Asterix Category 021協(xié)議的應(yīng)用與分析?

楊珊，時(shí)宏偉

Asterix Category 021協(xié)議的應(yīng)用與分析?

楊珊，時(shí)宏偉

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都610065）

介紹了Asterix Category 021協(xié)議的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容、用戶應(yīng)用程序框架（UAP）的結(jié)構(gòu)、報(bào)文數(shù)據(jù)塊的布局，以及ADS-B系統(tǒng)應(yīng)用該協(xié)議的方式，分析了該協(xié)議的實(shí)例應(yīng)用和協(xié)議報(bào)文的解析，提出了處理報(bào)文的思路。研究與分析結(jié)果可為如何使用Asterix Category 021協(xié)議生成與解析報(bào)文提供參考。

空中交通管制；ADS-B；Asterix Category 021協(xié)議；報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)；協(xié)議應(yīng)用

1 引言

現(xiàn)代空中交通管制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)安全高效的指揮管理，需建立在先進(jìn)可靠的監(jiān)視基礎(chǔ)之上。ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)）技術(shù)及其系統(tǒng)的推廣應(yīng)用對(duì)管制系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，極大地?cái)U(kuò)展了空管監(jiān)視系統(tǒng)的時(shí)空覆蓋范圍，提高了監(jiān)視精度和效果，從而提高了航空安全和飛行效率。ADS-B系統(tǒng)作為常規(guī)空管監(jiān)視雷達(dá)的補(bǔ)充，其獲取的監(jiān)視數(shù)據(jù)具有精度高、更新快、信息內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，已成為國際民航組織（ICAO）新航行系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它還需與其它應(yīng)用系統(tǒng)（如空管自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)場場面監(jiān)視管理指揮系統(tǒng)等）進(jìn)行互聯(lián)、協(xié)同工作才能充分發(fā)揮其應(yīng)有的效能，這就要求不同系統(tǒng)之間傳輸報(bào)文的格式要有一個(gè)解析統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則，傳輸報(bào)文格式及內(nèi)容的不一致將給空管系統(tǒng)的統(tǒng)一化管理造成極大的阻礙，傳輸報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化成為其功能應(yīng)用的首要前提。由歐管EUROCONTROL制定發(fā)布的Asterix Category 021［1］協(xié)議成為有關(guān)ADS-B報(bào)文傳輸標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)視數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。本文分別從Asterix Category 021協(xié)議的基本組成、框架、報(bào)文格式［1］，以及解析ADS-B應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)例報(bào)文［2］兩大方面分析該協(xié)議。

2 兩種監(jiān)視數(shù)據(jù)——雷達(dá)數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)的比較［3，4］

目前，空中交通管制系統(tǒng)中的監(jiān)視數(shù)據(jù)仍以雷達(dá)為主，雷達(dá)監(jiān)視與新興的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)存有諸多差異。為了更好地分析了解Asterix Category 021

協(xié)議內(nèi)容及其相關(guān)應(yīng)用，本文將雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)與ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行了初步比較，見表1。

3 Category 021 ADS-B報(bào)文監(jiān)視數(shù)據(jù)交換協(xié)議的體系架構(gòu)

從1999年12月至2010年12月，Asterix Category 021協(xié)議總共經(jīng)過了30次版本修改。該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議屬于歐管有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件的一個(gè)組成部分，主要描述了ADS-B報(bào)文傳輸?shù)募軜?gòu)，定義了Asterix Category 021數(shù)據(jù)的輸出，同時(shí)也說明了該標(biāo)準(zhǔn)與其它協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（如ICAO ANNEX 10，Vol.IV.，RTCA 260／260A等）的引用、參考關(guān)系。

