基于ADS-B的飛機導航信息感知及可視化系統設計

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）16-0099-07

Abstract： Aiming at the problem of aircraft navigation information perception，an ADS-B navigation information acquisitionand visualizationsystem isconstructedbasedonOpenSkyNetwork platform.By integrating Flask framework and Mapboxtechnology，thereal-timeacquisitionanddepanalysisofADS-Bdatacanberealizedandthekeynavigationparaetes such as positioncoordinates，flightspeedandflightheightoftheaircraftcanbedisplayedinanal-round way.Through the intuitiveandeasy-to-understand map interface，userscaneasily graspthereal-timeflightdynamicsofaircraftaround theworld. Thesystemprovidesaconvenentnavigationinformationmonitoringmethodfortheaviationfeld，whichcanefectivelyprove theflightsafety factorand operationaccuracy，and alsoopen upanew perspective and path for theresearch and practice of frontier fields such as air collision warning.

Keywords：ADS-B technology;aircraft navigation perception; Flask framework; Web service;Mapbox technology

0 引言

在全球航空業持續繁榮發展的當下，對高效且安全的空中交通管理系統的需求愈發強烈。傳統雷達監視系統的局限性日益凸顯，而廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）技術則成為破解這一難題的關鍵所在[1]。據英國《每日電訊報》國防編輯、沙普斯代表團成員丹妮爾·謝里丹的報道揭示，3月13日上午，一架波蘭飛往加里寧格勒的航班在飛行中遭遇了時長約30分鐘的電子戰攻擊，導致其GPS導航系統遭受干擾。同日，開源情報領域的分析師馬庫斯·瓊森報告指出，該空域內約有511架飛機同樣遭遇了類似電子干擾，此次事件不僅影響廣泛，且后果嚴重。

為深化ADS-B技術的應用效能，本文引入了OpenSkyNetwork這一開源平臺，該平臺能夠實時提供豐富的飛機航線ADS-B數據，并保障數據的即時更新。研究內容專注于提升ADS-B技術在航空導航領域的運用，包括實時處理ADS-B信號、展示地圖可視化、提供導航完好性指標等功能。同時，結合誤差校正策略，大幅度增強系統的可信度，為航行安全提供可靠支持。

1 ADS-B報文協議及網絡獲取技術

1.1 ADS-B報文

ADS-B技術，作為一種先進的監視手段，其核心功能在于賦能飛機自主且定期地廣播其飛行狀態信息，而無須外界主動詢問。在這一技術框架下，飛機所廣播的狀態參數廣泛而詳盡，其中尤為關鍵的有位置、高度以及速度信息。具體而言，位置信息由全球導航衛星系統（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）精確測定，而速度信息則是通過GNSS所提供的位置數據與慣性測量系統的綜合計算得出。至于高度信息，則涵蓋了氣壓高度與GNSS高度兩個方面，其中氣壓高度由精密的空氣數據系統提供。除了這些主要狀態參數外，ADS-B還可以廣播其他信息，比如飛機呼號、高精度指示器、完整性指示器和運行狀態[2]。

ADS-B消息內容幀長112bit，其報文結構如圖1所示，這些元素共同構成了在 1090MHz 頻段上傳輸的完整ADS-B消息體[3]

ADS-B數據的ME字段位于第 33～37 位。表1顯示了每個類型代碼與其包含在ME段中的信息之間的關系，前5個比特為（TYPE）消息類型字段，緊接著的3個比特為消息子類型（SUBTYPE）字段，剩余48個比特為消息內容一主要包括空中或地表目標位置的經緯度、高度、空中速度消息、時間指示信息等。

