《電子技術應用》
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ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
2018年電子技術應用第9期
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
摘要: 針對典型ADS-B地面站系統(tǒng)中顯控主機顯示的信息量較少,且不支持飛行目標航跡數(shù)據(jù)報文實時采集、數(shù)據(jù)層面的航跡信息動態(tài)顯示、原始數(shù)據(jù)報文歷史回放等更細粒度的實際應用需求,旨在構建一套ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng),嘗試在ADS-B地面站處理主機后方對所獲取報文的處理應用進行優(yōu)化改進,對ADS-B Category(Cat)021報文的數(shù)據(jù)采集方法進行設計,采用UDP組播引接外聯(lián)方式轉發(fā)至Cat 021報文解析處理模塊,按照標準的Cat 021數(shù)據(jù)報文協(xié)議格式,設計實現(xiàn)相應的報文解析算法,實時對采集的數(shù)據(jù)報文進行解析和分類存儲。
中圖分類號: TP319
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180959
中文引用格式: 索國偉,王金鎖,郭榮華,等. ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用,2018,44(9):104-107,111.
英文引用格式: Suo Guowei,Wang Jinsuo,Guo Ronghua,et al. Design and implementation of ADS-B data packet collection and analysis system[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):104-107,111.
Design and implementation of ADS-B data packet collection and analysis system
Suo Guowei,Wang Jinsuo,Guo Ronghua,Zhao Pan
Chinese Luoyang Electronic Equipment Center,Luoyang 471003,China
Abstract: The amount of information contained in the typical Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) terrestrial station system is often small,and it does not support the real-time collection of the flight target track data packets, the dynamic display of track information at the data level, and the more granularity of the historical playback of raw data packets. For these practical application needs,this article aims to build a set of ADS-B data packet collection and analysis system, and try to optimize the processing applications of the acquired messages after processing the host by the ADS-B ground station,designing the data collection method of ADS-B Category(Cat) 021 packet, using UDP multicast to connect externally to Cat 021 packet parsing module. According to the standard Cat 021 data packet protocol format, a corresponding message parsing algorithm is designed and implemented to parse and store the collected data messages in real time.
Key words : ADS-B;Cat 021;data collection;packet analysis

0 引言

    ADS-B[1]是空管領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。該技術把飛行目標作為監(jiān)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(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地面站設備或安裝了ADS-B數(shù)據(jù)報文接收設備的其他飛行目標接收此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地面接收設備的數(shù)據(jù)報文,檢驗數(shù)據(jù)完整性和準確性,并轉發(fā)至實時解析系統(tǒng),展示飛行目標關鍵數(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的精準化監(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地面站設備態(tài)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(tǒng)地面站工作原理,引出其改進設計的新思路,然后對ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)進行描述,給出系統(tǒng)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(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、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技術提供類雷達監(jiān)視服務時,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)絡管理協(xié)議對1090ES數(shù)據(jù)鏈地面站處理主機進行監(jiān)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(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地面接收設備系統(tǒng)結構如圖1所示。

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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(符合標準規(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準的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(shù)據(jù)格式發(fā)送到ADS-B應用系統(tǒng),滿足各種不同應用需要。

    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)驅動UI界面的顯示,將飛行目標的關鍵數(shù)據(jù)信息進行展示,輔助地面站管制人員實現(xiàn)對飛行目標的有效監(jiān)控[6],完成決策制定和空域內(nèi)飛行目標管理調度。

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1.3 ADS-B地面站系統(tǒng)設計的新思路

    當前所用的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,不能完全滿足更細粒度的實際應用需求,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,只包含飛行目標的相關狀態(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)絡數(shù)據(jù)報文采集

    為了有效監(jiān)測和分析空中飛行目標的狀態(tài)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(nèi)容,需要從全局上對Cat 021報文進行準確全面的解析,統(tǒng)計有效目標數(shù)量和各目標的飛行參數(shù)設置[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(二進制原始碼流、十六進制串、格式化的Cat 021信息解譯結果數(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)計飛行目標個數(shù),并將解析結果中的關鍵航跡數(shù)據(jù)以特定傳輸方式(UDP單播方式)轉發(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的狀態(tài)變化監(jiān)視和管理調度,這將為ADS-B地面站系統(tǒng)提供十分重要的應用價值。

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

2.1 改進的ADS-B地面站系統(tǒng)結構設計

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地面接收設備采集并解析Cat 021數(shù)據(jù)報文,在數(shù)據(jù)層面進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)務工作。

2.1.2 改進的ADS-B地面站系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

    按照真實的ADS-B地面站系統(tǒng)業(yè)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(tǒng)全局網(wǎng)絡布局如圖3所示。系統(tǒng)仍然是星型的網(wǎng)絡拓撲,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。

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

    系統(tǒng)總體框架設計如圖4所示。

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    ADS-B Cat 021報文采集與解析系統(tǒng)采用C/S架構的開發(fā)模式和分層的設計方法,遵循軟件工程設計中高內(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)絡數(shù)據(jù)采集技術獲取原始Cat 021報文數(shù)據(jù),并將其以UDP單播/組播方式轉發(fā)至報文解析軟件,為業(yè)務邏輯層提供數(shù)據(jù)支撐服務;第二層(中間層)業(yè)務邏輯層,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(yōu)勢在于系統(tǒng)各層次業(yè)務分明,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)組成模塊設計

    系統(tǒng)總體上劃分為ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)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(tǒng)組成如圖5所示。

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2.3.1 ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文采集設計

    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報文解析算法設計

    系統(tǒng)算法設計以標準的ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文結構為出發(fā)點,創(chuàng)造性地的定義解析數(shù)據(jù)結構,對比分析各算法實現(xiàn)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(tǒng)所設計的UI能夠實時地將數(shù)據(jù)報文解析結果中的數(shù)據(jù)項進行完整顯示,并將關鍵數(shù)據(jù)信息進行突出高亮展示,同時增加了飛行目標數(shù)周期性統(tǒng)計、解析結果轉發(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。

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    考慮到Eurocontrol組織制定的標準ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文結構中的數(shù)據(jù)幀長度的變長性和數(shù)據(jù)項間的強相關性,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)結構。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(shù)組進行分組并發(fā)解析、組內(nèi)串行解析處理,分解出所有關鍵字段內(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坐標位置(維度、經(jīng)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(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)測試與結果分析

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。

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2.5.2 測試結果分析

    系統(tǒng)已應用于真實的場景中,通過執(zhí)行第三方測評機構制定的標準測試用例,能夠實現(xiàn)各項功能和性能指標,可以對ADS-B Cat 021格式的數(shù)據(jù)報文進行數(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,在目標個數(shù)統(tǒng)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(xiàn)更強,已完全滿足業(yè)務應用需求。

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3 結論

    本文主要設計實現(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)議格式的基礎上,設計并實現(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)的認識,對后續(xù)的研究具有一定的指導借鑒意義。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,隨著科學技術的發(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。

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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)

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