摘 要： 介紹了Asterix Category 033協(xié)議的數(shù)據(jù)項組成、編碼的內容以及在監(jiān)視應用中的關鍵作用,，研究了該協(xié)議的CRC編碼方式以及報文的組裝方式,，提出了每個數(shù)據(jù)項的內容在監(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)議生成與解析報文提供了依據(jù),。
關鍵詞： Asterix Category 033協(xié)議,；UAT；監(jiān)視,；CRC校驗,；ADS-B
0 引言
廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）[1-6]是基于GPS衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視系統(tǒng)。與傳統(tǒng)雷達監(jiān)視技術相比,，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)視能力強等明顯優(yōu)勢,，對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務（如場面監(jiān)視等）也有廣泛的應用前景,。許多國家把它當作下一代監(jiān)視技術的發(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)視終端的應用進行分析研究，為地面站和監(jiān)視終端軟件的開發(fā)以及空管自動化的應用提供參考,。
1 Category 033 UAT模式的報文協(xié)議構架[1]
目標報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信息標準,。Asterix結構以及編碼的背景信息見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”。
用戶應用規(guī)范（UAP）作為一種機制,，分配數(shù)據(jù)項到Asterix信息數(shù)據(jù)字段,，并包含為了成功地對這些信息進行編碼和解碼而需要標準化的所有必要信息。一種Asterix數(shù)據(jù)類型（CAT）由一套數(shù)據(jù)項（包含于此數(shù)據(jù)類型的有效信息中）來定義,。來自UAT模式的地面站目標報告的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,，同時也說明了該標準與其他協(xié)議標準（RTCA DO-282A/282B,、RTCA DO-242A等）的引用和參考關系。
1.1 Category 033 UAT模式的報文組裝原理
Category 033報文是地面站和網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換的報文格式,，ADS-B數(shù)據(jù)源需要轉換為這種報文形式在網(wǎng)絡中進行傳輸,。Category 033報文的格式如表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。報文內容中包括了Category 033的數(shù)據(jù)項,，這些數(shù)據(jù)項如表2所示,。CRC校驗為2 B，其作用是確保報文在傳輸過程中的完好性,。CRC校驗的實現(xiàn)采用查表的方式,，首先生成長度為256的CRC數(shù)據(jù)表，然后把要進行CRC校驗的內容與CRC數(shù)據(jù)表中的隨機異或而獲得CRC的值,。
1.2 Category 033協(xié)議的數(shù)據(jù)項及應用
在Category 033協(xié)議中,，數(shù)據(jù)項是報文的組裝內容，每個數(shù)據(jù)項的內容都是監(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)項是必須包含的，有的數(shù)據(jù)項是可選擇的,，這些都要根據(jù)地面站的配置以及目標的報文來決定,，因此在監(jiān)視系統(tǒng)的設計過程中，既要考慮到應用監(jiān)視終端對數(shù)據(jù)項的需求和實時性,，同時也考慮到數(shù)據(jù)項在網(wǎng)絡傳輸中是否影響網(wǎng)絡的帶寬,。根據(jù)表2,，現(xiàn)將Category 033協(xié)議中一些關鍵的數(shù)據(jù)項以及在監(jiān)視終端軟件設計中的關鍵作用作詳細的說明。
?。?）數(shù)據(jù)源標識符：表示Category 033協(xié)議報文來自哪個地面站,，它包含了系統(tǒng)區(qū)域碼（SAC）和系統(tǒng)標識碼（SIC）兩個方面的內容，方便監(jiān)視終端識別信息源,。
?。?）鏈路技術指示符：表示該數(shù)據(jù)鏈路的模式，在1090ES,、UAT,、VDL4和其他鏈路中選擇。
?。?）星歷基準時間：報告目標此刻位置的當日時間,。該時間戳有利于監(jiān)視終端對目標狀態(tài)的更新和目標報文的丟棄。由于每個地面站的時間都是通過GPS獲得同步,，Category 033協(xié)議報文網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包到達具有不確定性,，可以比較該時間戳而避免目標在監(jiān)視界面上出現(xiàn)倒退的現(xiàn)象發(fā)生。
?。?）目標地址：目標的唯一標識,，監(jiān)視終端根據(jù)該數(shù)據(jù)項對目標的狀態(tài)進行更新。
?。?）完整性及精確度參數(shù)：明確了Category 033協(xié)議報文的完好性,，如果該參數(shù)的值不滿足民航規(guī)定的完好性指標，就把該報文丟棄,。該數(shù)據(jù)項包括導航完好性,、監(jiān)視完好性以及位置完好性類別。
?。?）緯度/經度：目標的WGS-84地理坐標,，給出了目標當前的位置。
?。?）氣壓高度：給出了目標的飛行高度,。
（8）目標呼號：目標的航班號,，該數(shù)據(jù)項方便管制員記憶,，不是唯一的，管制員與飛行員進行通話就使用目標的呼號,。
?。?）目標狀態(tài)：表示目標是否處在緊急狀態(tài)，如醫(yī)療事故,、最低燃料,、無法通信,、劫機等，監(jiān)視終端可以根據(jù)該數(shù)據(jù)項給管制員呈現(xiàn)目標的狀態(tài),。
