摘 要： 介紹了Asterix Category 033協(xié)議的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成,、編碼的內(nèi)容以及在監(jiān)視應(yīng)用中的關(guān)鍵作用,，研究了該協(xié)議的CRC編碼方式以及報(bào)文的組裝方式，提出了每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)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(bào)文提供了依據(jù),。
關(guān)鍵詞： Asterix Category 033協(xié)議；UAT,；監(jiān)視,；CRC校驗(yàn)；ADS-B
0 引言
廣播式自動(dòng)相關(guān)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(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)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(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì),，對(duì)于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)（如場(chǎng)面監(jiān)視等）也有廣泛的應(yīng)用前景,。許多國(guó)家把它當(dāng)作下一代監(jiān)視技術(shù)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(yīng)用進(jìn)行分析研究,，為地面站和監(jiān)視終端軟件的開(kāi)發(fā)以及空管自動(dòng)化的應(yīng)用提供參考,。
1 Category 033 UAT模式的報(bào)文協(xié)議構(gòu)架[1]
目標(biāo)報(bào)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(biāo)準(zhǔn)。Asterix結(jié)構(gòu)以及編碼的背景信息見(jiàn)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(yīng)用規(guī)范（UAP）作為一種機(jī)制,，分配數(shù)據(jù)項(xiàng)到Asterix信息數(shù)據(jù)字段，并包含為了成功地對(duì)這些信息進(jìn)行編碼和解碼而需要標(biāo)準(zhǔn)化的所有必要信息。一種Asterix數(shù)據(jù)類(lèi)型（CAT）由一套數(shù)據(jù)項(xiàng)（包含于此數(shù)據(jù)類(lèi)型的有效信息中）來(lái)定義。來(lái)自UAT模式的地面站目標(biāo)報(bào)告的Asterix數(shù)據(jù)類(lèi)別己被定為“033”,。該數(shù)據(jù)類(lèi)別定義了Asterix Category 033數(shù)據(jù)的編解碼方式，同時(shí)也說(shuō)明了該標(biāo)準(zhǔn)與其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（RTCA DO-282A/282B,、RTCA DO-242A等）的引用和參考關(guān)系。
1.1 Category 033 UAT模式的報(bào)文組裝原理
Category 033報(bào)文是地面站和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的報(bào)文格式，ADS-B數(shù)據(jù)源需要轉(zhuǎn)換為這種報(bào)文形式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。Category 033報(bào)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(bào)文內(nèi)容中包括了Category 033的數(shù)據(jù)項(xiàng),，這些數(shù)據(jù)項(xiàng)如表2所示,。CRC校驗(yàn)為2 B，其作用是確保報(bào)文在傳輸過(guò)程中的完好性,。CRC校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)采用查表的方式,，首先生成長(zhǎng)度為256的CRC數(shù)據(jù)表，然后把要進(jìn)行CRC校驗(yàn)的內(nèi)容與CRC數(shù)據(jù)表中的隨機(jī)異或而獲得CRC的值,。
1.2 Category 033協(xié)議的數(shù)據(jù)項(xiàng)及應(yīng)用
在Category 033協(xié)議中,，數(shù)據(jù)項(xiàng)是報(bào)文的組裝內(nèi)容，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)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(xiàng)是必須包含的，有的數(shù)據(jù)項(xiàng)是可選擇的，這些都要根據(jù)地面站的配置以及目標(biāo)的報(bào)文來(lái)決定,，因此在監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,，既要考慮到應(yīng)用監(jiān)視終端對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)的需求和實(shí)時(shí)性，同時(shí)也考慮到數(shù)據(jù)項(xiàng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中是否影響網(wǎng)絡(luò)的帶寬,。根據(jù)表2,，現(xiàn)將Category 033協(xié)議中一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)項(xiàng)以及在監(jiān)視終端軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用作詳細(xì)的說(shuō)明。
