0 引言

    ADS-B^[1]是空管領(lǐng)域的一種基于全球定位系統(tǒng)和利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的監(jiān)視技術(shù)。該技術(shù)把飛行目標(biāo)作為監(jiān)視對象，獲取飛行目標(biāo)當(dāng)前的位置、高度等信息，將信息重組形成符合規(guī)范要求的ADS-B協(xié)議數(shù)據(jù)報文后，通過機載的上下天線將其發(fā)送出去。ADS-B地面站設(shè)備或安裝了ADS-B數(shù)據(jù)報文接收設(shè)備的其他飛行目標(biāo)接收此ADS-B數(shù)據(jù)報文，通過對報文的解析，獲取此飛行目標(biāo)的位置和飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)對飛行目標(biāo)的監(jiān)視。

    ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)能夠解析Cat 021類型報文，采用以太網(wǎng)RJ45接口引接外聯(lián)的方式，實時采集ADS-B地面接收設(shè)備的數(shù)據(jù)報文，檢驗數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性，并轉(zhuǎn)發(fā)至實時解析系統(tǒng)，展示飛行目標(biāo)關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，在數(shù)據(jù)層面與顯控主機（UI圖像層面的宏觀監(jiān)控）配合完成對空中飛行目標(biāo)的精準(zhǔn)化監(jiān)視與管制，同時采用多種方式對原始接收數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，實現(xiàn)事后分析和歷史數(shù)據(jù)回放。這對1090 ES地面站設(shè)備態(tài)勢顯示具有十分重要的應(yīng)用價值。

    本文首先介紹了ADS-B系統(tǒng)地面站工作原理，引出其改進(jìn)設(shè)計的新思路，然后對ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行描述，給出系統(tǒng)測試與結(jié)果分析，最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 ADS-B地面站系統(tǒng)工作原理

1.1 ADS-B地面站系統(tǒng)

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

1.1.1 系統(tǒng)主要用途

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

1.1.2 系統(tǒng)組成模塊

    ADS-B地面站系統(tǒng)主要由地面站處理主機、全向天線、饋線、顯控主機和站點監(jiān)視器組成。鑒于國際民航組織亞太區(qū)的建議和在全球范圍內(nèi)的互操作性，我國在西部實施利用ADS-B技術(shù)提供類雷達(dá)監(jiān)視服務(wù)時，首先考慮使用1090ES作為ADS-B數(shù)據(jù)鏈。

    ADS-B地面站顯控主機通過SNMP V3網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議對1090ES數(shù)據(jù)鏈地面站處理主機進(jìn)行監(jiān)視、控制（復(fù)位、重啟、軟件升級、輸出使能/禁止等）和維護，獲得完善的系統(tǒng)狀態(tài)信息。如果ADS-B地面站系統(tǒng)無故障，地面站會周期性地產(chǎn)生測試用的ASTERIX目標(biāo)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(tǒng)的工作狀態(tài)。

    ADS-B地面接收設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 ADS-B地面站系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)的ADS-B報文^[5]（包括狀態(tài)報告、模式報告和OC報告等），把這些信息存儲進(jìn)入消息隊列并通過緩存輸出，在控制信息的引導(dǎo)下，以Cat 021的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到ADS-B應(yīng)用系統(tǒng)，滿足各種不同應(yīng)用需要。

    ADS-B地面站系統(tǒng)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(shù)據(jù)驅(qū)動UI界面的顯示，將飛行目標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息進(jìn)行展示，輔助地面站管制人員實現(xiàn)對飛行目標(biāo)的有效監(jiān)控^[6]，完成決策制定和空域內(nèi)飛行目標(biāo)管理調(diào)度。

1.3 ADS-B地面站系統(tǒng)設(shè)計的新思路

    當(dāng)前所用的ADS-B地面站系統(tǒng)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(xì)粒度的實際應(yīng)用需求，例如不能支持數(shù)據(jù)采集、歷史回放和分析評估，不能實時顯示數(shù)據(jù)層面信息，只包含飛行目標(biāo)的相關(guān)狀態(tài)信息，這也為ADS-B地面站系統(tǒng)的發(fā)展提出了更高的要求。

