ADS-B系統數據格式分析

干浩亮，吳世桂，陳 龍，宋 凱，王盈君遙，蘇 柯

(重慶機場集團有限公司 航務管理部，重慶 401120)

0 引言

中國經濟的快速增長帶動了民航業的蓬勃發展，中國民航航空運輸規模連續15年穩居世界第二位，且與第一位的差距逐年縮小。面對航空運輸規模的快速增長，空中交通管理部門迫切需要應用新技術，確保管制指揮人員能夠對管制空域內飛機的飛行動態進行實時監視，使航路上的飛機科學、準確地按照飛行計劃安全飛行。目前，空管部門對于空中飛機的監視主要依靠傳統的一、二次雷達來完成。航管雷達具有很多局限性：雷達旋轉周期限制了數據更新率的提高；精度不高；假目標多；存在大量的雷達盲區；無法獲取飛行態勢信息。此外，航管雷達設備昂貴，且運營成本較高[1]。

與傳統一、二次雷達的監視能力相比，以地空數據鏈、星基導航、高速網絡通信等新技術為支撐的廣播式自動相關監視(ADS-B)系統具有更明顯的優越性。與雷達系統相比，ADS-B系統能夠提供實時和更加準確的航空器位置、速度等監視信息，設備成本遠低于傳統的航管雷達，并且維護費用低，使用壽命長[2]。國際民航組織將ADS-B技術確定為未來監視技術的主要發展方向，大力推進ADS-B技術的應用。中國民航也已經制定了ADS-B技術應用的總體實施方案，大力開展ADS-B技術研究和應用推廣[3]。2019年，中國民航按計劃全面啟動ADS-B管制運行。

ADS-B系統還需與其它監視應用系統如空管自動化系統、A-SMGCS系統、ADS-B中小顯系統等進行互聯互通、協同工作才能充分發揮其應有的功能，這就要求ADS-B系統報文格式在不同監視系統之間傳輸時具有統一的標準，否則，將會阻礙不同系統之間的互聯、報文解析，傳輸報文的標準化成為其功能應用的前提。因此深入解析和探討ADS-B系統數據報文格式有助于提高對ADS-B系統的應用能力。本文以重慶江北國際機場已安裝建設的國產ADS-B系統報文格式為例進行詳細分析。

1 ADS-B系統簡介

ADS-B是利用地空、空空數據鏈完成空中交通態勢監視和信息傳遞的一種新興監視技術，無需人工干預。ADS-B監視示意圖如圖1所示。ADS-B系統使用星基導航和定位系統得到航空器精確的位置、速度和高度等信息，利用機載電子設備向外周期性地廣播航空器的航班號、位置、高度、速度等參數。管制人員通過航空數據鏈、ADS-B地面站或其他航空器接收此數據報文，獲得航空器的精確定位信息，增強了管制人員和機組人員的空中交通情景意識和位置感知，極大提升了航班的運行效率和飛行安全管理水平[4]。衛星、飛機和地面站形成空天地協同監視。從航空器的角度，ADS-B系統應用功能可分為發射(OUT)和接收(IN)兩類。ADS-B OUT是指航空器向外發送信息，即機載設備以一定周期對外廣播飛機的位置、速度和識別碼等信息。對于地空監視而言，采用的是ADS-B OUT模式，即航空器發信息，地面站通過接收信息來實現對航空器的監視。ADS-B IN是指航空器接收其它航空器及地面服務設施發送的ADS-B OUT信息，通過駕駛艙顯示設備獲知其他航空器的運行態勢，從而為機組人員提供運行支持[5]。

圖1 ADS-B監視示意圖

ADS-B系統可使用下列三種數據鏈技術進行信息發送：

(a)VDL-4：工作于VHF頻段(108.000～136.975 MHz)，單頻道帶寬為25 kHz，數據速率為19600 bps，調制方式為GFSK，由瑞典民航局提出的數字數據鏈路格式，其數據通信與ATN完全兼容；

(b)UAT：工作于單一帶寬信道，設計頻段為978 MHz，數據速率為1 Mbps，調制方式為GFSK，由FAA提出的一種數據鏈路格式，雙向傳輸;

(c)1090ES：工作于傳統二次雷達使用的1090 MHz頻段，數據速率為1 Mbps，調制方式為PPM，發送Mode S信號[6]。

2 ASTERIX數據幀格式

1999年12月歐洲航空安全組織發布了ADS-B CAT21 v0.10[7]。重慶江北國際機場安裝建設的ADS-B系統輸出報文格式是基于ASTERIX(All Purpose Structured Eurocontrol Radar Information Exchange Format)標準。ASTERIX是歐洲航空安全組織為雷達數據傳輸和交換定義的一種結構化協議。該協議本質上是一個數據的定義和集合，具有格式統一、易于擴展、可以更新，新版本能兼容老版本等優點，其目的是支持不同監視設備之間按照約定的格式信息交換。目前，ASTERIX協議已經成為了國際標準，涵蓋了一次場監雷達、二次場監雷達、多點定位系統等監視設備，以及空管自動化、場監融匯系統、數據中心等相關設備。

