0 引言

    ADS-B^[1]是空管領域的一種基于全球定位系統和利用空地、空空數據鏈通信完成交通監視和信息傳遞的監視技術。該技術把飛行目標作為監視對象，獲取飛行目標當前的位置、高度等信息，將信息重組形成符合規范要求的ADS-B協議數據報文后，通過機載的上下天線將其發送出去。ADS-B地面站設備或安裝了ADS-B數據報文接收設備的其他飛行目標接收此ADS-B數據報文，通過對報文的解析，獲取此飛行目標的位置和飛行狀態數據信息，從而實現對飛行目標的監視。

    ADS-B數據報文采集與解析系統能夠解析Cat 021類型報文，采用以太網RJ45接口引接外聯的方式，實時采集ADS-B地面接收設備的數據報文，檢驗數據完整性和準確性，并轉發至實時解析系統，展示飛行目標關鍵數據信息，在數據層面與顯控主機（UI圖像層面的宏觀監控）配合完成對空中飛行目標的精準化監視與管制，同時采用多種方式對原始接收數據進行存儲，實現事后分析和歷史數據回放。這對1090 ES地面站設備態勢顯示具有十分重要的應用價值。

    本文首先介紹了ADS-B系統地面站工作原理，引出其改進設計的新思路，然后對ADS-B數據報文采集與解析系統的設計與實現進行描述，給出系統測試與結果分析，最后進行了總結和展望。

1 ADS-B地面站系統工作原理

1.1 ADS-B地面站系統

    ADS-B地面站系統是ADS-B系統^[2]中的核心部分，下面介紹ADS-B地面站系統的工作原理。

1.1.1 系統主要用途

    ADS-B地面站系統^[3]主要用途是為空管提供ADS-B信息服務、ADS-B飛機監視和管制，具有數據變換處理能力，以及抗干擾機制和較高穩定性的軟硬件設計，能夠滿足民航、通航機場和航路的使用要求。

1.1.2 系統組成模塊

    ADS-B地面站系統主要由地面站處理主機、全向天線、饋線、顯控主機和站點監視器組成。鑒于國際民航組織亞太區的建議和在全球范圍內的互操作性，我國在西部實施利用ADS-B技術提供類雷達監視服務時，首先考慮使用1090ES作為ADS-B數據鏈。

    ADS-B地面站顯控主機通過SNMP V3網絡管理協議對1090ES數據鏈地面站處理主機進行監視、控制（復位、重啟、軟件升級、輸出使能/禁止等）和維護，獲得完善的系統狀態信息。如果ADS-B地面站系統無故障，地面站會周期性地產生測試用的ASTERIX目標報文^[4]，通過在地面站顯控主機界面上觀察即可以實時獲得整個系統的工作狀態。

    ADS-B地面接收設備系統結構如圖1所示。

1.2 ADS-B地面站系統運行時流程

    在ADS-B地面站處理主機，1090ES消息接收單元收到來自空中的消息（符合標準規范的Cat 021報文信息的無線射頻信號），通過消息報告匯總并生成標準的ADS-B報文^[5]（包括狀態報告、模式報告和OC報告等），把這些信息存儲進入消息隊列并通過緩存輸出，在控制信息的引導下，以Cat 021的數據格式發送到ADS-B應用系統，滿足各種不同應用需要。

    ADS-B地面站系統運行時基本流程（以ADS-B Cat 021報文格式為例）如圖2所示。實時地用數據驅動UI界面的顯示，將飛行目標的關鍵數據信息進行展示，輔助地面站管制人員實現對飛行目標的有效監控^[6]，完成決策制定和空域內飛行目標管理調度。

1.3 ADS-B地面站系統設計的新思路

    當前所用的ADS-B地面站系統在某些特殊場景下，其包含的信息量較少，不能完全滿足更細粒度的實際應用需求，例如不能支持數據采集、歷史回放和分析評估，不能實時顯示數據層面信息，只包含飛行目標的相關狀態信息，這也為ADS-B地面站系統的發展提出了更高的要求。

1.3.1 網絡數據報文采集

    為了有效監測和分析空中飛行目標的狀態變化信息、目標處理錯誤信息，掌握當前ADS-B地面站所屬空域中的飛行目標管理調度策略等內容，需要從全局上對Cat 021報文進行準確全面的解析，統計有效目標數量和各目標的飛行參數設置^[7]。另外，考慮到某些特殊的ADS-B系統實驗測試需求，需要對報文數據采集和留檔存儲，離線進行數據分析，而且在數據采集時限制多種存儲形式（二進制原始碼流、十六進制串、格式化的Cat 021信息解譯結果數據等），需要在地面站系統后端定制化數據采集方案。

1.3.2 Cat 021數據報文解析

    通過設計研發一種新的Cat 021報文解析軟件，在數據層面上檢驗數據完整性和準確性，剔除野值數據包，實時顯示解析Cat 021報文數據記錄項信息^[8]，周期性統計飛行目標個數，并將解析結果中的關鍵航跡數據以特定傳輸方式（UDP單播方式）轉發至第三方態勢顯示系統，增加人機交互的友好性，輔助地面站顯控主機對飛行目標的狀態變化監視和管理調度，這將為ADS-B地面站系統提供十分重要的應用價值。

