S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力統(tǒng)計(jì)分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/葉中脈 陳揚(yáng)

近年來，民航空管大量S模式二次雷達(dá)建成投產(chǎn)，并接入自動(dòng)化系統(tǒng)，為管制員提供S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)信息，提高管制效率，提升管制運(yùn)行安全性。在我國(guó)多年的S模式二次雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用過程中積累了寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)針對(duì)S模式二次雷達(dá)詢問策略設(shè)置，還具備一定優(yōu)化空間，通過統(tǒng)計(jì)空域內(nèi)飛行器S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力，可以為詢問策略設(shè)置提供參考，通過優(yōu)化詢問策略設(shè)置，兼顧S模式二次雷達(dá)的性能與維護(hù)成本。以成都地區(qū)為例，民航飛機(jī)日均保障量為4636架次，成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)日均起降997架次，該地區(qū)軍方及飛行學(xué)院飛行器活動(dòng)較多，空情相對(duì)復(fù)雜。鑒于成都空域內(nèi)各類飛行器的機(jī)載應(yīng)答機(jī)的裝備差異，為優(yōu)化S模式雷達(dá)詢問策略設(shè)置，掌握空域內(nèi)S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)裝備情況，探討一種機(jī)載S模式應(yīng)答機(jī)能力的有效統(tǒng)計(jì)手段是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 BDS1,0簡(jiǎn)介

S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)通過BDS1,0（Data link capability report (concluded)，數(shù)據(jù)鏈能力報(bào)）中的對(duì)應(yīng)信息域表征S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)的能力。BDS1,0中包含了多個(gè)表征該S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力的信息域，為優(yōu)化S模式雷達(dá)詢問策略設(shè)置，掌握空域內(nèi)S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)裝備情況，主要關(guān)注以下信息域：35 bit--監(jiān)視標(biāo)識(shí)碼（SIC,Surveillance identifier code），主要表征S模式應(yīng)答機(jī)是否具備SI能力以支持雷達(dá)開啟SI碼詢問；25 bit--S模式特定服務(wù)能力，主要表征S模式應(yīng)答機(jī)是否具備BDS 4/5/6交互能力；24 bit--應(yīng)答機(jī)增強(qiáng)協(xié)議指示，主要表征S模式應(yīng)答機(jī)是否為5級(jí)應(yīng)答機(jī)；33 bit--飛行器呼號(hào)能力，主要表征S模式應(yīng)答機(jī)是否可以輸出飛行器呼號(hào)；37 bit--混合監(jiān)視能力，用 于ACAS； 40、39 bit--飛 行 器ACAS版本。綜上所述，只要能夠從CAT48報(bào)文中獲取BDS1,0并解析對(duì)應(yīng)信息域，即可根據(jù)解析的信息對(duì)S模式應(yīng)答機(jī)的能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1：只包含飛行器24位地址碼和BDS1,0信息的CAT報(bào)文

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力統(tǒng)計(jì)分析軟件完成需求分析如下：

（1）獲取BDS1,0數(shù)據(jù)；

（2）解析BDS1,0中的指定信息域（35 bit--SI能力；25 bit--BDS 4/5/6能力；24 bit--5級(jí)應(yīng)答機(jī)；33 bit--飛行器呼號(hào)能力；37 bit--混合監(jiān)視能力； 40、39 bit--飛行器ACAS版本）；

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；

（4）可擴(kuò)展性：設(shè)計(jì)基于BDS1,0的信息域通用解析函數(shù)，方便后續(xù)需求擴(kuò)展；

（5）可移植性：軟件可跨平臺(tái)使用。

為保證軟件的數(shù)據(jù)處理能力，提高軟件的數(shù)據(jù)解析以及S模式應(yīng)答機(jī)能力統(tǒng)計(jì)效率，降低編程開銷，數(shù)據(jù)源應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，僅包含為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)備的最少量有效信息最佳。因此，配置Thales RSM970S詢問參數(shù)（即：僅詢問Data Item I048/220--飛行器24位地址碼、Data Item I048/250--飛行器應(yīng)答機(jī)BDS1,0數(shù)據(jù)），獲取S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)BDS1,0信息，輸出XML文件作為數(shù)據(jù)源。

