馮 超

ASTERIX協(xié)議數(shù)據(jù)解析算法研究與實現(xiàn)

馮 超

（中國民用航空深圳空中交通管理站，深圳 518000）

近年來隨著航班量與日俱增，應用各類航班監(jiān)視設備數(shù)據(jù)進行本地化開發(fā)以提升航空管制安全和管制效率已成為必然發(fā)展趨勢。ASTERIX作為各類航班監(jiān)視設備數(shù)據(jù)交換標準涉及到的協(xié)議種類較多，解析這些協(xié)議是實現(xiàn)監(jiān)視設備數(shù)據(jù)二次開發(fā)應用的關鍵。以CAT021數(shù)據(jù)為例，針對ASTERIX協(xié)議數(shù)據(jù)提供了一種通用的解析算法，并根據(jù)算法完成了一套通用的數(shù)據(jù)解析程序實現(xiàn)框架。

ASTERIX；監(jiān)視設備；解析算法；UAP

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的不斷增長，民航機場的航班量與日俱增，以深圳寶安國際機場為例，2019年的航班日均架次已經(jīng)達到了1013架次，平均每1~2分鐘就需要指揮一架飛機起降，同時機場場面還有很多車輛行駛，如遇特殊天氣，情況更加復雜，以上這些狀況為航空管制人員指揮航班帶來很大壓力。為解決這一問題，各大機場引入了各種類型的航空器監(jiān)視設備。如監(jiān)視航路上飛機信息的航管二次雷達和ADS-B設備；監(jiān)控機場場面信息的多點定位和場面監(jiān)視雷達設備等。利用各種航空器監(jiān)視設備實時監(jiān)控航班的位置和狀態(tài)，并通過計算機軟件終端為管制員實時提供航班相關信息，輔助管制人員指揮飛機，從而有效地提高了航班管制的安全性和效率。

而近年來隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術的興起和普及，使利用航班監(jiān)視數(shù)據(jù)進行更加前瞻性、智能化的應用研究和開發(fā)成為可能，這就需要對各監(jiān)視設備輸出的數(shù)據(jù)進行深入和全面的研究。ASTERIX（All Purpose Structured Euro-control Surveillance Information Exchange）協(xié)議是各類監(jiān)視設備進行數(shù)據(jù)交換的基本傳輸協(xié)議，當前的各類研究中，關于ASTERIX協(xié)議數(shù)據(jù)的解析只針對某種類型的數(shù)據(jù)進行了解析，如只解析了航管二次雷達數(shù)據(jù)的協(xié)議CAT001和CAT048，并未對所有ASTERIX協(xié)議中所有數(shù)據(jù)類型的標準提出解析的算法和實現(xiàn)方案。本文詳細描述了ASTERIX協(xié)議數(shù)據(jù)的特點和解析規(guī)則，并以CAT021數(shù)據(jù)為例，提出了一種解析ASTERIX協(xié)議數(shù)據(jù)的通用算法，并根據(jù)該算法實現(xiàn)了一套通用的數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)。

1 ASTERIX簡介

ASTERIX，是歐洲航行安全組織制定的關于航班監(jiān)視設備間用于數(shù)據(jù)交換的標準[2]。ASTERIX數(shù)據(jù)結構包括數(shù)據(jù)類型（CAT）、數(shù)據(jù)長度（LEN）、數(shù)據(jù)記錄（Record）、字段描述（Field Specification，F(xiàn)SPEC）、數(shù)據(jù)項（Data Field）等字段[3]。

針對不同監(jiān)視設備，ASTERIX制定了不同的協(xié)議標準。CAT001和CAT048，多用于航管二次雷達的數(shù)據(jù)傳輸；CAT010多用于多點定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸[3]；CAT011是高級場面活動引導系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出格式，多用于場面自動化監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出格式[4]；CAT021則多用于ADS-B設備的數(shù)據(jù)傳輸；CAT062多用于雷達綜合航跡數(shù)據(jù)的傳輸。各硬件設備輸出的數(shù)據(jù)格式不是固定的，可以根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行封裝輸出，但所有ASTERIX數(shù)據(jù)的解析規(guī)則都是相同的，下面針對解析方法進行論述。

2 ASTERIX解析

如圖1所示，ASTERIX數(shù)據(jù)主要由CAT、LEN和若干Record組成。其中，一條記錄由一個FSPEC和Data Field組成。其中，Data Field為數(shù)據(jù)項集合；FSPEC為字段說明，它決定了Data Field中包含哪些數(shù)據(jù)項。每條記錄包含了一個航班在某一時刻的相關信息，例如航班的航班號、位置、時刻、航班計劃等。每一類數(shù)據(jù)協(xié)議的每一條記錄所包含的信息都是不同的，記錄中包含哪些信息需要結合FSPEC和每類協(xié)議的UAP（User Application Profile）來確定。