?。?）數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)符：表示Category 033協(xié)議報(bào)文來(lái)自哪個(gè)地面站,，它包含了系統(tǒng)區(qū)域碼（SAC）和系統(tǒng)標(biāo)識(shí)碼（SIC）兩個(gè)方面的內(nèi)容，方便監(jiān)視終端識(shí)別信息源,。
?。?）鏈路技術(shù)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(zhǔn)時(shí)間：報(bào)告目標(biāo)此刻位置的當(dāng)日時(shí)間,。該時(shí)間戳有利于監(jiān)視終端對(duì)目標(biāo)狀態(tài)的更新和目標(biāo)報(bào)文的丟棄。由于每個(gè)地面站的時(shí)間都是通過(guò)GPS獲得同步,，Category 033協(xié)議報(bào)文網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)具有不確定性,，可以比較該時(shí)間戳而避免目標(biāo)在監(jiān)視界面上出現(xiàn)倒退的現(xiàn)象發(fā)生。
?。?）目標(biāo)地址：目標(biāo)的唯一標(biāo)識(shí),，監(jiān)視終端根據(jù)該數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行更新。
?。?）完整性及精確度參數(shù)：明確了Category 033協(xié)議報(bào)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(biāo)，就把該報(bào)文丟棄,。該數(shù)據(jù)項(xiàng)包括導(dǎo)航完好性,、監(jiān)視完好性以及位置完好性類(lèi)別。
?。?）緯度/經(jīng)度：目標(biāo)的WGS-84地理坐標(biāo),，給出了目標(biāo)當(dāng)前的位置。
?。?）氣壓高度：給出了目標(biāo)的飛行高度,。
（8）目標(biāo)呼號(hào)：目標(biāo)的航班號(hào),，該數(shù)據(jù)項(xiàng)方便管制員記憶,，不是唯一的,，管制員與飛行員進(jìn)行通話就使用目標(biāo)的呼號(hào)。
?。?）目標(biāo)狀態(tài)：表示目標(biāo)是否處在緊急狀態(tài),，如醫(yī)療事故、最低燃料,、無(wú)法通信,、劫機(jī)等，監(jiān)視終端可以根據(jù)該數(shù)據(jù)項(xiàng)給管制員呈現(xiàn)目標(biāo)的狀態(tài),。
其他的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括目標(biāo)的速度,、航向、目標(biāo)的機(jī)型類(lèi)別等,。
1.3 Category 033協(xié)議報(bào)文的編解碼處理
Category 033協(xié)議報(bào)文的編碼是按照表中的字段參考編號(hào)順序進(jìn)行編碼,，然而一條Category 033協(xié)議報(bào)文不是包含所有數(shù)據(jù)項(xiàng)，而數(shù)據(jù)項(xiàng)的有無(wú)與目標(biāo)發(fā)送的ADS-B數(shù)據(jù)源有關(guān),，為了明確Category 033協(xié)議報(bào)文中包含的數(shù)據(jù)項(xiàng),，在報(bào)文內(nèi)容中規(guī)定標(biāo)識(shí)了數(shù)據(jù)項(xiàng)的協(xié)議，報(bào)文內(nèi)容的具體格式如表3所示,。數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)中,， 1 B能標(biāo)識(shí)7個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的有無(wú)，根據(jù)表2可以知道,，要標(biāo)識(shí)所有的數(shù)據(jù)項(xiàng),，只需用3 B就足夠了。表4給出一個(gè)Category 033協(xié)議報(bào)文的編碼的實(shí)例,。
根據(jù)表4可知,，字節(jié)的某一位用來(lái)表示數(shù)據(jù)項(xiàng)，如果為1表示數(shù)據(jù)項(xiàng)被編碼,，否則沒(méi)有該數(shù)據(jù)項(xiàng),。當(dāng)某一字節(jié)的7 bit都被編碼了，如果后面還有數(shù)據(jù)項(xiàng),，該字節(jié)的第8 bit必須設(shè)置為1,，否則為0。由表4可以得到數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)的編碼為0xFFCE,，只用了2 B,，而該條報(bào)文所包括的數(shù)據(jù)項(xiàng)為版本號(hào),、數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)符,、鏈路技術(shù)指示符、星歷基準(zhǔn)時(shí)間,、目標(biāo)地址,、完整性和精度參數(shù)、緯度/經(jīng)度、氣壓高度,、速度（空中）,、目標(biāo)呼號(hào)、發(fā)射機(jī)類(lèi)別和目標(biāo)狀態(tài),。該條報(bào)文的長(zhǎng)度為41 B,，其中數(shù)據(jù)項(xiàng)總字節(jié)數(shù)為34 B，數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)為2 B,，CRC校驗(yàn)為2 B,，Category 033報(bào)文長(zhǎng)度為2 B，報(bào)文類(lèi)型標(biāo)識(shí)為1 B,。