3.1 Asterix Category 021的基本構(gòu)成

在Asterix Category 021協(xié)議里，最基本的構(gòu)成是Data Item（數(shù)據(jù)項(xiàng)），它也是數(shù)據(jù)類（如Asterix Category 021）里最小的信息單位。ADS-B系統(tǒng)所處理的報(bào)文，從內(nèi)容上來講，是按照一定的順序排列起來的數(shù)據(jù)項(xiàng)，在形式上這樣的排列被稱為UAP（用戶應(yīng)用程序框架）。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都有唯一的項(xiàng)標(biāo)志號(hào)，有自己的編碼規(guī)則及結(jié)構(gòu)，使用數(shù)據(jù)項(xiàng)需遵從協(xié)議中數(shù)據(jù)項(xiàng)的編碼規(guī)則。在UAP中，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)有自己的FRN序號(hào)、長度、使用準(zhǔn)則（也就是數(shù)據(jù)項(xiàng)的出現(xiàn)條件）。

下面以Asterix Category 021中幾個(gè)重要的數(shù)據(jù)項(xiàng)為例，說明數(shù)據(jù)項(xiàng)在實(shí)際應(yīng)用中構(gòu)成的基本信息。

I021／020：產(chǎn)生ADS-B單位的屬性，其中包含了3類信息：和飛行器重量有關(guān)的信息、和飛行器種類有關(guān)的信息、最后是阻礙物的信息。

I021／010：對(duì)數(shù)據(jù)源的確認(rèn)。數(shù)據(jù)源的確認(rèn)包括SAC（系統(tǒng)地區(qū)碼）和SIC（系統(tǒng)確認(rèn)碼），主要是為了對(duì)傳送ADS-B信息的源頭進(jìn)行確認(rèn)。

I021／030：被報(bào)告位置的當(dāng)日時(shí)間。時(shí)間戳應(yīng)該遵循標(biāo)準(zhǔn)ICAO Annex 5［5］。

I021／040：目標(biāo)報(bào)告的描述符，則是對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和屬性進(jìn)行描述。其中也有同樣的信息定義在最新版本的Category 023［6］協(xié)議之中。

I021／070：八進(jìn)制形式的3／A模式碼。每當(dāng)有更新的時(shí)候，只要3／A模式碼可用，此數(shù)據(jù)項(xiàng)就會(huì)被發(fā)送。

I021／130：WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)位置，這在ADSB報(bào)文中是非常重要的位置信息數(shù)據(jù)項(xiàng)，傳遞了目標(biāo)的當(dāng)前位置。

I021／145：飛行高度層，以2進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示的氣壓層（非修正海平面氣壓）。

I021／090：性能指數(shù)，解析報(bào)文的系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)這些指數(shù)來確定如何使用報(bào)文數(shù)據(jù)，具體含義如表2所示。

其中PA的編碼稱作NUC（導(dǎo)航不確定性類別）［7］。表3綜合反映了ADS-B定位信息的精度和完好性，其中RC為完好性的限制半徑，即實(shí)際位置落在以測量位置為圓心、RC為半徑的圓范圍內(nèi)的概率為95%。

其它數(shù)據(jù)項(xiàng)還能傳遞如地面向量、鏈接技術(shù)、MOPS版本等信息［8-10］。

3.2 Asterix Category 021的用戶應(yīng)用程序框架

用戶應(yīng)用程序框架（UAP），是Asterix Category 021協(xié)議中制定的，應(yīng)用于應(yīng)用程序系統(tǒng)的報(bào)文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成框架，包括數(shù)據(jù)項(xiàng)順序、編碼規(guī)則等。

無論是解析ADS-B報(bào)文格式還是生成ADSB報(bào)文，都需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)τ脩舫绦蚩蚣埽║AP）進(jìn)行設(shè)定。

（1）確定ADS-B報(bào)文適用的版本協(xié)議中適合的數(shù)據(jù)項(xiàng)?？赡軕?yīng)用程序并不完全需要Category 021協(xié)議里所有的數(shù)據(jù)項(xiàng)，協(xié)議里編碼要求為必須出現(xiàn)的數(shù)據(jù)項(xiàng)是必須在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)，應(yīng)用程序需要確定的是其它可選數(shù)據(jù)項(xiàng)是否在此處系統(tǒng)通信報(bào)文中出現(xiàn)。數(shù)據(jù)項(xiàng)的格式、傳輸內(nèi)容等必須嚴(yán)格按照協(xié)議內(nèi)容執(zhí)行。

