直接將解析結果插入隊列中即可。

圖2

2.6 數(shù)據(jù)批量存儲

設計消息隊列監(jiān)聽程序，對于存入消息隊列中的數(shù)據(jù)，當消息隊列深度已滿時，將會直接啟動數(shù)據(jù)庫讀寫操作。通過建立與數(shù)據(jù)庫之間的連接，利用數(shù)據(jù)庫批量寫入方法，按批量的寫入數(shù)據(jù)庫，極大的減少了數(shù)據(jù)寫入耗時。

2.7 WebSocket 服務端

該服務端的設計僅針對于ADS-B 運輸航空的飛行數(shù)據(jù)。對于判斷為運輸航空的監(jiān)視數(shù)據(jù)，不存入消息隊列中，通過設計一個消息發(fā)送服務端。同時為了減輕網(wǎng)絡傳輸帶寬壓力，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行格式轉換，調(diào)整為JSON 格式，進行GZIP 壓縮，經(jīng)測試，經(jīng)過轉格式以及壓縮后的數(shù)據(jù)量，為原始數(shù)據(jù)大小的1/10。通過建立Server 端，實時監(jiān)聽連接端口，一旦發(fā)現(xiàn)有客戶端連接，則實時發(fā)送解析后的數(shù)據(jù)。此種方式可以滿足一對多的場景，即一個Server 端，允許對多個客戶端傳輸數(shù)據(jù)。另外，設置客戶端存活監(jiān)測機制，定期在客戶端與服務端之間傳送心跳數(shù)據(jù)，避免假死情況發(fā)生。

由于系統(tǒng)中只需要關注飛行態(tài)勢，因此對于同一個航班的飛行軌跡，不需保存多個軌跡點數(shù)據(jù)，對于具體某航班的軌跡，僅保留其兩個相鄰位置點信息。對于解析獲取到的ADS-B 數(shù)據(jù)，更新較早的位置點信息。當用戶選擇運輸航空監(jiān)視時，自動創(chuàng)建于WebSocket 服務端的連接，服務端將內(nèi)存中的航班軌跡列表發(fā)送至各接入的客戶端瀏覽器。

2.8 航跡繪制

SuperMap 是一套GIS 產(chǎn)品，提供基礎的地圖服務，可以通過調(diào)用圖層繪制方法，在原底圖基礎上進行自定義繪制，包括管制區(qū)，機場等。通過讀取通航航班飛行軌跡數(shù)據(jù)，調(diào)用SuperMap 提供的JavaScript 方法，在地圖上進行繪制。

對于通航航班，其軌跡數(shù)據(jù)均存儲于數(shù)據(jù)庫中，通過批量讀取數(shù)據(jù)庫中的軌跡記錄，查找其最新兩個位置點信息。然后計算其相對位置，調(diào)整軌跡繪制時的角度。

對于運輸航空航班，通過選取運輸航空類別后，建立與WebSocket 服務端的TCP 連接，直接通過獲取服務端發(fā)送的航班軌跡數(shù)據(jù)，每個航班軌跡僅包含相鄰兩個位置點信息，通過JS 的JSON 數(shù)據(jù)拆分方法，獲取相鄰兩個坐標值。通過調(diào)用SuperMap提供的繪制方法，將航班圖標進行間隔繪制，同時做一定平滑處理。設定繪制更新間隔，實時展示航班軌跡。

3 結束語

ADS-B 監(jiān)視手段是實現(xiàn)低空監(jiān)視的重要手段之一，本文通過對ADS-B 監(jiān)視數(shù)據(jù)的解析、與航班計劃關聯(lián)、分類存儲、GIS 展現(xiàn)等技術，實現(xiàn)了通航航班飛行軌跡的實時展示，能夠更好地為通航服務。