圖1 數(shù)據(jù)結構簡圖

CAT021數(shù)據(jù)類型的UAP[1]如表1所示，UAP中給出了FRN和數(shù)據(jù)項名稱及數(shù)據(jù)項的字節(jié)長度。每一條記錄中的Data Field包含哪些數(shù)據(jù)項，是由FRN決定的，F(xiàn)RN就是FSPEC的二進制表示形式，F(xiàn)RN從高位到低位，按照表1中對應關系，F(xiàn)RN是1的位所對應的數(shù)據(jù)項在Data Field中是存在的，0所對應的數(shù)據(jù)項在Data Field中則不存在。FRN中每個字節(jié)的第八位，即FX位是FRN的擴展位，若FX為“1”則表示下一個字節(jié)仍然屬于FSPEC，若為“0”則下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)屬于Data Field。對于存在的數(shù)據(jù)項，需要按照具體的解析規(guī)則進行解析。

表1 CAT021 UAP

續(xù)表1 CAT021 UAP

CAT021數(shù)據(jù)包實例如圖2所示。整個數(shù)據(jù)包是一個字節(jié)數(shù)組，圖2中以空格作為間隔展示數(shù)組中所有字節(jié)，每個字節(jié)是0~255之間的十進制數(shù)字。

圖2 CAT021數(shù)據(jù)實例

具體解析規(guī)則如下：

（1）第1個字節(jié)中的十進制數(shù)21，代表此數(shù)據(jù)包格式為CAT021數(shù)據(jù)；

（3）從第4個字節(jié)開始到最后，包含了一條或者多條航班信息的記錄；

（4）圖中實例只包含了一條記錄，它的FSPEC為“245 31 251 107 211 160”。確定FSPEC的方法為，從本記錄的第1個字節(jié)開始查找到第1個是偶數(shù)的字節(jié)為止所有的字節(jié)構成FSPEC。轉換為二進制的FRN后，根據(jù)表1中的對應關系，按照順序此條數(shù)據(jù)的Data Field中包含的數(shù)據(jù)項依次為“I021/010”、“I021/040”、……、“I021/132”；

（5）按照每個數(shù)據(jù)項具體解析規(guī)則對Data Field中數(shù)據(jù)進行逐項解析。

3 數(shù)據(jù)項類型

ASTERIX中包含三種類型的數(shù)據(jù)項：長度固定的數(shù)據(jù)項、有擴展項的數(shù)據(jù)項及組合定義的數(shù)據(jù)項。

3.1 長度固定的數(shù)據(jù)項

此類數(shù)據(jù)項所占的字節(jié)數(shù)在Data Field中是固定的，按照固定字節(jié)長度進行解析即可，如圖2實例中“I021/010”，在表1中定義長度固定為2字節(jié)，那么在Data Field中“22 171”即為其值，再根據(jù)“I021/010”具體解析規(guī)則，如圖3所示，第一個字節(jié)為SAC（系統(tǒng)區(qū)域碼），第二個字節(jié)為SIC（系統(tǒng)標識碼），則可以最終解析結果為SAC為“22”，SIC為“171”。

圖3 I021/010數(shù)據(jù)項解析規(guī)則

3.2 有擴展項的數(shù)據(jù)項

此類數(shù)據(jù)項第1個字節(jié)的二進制表示形式的最后一位，若為“1”則表示此數(shù)據(jù)項還有一個擴展字節(jié)，以此類推，直到字節(jié)最后一位為“0”為止。如圖2實例中“I021/040”，在表1中定義長度為“1+”，表示長度至少有1個字節(jié)，具體解析規(guī)則如圖4所示。

圖4 I021/040數(shù)據(jù)項解析規(guī)則

按照解析順序，在Data Field中I021/040所對應的字節(jié)應為“0”，根據(jù)解析規(guī)則，將十進制“0”轉換為二進制后為“00000000”，那么對應的ATP值為“000”，即十進制值為0，那么它所描述的含義為地址類型是24位地址碼；ARC值為“00”，即十進制值為“0”，所描述的含義為目標高度報告能力為25英尺；依此類推。其中FX為擴展位，此位為“0”，那么I021/040就沒有擴展字節(jié)；假設若FX位為“1”，則表示在Data Field中“0”的下一個字節(jié)“12”也屬于I021/040，那么需要繼續(xù)按照擴展字節(jié)的解析規(guī)則繼續(xù)解析，擴展字節(jié)解析規(guī)則在此就不再贅述。

3.3 組合定義的數(shù)據(jù)項

此類數(shù)據(jù)項在Data Field中占有的字節(jié)長度是根據(jù)前幾個字節(jié)的二進制位是“1”還是“0”來確定后面有哪些子數(shù)據(jù)項而確定的。例如I021/220數(shù)據(jù)項，其解析規(guī)則如圖5所示。

圖5 I021/220數(shù)據(jù)項解析規(guī)則

假設一段I021/220所屬的字節(jié)數(shù)據(jù)為“192 0 106 0 255 234……”，如圖6所示，第1個字節(jié)數(shù)值為“192”，轉換為二進制數(shù)為“11000000”，那么其對應的風速（WS）和風向（WD）值為“1”，氣溫（TMP）和氣流（TRB）的值為“0”[1]。代表字節(jié)數(shù)組中存在WS和WD的子數(shù)據(jù)項，需要按照子數(shù)據(jù)項的規(guī)則進行解析，WS和WD的子數(shù)據(jù)項根據(jù)協(xié)議均占有2字節(jié)固定長度[1]，那么按照解析規(guī)則，WS的值為106節(jié)，WD的值為255度。