（2）確定ADS-B報(bào)文適用的版本協(xié)議中的UAP。確定數(shù)據(jù)項(xiàng)在報(bào)文中的使用規(guī)則。確定原協(xié)議中未使用的數(shù)據(jù)項(xiàng)在UAP中空閑比特的位置。

（3）其余設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)嚴(yán)格遵循協(xié)議規(guī)定。

表4所示為來自Asterix Category 021協(xié)議所制定的UAP的部分內(nèi)容，以及應(yīng)用程序?qū)υ揢AP的框架所做出的設(shè)計(jì)更改。其中“…”代表該行內(nèi)容無代表性，原UAP中有內(nèi)容，但本文未在此表引用；“-”代表原UAP中此處為空閑比特，無信息、長度、編碼規(guī)則等說明。

表4中的空閑比特有兩種情況，一種是協(xié)議本身保留的最后7個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)、原協(xié)議UAP中保留的空閑比特、以及保留擴(kuò)展域，另外一種是該ADS-B系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)時(shí)從原UAP中剔除的數(shù)據(jù)項(xiàng)，它們?cè)诖颂幎急辉O(shè)置為空閑位。其它所需要的數(shù)據(jù)項(xiàng)依舊按照原FRN順序排列。

表4的最后一列是每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的使用規(guī)則。在Asterix Category 021原協(xié)議UAP中，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的編碼規(guī)則只有可選與必須出現(xiàn)兩種情況，此處UAP給出了每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)必須出現(xiàn)或者可出現(xiàn)的條件，將原協(xié)議的可選情況細(xì)節(jié)化，靈活制定自己的系統(tǒng)規(guī)則。

3.3 Asterix Category 021的報(bào)文模塊

Asterix Category 021協(xié)議對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式如圖1所示。其中，“數(shù)據(jù)類=21”代表這個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)氖茿DS-B報(bào)文，“長度”描述的是包括數(shù)據(jù)類以及長度在內(nèi)的數(shù)據(jù)塊的字節(jié)長度，“字段描述符”記錄的是該報(bào)文所含有的數(shù)據(jù)項(xiàng)的個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)項(xiàng)出現(xiàn)的情況，“…”表示略去中間零個(gè)或多個(gè)記錄。

在第4部分的實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，將會(huì)介紹一段ADS-B報(bào)文實(shí)例的分析，其內(nèi)容的解析就是根據(jù)該報(bào)文模塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

4 Asterix Category 021協(xié)議在某ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用

在國內(nèi)某ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)中（圖2），我們按照Asterix Category 021協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了ADS-B數(shù)據(jù)接入ATC自動(dòng)化系統(tǒng)［11］等相關(guān)應(yīng)用。該系統(tǒng)由幾大模塊組成［2，12］，下面分別描述。

（1）ADS-B數(shù)據(jù)接入設(shè)備

ADS-B數(shù)據(jù)接入設(shè)備-多路線路適配器、NPORT可接收來至ADS-B系統(tǒng)的HDLC協(xié)議ADS -B數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為TCP／IP數(shù)據(jù)進(jìn)入九寨ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

（2）主從ADS-B數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

主從ADS-B數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上相同部署ADS -B前端處理模塊、ADS-B航跡處理模塊、ABS-B融合處理模塊、多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合模塊、ADS-B選擇性融合處理模塊、選擇性融合航跡輸出模塊等，實(shí)現(xiàn)ADS-B數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、解析、航跡管理（航跡的建立、更新、外推、清除）、多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合、ADS-B數(shù)據(jù)與多雷達(dá)融合航跡的選擇性融合及輸出等，并送ADS-B監(jiān)視終端顯示；主從ADS-B數(shù)據(jù)處理服務(wù)器有效保障系統(tǒng)此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的可靠運(yùn)行。

