謝東穎

（中國(guó)民用航空汕頭空中交通管理站，汕頭515000）

0 引言

當(dāng)前民航空管正大力推進(jìn)對(duì)中小機(jī)場(chǎng)在空管技術(shù)上的幫扶，通過(guò)技術(shù)援助等方式提高中小機(jī)場(chǎng)的空管保障能力，促進(jìn)民航整體空管水平的提升。以中南地區(qū)為例，汕頭空管站負(fù)責(zé)了梅縣機(jī)場(chǎng)的ADS-B 的技術(shù)支持和相應(yīng)設(shè)備運(yùn)維。當(dāng)前梅縣機(jī)場(chǎng)應(yīng)用了ADS-B中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以接入ADS-B 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)梅縣管制區(qū)內(nèi)的飛行態(tài)勢(shì)監(jiān)視。ADS-B 是民航近年推進(jìn)發(fā)展的新技術(shù)，雖然已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了普及，但是目前數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面還不如傳統(tǒng)雷達(dá)。本文從實(shí)際出發(fā)提出一種將雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ADS-B 數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換可以將本地的雷達(dá)數(shù)據(jù)以ADS-B 數(shù)據(jù)格式接入中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)貦C(jī)場(chǎng)的運(yùn)行保障提供另一種手段。

1 轉(zhuǎn)換的整體設(shè)計(jì)及思路

ADS-B 采用網(wǎng)絡(luò)接入到中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)，其格式為ASTERIX CAT021 格式，更新周期為0.4～0.6s。航空器的相關(guān)信息可以通過(guò)不同的消息廣播，具體數(shù)據(jù)項(xiàng)的更新時(shí)間間隔不一致，因此，每次更新的目標(biāo)描述數(shù)據(jù)不一定完整，存在部分?jǐn)?shù)據(jù)更新的情況。雷達(dá)數(shù)據(jù)在實(shí)際工作中則通過(guò)同步串口，采用HDLC 高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。一般的A/C 模式雷達(dá)的目標(biāo)數(shù)據(jù)格式為歐控ASTERIX CAT001，服務(wù)信息數(shù)據(jù)格式為ASTERIX CAT002（S 模式雷達(dá)則分別為CAT034 和CAT048）[1]，相比之下，雷達(dá)數(shù)據(jù)更新的周期較長(zhǎng)，一般為4s 或5s。因此設(shè)計(jì)必須解決以下問(wèn)題：一是需要將雷達(dá)數(shù)據(jù)的同步串口進(jìn)行解析和處理得出具體數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容；二是需要根據(jù)ASTERIX 協(xié)議將CAT001/CAT002和CAT034/CAT048 中的具體數(shù)據(jù)項(xiàng)和CAT021 中的具體對(duì)應(yīng)項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)狀態(tài)的更新，封裝為CAT021 的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為UDP 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入到中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)；三是解決兩種數(shù)據(jù)格式之間的更新周期不一致問(wèn)題。對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插預(yù)測(cè)。主要的系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)如圖1，軟件設(shè)計(jì)上可以分為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、更新周期同步模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。

圖1 系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖

2 具體實(shí)現(xiàn)

