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(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
0 引言
ADS-B[1]是空管領(lǐng)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(shù)。該技術(shù)把飛行目標作為監(jiān)視對象,,獲取飛行目標當(dāng)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(shè)備或安裝了ADS-B數(shù)據(jù)報文接收設(shè)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(shè)備的數(shù)據(jù)報文,,檢驗數(shù)據(jù)完整性和準確性,,并轉(zhuǎn)發(fā)至實時解析系統(tǒng),展示飛行目標關(guān)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(shè)備態(tài)勢顯示具有十分重要的應(yīng)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(shè)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(shè)計與實現(xiàn)進行描述,,給出系統(tǒng)測試與結(jié)果分析,最后進行了總結(jié)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(wù)、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(shè)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(shù)提供類雷達監(jiān)視服務(wù)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(luò)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(fù)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(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
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(dǎo)下,,以Cat 021的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到ADS-B應(yīng)用系統(tǒng),,滿足各種不同應(yīng)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(qū)動UI界面的顯示,,將飛行目標的關(guān)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(diào)度,。
1.3 ADS-B地面站系統(tǒng)設(shè)計的新思路
當(dāng)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(yīng)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(guān)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(luò)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(dāng)前ADS-B地面站所屬空域中的飛行目標管理調(diào)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(shè)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(jié)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(shè)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(jié)果中的關(guān)鍵航跡數(shù)據(jù)以特定傳輸方式(UDP單播方式)轉(zhuǎn)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(diào)度,這將為ADS-B地面站系統(tǒng)提供十分重要的應(yīng)用價值,。
2 ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 改進的ADS-B地面站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(wù)工作,。
2.1.2 改進的ADS-B地面站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
按照真實的ADS-B地面站系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景需要,,采用構(gòu)件化的設(shè)計思想,改進的ADS-B地面站系統(tǒng)全局網(wǎng)絡(luò)布局如圖3所示,。系統(tǒng)仍然是星型的網(wǎng)絡(luò)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(gòu)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,。
2.2 ADS-B數(shù)據(jù)報文采集與解析系統(tǒng)總體框架設(shè)計
系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖4所示,。
ADS-B Cat 021報文采集與解析系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)的開發(fā)模式和分層的設(shè)計方法,遵循軟件工程設(shè)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(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取原始Cat 021報文數(shù)據(jù),,并將其以UDP單播/組播方式轉(zhuǎn)發(fā)至報文解析軟件,為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù),;第二層(中間層)業(yè)務(wù)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(wù)處理功能,,供應(yīng)用層進行調(diào)用;第三層(上層)應(yīng)用層,,提供報文解析結(jié)果的各種應(yīng)用程序,。采用層次設(shè)計的優(yōu)勢在于系統(tǒng)各層次業(yè)務(wù)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(shè)計
系統(tǒng)總體上劃分為ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文采集設(shè)計,、ADS-B Cat 021報文解析算法設(shè)計和ADS-B Cat 021報文解析軟件UI設(shè)計3個組成部分。系統(tǒng)組成如圖5所示,。
2.3.1 ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文采集設(shè)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(shè)計
系統(tǒng)算法設(shè)計以標準的ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)為出發(fā)點,創(chuàng)造性地的定義解析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,對比分析各算法實現(xiàn)的時間/空間復(fù)雜度,,選用高效的算法。
2.3.3 ADS-B Cat 021報文解析軟件UI設(shè)計
系統(tǒng)所設(shè)計的UI能夠?qū)崟r地將數(shù)據(jù)報文解析結(jié)果中的數(shù)據(jù)項進行完整顯示,,并將關(guān)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(jié)果轉(zhuǎn)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(wù)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。
考慮到Eurocontrol組織制定的標準ADS-B Cat 021數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)幀長度的變長性和數(shù)據(jù)項間的強相關(guān)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(jié)構(gòu),。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(yù)定的報文解析算法將其所對應(yīng)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(guān)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(jié)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。
2.5.2 測試結(jié)果分析
系統(tǒng)已應(yīng)用于真實的場景中,,通過執(zhí)行第三方測評機構(gòu)制定的標準測試用例,,能夠?qū)崿F(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(jié)果一致,;在單目標平均響應(yīng)時間、飛行目標坐標變換上表現(xiàn)更強,,已完全滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求,。
3 結(jié)論
本文主要設(shè)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(chǔ)上,,設(shè)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(dǎo)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(xué)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(xué)技術(shù)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,。
參考文獻
[1] 肖玉.適合機場引導(dǎo)的ADS-B系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),,2017.
[2] 申金星.基于ADS-B多地面站的實時監(jiān)視系統(tǒng)[D].天津:中國民航大學(xué),,2017.
[3] 劉新橋.ADS-B的運用與安全性分析[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報,2016,,27(2):70-73.
[4] 曹娜.基于海量實測的ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[D].天津:中國民航大學(xué),,2017.
[5] 龔少麟.基于ADS-B的沿海低空監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程,2016,,44(6):1185-1189.
[6] MANESH M R,,KAABOUCH N.Analysis of vulnerabilities, attacks, countermeasures and overall risk of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B) system[J].International Journal of Critical Infrastructure Protection,2017,,19(1):16-31.
[7] 邱志豪.基于ADS-B報文的數(shù)據(jù)解析架構(gòu)與軟件[J].中國西部科技,,2012,280(11):22-23.
[8] 趙澤榮.基于Aslerix Catlegory 023協(xié)議的集中監(jiān)控系統(tǒng)[J].控制工程,,2015,,22(增刊):72-77.
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)