Asterix Category 033協議的分析與應用*

趙澤榮

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

0 引言

廣播式自動相關監視（ADS-B）[1-6]是基于GPS衛星定位和地/空數據鏈通信的航空器運行監視系統。與傳統雷達監視技術相比，ADS-B具有使用成本低、精度誤差小、數據更新率高以及監視能力強等明顯優勢，對于高密度飛行區域的空中交通服務（如場面監視等）也有廣泛的應用前景。許多國家把它當作下一代監視技術的發展方向。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協議的編碼、解析以及在監視終端的應用進行分析研究，為地面站和監視終端軟件的開發以及空管自動化的應用提供參考。

1 Category 033 UAT模式的報文協議構架[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視數據交換的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視數據交換”。

用戶應用規范（UAP）作為一種機制，分配數據項到Asterix信息數據字段，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數據類型（CAT）由一套數據項（包含于此數據類型的有效信息中）來定義。來自UAT模式的地面站目標報告的Asterix數據類別己被定為“033”。該數據類別定義了Asterix Category 033數據的編解碼方式，同時也說明了該標準與其他協議標準 （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報文是地面站和網絡進行數據交換的報文格式，ADS-B數據源需要轉換為這種報文形式在網絡中進行傳輸。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的數據項，這些數據項如表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校驗的實現采用查表的方式，首先生成長度為256的CRC數據表，然后把要進行CRC校驗的內容與CRC數據表中的隨機異或而獲得CRC的值。

表1 Category 033報文格式

1.2 Category 033協議的數據項及應用

在Category 033協議中，數據項是報文的組裝內容，每個數據項的內容都是監視終端處理的依據，而且在Category 033協議中，有些數據項是必須包含的，有的數據項是可選擇的，這些都要根據地面站的配置以及目標的報文來決定，因此在監視系統的設計過程中，既要考慮到應用監視終端對數據項的需求和實時性，同時也考慮到數據項在網絡傳輸中是否影響網絡的帶寬。根據表2，現將Category 033協議中一些關鍵的數據項以及在監視終端軟件設計中的關鍵作用作詳細的說明。

（1）數據源標識符：表示Category 033協議報文來自哪個地面站，它包含了系統區域碼（SAC）和系統標識碼（SIC）兩個方面的內容，方便監視終端識別信息源。

（2）鏈路技術指示符：表示該數據鏈路的模式，在1090ES、UAT、VDL4和其他鏈路中選擇。

（3）星歷基準時間：報告目標此刻位置的當日時間。該時間戳有利于監視終端對目標狀態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協議報文網絡數據包到達具有不確定性，可以比較該時間戳而避免目標在監視界面上出現倒退的現象發生。

（4）目標地址：目標的唯一標識，監視終端根據該數據項對目標的狀態進行更新。

（5）完整性及精確度參數：明確了Category 033協議報文的完好性，如果該參數的值不滿足民航規定的完好性指標，就把該報文丟棄。該數據項包括導航完好性、監視完好性以及位置完好性類別。

（6）緯度/經度：目標的WGS-84地理坐標，給出了目標當前的位置。

（7）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，該數據項方便管制員記憶，不是唯一的，管制員與飛行員進行通話就使用目標的呼號。

（9）目標狀態：表示目標是否處在緊急狀態，如醫療事故、最低燃料、無法通信、劫機等，監視終端可以根據該數據項給管制員呈現目標的狀態。

其他的數據項包括目標的速度、航向、目標的機型類別等。

1.3 Category 033協議報文的編解碼處理

Category 033協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協議報文不是包含所有數據項，而數據項的有無與目標發送的ADS-B數據源有關，為了明確Category 033協議報文中包含的數據項，在報文內容中規定標識了數據項的協議，報文內容的具體格式如表3所示。數據項標識中，1 B能標識7個數據項的有無，根據表2可以知道，要標識所有的數據項，只需用3 B就足夠了。表4給出一個Category 033協議報文的編碼的實例。

表3 報文內容格式

根據表4可知，字節的某一位用來表示數據項，如果為1表示數據項被編碼，否則沒有該數據項。當某一字節的7 bit都被編碼了，如果后面還有數據項，該字節的第8 bit必須設置為1，否則為0。由表4可以得到數據項標識的編碼為0xFFCE，只用了2 B，而該條報文所包括的數據項為版本號、數據源標識符、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、緯度/經度、氣壓高度、速度（空中）、目標呼號、發射機類別和目標狀態。該條報文的長度為41 B，其中數據項總字節數為34 B，數據項標識為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協議在UAT監視系統中的應用

UAT模式的ADS-B是美國MITRE／CAASDIR&D從1995年開始研制的多用途的地空數據鏈通信模式，主要用于美國的通用航空監視。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的UAT模式的ADS-B監視系統，該系統在飛行學院運行了10年之久，為國內ADS-B技術的應用和推廣提供了參考。其系統構架如圖1所示。

圖1 UAT監視系統結構圖

在圖1中，主要包括了UAT地面站、網絡設備、UAT數據處理服務器和監視終端等硬件，而且地面站通過網絡送出的數據都是基于Category 033協議的報文。下面分別對每個重要的部件功能作詳細的論述。

（1）UAT地面站

在該監視系統中，UAT地面站接收機載設備發出的ADS-B報文，并處理Category 033協議的報文，通過UDP/IP的網絡傳輸方式發送給UAT數據處理服務器。

（2）UAT數據處理服務器

數據服務器的功能就是接收地面站發來的Category 033協議的報文，并對報文進行跟蹤過濾，對不同地面站重疊區域的目標進行處理，把接收到的正確報文轉發給登錄服務器的監視終端，同時也能把本服務器接收到的地面站報文轉發給其他服務器。因此UAT數據服務器具有對數據加密[8]的功能，把收到地面站的數據包進行加密，通過TCP/IP的傳輸方式發送給登錄到服務器的監視終端和其他服務器。UAT數據處理服務器的作用就是充分利用Category 033協議的報文，把Category 033協議的報文發送到地面站監視范圍外的區域，供更多的監視終端使用。

圖2 Category 033協議報文解析監視圖

（3）監視終端

監視終端通過登錄服務器獲得服務器轉發的加密Category 033協議的報文，并對其進行解密，獲得Category 033協議的報文并對其進行解析顯示，向管制員呈現目標的運動軌跡以及在空中的狀態，方便管制員對目標進行直觀的監控。圖2展現了對Category 033協議報文解析的呈現方式。

2 Category 033的應用前景

通過以上對Category 033協議的分析以及在實際應用系統中的使用驗證，可以了解該協議在UAT監視系統中組裝ADS-B數據包和解析該協議編碼的數據包的方法，分析了Category 033協議中的數據項在UAT監視系統中的關鍵應用，為UAT模式的ADS-B地面站設計以及后端的監視應用提供了理論依據和設計方法。

3 結論

Category 033協議是一種基于UAT模式的ADS-B數據編碼規范，明確了UAT模式數據傳輸的統一格式，方便監視終端的設計，使ADS-B數據在應用層得到高效的處理。同時數據的編碼過程中添加了同步頭和CRC校驗處理，使數據的可靠性和安全性得到了保證。隨著ADS-B監視系統的深入應用，空中交通廣播（TISB）[2-3]報文在Category 033協議中的應用將會成為未來發展方向。

[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 performancestandardsforautomaticdependentsurveillance broadcast（ADS-B）[S].RTCA，Inc.，2002.

[7]李自俊.ADS-B廣播式自動相關監視原理及未來的發展和應用[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數據鏈的ADS-B系統加密研究[J].中國西部科技，2011，10（30）：32-33.