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文采集

    為了有效監(jiān)測和分析空中飛行目標(biāo)的狀態(tài)變化信息、目標(biāo)處理錯誤信息，掌握當(dāng)前ADS-B地面站所屬空域中的飛行目標(biāo)管理調(diào)度策略等內(nèi)容，需要從全局上對Cat 021報文進(jìn)行準(zhǔn)確全面的解析，統(tǒng)計有效目標(biāo)數(shù)量和各目標(biāo)的飛行參數(shù)設(shè)置^[7]。另外，考慮到某些特殊的ADS-B系統(tǒng)實驗測試需求，需要對報文數(shù)據(jù)采集和留檔存儲，離線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而且在數(shù)據(jù)采集時限制多種存儲形式（二進(jìn)制原始碼流、十六進(jìn)制串、格式化的Cat 021信息解譯結(jié)果數(shù)據(jù)等），需要在地面站系統(tǒng)后端定制化數(shù)據(jù)采集方案。

1.3.2 Cat 021數(shù)據(jù)報文解析

    通過設(shè)計研發(fā)一種新的Cat 021報文解析軟件，在數(shù)據(jù)層面上檢驗數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性，剔除野值數(shù)據(jù)包，實時顯示解析Cat 021報文數(shù)據(jù)記錄項信息^[8]，周期性統(tǒng)計飛行目標(biāo)個數(shù)，并將解析結(jié)果中的關(guān)鍵航跡數(shù)據(jù)以特定傳輸方式（UDP單播方式）轉(zhuǎn)發(fā)至第三方態(tài)勢顯示系統(tǒng)，增加人機交互的友好性，輔助地面站顯控主機對飛行目標(biāo)的狀態(tài)變化監(jiān)視和管理調(diào)度，這將為ADS-B地面站系統(tǒng)提供十分重要的應(yīng)用價值。

2 ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 改進(jìn)的ADS-B地面站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)定位

    ADS-B Cat 021報文采集與解析系統(tǒng)定位于在ADS-B地面站系統(tǒng)中實時通過RJ45接口從ADS-B地面接收設(shè)備采集并解析Cat 021數(shù)據(jù)報文，在數(shù)據(jù)層面進(jìn)行實時信息展示和分析，實現(xiàn)報文數(shù)據(jù)按需分類存儲，豐富并擴展ADS-B地面站系統(tǒng)的主要功能，方便ADS-B地面站人員開展各項業(yè)務(wù)工作。

2.1.2 改進(jìn)的ADS-B地面站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    按照真實的ADS-B地面站系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景需要，采用構(gòu)件化的設(shè)計思想，改進(jìn)的ADS-B地面站系統(tǒng)全局網(wǎng)絡(luò)布局如圖3所示。系統(tǒng)仍然是星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)運行部署后，作為ADS-B地面站系統(tǒng)的一個相對獨立的構(gòu)件而存在，包含ADS-B Cat 021報文數(shù)據(jù)實時采集子系統(tǒng)和ADS-B Cat 021報文實時信息解析子系統(tǒng)兩個部分，通過以太網(wǎng)方式接入ADS-B地面站系統(tǒng)，僅僅采用RJ45接口對外進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，減少了對原有地面站系統(tǒng)中其他模塊的干擾和影響。

2.2 ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)總體框架設(shè)計

    系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖4所示。

    ADS-B Cat 021報文采集與解析系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)的開發(fā)模式和分層的設(shè)計方法，遵循軟件工程設(shè)計中高內(nèi)聚低耦合、高扇入低扇出的原則，系統(tǒng)劃分為3層：第一層（底層）數(shù)據(jù)支撐層，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取原始Cat 021報文數(shù)據(jù)，并將其以UDP單播/組播方式轉(zhuǎn)發(fā)至報文解析軟件，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)；第二層（中間層）業(yè)務(wù)邏輯層，主要完成數(shù)據(jù)報文處理、解析、存儲等各種業(yè)務(wù)處理功能，供應(yīng)用層進(jìn)行調(diào)用；第三層（上層）應(yīng)用層，提供報文解析結(jié)果的各種應(yīng)用程序。采用層次設(shè)計的優(yōu)勢在于系統(tǒng)各層次業(yè)務(wù)分明，層與層之間相對獨立，系統(tǒng)的研發(fā)工作能夠按層次并行實施，各層專注于更高效的軟件實現(xiàn)，更利于算法替換和后期系統(tǒng)維護。

2.3 系統(tǒng)組成模塊設(shè)計

    系統(tǒng)總體上劃分為ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文采集設(shè)計、ADS-B Cat 021報文解析算法設(shè)計和ADS-B Cat 021報文解析軟件UI設(shè)計3個組成部分。系統(tǒng)組成如圖5所示。

2.3.1 ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文采集設(shè)計

    主要實現(xiàn)以UDP單播(或UDP組播)引接外聯(lián)方式實時對ADS-B地面接收站處理主機發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)計

