民航內蒙古空管分局 白志剛

?

基于S模式ADS-B數據解碼算法研究

民航內蒙古空管分局 白志剛

【摘要】廣播式自動相關監(jiān)視系統（ADS-B）作為空管系統對空監(jiān)視的一種重要手段，相比傳統二次監(jiān)視雷達系統具有成本低、精度高和數據更新速度快等優(yōu)點。1090兆赫擴展電文廣播式自動相關監(jiān)視系統作為國際民航組織推薦的唯一標準，是未來ADS-B系統的發(fā)展趨勢。以實際監(jiān)視數據為研究對象，對ADS-B數據的解碼算法進行研究，從底層加深對ADS-B系統的理解與認識。

【關鍵詞】S模式；ADS-B；數據解碼；CPR算法

0 引言

近年來中國民航業(yè)呈井噴式發(fā)展，對空中交通管制系統的保障能力提出了極高的要求。作為管制員的“千里眼”，對空監(jiān)視系統早已成為空管運行中不可缺少的工具。廣播式自動相關監(jiān)視系統（ADS-B）和二次雷達系統均是實現對空監(jiān)視的重要手段，且ADS-B系統以其成本低、精度高以及監(jiān)視數據更新速度快等優(yōu)點，逐步成為監(jiān)視新技術運用的核心。ADS-B對提升空域容量、優(yōu)化航路設置和縮小航空器間隔有重要作用，且在傳統雷達無法覆蓋區(qū)域，比如沙漠、海洋等區(qū)域，可提供可靠的飛行器監(jiān)視服務，有效增加監(jiān)視空域的覆蓋范圍。

1090兆赫擴展電文（1090MHz ES）ADS-B系統是基于Mode S數據鏈的一種ADS-B 技術。作為國際民航組織唯一推薦的一種模式，該系統通過GNSS機載設備的支持，按固定速率自動廣播飛行器當前狀態(tài)信息、模式信息、目標信息等，從而實現監(jiān)視、導航、敵我識別等功能。

本文研究了Mode S數據鏈ADS-B系統接收數據譯碼的關鍵算法，對飛行器空中位置信息、空中速度等重要狀態(tài)信息的譯碼算法進行詳細論述。

1 簡介

1.1 模式S數據鏈ADS-B系統

ADS-B系統有三種架構，分別是基于VDL-4數據鏈、UAT數據鏈和Mode S數據鏈的ADS-B系統。Mode S數據鏈ADS-B系統的數據傳輸帶寬高達1M Bits/s，是國際民航組織（ICAO）唯一推薦的標準，是ADS-B系統未來發(fā)展的趨勢。

1090 ES (1090 MHz Extended Squitter)是基于S模式應答機的一種技術。它的下行頻率是1090MHz，數據傳輸采用脈沖位置編碼。1090 ES用發(fā)射機和發(fā)射天線來傳送不同的消息，包括24比特碼、高度、呼號等。由于消息長度的限制，每次傳送的消息只能包含有限的信息，所以需要通過多次傳輸消息才能獲得完整的飛行器信息。然而消息的更新率卻比傳統二次雷達系統高很多，比如重要的位置消息和速度消息每0.4~0.6秒就會更新一次，而次重要的標識消息和類型消息每4.8~5.2秒更新一次，意向改變消息每1.6~1.8秒更新一次。接收機將飛行器送來的位置、速度、標識等信息，按照一定格式編碼匯總，形成標準的ADS-B報告(包括狀態(tài)報告、模式報告和速度報告)，并以脈沖位置編碼的數據格式發(fā)送至ADS-B數據用戶。

表1 ADS-B消息結構

表2 空中位置信息ME字段結構

1.2 ADS-B消息結構

一條ADS-B消息長度為112個比特序列。表1為 ADS-B 消息的基本結構。Bit 1~5為下行鏈路格式域（DF），DF=17格式表示S模式應答機發(fā)射的ADS-B消息；Bit 6~8為CA域，表示S模式應答機能力；Bit9~32總共24個比特為AA域，表示應答機24比特ICAO地址；Bit 33~88總共56個比特為ADS-B消息域ME，承載飛行器報告的重要狀態(tài)信息。ME字段中，前 5個比特為消息類型字段，緊接著的3個比特為消息子類型，剩余48個比特為消息具體內容。最后24比特為校驗域 PI。

2 ADS-B消息解碼

2.1 空中位置信息解碼

空中位置信息包括編碼后的經緯度和高度信息，其類型字段值為9到18。表2列出ME字段結構。

由于飛行器運動軌跡是連續(xù)的，不可能出現大跨度的跳躍，加之ADS-B位置信息廣播速率高等因素，可得知位置信息中表示經緯度數據的高位比特必定變化緩慢。若每次都將完整位置信息廣播的話，幾乎不變化的高位比特會降低信息的傳輸效率，浪費有限的帶寬資源。若將變化緩慢的高位比特在編碼時進行忽略，可以提升傳輸效率，但也會造成相同的一組數據卻可以對應全球多個位置，導致解碼時不能正確確定飛行器的位置。為了解決這一問題，可以采用緊湊位置報告（CPR）算法來編碼飛行器經度和緯度數據，CPR算法將經緯度信息編碼為奇格式編碼信息和偶格式編碼信息，接收機如果在短時間內可以接收到上述兩種編碼信息，通過CPR算法解碼，就可以計算出飛行器的精確位置。