圖6 I021/220數(shù)據(jù)項解析規(guī)則

4 解析算法

根據(jù)ASTERIX數(shù)據(jù)的特點，本文設計了算法用于解析所有類型的ASTERIX數(shù)據(jù)。ASTERIX數(shù)據(jù)解析流程如圖7所示。

圖7 解析算法流程圖

（1）判斷數(shù)據(jù)協(xié)議。當接收到相關字節(jié)數(shù)組時，首先判斷第1個字節(jié)中的數(shù)值是否為對應的協(xié)議名稱的數(shù)值，例如CAT021協(xié)議，則第1個字節(jié)為“21”；CAT011協(xié)議，第1個字節(jié)則為“11”；以此類推，若正確則繼續(xù)進行，若不正確則直接將數(shù)據(jù)包舍棄；

（3）記錄解析。從字節(jié)數(shù)組第4個字節(jié)開始到最后，包含了一條或多條記錄。根據(jù)文章前面闡述的解析規(guī)則結合數(shù)據(jù)類型解析出每條記錄包含的航班信息。當一條記錄被解析完成后，若字節(jié)數(shù)組中還存在未被解析的數(shù)據(jù)，需要繼續(xù)按照記錄解析的規(guī)則循環(huán)解析數(shù)據(jù)，直到整個數(shù)據(jù)包中所有數(shù)據(jù)全部被解析為止。

5 實現(xiàn)框架

本文以ASP.net core為基礎框架[5]，結合UDP Client，MySQL及Redis和RabbitMQ等中間件，完成了ASTERIX數(shù)據(jù)解析的通用服務，程序框架如圖8所示。

圖8 ASTERIX數(shù)據(jù)解析程序框架

圖9 CAT021數(shù)據(jù)解析結果示例

程序啟動時通過加載配置文件中數(shù)據(jù)類型信息，將對應的數(shù)據(jù)項解析服務注冊到ASP.net core框架的容器中；監(jiān)視數(shù)據(jù)一般會以UDP組播的形式進行傳輸，所以程序可通過UDP Client接收數(shù)據(jù)，并傳遞給注冊后的解析服務進行解析；最后將解析后的結果進行存儲；對于新增的數(shù)據(jù)類型，只需要增加協(xié)議中各數(shù)據(jù)項內容的解析服務即可。以JSON格式編碼的解析后數(shù)據(jù)如圖9所示。

6 總結

本文以CAT021數(shù)據(jù)為例分析了數(shù)據(jù)項的類型并詳細闡述了ASTERIX數(shù)據(jù)的解析規(guī)則，給出了通用的ASTERIX數(shù)據(jù)解析方法，同時利用ASP.net core等技術，成功實現(xiàn)了通用的ASTERIX數(shù)據(jù)解析程序框架。對利用航班監(jiān)視設備數(shù)據(jù)進行航班空中和地面監(jiān)視應用的開發(fā)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

[1] Euro-control. Euro-control Standard Document For Surveillance Data Exchange Part 12: Category 021 ADS-B Reports[Z]. 2.1 ed. Euro-control, 2011.

[2] 雷張華，李方軍，邱天，等. 基于ASTERIX標準的終端數(shù)據(jù)交換[J]. 火控雷達技術，2020，49（2）：41-45+65.

[3] Euro-control. Euro-control Standard Document For Surveillance Data Exchange Part 7: Category 010 Transmission of Mono-sensor Surface Movement Data[Z]. 1.1 ed. Euro-control, 2007.

[4] 王暉. 場面監(jiān)視雷達數(shù)據(jù)處理方法研究[D]. 成都：電子科技大學，2017.

[5] 蔣金楠. ASP.NET Core 3框架揭秘[M]. 北京：北京電子工業(yè)出版社，2020.

Research and Implementation of Data Parsing Algorithm for ASTERIX Protocol

FENG Chao

With the increasing number of flights in recent years, it has become an inevitable development trend to apply all kinds of flight surveillance equipment data for localized development to improve aviation control safety and control efficiency. As a data exchange standard for various flight surveillance equipment, ASTERIX involves many kinds of protocols. Analyzing these protocols is the key to realize the secondary development and application of surveillance equipment data. Taking CAT021 data as an example, a general analysis algorithm for ASTERIX protocol data is provided, and a set of general data analysis program implementation framework is completes according to the algorithm.

ASTERIX; Surveillance Equipment; Analytical Algorithm; UAP

V355.1

A

1674-7976-(2021)-06-444-05

2021-10-11。

馮超（1986.10—），吉林白城人，碩士，工程師，主要研究方向為民用航空通信導航監(jiān)視領域軟件研發(fā)。