基于Python的Asterix Cat 021數據格式解析分析與實現

劉云豐，廖盈庭，劉書博

基于Python的Asterix Cat 021數據格式解析分析與實現

劉云豐1，廖盈庭1，劉書博2

（1.中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307；2.中國民用航空中南地區空中交通管理局湖南分局，湖南 長沙 410137）

ADS-B（廣播式自動相關監視）是目前空管系統中應用較廣泛、技術成熟的空中交通監視手段。介紹了Asterix Category 021協議各數據項組成、編碼的內容以及在空管自動相關監視中的應用，并介紹了Python對該協議的實現方法。

ADS-B；Asterix Category 021協議；Python數據項

隨著國內航空運輸快速的發展，航空運輸的交通密度、復雜度也隨之上升，實現空中交通管制的安全、高效運行，需要一種先進且安全可靠的監視手段。ADS-B技術是新航行系統中非常重要的通信和監視技術，基于衛星定位和地空數據通信技術[1]。

相比于傳統的監視手段，ADS-B克服了傳統系統遠程截獲能力差、原始信息格式紛雜、信息處理成本高且不易實現指定航跡的篩選、難以實現信息共享的缺點，極大地推動了空中交通管制的一體化建設。本文對Asterix Category 021協議各數據項組成、編碼的內容進行了分析，并利用目前較為流行的編程語言Python對其進行實現，以便于對ADS-B數據的軟件的開發和應用提供一定的參考。

1 Asterix Category 021協議的基本架構

Asterix Category 021是歐洲航空安全組織一系列標準文件的一部分，該協議主要描敘了ADS-B（廣播式自動相關監視）報文傳輸的基本構架，定義了協議中各數據項的格式以及與其他標準文件之間的關系。

1.1 Asterix Category 021的基本結構

Asterix Category 021數據格式文件包含數據項目錄（Catalogue of Data Items）、數據塊（Data Block）、數據類型（Data Category）、數據字段（Data Field）、數據項（Data Item）、記錄（Record）、用戶應用程序框架（User Application Profile，UAP）[2-3]。

其中，數據項是數據類型中最小單元，而用戶應用程序框架（UAP）是一種數據分配規范，根據UAP將數據項分配到數據字段。UAP中所用到的每個數據項都有相應的字段參考編號，數據項的出現以UAP作為判斷條件。

1.2 數據項和用戶應用規范的分析

數據項的構成信息如下例所示[3]。數據項I021/145（飛行高度）結構如圖1所示，數據項I021/145為飛行高度的數據結構，飛行高度由2個八位的二進制數據組成。第1個位為LSB，表示為1/4個飛行高度層，數據項2～8位表示飛行高度，將數據項2～8位二進制數據轉換十進制，乘以LSB就得到了所需要的飛行高度。Asterix Category 021的其他數據項也可用相同的方式類推。

用戶應用程序框架（UAP）是Asterix Category 021協議中制定的，用于應用程序系統的報文設計的數據項組成框架，包括數據項順序、編碼規則等。

圖1 數據項I021/145（飛行高度）結構

不同版本的協議，用戶應用程序框架（UAP）中包含的數據項也有所差別，根據ADS-B適用的UAP，可以確定數據項在報文中的使用規則。某版本Asterix Category 021協議的UAP部分信息如表1所示，UAP包括FRN、數據項編號、數據項信息、數據項長度四個部分。其中，FRN列中FX為域擴展指示符，其余部分則分別表示對應的數據項。

表1中最后一列表示各個數據項的長度，在對數據項解碼的過程中，需要靈活地根據各個數據項的長度分配數據進行解碼。

表1 某版本Asterix Category 021協議的UAP部分信息

FRN數據項信息長度 1I021/010數據源識別2 2I021/040目標報告描述符1+ 3I021/030日時間3 4I021/130在WGS-84坐標中的位置6 5I021/080目標地址3 6I021/140幾何高度2 7I021/090品質因數2 FX—字段擴展標識—

2 Asterix Category 021的Python實現方法

Python是一種計算機程序設計語言，是一種面向對象的動態類型語言，最初被設計用于編寫自動化腳本（shell），隨著版本的不斷更新和語言新功能的添加，越來越多地被用于獨立的、大型項目的開發[5]。