1.4 Category 033協(xié)議在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用
UAT模式的ADS-B是美國(guó)MITRE／CAASD IR&D從1995年開(kāi)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(guó)的通用航空監(jiān)視。在全世界范圍內(nèi),，除了美國(guó)用UAT模式的ADS-B外,，只有中國(guó)民航飛行學(xué)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(xué)院運(yùn)行了10年之久,，為國(guó)內(nèi)ADS-B技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了參考,。其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。
在圖1中,，主要包括了UAT地面站,、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和監(jiān)視終端等硬件,，而且地面站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送出的數(shù)據(jù)都是基于Category 033協(xié)議的報(bào)文,。下面分別對(duì)每個(gè)重要的部件功能作詳細(xì)的論述。
?。?）UAT地面站
在該監(jiān)視系統(tǒng)中,，UAT地面站接收機(jī)載設(shè)備發(fā)出的ADS-B報(bào)文，并處理Category 033協(xié)議的報(bào)文,，通過(guò)UDP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式發(fā)送給UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,。
（2）UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器
數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能就是接收地面站發(fā)來(lái)的Category 033協(xié)議的報(bào)文,，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行跟蹤過(guò)濾,，對(duì)不同地面站重疊區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行處理，把接收到的正確報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給登錄服務(wù)器的監(jiān)視終端,，同時(shí)也能把本服務(wù)器接收到的地面站報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給其他服務(wù)器,。因此UAT數(shù)據(jù)服務(wù)器具有對(duì)數(shù)據(jù)加密[8]的功能，把收到地面站的數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密,，通過(guò)TCP/IP的傳輸方式發(fā)送給登錄到服務(wù)器的監(jiān)視終端和其他服務(wù)器,。UAT數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的作用就是充分利用Category 033協(xié)議的報(bào)文,，把Category 033協(xié)議的報(bào)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,。
?。?）監(jiān)視終端
監(jiān)視終端通過(guò)登錄服務(wù)器獲得服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的加密Category 033協(xié)議的報(bào)文，并對(duì)其進(jìn)行解密,，獲得Category 033協(xié)議的報(bào)文并對(duì)其進(jìn)行解析顯示,，向管制員呈現(xiàn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及在空中的狀態(tài)，方便管制員對(duì)目標(biāo)進(jìn)行直觀的監(jiān)控,。圖2展現(xiàn)了對(duì)Category 033協(xié)議報(bào)文解析的呈現(xiàn)方式,。
2 Category 033的應(yīng)用前景
通過(guò)以上對(duì)Category 033協(xié)議的分析以及在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的使用驗(yàn)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(xiàng)在UAT監(jiān)視系統(tǒng)中的關(guān)鍵應(yīng)用,，為UAT模式的ADS-B地面站設(shè)計(jì)以及后端的監(jiān)視應(yīng)用提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。
3 結(jié)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(shè)計(jì)，使ADS-B數(shù)據(jù)在應(yīng)用層得到高效的處理,。同時(shí)數(shù)據(jù)的編碼過(guò)程中添加了同步頭和CRC校驗(yàn)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(yīng)用,，空中交通廣播（TISB）[2-3]報(bào)文在Category 033協(xié)議中的應(yīng)用將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展方向,。
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