其他的數(shù)據(jù)項包括目標的速度,、航向、目標的機型類別等,。
1.3 Category 033協(xié)議報文的編解碼處理
Category 033協(xié)議報文的編碼是按照表中的字段參考編號順序進行編碼,，然而一條Category 033協(xié)議報文不是包含所有數(shù)據(jù)項，而數(shù)據(jù)項的有無與目標發(fā)送的ADS-B數(shù)據(jù)源有關,，為了明確Category 033協(xié)議報文中包含的數(shù)據(jù)項,，在報文內容中規(guī)定標識了數(shù)據(jù)項的協(xié)議，報文內容的具體格式如表3所示,。數(shù)據(jù)項標識中,， 1 B能標識7個數(shù)據(jù)項的有無，根據(jù)表2可以知道,，要標識所有的數(shù)據(jù)項,，只需用3 B就足夠了。表4給出一個Category 033協(xié)議報文的編碼的實例,。
根據(jù)表4可知,，字節(jié)的某一位用來表示數(shù)據(jù)項，如果為1表示數(shù)據(jù)項被編碼,，否則沒有該數(shù)據(jù)項。當某一字節(jié)的7 bit都被編碼了,，如果后面還有數(shù)據(jù)項,，該字節(jié)的第8 bit必須設置為1，否則為0,。由表4可以得到數(shù)據(jù)項標識的編碼為0xFFCE,，只用了2 B，而該條報文所包括的數(shù)據(jù)項為版本號,、數(shù)據(jù)源標識符,、鏈路技術指示符、星歷基準時間,、目標地址,、完整性和精度參數(shù)、緯度/經度,、氣壓高度,、速度（空中）、目標呼號,、發(fā)射機類別和目標狀態(tài),。該條報文的長度為41 B,，其中數(shù)據(jù)項總字節(jié)數(shù)為34 B，數(shù)據(jù)項標識為2 B,，CRC校驗為2 B,，Category 033報文長度為2 B，報文類型標識為1 B,。
1.4 Category 033協(xié)議在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的應用
UAT模式的ADS-B是美國MITRE／CAASD IR&D從1995年開始研制的多用途的地空數(shù)據(jù)鏈通信模式,，主要用于美國的通用航空監(jiān)視。在全世界范圍內,，除了美國用UAT模式的ADS-B外,，只有中國民航飛行學院在使用自主研發(fā)的UAT模式的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)在飛行學院運行了10年之久,，為國內ADS-B技術的應用和推廣提供了參考,。其系統(tǒng)構架如圖1所示。
在圖1中,，主要包括了UAT地面站,、網(wǎng)絡設備、UAT數(shù)據(jù)處理服務器和監(jiān)視終端等硬件,，而且地面站通過網(wǎng)絡送出的數(shù)據(jù)都是基于Category 033協(xié)議的報文,。下面分別對每個重要的部件功能作詳細的論述。
?。?）UAT地面站
在該監(jiān)視系統(tǒng)中,，UAT地面站接收機載設備發(fā)出的ADS-B報文，并處理Category 033協(xié)議的報文,，通過UDP/IP的網(wǎng)絡傳輸方式發(fā)送給UAT數(shù)據(jù)處理服務器,。
（2）UAT數(shù)據(jù)處理服務器
數(shù)據(jù)服務器的功能就是接收地面站發(fā)來的Category 033協(xié)議的報文,，并對報文進行跟蹤過濾,，對不同地面站重疊區(qū)域的目標進行處理，把接收到的正確報文轉發(fā)給登錄服務器的監(jiān)視終端,，同時也能把本服務器接收到的地面站報文轉發(fā)給其他服務器,。因此UAT數(shù)據(jù)服務器具有對數(shù)據(jù)加密[8]的功能，把收到地面站的數(shù)據(jù)包進行加密,，通過TCP/IP的傳輸方式發(fā)送給登錄到服務器的監(jiān)視終端和其他服務器,。UAT數(shù)據(jù)處理服務器的作用就是充分利用Category 033協(xié)議的報文，把Category 033協(xié)議的報文發(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)視終端通過登錄服務器獲得服務器轉發(fā)的加密Category 033協(xié)議的報文,，并對其進行解密,，獲得Category 033協(xié)議的報文并對其進行解析顯示,，向管制員呈現(xiàn)目標的運動軌跡以及在空中的狀態(tài)，方便管制員對目標進行直觀的監(jiān)控,。圖2展現(xiàn)了對Category 033協(xié)議報文解析的呈現(xiàn)方式,。
2 Category 033的應用前景
通過以上對Category 033協(xié)議的分析以及在實際應用系統(tǒng)中的使用驗證，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)項在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的關鍵應用,，為UAT模式的ADS-B地面站設計以及后端的監(jiān)視應用提供了理論依據(jù)和設計方法。
3 結論
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)視終端的設計，使ADS-B數(shù)據(jù)在應用層得到高效的處理,。同時數(shù)據(jù)的編碼過程中添加了同步頭和CRC校驗處理,，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)的深入應用,，空中交通廣播（TISB）[2-3]報文在Category 033協(xié)議中的應用將會成為未來發(fā)展方向,。
參考文獻
[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廣播式自動相關監(jiān)視原理及未來的發(fā)展和應用[J].中國民航飛行學院學報，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].中國西部科技，2011,，10（30）：32-33.