摘 要： 介紹了Asterix Category 033協(xié)議的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成、編碼的內(nèi)容以及在監(jiān)視應(yīng)用中的關(guān)鍵作用，研究了該協(xié)議的CRC編碼方式以及報(bào)文的組裝方式，提出了每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)容在監(jiān)視終端和地面接收處理基站中的處理方法。所研究和分析成果為Asterix Category 033協(xié)議生成與解析報(bào)文提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞： Asterix Category 033協(xié)議；UAT；監(jiān)視；CRC校驗(yàn)；ADS-B
0 引言
廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）[1-6]是基于GPS衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B具有使用成本低、精度誤差小、數(shù)據(jù)更新率高以及監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)（如場(chǎng)面監(jiān)視等）也有廣泛的應(yīng)用前景。許多國(guó)家把它當(dāng)作下一代監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向。而ADS-B分為UAT模式、1090ES模式和VDL4模式[7]，本文就UAT模式下的Asterix Category 033協(xié)議的編碼、解析以及在監(jiān)視終端的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，為地面站和監(jiān)視終端軟件的開(kāi)發(fā)以及空管自動(dòng)化的應(yīng)用提供參考。
1 Category 033 UAT模式的報(bào)文協(xié)議構(gòu)架[1]
目標(biāo)報(bào)告的格式基于歐洲航空安全組織所采用的用于監(jiān)視數(shù)據(jù)交換的Asterix信息標(biāo)準(zhǔn)。Asterix結(jié)構(gòu)以及編碼的背景信息見(jiàn)1997年11月發(fā)布的SUR. ET1. STOP5. 2000-STD-01-01文件“Asterix”的第一部分“歐洲航空安全組織監(jiān)視數(shù)據(jù)交換”。
用戶應(yīng)用規(guī)范（UAP）作為一種機(jī)制，分配數(shù)據(jù)項(xiàng)到Asterix信息數(shù)據(jù)字段，并包含為了成功地對(duì)這些信息進(jìn)行編碼和解碼而需要標(biāo)準(zhǔn)化的所有必要信息。一種Asterix數(shù)據(jù)類型（CAT）由一套數(shù)據(jù)項(xiàng)（包含于此數(shù)據(jù)類型的有效信息中）來(lái)定義。來(lái)自UAT模式的地面站目標(biāo)報(bào)告的Asterix數(shù)據(jù)類別己被定為“033”。該數(shù)據(jù)類別定義了Asterix Category 033數(shù)據(jù)的編解碼方式，同時(shí)也說(shuō)明了該標(biāo)準(zhǔn)與其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（RTCA DO-282A/282B、RTCA DO-242A等）的引用和參考關(guān)系。
1.1 Category 033 UAT模式的報(bào)文組裝原理
Category 033報(bào)文是地面站和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的報(bào)文格式，ADS-B數(shù)據(jù)源需要轉(zhuǎn)換為這種報(bào)文形式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。Category 033報(bào)文的格式如表1所示。同步序列分為同步頭和尾同步序列，都為固定的4 B，其格式為：0x01FFFFFF。報(bào)文內(nèi)容中包括了Category 033的數(shù)據(jù)項(xiàng)，這些數(shù)據(jù)項(xiàng)如表2所示。CRC校驗(yàn)為2 B，其作用是確保報(bào)文在傳輸過(guò)程中的完好性。CRC校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)采用查表的方式，首先生成長(zhǎng)度為256的CRC數(shù)據(jù)表，然后把要進(jìn)行CRC校驗(yàn)的內(nèi)容與CRC數(shù)據(jù)表中的隨機(jī)異或而獲得CRC的值。
1.2 Category 033協(xié)議的數(shù)據(jù)項(xiàng)及應(yīng)用
在Category 033協(xié)議中，數(shù)據(jù)項(xiàng)是報(bào)文的組裝內(nèi)容，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)容都是監(jiān)視終端處理的依據(jù)，而且在Category 033協(xié)議中，有些數(shù)據(jù)項(xiàng)是必須包含的，有的數(shù)據(jù)項(xiàng)是可選擇的，這些都要根據(jù)地面站的配置以及目標(biāo)的報(bào)文來(lái)決定，因此在監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮到應(yīng)用監(jiān)視終端對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)的需求和實(shí)時(shí)性，同時(shí)也考慮到數(shù)據(jù)項(xiàng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中是否影響網(wǎng)絡(luò)的帶寬。根據(jù)表2，現(xiàn)將Category 033協(xié)議中一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)項(xiàng)以及在監(jiān)視終端軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用作詳細(xì)的說(shuō)明。
?。?）數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)符：表示Category 033協(xié)議報(bào)文來(lái)自哪個(gè)地面站，它包含了系統(tǒng)區(qū)域碼（SAC）和系統(tǒng)標(biāo)識(shí)碼（SIC）兩個(gè)方面的內(nèi)容，方便監(jiān)視終端識(shí)別信息源。
?。?）鏈路技術(shù)指示符：表示該數(shù)據(jù)鏈路的模式，在1090ES、UAT、VDL4和其他鏈路中選擇。