2 ADS-B數據報文采集與解析系統設計與實現

2.1 改進的ADS-B地面站系統結構設計

2.1.1 ADS-B數據報文采集與解析系統定位

    ADS-B Cat 021報文采集與解析系統定位于在ADS-B地面站系統中實時通過RJ45接口從ADS-B地面接收設備采集并解析Cat 021數據報文，在數據層面進行實時信息展示和分析，實現報文數據按需分類存儲，豐富并擴展ADS-B地面站系統的主要功能，方便ADS-B地面站人員開展各項業務工作。

2.1.2 改進的ADS-B地面站系統網絡拓撲結構

    按照真實的ADS-B地面站系統業務應用場景需要，采用構件化的設計思想，改進的ADS-B地面站系統全局網絡布局如圖3所示。系統仍然是星型的網絡拓撲，ADS-B數據報文采集與解析系統運行部署后，作為ADS-B地面站系統的一個相對獨立的構件而存在，包含ADS-B Cat 021報文數據實時采集子系統和ADS-B Cat 021報文實時信息解析子系統兩個部分，通過以太網方式接入ADS-B地面站系統，僅僅采用RJ45接口對外進行數據交互，減少了對原有地面站系統中其他模塊的干擾和影響。

2.2 ADS-B數據報文采集與解析系統總體框架設計

    系統總體框架設計如圖4所示。

    ADS-B Cat 021報文采集與解析系統采用C/S架構的開發模式和分層的設計方法，遵循軟件工程設計中高內聚低耦合、高扇入低扇出的原則，系統劃分為3層：第一層（底層）數據支撐層，作為系統的數據輸入，通過網絡數據采集技術獲取原始Cat 021報文數據，并將其以UDP單播/組播方式轉發至報文解析軟件，為業務邏輯層提供數據支撐服務；第二層（中間層）業務邏輯層，主要完成數據報文處理、解析、存儲等各種業務處理功能，供應用層進行調用；第三層（上層）應用層，提供報文解析結果的各種應用程序。采用層次設計的優勢在于系統各層次業務分明，層與層之間相對獨立，系統的研發工作能夠按層次并行實施，各層專注于更高效的軟件實現，更利于算法替換和后期系統維護。

2.3 系統組成模塊設計

    系統總體上劃分為ADS-B Cat 021數據報文采集設計、ADS-B Cat 021報文解析算法設計和ADS-B Cat 021報文解析軟件UI設計3個組成部分。系統組成如圖5所示。

2.3.1 ADS-B Cat 021數據報文采集設計

    主要實現以UDP單播(或UDP組播)引接外聯方式實時對ADS-B地面接收站處理主機發送的原始數據進行數據采集和多種不同形式存儲。

2.3.2 ADS-B Cat 021報文解析算法設計

    系統算法設計以標準的ADS-B Cat 021數據報文結構為出發點，創造性地的定義解析數據結構，對比分析各算法實現的時間/空間復雜度，選用高效的算法。

2.3.3 ADS-B Cat 021報文解析軟件UI設計

    系統所設計的UI能夠實時地將數據報文解析結果中的數據項進行完整顯示，并將關鍵數據信息進行突出高亮展示，同時增加了飛行目標數周期性統計、解析結果轉發至態勢顯示系統的功能，創造性地擴展了ADS-B地面站系統的多項業務功能。

2.4 系統數據采集與解析處理流程

    Cat 021數據報文處理流程如圖6所示。

    考慮到Eurocontrol組織制定的標準ADS-B Cat 021數據報文結構中的數據幀長度的變長性和數據項間的強相關性，系統創新性地在數據報文解析算法中自定義一個“索引目錄”的數據結構。在實際運行時，首先對實時原始航跡數據報文記錄項進行完整性和準確性檢查，并提取“索引目錄”對象；然后按照預定的報文解析算法將其所對應的bits數組進行分組并發解析、組內串行解析處理，分解出所有關鍵字段內容，極大地提高了數據報文的解析效率。報文解析的核心數據字段主要有WGS-84坐標位置（維度、經度）、24位飛行目標地址、大氣壓高度、地向量（地速、航向角）。

2.5 ADS-B數據報文采集與解析系統測試與結果分析

2.5.1 系統運行時UI展示

    系統運行時實時解析主界面視圖如圖7所示。

2.5.2 測試結果分析

    系統已應用于真實的場景中，通過執行第三方測評機構制定的標準測試用例，能夠實現各項功能和性能指標，可以對ADS-B Cat 021格式的數據報文進行數據采集和信息解譯。系統部分測試數據項對比如表1所示，在目標個數統計、可靠性測試上，與顯控主機的運行結果一致；在單目標平均響應時間、飛行目標坐標變換上表現更強，已完全滿足業務應用需求。

3 結論

    本文主要設計實現對象是ADS-B 數據報文采集與解析系統。在全面了解ADS-B地面站系統和ADS-B Cat 021報文協議格式的基礎上，設計并實現了ADS-B數據報文采集與解析系統，一定程度上提高對ADS-B地面站系統的認識，對后續的研究具有一定的指導借鑒意義。后續需深入思考的內容有：

    (1)系統考慮引入更優的野值剔除算法來保證航跡數據的正確性；

    (2)ADS-B與雷達傳感器協同工作實現覆蓋范圍的無縫集成和統一。

    由于所學知識有限和時間的限制，上述內容在本文中沒有得到很好的解決。但是筆者堅信，隨著科學技術的發展，系統終將會朝著功能更加完善、UI更加人性化的方向發展。

參考文獻

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作者信息:

索國偉，王金鎖，郭榮華，趙  盼

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽471003）