表1消息類型

1.2Web服務器的Flask框架

Flask是一個輕量級的Web應用開發框架，它源自Python，旨在保持代碼的簡潔清晰和易于擴展。這個框架整合了簡單的路由機制和模板引擎功能，讓開發者能夠快速構建Web應用。Flask的核心是兩個重要的庫：Werkzeug和Jinja2。Werkzeug專注于處理業務邏輯，而Jinja2則注重應用的安全性。這些基礎庫為Web項目提供了多樣化的基礎組件，奠定了堅實的基礎。在實際應用中，Flask框架的架構由多個關鍵部分組成[4，包括應用程序實例、上下文管理、路由系統、視圖處理函數、模板渲染和表單處理等。這些組件協同工作，使得Flask能夠高效地處理客戶端的請求并生成相應的響應。

1.3Mapbox技術

Mapbox是一個基于Node.js、CouchDB及GDAL等技術的開源平臺，用戶不僅能在線申請賬戶進行地圖制作，還能下載并安裝相關工具實現本地部署。其核心的數據存儲機制實質上是一種高效的數據索引系統，類似于書籍的目錄，極大地加速了數據的檢索與渲染過程。在數據存儲方面，Mapbox選用了SQLite數據庫，這是一個無須配置、無服務器依賴且支持事務處理的SQL數據庫引擎。

此外Mapbox提供了兩大渲染引擎：MapboxGLJS（適用于瀏覽器）和MapboxGLNative（適用于移動設備）。MapboxGLJS能夠以前端方式實時渲染出包含幾何圖形、文字標注及圖標符號的3D場景地圖，展現出卓越的WebGIS開發能力，成為一款備受歡迎的WebGIS開發框架[5]。通過使用MapboxGLJS在Web 瀏覽器或客戶端中顯示Mapbox地圖，添加用戶交互性，并在應用程序中自定義地圖體驗。

2 系統設計

2. 1 系統架構設計

整體系統架構如圖2所示。

數據采集層依托API接口技術，從OpenSkyNetwork實時獲取全球飛機ADS-B數據，涵蓋位置、速度、高度等關鍵信息，將這些數據傳遞至數據處理層，該層是系統的核心，通過特定解析算法將ADS-B信號轉換為結構化JSON數據，并進行數據清洗和異常值處理，確保數據準確完整。數據處理層還實現多源數據融合與校驗，增強了數據一致性和持久性，為后續應用提供了堅實的基礎。

處理后的ADS-B數據存儲至數據存儲層，該層采用分布式數據庫架構，借助Redis緩存技術提升數據訪問速度，確保系統實時響應。這些數據最終會被應用服務層利用，作為業務邏輯處理中心，實現對飛機導航信息的實時分析、態勢感知及預警功能。通過集成Flask框架，構建高效可擴展Web服務，支持數據實時處理與分發，滿足系統需求。

2.2 數據處理流程

整體數據處理流程如圖3所示。

圖3數據處理流程

ADS-B數據處理包括信息接收、處理質控、存儲管理。通過API接口獲取ADS-B數據，通過模塊化設計實現了航空器狀態信息的實時獲取、多維度質量校驗及高效存儲管理[。系統采用微服務架構模式，各功能模塊通過RESTfulAPI進行通信，有效提升了系統的可擴展性和維護性。

ADS-B信息接收：本系統通過OpenSkyNetwork提供的RESTfulAPI構建實時數據采集通道。數據采集層基于PythonFlask框架構建異步Web服務，集成requests庫實現HTTPS長連接管理，獲取的ADS-B報文經JSON解析后包含飛機位置、速度、高度等核心參數。前端則利用HTML、CSS、JavaScript及Mapbox GLJS庫實現數據可視化展示[7]。

數據處理與質量控制：接收后的ADS-B數據需要進行進一步的處理和質量控制，系統對異常值進行處理，剔除速度異常、位置跳變等不合理數據。融合多個數據源，并通過對比校驗各數據源的信息，提升數據的整體質量與可靠性。

數據存儲與管理：將處理后的ADS-B數據存儲到分布式數據庫中，針對ADS-B系統海量異構數據特征，系統采用多模態混合存儲架構，采用MySQL關系型數據庫與MongoDB文檔數據庫協同工作的分布式存儲方案。為解決高并發訪問瓶頸，利用Redis緩存技術提高數據訪問速度，在數據存儲過程中，系統會對數據進行分片和索引處理。

