基于Python的Asterix Cat 021數(shù)據(jù)格式解析分析與實現(xiàn)

劉云豐，廖盈庭，劉書博

基于Python的Asterix Cat 021數(shù)據(jù)格式解析分析與實現(xiàn)

劉云豐1，廖盈庭1，劉書博2

（1.中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局湖南分局，湖南 長沙 410137）

ADS-B（廣播式自動相關(guān)監(jiān)視）是目前空管系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛、技術(shù)成熟的空中交通監(jiān)視手段。介紹了Asterix Category 021協(xié)議各數(shù)據(jù)項組成、編碼的內(nèi)容以及在空管自動相關(guān)監(jiān)視中的應(yīng)用，并介紹了Python對該協(xié)議的實現(xiàn)方法。

ADS-B；Asterix Category 021協(xié)議；Python數(shù)據(jù)項

隨著國內(nèi)航空運輸快速的發(fā)展，航空運輸?shù)慕煌芏取?fù)雜度也隨之上升，實現(xiàn)空中交通管制的安全、高效運行，需要一種先進且安全可靠的監(jiān)視手段。ADS-B技術(shù)是新航行系統(tǒng)中非常重要的通信和監(jiān)視技術(shù)，基于衛(wèi)星定位和地空數(shù)據(jù)通信技術(shù)[1]。

相比于傳統(tǒng)的監(jiān)視手段，ADS-B克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)遠程截獲能力差、原始信息格式紛雜、信息處理成本高且不易實現(xiàn)指定航跡的篩選、難以實現(xiàn)信息共享的缺點，極大地推動了空中交通管制的一體化建設(shè)。本文對Asterix Category 021協(xié)議各數(shù)據(jù)項組成、編碼的內(nèi)容進行了分析，并利用目前較為流行的編程語言Python對其進行實現(xiàn)，以便于對ADS-B數(shù)據(jù)的軟件的開發(fā)和應(yīng)用提供一定的參考。

1 Asterix Category 021協(xié)議的基本架構(gòu)

Asterix Category 021是歐洲航空安全組織一系列標準文件的一部分，該協(xié)議主要描敘了ADS-B（廣播式自動相關(guān)監(jiān)視）報文傳輸?shù)幕緲?gòu)架，定義了協(xié)議中各數(shù)據(jù)項的格式以及與其他標準文件之間的關(guān)系。

1.1 Asterix Category 021的基本結(jié)構(gòu)

Asterix Category 021數(shù)據(jù)格式文件包含數(shù)據(jù)項目錄（Catalogue of Data Items）、數(shù)據(jù)塊（Data Block）、數(shù)據(jù)類型（Data Category）、數(shù)據(jù)字段（Data Field）、數(shù)據(jù)項（Data Item）、記錄（Record）、用戶應(yīng)用程序框架（User Application Profile，UAP）[2-3]。

其中，數(shù)據(jù)項是數(shù)據(jù)類型中最小單元，而用戶應(yīng)用程序框架（UAP）是一種數(shù)據(jù)分配規(guī)范，根據(jù)UAP將數(shù)據(jù)項分配到數(shù)據(jù)字段。UAP中所用到的每個數(shù)據(jù)項都有相應(yīng)的字段參考編號，數(shù)據(jù)項的出現(xiàn)以UAP作為判斷條件。

1.2 數(shù)據(jù)項和用戶應(yīng)用規(guī)范的分析

數(shù)據(jù)項的構(gòu)成信息如下例所示[3]。數(shù)據(jù)項I021/145（飛行高度）結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)項I021/145為飛行高度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，飛行高度由2個八位的二進制數(shù)據(jù)組成。第1個位為LSB，表示為1/4個飛行高度層，數(shù)據(jù)項2～8位表示飛行高度，將數(shù)據(jù)項2～8位二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換十進制，乘以LSB就得到了所需要的飛行高度。Asterix Category 021的其他數(shù)據(jù)項也可用相同的方式類推。

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

圖1 數(shù)據(jù)項I021/145（飛行高度）結(jié)構(gòu)

不同版本的協(xié)議，用戶應(yīng)用程序框架（UAP）中包含的數(shù)據(jù)項也有所差別，根據(jù)ADS-B適用的UAP，可以確定數(shù)據(jù)項在報文中的使用規(guī)則。某版本Asterix Category 021協(xié)議的UAP部分信息如表1所示，UAP包括FRN、數(shù)據(jù)項編號、數(shù)據(jù)項信息、數(shù)據(jù)項長度四個部分。其中，F(xiàn)RN列中FX為域擴展指示符，其余部分則分別表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)項。

表1中最后一列表示各個數(shù)據(jù)項的長度，在對數(shù)據(jù)項解碼的過程中，需要靈活地根據(jù)各個數(shù)據(jù)項的長度分配數(shù)據(jù)進行解碼。

表1 某版本Asterix Category 021協(xié)議的UAP部分信息

FRN數(shù)據(jù)項信息長度 1I021/010數(shù)據(jù)源識別2 2I021/040目標報告描述符1+ 3I021/030日時間3 4I021/130在WGS-84坐標中的位置6 5I021/080目標地址3 6I021/140幾何高度2 7I021/090品質(zhì)因數(shù)2 FX—字段擴展標識—

