ADS-B DF-17數據壓縮位置解碼算法解析

【摘 要】ADS-B全稱是Automatic Dependent Surveillance -Broadcast，即廣播式自動相關監視。ADS-B與傳統雷達監視技術相比，具有數據精度高、數據更新速度快、使用成本低、監視能力強等明顯優點，在民航系統中得到了廣泛的應用。例如民航浙江空管分局，目前已安裝使用了一套ADS-B三級數據站，及4套ADS-B地面站設備，分別在義烏機場、衢州機場、千島湖通用機場及杭州蕭山機場。目前使用的ADS-B系統下行數據均采用1090ES地空數據鏈，其中應用層使用的DF-17數據編碼，本文重點研究了DF-17報文中對飛機經緯度的壓縮位置編碼及解碼算法的原理，為后端的ADS-B數據采集、融合、處理及顯示奠定了基礎。

【關鍵詞】廣播自動相關監視;數據解析;DF-17數據幀;數據壓縮位置編碼

一、DF-17數據幀結構

ADS-B 報文通過空空、空地數據鏈廣播式傳播，系統廣播出的數據包括 8?s 前導脈沖和 112?s的數據脈沖，前導脈沖（應答報頭）形狀固定，表示ADS-B報文的開始，后面為112?s為數據脈沖，數據通過脈沖位置調制進行編碼[1]。數據塊部分為雙層結構，第一層由5個字段組成：DF，CA，AA，ME，PI。其中DF（Downlink Format）字段表示下行鏈路格式，用于區分不同應答機發送的數據鏈格式，占5bit。DF不同此后的3bit子類型意義不同。例如DF=17，表示數據類型是基于二次雷達S模式的ADS-B數據鏈。

其中33-88bit的ME字段被再次劃分，為第二層結構。ME 字段是狀態數據字段，包含ADS-B 系統各種實用數據，共占56bit。該字段中可以包含不同類型的狀態數據，例如的空中位置信息、地面位置信息和飛行器ID以及類型信息等。最后的PI 字段是奇偶校驗字段，采用CRC校驗段，用于糾檢錯處理，共占24bit[2]。

其中類型（TYPE）字段占ME字段的1-5bit，可以編碼為32個不同的值，因此ME消息字段總共有32種不同的編碼方式。其中有幾種已分配的類型分別表示了ADS-B消息中的空中位置信息、地面位置信息、飛機身份與類別信息、空中速度信息、飛行位置、飛機的狀態等。不同類型的ME字段擁有相同的幀格式，通過判斷ME字段內容，可以分析屬于哪種信息，并且得到不同的數據。本文主要對含有經緯度位置信息的空中位置報及地面位置報進行詳細描述。

二、空中位置報

空中位置信息中的“ME”字段格式如下所示，每一個分區的內容如下，包含了高度位置信息以及簡潔位置編碼（CPR）后的經度、緯度數據[3]。

CPR格式字段：占1比特，位于“ME”字段的22比特，用來表示簡潔位置編碼（CPR）是奇編碼還是偶編碼。當該位為0時，表示為偶編碼，為1時，表示奇編碼。奇編碼和偶編碼的不同采用的是相同的編碼方法，只是位置數據獲取的時刻不同。當時間位為0時，奇編碼和偶編碼交替出現，交替頻率為0.2秒UTC。

CPR編碼緯度：占17比特，“ME”字段的23-39比特，表示進行簡潔位置編碼后的飛機緯度。CPR編碼經度：占17比特，“ME”字段的40-56比特，表示進行簡潔位置編碼后的飛機經度。

三、地面位置報

地面位置報與空中位置報的格式十分相同，不同的地面位置報描述了目標在地面時的狀態與速度大小方向，沒有高度位。

其中類型位只能編碼為5、6、7、8這四個固定值。53bit-88bit中的時間碼、CPR格式碼、CPR編碼緯度、CPR編碼經度與 “空中位置報”中對應的各位編碼方式相同，不再做過多的介紹。

四、壓縮位置解碼算法原理

CPR編碼是為提高了ADS-B消息傳輸效率而設計的位置編碼方式，由于飛機在正常飛行情況下，表示經緯度的編碼在較長的時間內不會發生很大的變化，這樣消息傳輸的效率就很低。而采用了CPR編碼方法，通過對地球進行區域的劃分，然后只對劃分后的區域進行兩種不同方式（奇和偶）的編碼，避免了高階位的重復發送，在接收端通過比較不同類型的編碼消息，得出位置信息，如此一來就提高了傳輸效率。

CPR的編碼方式是根據經緯度進行兩極劃分，首先把全球的緯度劃分為奇、偶兩種區段（Zone），其次把全球經度也劃分為奇、偶兩種區段（Zone），最后把劃分完成的緯度奇、偶區段和經度奇、偶區段進行二次劃分，劃分為更小的箱塊（Bin），無論是經度區還是緯度區，一個區段內，箱塊的個數固定。CPR采用劃分后目標所在的箱塊中心值來表示實際經緯度位置，箱塊的編號就是CPR的編碼[4]。

高度就決定了編碼的精度。CPR最終的編碼結果是用經度與緯度的奇偶編碼箱塊編號表示，就是和。

下圖為CPR編碼的詳細過程，首先要進行緯度的編碼，再根據緯度位置求得經度區個數NL，從而計算得到經度編碼。實際情況下獲得的奇編碼與偶編碼位置有一定的相差，若根據奇偶編碼緯度計算出的NL不相同，則誤差較大舍棄數據。