當DF=17，TC=9到18時，數據幀所包含的信息為位置信息。以下為接收到的真實的ADS-B數據，數據1：8D40621D58 C382D690C8AC2863A7，數據2：8D40621D58C386435CC4126 92AD6。將其ME字段數據轉為二進制后按結構劃分，如下表：

表3 空中位置信息ME字段域對應數據

其中53bit（T位置）代表時間標記，第54bit（F位置）為0時代表偶格式編碼，為1時代表奇格式編碼。55到57bit代表CPR緯度，72到88bit表CPR經度。

解碼算法如下：

（1）將奇格式編碼和偶格式編碼的CPR緯度和CPR經度數據歸一化處理。

奇格式編碼緯度：LATCPR_E= 92095 / 131072 = 0.7026

奇格式編碼經度：LONCPR_E= 88385 / 131072 = 0.6743

偶格式編碼緯度：LATCPR_O= 39846 / 131072 = 0.3040

偶格式編碼經度：LONCPR_O= 125818 / 131072 = 0.9599

（2）計算緯度區(qū)域索引值j。

函數floor()代表取整，帶入(1)中數據，得出j = 1。

（3）計算緯度Lat。

函數mod()代表取模。其中DLatE = 360 / 60，DLatO = 360/59，帶入(1)和(2)中數據，得出RLatE = 10.2157745361328，RLatO = 10.21621445478026。接下來判斷LatE和LatO是否在同一緯度區(qū)。若不在同一緯度區(qū)，表明飛行器正在跨越緯度區(qū)域飛行，數據不可解碼，需要等待下一組接收到的數據。查表可知RLatE和RLatO在同一緯度區(qū)，根據公式：

可求得緯度Lat = LatE = 10.2157745361328。

（4）計算經度索引值。

函數NL()可通過查表得出，NL(LatE) = 59，NL(LatO) = 59，帶入公式得出m = -39。

（5）計算經度。

其中ni = 58，帶入數據，獲得經緯度坐標為：

表4 空中速度消息子類1的ME字段結構

Lon = 123.889128586342

（6）計算高度。

高度編碼格式如下：高度字段總長12比特，在“ME”字段域中為bit9~bit20，bit16為單位指示比特Q，當Q=0時，編碼單位為100英尺，Q=1，編碼單位為 25 英尺，編碼范圍為：-1000英尺至+50175英尺。不論奇偶數據幀，均包含高度碼數據。

取出高度編碼數據：110000111000，其中第8位比特為Q比特，移除Q比特后，編碼數據變?yōu)?1000011000，轉換為十進制為N=1560。高度值計算公式為：

代入數據可得Alt = 1560 * 25 - 1000 = 38000 ft。

通過上述計算，我們最終獲得飛行器位置的三個參數：經度、緯度、高度。

LAT：10.2157745361328

LAT：123.889128586342

ALT：38000 ft

2.2 空中速度消息解碼

ADS-B空中速度信息格式有兩種，一種是飛行器能夠獲知自身水平運動速度，在此情況下用子類型來區(qū)別是否是超音速速度報告，子類1表示亞音速，子類2則表示超音速；另一種是不能獲得自身水平速度時廣播的速度報告，子類3表示亞音速，子類4表示超音速。由于現有飛行器主要在亞音速飛行，所以在接收到的ADS-B速度消息中有95%以上為子類1，其結構如下表。

ME字段中，東西向標志表明速度矢量是向東還是向西，為0時向東飛；南北向標志表明速度矢量是向南還是向北，為0時向北飛。接收到的ADS-B數據：8D485020994409940838175B284F，按照表4將ME字段解碼后各域數據對應如下表：

表5 空中速度消息ME字段域對應數據

（1）水平速度計算。

計算水平速度和方向需要四個參數，東西速度V（ew），東西速度標志S（ew），南北速度V（ns），南北速度標志S（ns）。速度V和方向H計算公式如下：

將各域對應數據轉換為十進制后可得V-EW=9，S-EW=1，V-NS=160，S-NS=1。帶入公式計算得出：

V(we)=-(9-1)=-8

V(sn)=-(160-1)=-159

v=159.20 (kn)

h=182.88 (deg)

即飛行器水平速度159.20節(jié)，航向為182.88度。

（2）垂直速度計算。

信息69比特S（Vr）字段為0時，表示飛行器向上飛，為1時表示飛行器向下飛，Vr字段是二進制表示的垂直飛行速率，單位為ft/min，將對應域中數據轉為10進制后，可得Vr=14， S-Vr=0，所以可知飛行器以14ft/min的速度上升飛行。

3 結束語

在空管系統大力提倡創(chuàng)新的環(huán)境下，本文通過對S模式ADS-B數據空中位置信息和速度信息解碼算法進行深入研究并通過實例解讀計算程序，從底層來分析ADS-B系統的運行原理。希望能夠為廣大同行在系統維護與創(chuàng)新的過程中提供一些思路。由于能力有限，不正確之處還請大家批評指正，謝謝。

參考文獻

[1]朱蕓.模式S應答接收機數字處理系統設計[D].電子科技大學碩士論文,2006.

[2]王菲.基于1090MHzES數據鏈ADS-B關鍵技術研究[D].電子科技大學碩士論文,2009.