（3）星歷基準(zhǔn)時(shí)間：報(bào)告目標(biāo)此刻位置的當(dāng)日時(shí)間。該時(shí)間戳有利于監(jiān)視終端對(duì)目標(biāo)狀態(tài)的更新和目標(biāo)報(bào)文的丟棄。由于每個(gè)地面站的時(shí)間都是通過(guò)GPS獲得同步，Category 033協(xié)議報(bào)文網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)具有不確定性，可以比較該時(shí)間戳而避免目標(biāo)在監(jiān)視界面上出現(xiàn)倒退的現(xiàn)象發(fā)生。
?。?）目標(biāo)地址：目標(biāo)的唯一標(biāo)識(shí)，監(jiān)視終端根據(jù)該數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行更新。
?。?）完整性及精確度參數(shù)：明確了Category 033協(xié)議報(bào)文的完好性，如果該參數(shù)的值不滿足民航規(guī)定的完好性指標(biāo)，就把該報(bào)文丟棄。該數(shù)據(jù)項(xiàng)包括導(dǎo)航完好性、監(jiān)視完好性以及位置完好性類別。
?。?）緯度/經(jīng)度：目標(biāo)的WGS-84地理坐標(biāo)，給出了目標(biāo)當(dāng)前的位置。
?。?）氣壓高度：給出了目標(biāo)的飛行高度。
（8）目標(biāo)呼號(hào)：目標(biāo)的航班號(hào)，該數(shù)據(jù)項(xiàng)方便管制員記憶，不是唯一的，管制員與飛行員進(jìn)行通話就使用目標(biāo)的呼號(hào)。
（9）目標(biāo)狀態(tài)：表示目標(biāo)是否處在緊急狀態(tài)，如醫(yī)療事故、最低燃料、無(wú)法通信、劫機(jī)等，監(jiān)視終端可以根據(jù)該數(shù)據(jù)項(xiàng)給管制員呈現(xiàn)目標(biāo)的狀態(tài)。
其他的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括目標(biāo)的速度、航向、目標(biāo)的機(jī)型類別等。
1.3 Category 033協(xié)議報(bào)文的編解碼處理
Category 033協(xié)議報(bào)文的編碼是按照表中的字段參考編號(hào)順序進(jìn)行編碼，然而一條Category 033協(xié)議報(bào)文不是包含所有數(shù)據(jù)項(xiàng)，而數(shù)據(jù)項(xiàng)的有無(wú)與目標(biāo)發(fā)送的ADS-B數(shù)據(jù)源有關(guān)，為了明確Category 033協(xié)議報(bào)文中包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)，在報(bào)文內(nèi)容中規(guī)定標(biāo)識(shí)了數(shù)據(jù)項(xiàng)的協(xié)議，報(bào)文內(nèi)容的具體格式如表3所示。數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)中， 1 B能標(biāo)識(shí)7個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的有無(wú)，根據(jù)表2可以知道，要標(biāo)識(shí)所有的數(shù)據(jù)項(xiàng)，只需用3 B就足夠了。表4給出一個(gè)Category 033協(xié)議報(bào)文的編碼的實(shí)例。
根據(jù)表4可知，字節(jié)的某一位用來(lái)表示數(shù)據(jù)項(xiàng)，如果為1表示數(shù)據(jù)項(xiàng)被編碼，否則沒(méi)有該數(shù)據(jù)項(xiàng)。當(dāng)某一字節(jié)的7 bit都被編碼了，如果后面還有數(shù)據(jù)項(xiàng)，該字節(jié)的第8 bit必須設(shè)置為1，否則為0。由表4可以得到數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)的編碼為0xFFCE，只用了2 B，而該條報(bào)文所包括的數(shù)據(jù)項(xiàng)為版本號(hào)、數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)符、鏈路技術(shù)指示符、星歷基準(zhǔn)時(shí)間、目標(biāo)地址、完整性和精度參數(shù)、緯度/經(jīng)度、氣壓高度、速度（空中）、目標(biāo)呼號(hào)、發(fā)射機(jī)類別和目標(biāo)狀態(tài)。該條報(bào)文的長(zhǎng)度為41 B，其中數(shù)據(jù)項(xiàng)總字節(jié)數(shù)為34 B，數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)為2 B，CRC校驗(yàn)為2 B，Category 033報(bào)文長(zhǎng)度為2 B，報(bào)文類型標(biāo)識(shí)為1 B。
1.4 Category 033協(xié)議在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用
UAT模式的ADS-B是美國(guó)MITRE／CAASD IR&D從1995年開(kāi)始研制的多用途的地空數(shù)據(jù)鏈通信模式，主要用于美國(guó)的通用航空監(jiān)視。在全世界范圍內(nèi)，除了美國(guó)用UAT模式的ADS-B外，只有中國(guó)民航飛行學(xué)院在使用自主研發(fā)的UAT模式的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)在飛行學(xué)院運(yùn)行了10年之久，為國(guó)內(nèi)ADS-B技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了參考。其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。
在圖1中，主要包括了UAT地面站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和監(jiān)視終端等硬件，而且地面站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送出的數(shù)據(jù)都是基于Category 033協(xié)議的報(bào)文。下面分別對(duì)每個(gè)重要的部件功能作詳細(xì)的論述。
（1）UAT地面站
在該監(jiān)視系統(tǒng)中，UAT地面站接收機(jī)載設(shè)備發(fā)出的ADS-B報(bào)文，并處理Category 033協(xié)議的報(bào)文，通過(guò)UDP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式發(fā)送給UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。
?。?）UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器