2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊

為了提高開(kāi)發(fā)效率，系統(tǒng)采用當(dāng)前汕頭空管站在用自動(dòng)化系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，該協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以將接入的雷達(dá)信號(hào)由RS-232 同步信號(hào)轉(zhuǎn)換為UDP 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。因此，系統(tǒng)只需要在網(wǎng)絡(luò)接入上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理即可。在C#中UDP 數(shù)據(jù)處理可以采用以下方式。首先創(chuàng)建數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列，并開(kāi)啟數(shù)據(jù)包解析線程，創(chuàng)建UDP 通信對(duì)象，綁定本地IP 和端口，通過(guò)UDP 異步接收數(shù)據(jù)將接收到的數(shù)據(jù)封裝為DataPacket 放入數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列中。后續(xù)的軟件分析處理模塊只需要在隊(duì)列中對(duì)具體數(shù)據(jù)項(xiàng)處理即可。數(shù)據(jù)格式解析則可以根據(jù)CAT021、CAT001 和CAT048 進(jìn)行具體解析。同時(shí)，系統(tǒng)將建立起目標(biāo)數(shù)據(jù)列表，通過(guò)航班號(hào)為唯一識(shí)別信息建立數(shù)據(jù)類(lèi)，該類(lèi)將包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵對(duì)應(yīng)項(xiàng)的多個(gè)屬性，后續(xù)的數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)只需要修改具體目標(biāo)的具體屬性即可，方便消息傳遞和處理[2]。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)在態(tài)勢(shì)顯示上的關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)為航空器的航班號(hào)、SSR、位置和高度，因此系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)必須關(guān)注相應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)信息，除了上述數(shù)據(jù)，筆者對(duì)監(jiān)視數(shù)據(jù)的必須關(guān)注項(xiàng)進(jìn)行了整理得出關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)表，具體如表1。

表1 關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)表

中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)在信號(hào)引接中需要數(shù)據(jù)源提供標(biāo)識(shí)，而在ASTERIX 數(shù)據(jù)中，主要通過(guò)SAC/SIC 碼進(jìn)行識(shí)別，因此系統(tǒng)需要對(duì)010 數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行解析；實(shí)際工作中ADS-B 數(shù)據(jù)是可以不包含SSR 二次代碼信息的，但是雷達(dá)數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)具備該信息，因此為了提高信息的豐富余度，此處不管ADS-B 是否需要SSR 都將雷達(dá)數(shù)據(jù)的070 數(shù)據(jù)項(xiàng)轉(zhuǎn)換到ADS-B 的070 數(shù)據(jù)項(xiàng)中；S 模式與ADS-B 在航班號(hào)和24 位地址碼的格式表現(xiàn)上是類(lèi)似的因此可以直接將其轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如若是A/C模式雷達(dá)數(shù)據(jù)則將其置為不可信“？？？？”字符（如航班號(hào)）；至于SPI 是監(jiān)視數(shù)據(jù)的重要信息，因此需要將雷達(dá)數(shù)據(jù)中的020 轉(zhuǎn)換到ADS-B 數(shù)據(jù)中的040 數(shù)據(jù)項(xiàng)；特殊代碼在ADS-B 中有兩個(gè)標(biāo)志位，如若雷達(dá)數(shù)據(jù)的該數(shù)據(jù)項(xiàng)有具體的內(nèi)容，轉(zhuǎn)換時(shí)必須將ADS-B 中的200 數(shù)據(jù)項(xiàng)的標(biāo)志位置為有效和在070 中設(shè)置相應(yīng)的特殊代碼[3]；位置和高度則是態(tài)勢(shì)顯示的關(guān)鍵，系統(tǒng)必須對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)換。雷達(dá)數(shù)據(jù)采用的是極坐標(biāo)或笛卡爾坐標(biāo)系表現(xiàn)位置，ADS-B 則是WGS-84坐標(biāo)顯示的經(jīng)緯度坐標(biāo)。因此此處需要將雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)為WGS-84。

在高度的處理上，主要存在精度的不一致情況。雷達(dá)數(shù)據(jù)主要采用C 模式高度，A/C 模式雷達(dá)的高度數(shù)據(jù)精度為100ft，S 模式則為25ft，ADS-B 也為25ft。而在實(shí)際應(yīng)用中，這種精度的差別并不影響態(tài)勢(shì)顯示，因此可以選擇不進(jìn)行精度對(duì)應(yīng)處理，直接將雷達(dá)數(shù)據(jù)的高度數(shù)據(jù)項(xiàng)值填入具體的ADS-B 數(shù)據(jù)項(xiàng)即可。