2 Asterix Category 021的Python實現(xiàn)方法

Python是一種計算機程序設(shè)計語言，是一種面向?qū)ο蟮膭討B(tài)類型語言，最初被設(shè)計用于編寫自動化腳本（shell），隨著版本的不斷更新和語言新功能的添加，越來越多地被用于獨立的、大型項目的開發(fā)[5]。

2.1 Asterix Category 021協(xié)議模塊分析

Asterix Category 021協(xié)議格式如表2所示，CAT為數(shù)據(jù)類型，且CAT=021，占一個字節(jié)，表示數(shù)據(jù)為ADS-B；LEN為長度標識，表示整個數(shù)據(jù)塊的總長度；FSPEC為字段說明，其后為一個數(shù)據(jù)項。ADS-B報文由數(shù)據(jù)項組成，數(shù)據(jù)項的順序由UAP確定，并按規(guī)定的順序組合在一起。當報文中含有某個數(shù)據(jù)項時，該數(shù)據(jù)項相應(yīng)的FSPEC設(shè)置為1。

表2 Asterix Category 021協(xié)議格式

CAT=021LENFSPEC第一個記錄的數(shù)據(jù)項……FSPEC最后一個記錄的數(shù)據(jù)項

2.2 編程實現(xiàn)

根據(jù)表1，可將ADS-B的數(shù)據(jù)解碼可簡單的分成4個部分。第一部分為對數(shù)據(jù)類型和長度表示進行處理，核心代碼如下：

cat_and_len (_):

cat = int(_[0], 2) #數(shù)據(jù)類型

len = int(_[1:], 2) #數(shù)據(jù)長度

cat, len

傳入3個8位二進制數(shù)據(jù)，將第一個8位二進制數(shù)據(jù)換算成10進制，對應(yīng)的值為CAT=021，將第二、三個8位二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制，則為數(shù)據(jù)長度的值。

第二個部分為解析標識符所占字節(jié)，核心代碼如下：

#判斷是否是符號字節(jié)

is_more_fspec(_):

int(_[7]) == 0

#取出標識符字節(jié)段

is_fspecbytes():

count = 0

fspecbytes = list()

is_more_fspec([count]):

count += 1

irange(0, count):

fspecbytes.append([i])

fspecbytes

該部分is_more_fspec函數(shù)為判斷FSPEC字節(jié)FX域擴展部分的值，當FX=1時，F(xiàn)SPEC向后擴展一個字節(jié)。is_fspecbyte函數(shù)與is_more_fspec函數(shù)嵌套取出對應(yīng)的FSPEC字節(jié)段，根據(jù)對應(yīng)的UAP表格可確定發(fā)送的數(shù)據(jù)項。

第三部分為根據(jù)對應(yīng)的FSPEC字節(jié)段對數(shù)據(jù)段進行解析，以表1所對應(yīng)的UAP表格為例，假設(shè)該部分的FSPEC字節(jié)段為“00010000”，F(xiàn)SPEC字節(jié)的每一位與UAP表格中的第一列FRN一一對應(yīng)，0表示不發(fā)送此項，1表示發(fā)送，由此可以得到，域擴展指示符為0，故不向后擴展，發(fā)送的數(shù)據(jù)項為I021/130（WGS-84坐標中的位置），該數(shù)據(jù)項的結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

代碼如下：

positionWGS_84(bytes):

lat_bytes =[0] +[1] +[2]

lon_bytes =[3] +[4] +[5]

latitude = int(lat_bytes, 2) * (2.145767E-5)

longitude = int(lon_bytes, 2) * (2.145767E-5)

latitude, longitude

圖2 數(shù)據(jù)項I021/130數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（LSB=2.14 576 7×10-5度）

由圖2可知，數(shù)據(jù)項I021/130共有六個字節(jié)，前三個字節(jié)為緯度信息，后三字節(jié)為經(jīng)度信息，根據(jù)1.2節(jié)中的方法，可編程解析得到該項的經(jīng)緯度信息。

3 總結(jié)

ADS-B監(jiān)視相比于傳統(tǒng)的航行監(jiān)視系統(tǒng)有著一系列優(yōu)勢，克服了一系列舊航行系統(tǒng)的缺點，極大地推動了空中交通管制的一體化建設(shè)。通過以上對Asterix Category 021協(xié)議內(nèi)容的分析，可以很好地了解Asterix Category 021協(xié)議的基本架構(gòu)及其中各數(shù)據(jù)項的基本內(nèi)容；通過Python對Asterix Category 021協(xié)議的解析，可以更深入地了解該協(xié)議的架構(gòu)，同時也對該協(xié)議的編程實現(xiàn)具有一定的參考價值。

［1］魏光興.通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2016.

［2］楊珊，時宏偉.Asterix Category 021協(xié)議的應(yīng)用與分析［J］.電訊技術(shù)，2011，51（10）：132-136.

［3］DOUKAS D.SUR.ET1.ST05.2000-STD-12-01 Eurocontrol standard document for surveillance data exchange-part 12:Category 021 ADS-B Reports［S］.出版社不詳，2011.

［4］ALI B S，OCHIENG W Y，ZAINUDIN R.An analysis and model for automatic dependent surveillance broadcast （ADS-B）continuity［J］.Original Artical，2017，21（4）：1841-1854.

［5］PILGRIM M.Dive Into Python 3［M］.出版社不詳，2009.

［6］黃晉.廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）在中國民航飛行學(xué)院的應(yīng)用研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

TP393.04

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.018

2095－6835（2019）14－0046－02

〔編輯：王霞〕