2.1 Asterix Category 021協議模塊分析

Asterix Category 021協議格式如表2所示，CAT為數據類型，且CAT=021，占一個字節，表示數據為ADS-B；LEN為長度標識，表示整個數據塊的總長度；FSPEC為字段說明，其后為一個數據項。ADS-B報文由數據項組成，數據項的順序由UAP確定，并按規定的順序組合在一起。當報文中含有某個數據項時，該數據項相應的FSPEC設置為1。

表2 Asterix Category 021協議格式

CAT=021LENFSPEC第一個記錄的數據項……FSPEC最后一個記錄的數據項

2.2 編程實現

根據表1，可將ADS-B的數據解碼可簡單的分成4個部分。第一部分為對數據類型和長度表示進行處理，核心代碼如下：

cat_and_len (_):

cat = int(_[0], 2) #數據類型

len = int(_[1:], 2) #數據長度

cat, len

傳入3個8位二進制數據，將第一個8位二進制數據換算成10進制，對應的值為CAT=021，將第二、三個8位二進制數據轉換為十進制，則為數據長度的值。

第二個部分為解析標識符所占字節，核心代碼如下：

#判斷是否是符號字節

is_more_fspec(_):

int(_[7]) == 0

#取出標識符字節段

is_fspecbytes():

count = 0

fspecbytes = list()

is_more_fspec([count]):

count += 1

irange(0, count):

fspecbytes.append([i])

fspecbytes

該部分is_more_fspec函數為判斷FSPEC字節FX域擴展部分的值，當FX=1時，FSPEC向后擴展一個字節。is_fspecbyte函數與is_more_fspec函數嵌套取出對應的FSPEC字節段，根據對應的UAP表格可確定發送的數據項。

第三部分為根據對應的FSPEC字節段對數據段進行解析，以表1所對應的UAP表格為例，假設該部分的FSPEC字節段為“00010000”，FSPEC字節的每一位與UAP表格中的第一列FRN一一對應，0表示不發送此項，1表示發送，由此可以得到，域擴展指示符為0，故不向后擴展，發送的數據項為I021/130（WGS-84坐標中的位置），該數據項的結構如圖2所示[3]。

代碼如下：

positionWGS_84(bytes):

lat_bytes =[0] +[1] +[2]

lon_bytes =[3] +[4] +[5]

latitude = int(lat_bytes, 2) * (2.145767E-5)

longitude = int(lon_bytes, 2) * (2.145767E-5)

latitude, longitude

圖2 數據項I021/130數據結構（LSB=2.14 576 7×10-5度）

由圖2可知，數據項I021/130共有六個字節，前三個字節為緯度信息，后三字節為經度信息，根據1.2節中的方法，可編程解析得到該項的經緯度信息。

3 總結

ADS-B監視相比于傳統的航行監視系統有著一系列優勢，克服了一系列舊航行系統的缺點，極大地推動了空中交通管制的一體化建設。通過以上對Asterix Category 021協議內容的分析，可以很好地了解Asterix Category 021協議的基本架構及其中各數據項的基本內容；通過Python對Asterix Category 021協議的解析，可以更深入地了解該協議的架構，同時也對該協議的編程實現具有一定的參考價值。

［1］魏光興.通信導航監視設施［M］.成都：西南交通大學出版社，2016.

［2］楊珊，時宏偉.Asterix Category 021協議的應用與分析［J］.電訊技術，2011，51（10）：132-136.

［3］DOUKAS D.SUR.ET1.ST05.2000-STD-12-01 Eurocontrol standard document for surveillance data exchange-part 12:Category 021 ADS-B Reports［S］.出版社不詳，2011.

［4］ALI B S，OCHIENG W Y，ZAINUDIN R.An analysis and model for automatic dependent surveillance broadcast （ADS-B）continuity［J］.Original Artical，2017，21（4）：1841-1854.

［5］PILGRIM M.Dive Into Python 3［M］.出版社不詳，2009.

［6］黃晉.廣播式自動相關監視（ADS-B）在中國民航飛行學院的應用研究［D］.成都：西南交通大學，2008.

TP393.04

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.018

2095－6835（2019）14－0046－02

〔編輯：王霞〕