2.3 可視化設計

可視化界面是用戶與系統交互的主要窗口，其設計需要直觀、易用且富有吸引力。本系統采用響應式布局和現代化的UI設計理念，注重色彩搭配和信息層級的呈現，通過合理的配色方案和信息布局提高信息的可讀性和易理解性[]。

2.3.1 地圖展示與交互功能

利用Mapbox地圖服務，實現全球地圖的動態實時展現[9]。用戶能夠進行縮放、平移等操作，瀏覽全球各區域的飛機信息詳情。飛機實時位置以圖標形式清晰標注，并進行了顏色、大小等視覺設計。

2.3.2 關鍵導航信息展示

綜合運用圖標、數字與文本，多維度展現飛機的核心導航數據，位置、速度、高度及航向等關鍵要素，將信息以直觀易懂的方式融入地圖界面，使用戶能夠迅速把握飛機的實時飛行狀況。

2.3.3 實時更新與動態效果

本系統實現了數據的實時更新和動態效果展示。借助WebSocket技術實現前后端實時通信，確保地圖上的飛機位置、速度等信息的即時性與準確性。系統還通過動畫效果展示飛機的飛行軌跡和狀態變化，增強用戶的視覺體驗和沉浸感。

3 方法與實現

3.1數據獲取與預處理

在本項目中，使用OpenSkyNetwork提供的API來獲取ADS-B數據。狀態向量數據是OpenSky數據集的核心，它提供了關于航空器在特定時間點的詳細狀態信息。表2為狀態向量數據中包含的主要字段及其解釋。

表2狀態向量表

3.1.1 獲取方式

本項目通過發送HTTPGET請求到OpenSkyNetwork的API，并獲取全球的飛行數據。

API接口確定：獲取對應的API。使用url_base表示實際API的URL。

認證與權限：使用用戶名和密碼進行HTTP請求的基本認證（auth=（user_name，password））。使API可以安全地獲取數據，確保只有本團隊授權用戶才能訪問這些數據。

請求參數：通過Web服務接口（GET/）提供經緯度范圍（lamin，lomin，lamax，lomax）作為查詢參數，構造發送到API的請求，以請求全球范圍的飛行數據。

發送請求：使用requests.getO方法發送HTTPGET請求到API，帶上查詢參數和認證信息。API將返回指定范圍內的飛行數據。

3.1.2 數據預處理

基于OpenSkyNetwork的ADS-B數 據，通過Flask構建RESTfulAPI（ @ app.route），實現數據獲取、清洗（剔除無效位置/異常值）與JSON格式轉換。采用MySQL/MongoDB分布式存儲清洗后數據，結合Redis緩存高頻訪問信息，通過分片索引提升查詢效率。部署時通過app.run暴露5000端口，集成異步處理與定時任務保障數據實時性，為前端可視化提供高可用、低延遲的航班狀態服務，并內置網絡異常/數據解析等錯誤處理機制。

3.2 實現過程

3.2.1 初始化設置

前端實現流程如圖4所示。

具體如下：

1）初始化定義。HTML文檔的

部分，和 標簽的URL為MapboxGLJS庫的CDN鏈接和相應的CSS樣式表鏈接，以確保Mapbox的JavaScript庫和CSS樣式表能夠正確加載，確保Web頁面能夠利用Mapbox提供的地圖服務。同時，通過mapboxgl.accessToken設置Mapbox的訪問令牌（accessToken），允許開發者在Web應用中加載和顯示地圖數據。最后調用mapboxgl.Map構造函數接收一個配置對象實現地圖的初始化，其中包括地圖容器的ID（map'）、地圖樣式的URL、初始中心點的經緯度坐標（[0，0]）以及初始縮放級別（1.5）等。ADS-BInformationVisualization

body{margin： O; padding： 0;} #map{position：absolute; top：O;bottom：0;

width： 100% }

LoadJSONData<！--

buttongt; mapboxgl.accessToken \"; var map new mapboxgl.Map（{ container：'map'，style：'mapbox：//styles/

mapbox/streets-vll'，center： [0，0]， zoom：1.5}）;