ASTERIX協議定義了監視數據編碼的框架結構，以HDLC(High-level Data Link Control)為協議基礎。HDLC是鏈路層協議的一項國際標準，用以實現遠程用戶間資源共享以及信息交互，HDLC幀由6個字段組成的，幀的兩端都是以標志字段(FLAG)結束，傳輸的數據包含在信息字段。ASTERIX監視數據塊封裝在HDLC的信息字段內，一個HDLC幀可以包含一個或多個ASTERIX數據塊。ASTERIX數據塊包括數據類型CAT、數據長度LENGTH、字段描述FSPEC、數據項Data Item 等字段[8]。HDLC幀及ASTERIX數據結構如圖2所示。CAT字段表示該條數據的類型，占一個字節長度，ASTERIX協議最多可以定義28=256種數據格式。LENGTH表示該數據的長度，是數據類型、數據長度和數據記錄的總長度，占兩個字節。每幀ASTERIX格式的數據至少包含一個數據記錄，每個數據記錄只包含一架飛機的ADS-B報告。多個數據項(Data Item)組成一個數據記錄，是每種ASTERIX數據格式中最小的信息單位。

圖2 HDLC幀及ASTERIX數據結構

ADS-B系統所處理的報文，在內容上是按照一定的順序排列起來的數據項。數據項在數據記錄中的排列順序由UAP(User Application Profile)定義，其本質為某類型下所有數據項的集合。v0.26版本的ASTERIX CAT21標準UAP表如表1所示，該UAP中包含了ASTERIX CAT21數據格式所能傳輸的所有數據項。UAP為每個數據項設置了索引編號FRN、字段代碼和字段描述，并限定了數據項的傳輸順序即按FRN編號從小到大的順序傳輸，最后一欄表示數據項的長度，以字節為單位[9]。FSPEC為數據字段描述。FSPEC類似于一個UAP表的目錄索引，定義了ASTERIX數據幀傳輸的UAP表中的數據項。FSPEC的二進制bit位從左到右傳輸順序依次與 UAP表中的FRN編號列從上到下一一對應。當報文中發送某一數據項，則FSPEC相應的比特位為1,0表示不發送該數據項；FX位是字段擴展位，FX=0表示擴展結束，FX=1表示其后有擴展字節。不同版本的ASTERIX CAT21數據格式的UAP是不同的。

表1 v0.26版本的ASTERIX CAT21標準UAP表

續表1

3 ADS-B系統數據幀解析

在實際應用中，ADS-B接收站將收到的ADS-B信息進行處理，生成ASTERIX CAT21報文送往ADS-B監視應用系統，經過一系列的處理，生成綜合航跡，在顯示終端上進行顯示。以重慶江北國際機場安裝建設的國產ADS-B系統輸出的ASTERIX CAT21報文數據為例進行解析，通過網絡抓包軟件抓取一幀數據，一幀ADS-B系統數據報文如表2所示，數據內容由十六進制表示，按字節逐一進行解析：

表2 一幀ADS-B系統數據報文

(1)字節1：15，轉換成十進制數為21，表示該報文類別為CAT21；

(2)字節2-3：0031，轉換為十進制數為49，表示這幀數據長度為49個字節；

(3)字節4-7：fb a1 df 86為FSPEC字段，轉換為二進制表示為11111011101000011101111110000110，其中fb、a1和df的二進制表示最后一位為1，是字段擴展標識，表示向后擴展一個字節，86的二進制表示最后一位為0，表示FSPEC字段結束。此FSPEC字段表示在UAP表中選取FRN=1-5、7-8、10、15-16、18-21、22、27-28的數據項，共17個數據項。

(4)字節8-9：1690，為數據源識別，包括SAC和SIC，SAC為系統區域代碼，表示不同的國家或地區；SIC為系統標識代碼，表示不同廠家生產的設備。16為SAC，即SAC=22；90為SIC，即SIC=112。

(5)字節10-11：0030，為目標報告描述符，轉換成二進制為0000000000110000，表明該數據的性質和類型，目標報告描述符各個數據位的含義如表3所示：

表3 目標報告描述符各個數據位的含義

其中，Bit-16(DCR)：0-無微分修正，1-微分修正；Bit-15(GBS)：0-未設置接地位，1-已設置接地位；Bit-14(SIM)：0-實際目標報告，1-模擬目標報告；Bit-13(TST)：0-默認，1-測試目標；Bit-12(RAB)：0-來自目標應答機的報告，1-來自固定應答機的報告；Bit-11(SAA)：0-設備不能提供選定高度，1-設備能夠提供選定高度；Bit-10(SPI)：0-SPI不存在，1-特殊位置識別(SPI)；Bit-9：0-備用未設；Bit-(8-6)(ATP)：0-非唯一地址，1-24位ICAO地址，2-地面車輛地址，3-匿名地址，4-預留地址；Bit-(5-4)(ARC，高度報告能力)：0-未知，1-762.000 cm，2-3048.000 cm；Bit-(3-1)：0-備用未設。

