基于設(shè)計(jì)模式的ADS-B終端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

童衛(wèi)勇，朱佳麗，薛　鋒(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

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基于設(shè)計(jì)模式的ADS-B終端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

童衛(wèi)勇，朱佳麗，薛鋒
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:簡(jiǎn)介了廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)的工作原理、數(shù)據(jù)格式等，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ADS-B地面站的顯示終端軟件，利用設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了軟件模塊間的解耦，提高了軟件復(fù)用度。軟件人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單，在相關(guān)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:ADS-B;終端軟件;設(shè)計(jì)模式

0　引言

隨著航空事業(yè)的飛速發(fā)展，民眾對(duì)空域資源的需求與日俱增，這就急需空中交通管制系統(tǒng)解決安全、容量和效率不足的問題?？展芟到y(tǒng)需要對(duì)管制空域內(nèi)飛機(jī)的飛行動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，以往應(yīng)用的方法主要是雷達(dá)監(jiān)視，受制于雷達(dá)固有的局限性，如探測(cè)盲區(qū)，無法覆蓋海洋、荒漠以及較低數(shù)據(jù)更新率等。單純地依靠傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)很難應(yīng)對(duì)空中交通流量的持續(xù)增長(zhǎng)和民航空域資源的嚴(yán)重缺乏［1］。由國(guó)際民航組織(ICAO)的未來空中航行系統(tǒng)專門委員會(huì)推薦采用的ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast:廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視)是基于衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)，是為越洋飛行的航空器在無法進(jìn)行雷達(dá)監(jiān)視的情況下希望利用衛(wèi)星實(shí)施監(jiān)視所提出的解決方案，近些年來取得了逐步的推廣，日漸成為一種主流的空中交通監(jiān)視手段［2］。

ADS-B系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備獲得民航機(jī)實(shí)時(shí)的位置信息和速度信息及其他信息，通過機(jī)載收發(fā)機(jī)將上述信息等向空中和地面進(jìn)行廣播，供其他民航機(jī)和地面接收設(shè)備接收和顯示［3-4］。本文將主要討論ADS-B地面站終端軟件的設(shè)計(jì)。

1　ADS-B終端軟件設(shè)計(jì)

1.1軟件組成

ADS-B終端軟件主要由3個(gè)模塊組成:數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、控制模塊。軟件數(shù)據(jù)處理模塊接收地面站硬件設(shè)備發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文，通過對(duì)報(bào)文類型的分析解算出所需的民航目標(biāo)的位置、狀態(tài)等信息，生成并維護(hù)一個(gè)ADS目標(biāo)鏈表，民航目標(biāo)的信息更新、超時(shí)刪除、界面顯示都基于鏈表的操作;顯示模塊將ADS目標(biāo)鏈表進(jìn)行不同類型的顯示，顯示模塊主要由3個(gè)界面組成: PPI顯示(距離方位顯示)、距離高度顯示和目標(biāo)表頁(yè)顯示;控制命令則通過控制模塊向顯示模塊發(fā)送。ADS-B終端軟件組成圖1所示。

圖1　ADS-B終端軟件基本組成

1.2數(shù)據(jù)處理模塊

1.2.1報(bào)文類型

ADS-B數(shù)據(jù)報(bào)文主要由5類組成［5］:唯一標(biāo)識(shí)飛機(jī)的24位ICAO地址的標(biāo)識(shí)號(hào)、WGS-84坐標(biāo)系下的位置信息(經(jīng)緯度、高度等)和速度信息等狀態(tài)矢量、狀態(tài)和意圖信息、分類號(hào)及其他信息。在本軟件中，主要處理的數(shù)據(jù)報(bào)文有目標(biāo)位置報(bào)文、目標(biāo)速度報(bào)文以及目標(biāo)航班信息。數(shù)據(jù)報(bào)文主要由報(bào)文頭、報(bào)文類型、ICAO標(biāo)識(shí)號(hào)、報(bào)文發(fā)送時(shí)間及具體報(bào)文數(shù)據(jù)組成。位置報(bào)文、速度報(bào)文及航班報(bào)文由報(bào)文類型確定，通過匹配ICAO標(biāo)識(shí)號(hào)對(duì)具體報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2.2數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)ADS目標(biāo)的操作置入ADS目標(biāo)鏈表處理。目標(biāo)鏈表主要負(fù)責(zé)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的插入、目標(biāo)數(shù)據(jù)的更新以及超時(shí)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的刪除。鏈表節(jié)點(diǎn)的匹配利用唯一標(biāo)識(shí)的ICAO碼，新節(jié)點(diǎn)插入則基于位置信息，而速度報(bào)文和航班信息只更新或添加目標(biāo)鏈表中匹配目標(biāo)的相應(yīng)信息。當(dāng)新的數(shù)據(jù)報(bào)文到來時(shí)，目標(biāo)鏈表處理步驟如下:

(1)判別報(bào)文類型，若是位置報(bào)文則下一步處理，若是速度報(bào)文則轉(zhuǎn)到步驟5，若是速度報(bào)文則步驟6進(jìn)行處理;

(2)對(duì)目標(biāo)鏈表進(jìn)行ICAO匹配，若匹配則下一步處理，若不匹配則轉(zhuǎn)到步驟4;

(3)判斷是否是新的位置信息，若是則更新目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，反之則只更新節(jié)點(diǎn)時(shí)間信息;

(4)此時(shí)目標(biāo)的ICAO與鏈表所有節(jié)點(diǎn)都不匹配，則認(rèn)為當(dāng)前目標(biāo)是新的節(jié)點(diǎn)，插入目標(biāo)鏈表;

(5)若是速度報(bào)文，在鏈表中進(jìn)行ICAO匹配，若匹配則判斷是否是新的速度信息決定更新匹配節(jié)點(diǎn)的速度信息還是時(shí)間信息，不匹配則不處理;

(6)當(dāng)收到的是航班報(bào)文時(shí)，由于航班號(hào)和ICAO碼是唯一對(duì)應(yīng)的，若節(jié)點(diǎn)的無航班號(hào)信息則添加航班號(hào)，反之則更新節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息即可。

由于ADS-B的位置信息采用的是GPS給出的大地坐標(biāo)系的經(jīng)度、緯度、高度三維信息，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將目標(biāo)的經(jīng)緯度、高度信息轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)系中的XYZ坐標(biāo)，再將空間坐標(biāo)變換到相對(duì)地面站位置的距離方位仰角的極坐標(biāo)系下，從而方便ADS目標(biāo)的顯示監(jiān)視。ADS目標(biāo)鏈表的節(jié)點(diǎn)插入和數(shù)據(jù)更新流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理模塊定時(shí)輪詢目標(biāo)鏈表。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間字段與輪詢當(dāng)前時(shí)間超過一定的時(shí)間間隔，則認(rèn)定此目標(biāo)節(jié)點(diǎn)超時(shí)，目標(biāo)鏈表刪除節(jié)點(diǎn)。

1.3顯示與控制模塊組成

圖2　ADS目標(biāo)鏈表處理流程

軟件顯示模塊主要基于GDI +技術(shù)繪制。GDI +技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)顯示模塊的地圖勾勒、偏心、縮放等功能。根據(jù)民航目標(biāo)的特點(diǎn)，模塊主要由3個(gè)界面組成: PPI顯示、距離高度顯示、目標(biāo)表頁(yè)顯示。PPI界面主要顯示目標(biāo)的航班號(hào)、距離、方位、航跡等位置信息，距離高度界面關(guān)注的是目標(biāo)的距離和高度的變化，而表頁(yè)界面則將目標(biāo)較為詳細(xì)的信息如ICAO碼、航班號(hào)、距離、方位、高度、仰角、航向、航速、經(jīng)緯度以及時(shí)間等以列表的形式展示。

對(duì)應(yīng)顯示模塊的3個(gè)界面控制模塊生成PPI顯示控制、距離高度顯示控制、表頁(yè)顯示控制選項(xiàng)。PPI顯示選項(xiàng)主要控制距標(biāo)環(huán)、方位線、刻度線、疊加地圖顯示、縮放偏心、ADS目標(biāo)的航班號(hào)、航跡顯示等;距離高度顯示選項(xiàng)控制距標(biāo)線、等高線、縮放偏心、航班號(hào)、目標(biāo)距離投影線等參數(shù);表頁(yè)選項(xiàng)操作目標(biāo)眾多參數(shù)的列表顯示與否。