（3）ADS-B監(jiān)視終端

ADS-B監(jiān)視終端以ADS-B目標(biāo)標(biāo)牌樣式顯示ADS-B目標(biāo)，以充分顯示ADS-B目標(biāo)信息，并可實(shí)現(xiàn)ADS-B目標(biāo)、系統(tǒng)航跡的單獨(dú)、疊加顯示或選擇性融合數(shù)據(jù)顯示。

從圖2中可以看到，ADS-B地面站將接收到的ADS-B數(shù)據(jù)通過ADS-B數(shù)據(jù)接入設(shè)備（即圖2中多路線路適配器、NPORT）接入該ADS-B監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)多路線路適配器還接受雷達(dá)數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)均在接入設(shè)備處被轉(zhuǎn)換為TCP／IP數(shù)據(jù)并送入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行后續(xù)處理。ADS-B數(shù)據(jù)服務(wù)器首先將收到的Asterix Category 021格式的ADS-B數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部格式，然后對(duì)ADS-B原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，提取和處理報(bào)文中的所有信息，經(jīng)過一系列處理之后形成航跡，于顯示終端上顯示，或者生成其它系統(tǒng)所需要的綜合航跡輸出。

表5描述了該系統(tǒng)接收到的一個(gè)內(nèi)容為“15 00 2C FF A1 D8 6FDE 04 28 A7 56 F5 00 57 71 0D 01 24 62 48 78 02 7A 13 84 00 06 08 04 B4 00 00 06 5B CA 1E 0C 30 74 CB 8E 60 00 C8 08”的ADS-B報(bào)文實(shí)例，說明ADS-B數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)此Category 021協(xié)議報(bào)文的內(nèi)容的解析［4，13］。

5 Category 021應(yīng)用的總結(jié)和展望

通過以上對(duì)Category 021協(xié)議內(nèi)容及其在實(shí)例系統(tǒng)中應(yīng)用的分析，可以了解該協(xié)議是如何包裝各類ADS-B數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)如何解析該協(xié)議編碼的數(shù)據(jù)包，體現(xiàn)其在ADS-B系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中的重要意義，從根本上了解ADS-B的優(yōu)勢，同時(shí)為ADSB數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和解析提供方法和參考。

Asterix Category 021協(xié)議高效、安全的傳輸能力，為ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)逐漸取代雷達(dá)數(shù)據(jù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了配合目前仍廣泛使用的雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)，促使監(jiān)視技術(shù)的更新?lián)Q代，Asterix Category 021協(xié)議可根據(jù)其NUC指標(biāo)來控制ADS-B與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的權(quán)重，建立以數(shù)據(jù)完好性NUC為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)融合規(guī)則并融入?yún)f(xié)議之中，此類構(gòu)想還需在未來逐漸實(shí)現(xiàn)。

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YANG Shan was born in Sichuan Province，in 1988.She is now a graduate student.Her research direction is network communication.

Email：256657＠qq.com

時(shí)宏偉（1963—），男，河南人，1990獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭展芘c雷達(dá)數(shù)據(jù)融合。

SHIHong-weiwas born in Henan Province，in 1963.He received the M.S.degree in 1990.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns air trafficmanagement and radar data fusion.

App lication and Analysis of Asterix Category 021 Protocol

YANGShan，SHIHong-wei
（School of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The content of Data Items，composition of user application profile and layout ofmessage data block included in Asterix Category 021 protocolare introduced，aswell ashow the ADS-B system complieswith the protocol.The application of Asterix Category 021 and theway to decode the protocolmessage are analysed，a thought to dispose themessage is presented.The research and analysis result provides a reference to apply this protocol.

air traffic control；ADS-B；Asterix Category 021 protocol；report standard；protocol application

TN92；V19

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.027

楊珊（1988—），女，四川人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信；

1001-893X（2011）10-0132-05

2011-06-03；

2011-09-02