(6)字節12-14：037b ac為報文日時間，表示所報告位置的星歷基準時間，以上一個午夜零點起所消逝的時間計算，并以UTC時間表示，最低有效位為1/128 s，將其轉換為十進制數為1783 s，用UTC表示為0 h 29 min 43 s。

(7)字節15-22：005539 a9013182 a3為目標WGS-84坐標位置。前四個字節為緯度，后四個字節為經度，最低有效位均為180/225°。將前四個字節轉換為十進制數，計算得緯度等于29.962°，將后四個字節轉換為十進制數，計算得經度等于107.406°。

(8)字節23-25：780c 42為目標地址，即目標24位ICAO地址=780c42。

(9)字節26、27：0007為品質因數，轉換成二進制數為0000000000000111，品質因數各個數據位的含義如表4所示：

表4 品質因數各個數據位的含義

其中，Bit-16、15(AC)：00-未知，01-ACAS不可用，10-ACAS可提供使用，11-無效；Bit-14、13(MN)：00-未知，01-多個導航設備未處于工作狀態，10-多個導航設備處于工作狀態，11-無效；Bit-12、11(DC)：00-未知，01-微分校正，10-無微分校正，11-無效；Bit-(10-5)：備用位設為零；Bit-(4-1)(PA)：位置精確度，PA分為9個等級，等級越低誤差越大。

(10)字節28：08為數據鏈技術，表示使用何種鏈路技術來傳輸目標報告，轉換成二進制數為00001000，數據鏈技術各個數據位定義如表5所示。

表5 數據鏈技術各個數據位定義

其中，Bit-(8-6)：0-備用未設；Bit-5(DTI，交通信息座艙顯示器)：0-未知，1-飛機裝有CDTI；Bit-4(MDS，S模式擴展型數據鏈)：0-未使用，1-使用；Bit-3(UAT)：0-未使用，1-使用；Bit-2(VDL，是高頻數據鏈VDL-4)：0-未使用，1-使用；Bit-1(OTR，其他技術)：0-未使用，1-使用。

(11)字節29、30：0336為飛行高度，即通過氣壓測得的高度，范圍為-15 FL≤大氣壓高度≤1500 FL，最低有效位為1/4 FL。計算得飛行高度為6363.64 m。

(12)字節31、32：01 f6為幾何垂直遞減率，最低值為190.500，計算得幾何垂直遞減率為95631.000。

(13)字節33-36：07903e f7為地向量，包括地速和航向角。前兩個字節表示地速，最低有效位為3704～25928 m/s，后面兩個字節表示航向角，最低有效位為360/216°，計算的地速為218.536 m/s，航向角為88.54°。

(14)字節37-42：0c 3074 c31e 60為目標識別碼，目標識別碼編碼結構如表6所示。

表6 目標識別碼編碼結構

航空器身份識別碼編碼規則如表7所示，獲取目標身份識別碼的字符1-8后，可以按照表7對字符進行解碼即可得到目標身份識別碼，即目標識別碼為CCA4019(國航4019)。

表7 航空器身份識別碼編碼規則

(15)字節43：00為速度準確度，即速度不確定性，故速度不確定性為0。

(16)字節44：80為日時間準確度，最低有效位為2(16)～8(16) s，可得日時間精度為0.5 s。

(17)字節45：00為目標狀態，0-無緊急情況/不報告，1-一般緊急情況，2-醫療/救護，3-最低油量，4-無通信信號，5-非法干擾，該目標狀態為無緊急情況/不報告。

(18)字節46：02為發射器種類，表示加裝ADS-B設備目標的類型，對于飛機目標而言，包括飛機的重量信息和種類信息，該目標發射器種類為預留。

(19)字節47-48：0a f9為mode 3/A識別碼，目標mode 3/A識別碼編碼規則如表8所示。其中，Bit16(V，驗證)：0-碼字已驗證，1-碼字未驗證；Bit15(G，錯亂)：0-默認，1-碼字錯亂；Bit14(L，碼字來源)：0-識別碼來自應答機的應答，1-上次掃描期間未提取識別碼；Bit13：0-備用未設置位；Bits-12/1：八進制表示的mode 3/A識別碼，依次將A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1和D4D2D1轉換成八進制數，組成ABCD，即為mode 3/A識別碼，該目標的mode 3/A識別碼為5371。

(20)字節49：b7為信號強度，將其轉換成十進制數183，即該目標信號強度為183。

至此，將截取的這一幀ADS-B系統輸出CAT21數據報文解析完畢。

表8目標mode 3/A識別碼編碼規則

4 結論

本文重點討論了ADS-B系統輸出報文ASTERIX CAT21的數據解析方法，并以重慶江北國際機場ADS-B系統輸出的一幀CAT21數據為例進行解析。通過對ASTERIX CAT21報文內容的解析，可以很好地了解 ASTERIX CAT21報文的基本框架、各數據項的含義，以及各個數據項封裝的結構，其它類別的ASTERIX協議監視數據報文也可以通過上述方法進行解析；同時也方便對ADS-B系統信號質量、工作方式、數據開發等問題進行進一步地探討，能更好滿足空管監視設備保障工作的需要，很有實用價值。