數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能就是接收地面站發(fā)來(lái)的Category 033協(xié)議的報(bào)文，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行跟蹤過(guò)濾，對(duì)不同地面站重疊區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行處理，把接收到的正確報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給登錄服務(wù)器的監(jiān)視終端，同時(shí)也能把本服務(wù)器接收到的地面站報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給其他服務(wù)器。因此UAT數(shù)據(jù)服務(wù)器具有對(duì)數(shù)據(jù)加密[8]的功能，把收到地面站的數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，通過(guò)TCP/IP的傳輸方式發(fā)送給登錄到服務(wù)器的監(jiān)視終端和其他服務(wù)器。UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的作用就是充分利用Category 033協(xié)議的報(bào)文，把Category 033協(xié)議的報(bào)文發(fā)送到地面站監(jiān)視范圍外的區(qū)域，供更多的監(jiān)視終端使用。
（3）監(jiān)視終端
監(jiān)視終端通過(guò)登錄服務(wù)器獲得服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的加密Category 033協(xié)議的報(bào)文，并對(duì)其進(jìn)行解密，獲得Category 033協(xié)議的報(bào)文并對(duì)其進(jìn)行解析顯示，向管制員呈現(xiàn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及在空中的狀態(tài)，方便管制員對(duì)目標(biāo)進(jìn)行直觀的監(jiān)控。圖2展現(xiàn)了對(duì)Category 033協(xié)議報(bào)文解析的呈現(xiàn)方式。
2 Category 033的應(yīng)用前景
通過(guò)以上對(duì)Category 033協(xié)議的分析以及在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的使用驗(yàn)證，可以了解該協(xié)議在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中組裝ADS-B數(shù)據(jù)包和解析該協(xié)議編碼的數(shù)據(jù)包的方法，分析了Category 033協(xié)議中的數(shù)據(jù)項(xiàng)在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的關(guān)鍵應(yīng)用，為UAT模式的ADS-B地面站設(shè)計(jì)以及后端的監(jiān)視應(yīng)用提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。
3 結(jié)論
Category 033協(xié)議是一種基于UAT模式的ADS-B數(shù)據(jù)編碼規(guī)范，明確了UAT模式數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一格式，方便監(jiān)視終端的設(shè)計(jì)，使ADS-B數(shù)據(jù)在應(yīng)用層得到高效的處理。同時(shí)數(shù)據(jù)的編碼過(guò)程中添加了同步頭和CRC校驗(yàn)處理，使數(shù)據(jù)的可靠性和安全性得到了保證。隨著ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的深入應(yīng)用，空中交通廣播（TISB）[2-3]報(bào)文在Category 033協(xié)議中的應(yīng)用將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
[1] FAA-E-2973. Ground-based transceiver（GBT）for broadcast services using the universal access transceiver（UAT）data link[S]. Depantment of Transportation， Federal Aviation Administration， 2004-01-15.
[2] SC-186， RTCA DO-282A. Minimum operational performance standards for universal access transceiver （UAT） automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）[S]. RTCA， Inc.， 2004.
[3] SC-186， RTCA DO-282B. Minimum operational performance standards for universal access transceiver（UAT） automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）[S]. RTCA， Inc.， 2009.
[4] SC-186， RTCA DO-260A. Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B） and traffic information services-broadcast （TIS-B）[S]. RTCA， Inc.， 2003.
[5] SC-186， RTCA DO-260B. Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B） and traffic information services-broadcast （TIS-B）[S]. RTCA， Inc.， 2009.
[6] SC-186， RTCA DO-242A. Minimum aviation system performance standards for automatic dependent surveillance broadcast （ADS-B）[S]. RTCA， Inc.， 2002.
[7] 李自俊.ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視原理及未來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用[J].中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19（5）：11-14.
[8] 劉引川，楊成.基于UAT數(shù)據(jù)鏈的ADS-B系統(tǒng)加密研究[J].中國(guó)西部科技，2011，10（30）：32-33.