2）定時器Timer設置。利用setInterval函數設定一個定時器，定時執行loadFlights函數[10]。loadFlights函數的職責是從服務器端獲取最新的航班信息，并更新地圖上的圖層，以實現數據的動態更新。通過定時器的設置，保證了數據的實時性和動態性。

loadFlights（;

setInterval（loadFlights，5000）;

3. 2. 2. 數據的實時更新

1）各項飛行數據的獲取。在loadFlights函數的實現中，采用fetchAPI向服務器發出請求，以便獲取最新的航班數據。這一過程的成功與否取決于后端API接口的可靠性，該接口應當返回一個包含航班信息的JSON數據。為了確保數據的準確獲取和處理，必須在fetch函數中指定后端URL，并處理潛在的網絡異常情況。

function loadFlights（ {

fetch（'http：//127.0.0.1：5000）//修改為Flask后

端提供的URL （204號throw newError（'Network response was

not ok'）;}return response.json（;}）

2）更新信息。將獲取到的 JSON數據使用 mapremoveLayer和map.removeSource方法移除地圖上舊的圖層和數據源，以避免數據重復顯示；然后使用map.addSource和map.addLayer方法將新的GeoJSON數據源添加到地圖上，并創建一個新的圖層來顯示這些數據點。

if （map.getLayer（'flights'）） { map.removeLayer（'flights'）;}

if （map.getSource（'flights'）） { map.removeSource（'flights'）;}

map.addSource（'flights'，{ \"type\"： \"geojson\"， \"data\"： flightsGeoJson}）;

map.addLayer（{ \"id\"： \"flights\"， \"type\"：\"circle\"， \"source\"：\"flights\"，\".…

3.2.3 飛機信息的更新

1）幾何對象的創建。在GeoJSON數據中，每個圖標類型的幾何對象代表一個飛行物，其坐標（經度和緯度）從后端返回的JSON數據中提取。通過遍歷后端返回的飛行數據數組，為每個飛行物創建一個GeoJSON特征（Feature），并將它們組合成一個特征集合（FeatureCollection），這個特征集合隨后被用作新的數據源添加到地圖上。

const flightsGeoJson \"type\"：\"FeatureCollection\"， \"features\"： data.map（flight ? （{ \"type\"： \"Feature\"， \"geometry\"： { \"type\"： \"Point\"， \"coordinates\"： [flight.lon， flight.lat] }， \"properties\"：flight }））};

2）圖層更新

在創建并添加新的GeoJSON數據源后，使用map.addLayer方法添加一個circle類型的圖層來顯示這些圖標。通過指定圖層的id、source以及paint屬性來定義圖層的外觀和行為。設置點擊事件監聽器，用戶點擊地圖上的飛行物時，將彈出顯示包含航班呼號等數據信息的Popup 窗口。

map.addLayer（{ \"id\"： \"flights\"， \"type\"： \"symbol\"， \"source\"：\"flights\"， \"layout\"： { \"icon-image\"： \"custom-marker\"， \"icon-size\"：0.5， \"icon-allow-overlap\"： true， \"icon-rotate\"：[\"to-number\"，[\"get\"，\"true_track\"]] }3）； map.on（'click'，'flights'，function （e）{ new mapboxgl.Popup（ .setLngLat（e.features[O].geometry.coordinates） .setHTML（ ?∠13gt;5 {e.features[O].properties. llsign） ?^? ） .addTo（map）; }）；

3.3 開發與集成

后端和前端的開發是獨立并行推進的，但必須保證它們之間的數據接口能夠互相配合。后端開發完成后，會被部署到服務器上，前端則通過HTTP請求與后端進行數據交互。前端開發完成后，會將HTML、