2.3 周期同步模塊

如上所述，需要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插預(yù)測(cè)處理，此處采用隨機(jī)森林內(nèi)插算法[4]。隨機(jī)森林可以綜合集成學(xué)習(xí)思想和隨機(jī)子空間方法，利用袋裝重抽樣的方法從4s 一周期的雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)中抽取多個(gè)與原始樣本一樣數(shù)量的元素構(gòu)建一個(gè)決策樹(shù)。在決策樹(shù)的構(gòu)建中，通過(guò)隨機(jī)子空間法從特征中隨機(jī)選擇特征，利用最優(yōu)特征進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分裂。預(yù)測(cè)決策樹(shù)每次預(yù)測(cè)都會(huì)給出一個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果，并通過(guò)少數(shù)服從多數(shù)的原則得出最終的結(jié)果，最終進(jìn)行回歸計(jì)算。具體實(shí)現(xiàn)為：系統(tǒng)保存1分鐘內(nèi)的雷達(dá)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，并選擇出測(cè)試集和特征維數(shù)，抽取根節(jié)點(diǎn)樣本進(jìn)行訓(xùn)練；若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)達(dá)到終止條件，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)被設(shè)置為葉子節(jié)點(diǎn)，預(yù)測(cè)輸出具體的平均值，否則從特征維數(shù)中隨機(jī)選取特征維數(shù)尋找回歸效果最優(yōu)的特征和閾值，當(dāng)最優(yōu)特征值大于該閾值時(shí)，樣本進(jìn)入右節(jié)點(diǎn)，否則進(jìn)入左節(jié)點(diǎn)。如此循環(huán)運(yùn)行直到所有節(jié)點(diǎn)都被標(biāo)記為葉子節(jié)點(diǎn)。為提高執(zhí)行效率，算法采用Python 設(shè)計(jì)[5]，部分代碼實(shí)現(xiàn)如下：

對(duì)于中小型機(jī)場(chǎng)，管制空域較小，區(qū)域內(nèi)需要顯示的目標(biāo)不多，因此可以在顯示范圍上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行過(guò)濾，只關(guān)心和處理本區(qū)域內(nèi)目標(biāo)，降低算法運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)。實(shí)際測(cè)試表明，這種算法能有效實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)更新周期的改變，位置和高度信息不會(huì)出現(xiàn)較大的突變，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)效果與實(shí)際的ADS-B 數(shù)據(jù)運(yùn)行態(tài)勢(shì)較為接近。

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)最終需要封裝為CAT021 的ADS-B 數(shù)據(jù)發(fā)送到中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)。與雷達(dá)數(shù)據(jù)接收處理類(lèi)似，此處采用UDP 封裝類(lèi)，而前端的數(shù)據(jù)處理效果能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，因此此處采用C#的UDP 通信關(guān)鍵類(lèi)Udpclient 進(jìn)行設(shè)計(jì)，引入命名空間：

為了提高系統(tǒng)的人機(jī)交互性能，系統(tǒng)在前端提供用戶(hù)接口，用戶(hù)可以輸入中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)的IP 地址。最終軟件通過(guò)“Send”方法的調(diào)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。采用UdpClient 類(lèi)調(diào)用函數(shù)發(fā)送UDP 數(shù)據(jù)包，具體實(shí)現(xiàn)部分代碼如下：

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)當(dāng)前ADS-B 在中小機(jī)場(chǎng)的顯示應(yīng)用提出一種ADS-B 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)將A/C 模式和S 模式雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ADS-B 數(shù)據(jù)，以豐富當(dāng)前ADS-B 中小機(jī)場(chǎng)顯示系統(tǒng)的監(jiān)視源，為中小型機(jī)場(chǎng)的空管運(yùn)行保障提供支持。系統(tǒng)在周期同步方面采用了隨機(jī)森林內(nèi)插法，完成了雷達(dá)數(shù)據(jù)與ADS-B 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步顯示，軟件實(shí)現(xiàn)上通過(guò)C#和Python 結(jié)合編程的方式，兼顧開(kāi)發(fā)效率和算法運(yùn)行性能，在實(shí)際工作中表現(xiàn)良好。