2　軟件模塊的信息交互

本軟件中，數(shù)據(jù)處理模塊的ADS目標(biāo)鏈表節(jié)點(diǎn)更新信息或刪除時(shí)需要通知不同的顯示界面更新顯示。操作人員的操控命令需要通知相應(yīng)的顯示界面相應(yīng)。當(dāng)某個(gè)顯示界面通過鼠標(biāo)選擇重點(diǎn)關(guān)注某個(gè)目標(biāo)時(shí)，需要通知其他的顯示界面也做出聯(lián)動(dòng)的選中動(dòng)作等。這些頻繁的操作都構(gòu)成了軟件模塊間的信息交互。在面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)模式是一套被反復(fù)使用、經(jīng)過分類編目的、代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。許多面向?qū)ο筌浖脑O(shè)計(jì)通過引入設(shè)計(jì)模式，使得面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)更加靈活、優(yōu)雅的同時(shí)獲得更好的軟件的復(fù)用性。設(shè)計(jì)模式按照其目的可分為創(chuàng)建型、結(jié)構(gòu)型、行為型。創(chuàng)建型模式與對(duì)象的創(chuàng)建有關(guān)，結(jié)構(gòu)型模式處理類或?qū)ο蟮慕M合，行為型模式對(duì)類或?qū)ο笤鯓咏换ズ驮鯓臃峙渎氊?zé)進(jìn)行描述［6］。因此，行為型模式適用于本軟件中模塊間的交互。

通過使用行為型模式中的觀察者模式(Observer)解決由于維護(hù)更新的數(shù)據(jù)一致性而造成的數(shù)據(jù)處理模塊與顯示界面間的緊密耦合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與顯示的分離。為了避免顯示界面與控制模塊以及顯示界面之間相互的顯示引用，引入中介者(Mediator)模式，使其充當(dāng)一個(gè)控制和協(xié)調(diào)模塊間的交互的中介，從而信息交互的接口只有中介者，減少了互相連接的數(shù)目，降低了模塊之間的耦合度。ADS-B終端軟件模塊間的交互如圖3所示。

圖3　基于行為型模式的ADS-B軟件模塊間交互

2.1觀察者模式的應(yīng)用

ADS目標(biāo)數(shù)據(jù)和顯示界面間存在著一對(duì)多的依賴關(guān)系，當(dāng)目標(biāo)更新或刪除時(shí)所有依賴于它的顯示界面都將得到通知并自動(dòng)更新。觀察者模式描述了如何建立這種關(guān)系，其關(guān)鍵對(duì)象是目標(biāo)(Subject)和觀察者(Observer)。觀察者模式的UML結(jié)構(gòu)圖［6］如圖4所示。

目標(biāo)和觀察者基類定義了通用的接口。目標(biāo)類主要完成觀察者的添加(Attach)、刪除(Detach)、通知(Notify)操作，觀察者類為目標(biāo)發(fā)生改變時(shí)需要獲得通知的對(duì)象定義了一個(gè)更新接口(Update)。數(shù)據(jù)處理模塊中ADS目標(biāo)鏈表作為具體目標(biāo)將目標(biāo)更新、刪除的狀態(tài)保持存(SetState)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)向各具體觀察者發(fā)出通知(Notify)。顯示界面模塊的3個(gè)顯示界面作為具體觀察者對(duì)象各自維護(hù)一個(gè)指向具體目標(biāo)對(duì)象的引用，完成對(duì)觀察者更新接口的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)接收到狀態(tài)改變的通知時(shí)，調(diào)用更新接口(Update)以獲得具體目標(biāo)對(duì)象的狀態(tài)改變(GetState)。

觀察著模式實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)和觀察者間的抽象耦合。ADS目標(biāo)鏈表所知道的僅僅是它有一系列顯示界面觀察者，顯示界面者都符合抽象的觀察者類的簡(jiǎn)單接口。所以，ADS目標(biāo)鏈表不知道任何一個(gè)具體觀察者屬于哪一個(gè)具體的類，因此目標(biāo)和觀察者之間的耦合是最小的。

圖4　觀察者模式UML結(jié)構(gòu)圖

2.2中介者模式的應(yīng)用

終端軟件的每個(gè)顯示界面都有不同的顯示特性和顯示參數(shù)需要相應(yīng)的控制模塊操控，而顯示界面間也需要選中操作的聯(lián)動(dòng)。中介者模式通過一個(gè)中介對(duì)象來封裝一系列的對(duì)象交互。中介者模式的UML結(jié)構(gòu)圖［6］如圖5所示。