CSS和JavaScript文件部署到Web服務器上，以確保用戶可以通過瀏覽器訪問并使用系統。

當用戶在地圖界面上查看航空器的實時飛行動態時，前端會觸發一次服務器的數據檢索請求，獲取當前所有航空器的位置坐標、飛行速率、飛行高度等關鍵導航參數[]。后端服務在成功捕獲該請求后，從數據庫中提取相關數據，并將其以JSON格式封裝并傳輸回前端。前端接收到后端返回的數據后，會將其解析并動態地呈現在用戶界面上，使用戶能夠直觀地看到航空器的實時飛行動態。這種基于前后端分離架構的數據交互機制，確保了系統能夠實時、準確地向用戶展示航空器的導航信息。其總體架構如圖5所示。

4實驗與結果分析

基于ADS-B技術的數據，開發并優化航空的實時監視可視化，確保飛機能夠實時、準確地獲取并顯示其位置、速度、高度及航向等關鍵導航參數[12]。通過Flask框架構建的Web服務，結合Mapbox將這些實時數據直觀地呈現在地圖上，為飛行提供直觀、全面的飛行狀態反饋，從而提升飛行操作的安全性和精準度。系統運行時能夠每隔5s獲取并展示飛機的位置和狀態信息，動態地將飛行數據顯示在地圖上，用戶可以通過點擊飛機圖標查看多個狀態信息。

先運行后端代碼獲取數據，隨后運行前端代碼實現可視化，獲取到的JSON數據如圖6所示。

在界面中，可以觀察到全球范圍內所有搭載有ADS-B設備的飛機的實時分布情況[13]。這些飛機以黑色飛機圖標的形式標注在世界地圖上。每一架飛機詳盡地列出了當前選定飛機的各項關鍵數據，包括海拔高度、精確的經緯度坐標、飛行速度以及飛機的ICAO24碼等，使其夠迅速掌握飛機的飛行狀態?？梢暬缑孢€具備高度的可編輯性和可擴展性。用戶可以通過“OpenStreetMap Improve this Map”鏈接，輕松地對地圖信息進行進一步的優化和完善，以滿足自身對飛機追蹤信息的個性化需求。這一設計不僅提升了用戶的使用體驗，還為用戶提供了更多探索和分析飛機數據的可能性。實際運行界面如圖7所示。

圖7可視化界面

5結論

本研究利用OpenSkyNetwork平臺資源，成功構建了一個高效、實時的飛機導航信息監測系統。同時，將ADS-B數據與Flask框架融合，構建了一個功能齊全的Web服務應用程序。該服務能夠實時捕捉和處理飛機發出的ADS-B信號，監測空中航班的動態，并通過API接口提供全球航班信息。未來將不斷優化算法，提升數據處理的實時性和準確性，擴展系統的應用范圍，深入探索其在航空交通管理、空中碰撞預警等領域的應用潛力。同時，將密切關注ADS-B技術的最新發展動態，及時引入新技術、新方法，推動航空領域的智能化、精細化發展。

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家莊：河北科技大學，2018.

作者簡介：劉錚（2004一），女，漢族，湖南湘潭人，

本科在讀，研究方向：邊緣計算與通信協同、機器學習的應用、

計算機視覺、智能電信網絡與資源優化；羅萌（2004—），女，

漢族，湖南邵陽人，本科在讀，研究方向：無線通信、物聯

網通信、機器視覺；陳恩澤（2004一），男，漢族，湖南常德

人，本科在讀，研究方向：機器學習、深度學習、機器視覺；

陸丹（2005一），女，漢族，湖南衡陽人，本科在讀，研究

方向：大數據與實時數據處理、數據可視化、人工智能與機

器學習的應用、人機交互與用戶體驗；李立（1983一），女，

漢族，湖北武漢人，職員，本科，研究方向：數據分析處理。