    系統(tǒng)算法設(shè)計以標(biāo)準(zhǔn)的ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)為出發(fā)點，創(chuàng)造性地的定義解析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對比分析各算法實現(xiàn)的時間/空間復(fù)雜度，選用高效的算法。

2.3.3 ADS-B Cat 021報文解析軟件UI設(shè)計

    系統(tǒng)所設(shè)計的UI能夠?qū)崟r地將數(shù)據(jù)報文解析結(jié)果中的數(shù)據(jù)項進(jìn)行完整顯示，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息進(jìn)行突出高亮展示，同時增加了飛行目標(biāo)數(shù)周期性統(tǒng)計、解析結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)至態(tài)勢顯示系統(tǒng)的功能，創(chuàng)造性地擴展了ADS-B地面站系統(tǒng)的多項業(yè)務(wù)功能。

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與解析處理流程

    Cat 021數(shù)據(jù)報文處理流程如圖6所示。

    考慮到Eurocontrol組織制定的標(biāo)準(zhǔn)ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)幀長度的變長性和數(shù)據(jù)項間的強相關(guān)性，系統(tǒng)創(chuàng)新性地在數(shù)據(jù)報文解析算法中自定義一個“索引目錄”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在實際運行時，首先對實時原始航跡數(shù)據(jù)報文記錄項進(jìn)行完整性和準(zhǔn)確性檢查，并提取“索引目錄”對象；然后按照預(yù)定的報文解析算法將其所對應(yīng)的bits數(shù)組進(jìn)行分組并發(fā)解析、組內(nèi)串行解析處理，分解出所有關(guān)鍵字段內(nèi)容，極大地提高了數(shù)據(jù)報文的解析效率。報文解析的核心數(shù)據(jù)字段主要有WGS-84坐標(biāo)位置（維度、經(jīng)度）、24位飛行目標(biāo)地址、大氣壓高度、地向量（地速、航向角）。

2.5 ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

2.5.1 系統(tǒng)運行時UI展示

    系統(tǒng)運行時實時解析主界面視圖如圖7所示。

2.5.2 測試結(jié)果分析

    系統(tǒng)已應(yīng)用于真實的場景中，通過執(zhí)行第三方測評機構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn)測試用例，能夠?qū)崿F(xiàn)各項功能和性能指標(biāo)，可以對ADS-B Cat 021格式的數(shù)據(jù)報文進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息解譯。系統(tǒng)部分測試數(shù)據(jù)項對比如表1所示，在目標(biāo)個數(shù)統(tǒng)計、可靠性測試上，與顯控主機的運行結(jié)果一致；在單目標(biāo)平均響應(yīng)時間、飛行目標(biāo)坐標(biāo)變換上表現(xiàn)更強，已完全滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

3 結(jié)論

    本文主要設(shè)計實現(xiàn)對象是ADS-B 數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)。在全面了解ADS-B地面站系統(tǒng)和ADS-B Cat 021報文協(xié)議格式的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)，一定程度上提高對ADS-B地面站系統(tǒng)的認(rèn)識，對后續(xù)的研究具有一定的指導(dǎo)借鑒意義。后續(xù)需深入思考的內(nèi)容有：

    (1)系統(tǒng)考慮引入更優(yōu)的野值剔除算法來保證航跡數(shù)據(jù)的正確性；

    (2)ADS-B與雷達(dá)傳感器協(xié)同工作實現(xiàn)覆蓋范圍的無縫集成和統(tǒng)一。

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

參考文獻(xiàn)

[1] 肖玉.適合機場引導(dǎo)的ADS-B系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

[2] 申金星.基于ADS-B多地面站的實時監(jiān)視系統(tǒng)[D].天津：中國民航大學(xué)，2017.

[3] 劉新橋.ADS-B的運用與安全性分析[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2016，27(2)：70-73.

[4] 曹娜.基于海量實測的ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[D].天津：中國民航大學(xué)，2017.

[5] 龔少麟.基于ADS-B的沿海低空監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2016，44(6)：1185-1189.

[6] MANESH M R，KAABOUCH N.Analysis of vulnerabilities, attacks, countermeasures and overall risk of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B) system[J].International Journal of Critical Infrastructure Protection，2017，19(1)：16-31.

[7] 邱志豪.基于ADS-B報文的數(shù)據(jù)解析架構(gòu)與軟件[J].中國西部科技，2012，280(11)：22-23.

[8] 趙澤榮.基于Aslerix Catlegory 023協(xié)議的集中監(jiān)控系統(tǒng)[J].控制工程，2015，22(增刊)：72-77.

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）