圖5　中介者模式UML結(jié)構(gòu)圖

中介類定義一個(gè)接口用于和各同事類通信，具體中介者對(duì)象了解并維護(hù)各個(gè)同事，通過協(xié)調(diào)各同事對(duì)象實(shí)現(xiàn)交互。而同事類都知道它的中介者對(duì)象，當(dāng)每個(gè)同事對(duì)象需要與其他同事通信時(shí)直接和中介者對(duì)象通信即可。

當(dāng)控制模塊發(fā)出控制命令時(shí)，控制命令中介者作為具體中介者對(duì)象協(xié)調(diào)各同事對(duì)象的交互，即顯示界面與控制選項(xiàng)的交互。如當(dāng)PPI顯示選項(xiàng)向控制命令中介發(fā)送出允許偏心操作命令，中介收到命令并判斷為來自PPI顯示選項(xiàng)，則向PPI顯示界面轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求以實(shí)現(xiàn)PPI界面的偏心操作。當(dāng)PPI顯示界面選擇一個(gè)ADS目標(biāo)重點(diǎn)觀察時(shí)，如果另兩個(gè)界面相應(yīng)PPI界面的選中操作則會(huì)能從多種顯示形式觀察目標(biāo)的參數(shù)，此時(shí)顯示命令中介者作為具體中介者對(duì)象協(xié)調(diào)各同事對(duì)象——顯示界面間的交互，顯示命令中介收到其中一個(gè)界面發(fā)出的選中命令后，及時(shí)地向另兩個(gè)界面轉(zhuǎn)發(fā)選中觀察請(qǐng)求，從而完成目標(biāo)選中的聯(lián)動(dòng)操作。

中介者模式將對(duì)象間交互的轉(zhuǎn)為同事對(duì)象與中介類的交互，從而減少了相互連接的數(shù)目，使各對(duì)象不需要顯式地相互引用，這樣對(duì)象間的松耦合使得輕松、獨(dú)立的改變和復(fù)用各同事類和中介類。

3　ADS-B終端軟件的實(shí)現(xiàn)

本軟件采用C + +語(yǔ)言編寫，編譯環(huán)境為Visual Studio 2010，運(yùn)行在Windows XP 32位平臺(tái)。ADS-B終端軟件顯示界面如圖6所示。

圖6　ADS-B終端軟件顯示界面

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了ADS-B系統(tǒng)的基本原理，通過接收地面站接收設(shè)備傳傳輸?shù)腁DS數(shù)據(jù)報(bào)文，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ADS-B地面站的終端軟件。通過采用行為型設(shè)計(jì)模式，很好地實(shí)現(xiàn)了軟件模塊間的解耦，降低了后期軟

件升級(jí)維護(hù)的難度，并提供了良好的復(fù)用性。目前，ADS-B終端軟件已在實(shí)際工作中得到應(yīng)用，并取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn):

［1］邵帥.ADS-B航跡處理及顯示技術(shù)研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

［2］戴超成.廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)關(guān)鍵技術(shù)及仿真研究［D］.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

［3］Nick King.ADS-B Regulation［S］.Civil Aviation Safety Authority Australian，2006.

［4］盧伯英.新型自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)ADS-B［J］.空中交通管理，1999.

［4］張軍.現(xiàn)代空中交通管理［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［6］Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson，John Vlissides.設(shè)計(jì)模式:可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Design and implementation of ADS-B terminal software based on design pattern

TONG Wei-yong，ZHU Jia-li，XUE Feng
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:The working principle and data formats of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B)are briefly introduced，and the terminal display software is designed and realized for ADS-B ground stations.The design pattern is used to realize the decoupling between the software modules and improve the software reusability.The software features friendly man-machine interface and easy operation and can bring preferable application value to related fields.

Keywords:ADS-B; terminal software; design pattern

作者簡(jiǎn)介:童衛(wèi)勇(1981-)，男，工程師，碩士，研究方向:數(shù)據(jù)處理及顯示技術(shù);朱佳麗(1986-)，女，工程師，碩士，研究方向:數(shù)據(jù)處理及顯示技術(shù);薛鋒(1978-)，男，工程師，研究方向:雷達(dá)總體及顯示技術(shù)。

收稿日期:2015-01-20;修回日期:2015-03-03

文章編號(hào):1009－0401(2015)02－0056－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TP3111