五、CPR解碼算法實現

CPR解碼算法分為本地解碼（local decoding）和全球解碼（global decoding）。本地解碼只能限制在區段的范圍進行解碼，而且還需要一個已經確定的位置作為參考。但是本地解碼可以使用任何一個格式的CPR位置編碼，而且也沒有接收時間的限制。而全球解碼則需接收一對奇偶位置編碼信息。對于在空中位置的飛機來說，這一對奇偶編碼數據接收時間不能超過10s，若在地面位置則間隔為50s。這種方法不需要設置參考點，解碼出來的位置信息也是確定的。

通常在目標第一次出現時，使用全球解碼計算出一個確定的位置。然后，才切換到本地解碼計算后續的更新位置[6]。

（1）全球解碼

全球解碼原理是：偶區段和奇區段的邊界之差與區段序號存在一種線性關系，而偶區段和奇區段邊界之差可以通過偶編碼和奇編碼計算出來。并且，這種線性關系，無論在緯度區段，還是在經度區段，都存在。

如圖所示，目標分別位于偶區段P0位置，奇區段P1位置。從區段0開始，奇區段跟偶區段相差一個，以此類推區段2相差。

得到確切的緯度值以后開始進行經度的解碼，首先計算出NL。

如果計算出的奇偶區塊數目不相同，則表示兩次收到的位置信息不再同一個緯度區域內，這種情況說明飛行器在跨越緯度區域，不能解碼，則需等待接收到位置信息中經緯度區域值相等時再解碼。如果相等，則可以計算ZO的值：

特殊情況：NL=1時，經度區段的長度為360°此時無需用公式計算，區段編號為0。

因此，全球解碼的總流程為：首先獲取到ADS-B數據中的CPR位置數據與CPR格式，然后計算出奇、偶編碼的緯度區段差，由已知的一個奇、偶緯度區段差ZO可以得到緯度的區段編號j，從而計算出實際的緯度。然后由求出的緯度，計算出在該緯度上的經度區段數NL，判讀一致后，進行經度解碼，與緯度解碼過程相同，最后求出飛機實際位置，具體流程如下圖：

（2）本地解碼

本地解碼需要使用一個參考點，但參考點的選擇不是隨便的。參考點（Reference Position，RP）和編碼位置（Encoded Position，EP）之間的差的絕對值必須在1/2個緯（經）度區塊內。本地解碼的原理是：以參考點為中心，建立緯度和經度的滑動窗口。滑動窗口的寬度是1個區段的尺寸，這樣在滑動窗口內就不會出現重復的箱塊編號。保證了解碼的唯一性。

緯度的解碼過程如下：

設ZI為緯度區段序號，則目標點的緯度區段號為：

左邊是編碼位置緯度區段序號，右邊是參考點緯度區段序號，以及參考點和目標點的緯度區段序號差。由于滑動窗口的大小限制，差值的值只能是 1，-1 或 0。由此可見，目標點的緯度可由參考點緯度以及區段長度得到。

參考點區段編碼號計算：

的值可以由參考點與目標點的相對位置關系計算得到。設為比例因子，它表示了位置為P的點，其緯度在所在區段中位置與區段總長度的之比。可以用緯度實際值進行計算，也可以使用CPR編碼值進行計算。和就采用了這兩種方法。

由上圖可知，參考點與目標點的位置關系，大概可以概括為三種：EP與RP同一區段，EP比RP北一個緯度區，EP比RP南一個緯度區。由此，可以總結出公式：

計算后可知：在EP與RP同一個區塊內，值為0;EP比RP北一個緯度區，值為1;EP比RP南一個緯度區，值為-1。

把以上公式都帶入（4-16）可以得到最終公式：

本地解碼完成。

總過程可以描述為，由已知的一點知道確切位置的參考點，與目標點相對比，由參考點的緯度區段號和計算出的參考點比例因子、目標點比例因子可得目標點的區段號，從而解碼出飛機位置，具體解碼流程如下圖：

六、結語

隨著杭州地區航班量的飆升和民航空中交通管制事業的快速發展，浙江空管分局的ADS-B系統已于2019年開放使用，有效地解決雷達監視的覆蓋問題，提供了更高質量的監控。本文工作主要是從 ADS-B 報文中獲取航跡數據，對簡潔位置編碼（CPR）后的飛機位置進行解碼，CPR采取奇編碼和偶編碼兩種方式，截取到同一目標的兩種編碼后的不同結果，根據計算公式可以得到飛機當前的位置，完成解碼。通過飛機ADS-B下行鏈路DF-17的解析，解析了飛機ADS-B報文中的多種信息。通過獲取到的飛行位置參數，可以為其后的飛機航跡顯示、飛行數據融合奠定基礎，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]宮淑麗.機場場面移動目標監視系統關鍵技術研究[D].南京航空航天大學，2012.

[2]徐天宇.淺談 ADS-B 技術在我國民航上的應用和發展[J].江蘇航空，2012，12（4）：62-64

[3]Dependent Surveillance Broadcast（ADS-B）.1140 Connecticut Avenue，NW，Suite 10200Washington，DC 20036-4001，U.S.A. 2000

[4]斯坦利·李普曼，約瑟·拉喬伊，芭芭拉·默，王剛，楊巨峰.C++ Primer中文版（第5版）[J].中國科技信息，2013，20：28.

[5]程擎.中國實施 ADS-B 監視的地面站部署分析[J].電訊技術.2012，52（8）：1227-1231

[6]WEN BOLONG，LI YUBAI，LI HUAN，PENG WEI. An Expanded Description of the CPR Algorithm [A].IEEE，2011：4.

作者簡介：

邱昕鈺（1994—），女，本科，助理工程師。

（作者單位：中國民用航空華東地區空中交通管理局浙江分局）