雷達(dá)錄取器輸出的只包含飛行器24位地址碼和BDS1,0信息的CAT報(bào)文如圖1。

由圖1可知，對(duì)于雷達(dá)輸出的該條CAT48報(bào)文，30--CAT48報(bào)文，00 57--報(bào)文字節(jié)長(zhǎng)度，它由若干個(gè)飛行器的Data Record組成，而對(duì)于一個(gè)Data Record，在前述的詢問設(shè)置下，僅由數(shù)據(jù)頭01 A0（2個(gè)字節(jié)）、Data Item I048/220--飛行器24位地址碼（3個(gè)字節(jié)）、Data Item I048/250--飛行器應(yīng)答機(jī)BDS1,0數(shù)據(jù)（9個(gè)字節(jié)）組成。以Data Record 1為例，在此設(shè)置下可解析為：01 A0--單個(gè)飛行器數(shù)據(jù)頭，78 10 53（3個(gè)字節(jié)）--飛行器24位地址碼，01 10 01 06 80 FD 00 0000 10（9個(gè)字節(jié)）--24位地址碼為781053的飛行器的BDS1,0信息。由于簡(jiǎn)化了詢問策略，因此得到的CAT48極為精簡(jiǎn)，除去CAT48報(bào)文的報(bào)頭（30）與報(bào)文長(zhǎng)度（XX XX）這3個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，其包含的每一條單個(gè)飛行器的Data Record均為14字節(jié)定長(zhǎng)數(shù)據(jù)，這為統(tǒng)計(jì)軟件的實(shí)現(xiàn)與高效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提供了支撐。

使用ASTERIX Toolkit的DataRP軟件記錄雷達(dá)輸出報(bào)文，以記錄的XML文件作為數(shù)據(jù)源，在該文件索引下的信息即為需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的CAT48報(bào)文。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

表1：分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

為保證人機(jī)界面友好以及軟件的可移植性，使用Qt 5.10（開源版）作為應(yīng)用程序開發(fā)框架，Visual Studio 2017（社區(qū)版）作為軟件開發(fā)工具集，C++作為編程語言，開發(fā)S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力統(tǒng)計(jì)分析軟件。根據(jù)需求分析，劃分軟件功能模塊如下：1.XML文件讀?。?.目標(biāo)報(bào)文篩選；3.非標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文篩除；4.Cat48報(bào)文預(yù)處理；5.數(shù)據(jù)初始化；6.BDS1,0解析；7.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

軟件具體實(shí)現(xiàn)邏輯如下：

（1）讀取XML文件，提取該文件中索引為data的信息，通過報(bào)頭30判斷該條信息是否為CAT48報(bào)文，若否，則提取下一條data信息；若是，則進(jìn)入2。

（2）根據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度，判斷該條報(bào)文是否為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，若（該報(bào)文長(zhǎng)度-3）/14不為0，則說明該條報(bào)文為不規(guī)則報(bào)文，其中有可能存在雷達(dá)錄取器輸出過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（如：在報(bào)文末尾多一個(gè)字節(jié)--00等），則提取下一條data信息（由于詢問設(shè)置，飛行器應(yīng)答機(jī)將在每一個(gè)天線轉(zhuǎn)中均應(yīng)答B(yǎng)DS1,0信息，因此拋棄該不規(guī)則報(bào)文對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果無影響）；若結(jié)果為0，則進(jìn)入3。

（3）按14字節(jié)的長(zhǎng)度切割報(bào)文，得到對(duì)應(yīng)單個(gè)飛行器的Data Record與該報(bào)文中Data Record的個(gè)數(shù)，用于初始化哈希表。

（4）初始化哈希表：對(duì)一個(gè)指定的飛行器，在前述詢問設(shè)置下，每一個(gè)天線轉(zhuǎn)都將應(yīng)答一次BDS1,0信息，但對(duì)該飛行器而言，其應(yīng)答機(jī)能力指標(biāo)是一定的，也即每次應(yīng)答的BDS1,0信息都是一致的。因此，對(duì)于一個(gè)指定飛行器，在記錄的XML文件提取的CAT48報(bào)文中，會(huì)有多次重復(fù)記錄。由于飛行器24地址碼是唯一的，因此使用飛行器24位地址碼作為哈希表的Key，14字節(jié)的Data Record作為哈希表的Value，若該哈希表中已有該24位地址碼的Data Record，則處理下一條，若無，則存入哈希表中。

圖2：流程圖

（5）在數(shù)據(jù)初始化完成后，哈希表的Count即為飛行器總量（因?yàn)?4位地址碼是唯一的），對(duì)哈希表進(jìn)行遍歷，編寫通用的數(shù)據(jù)位提取函數(shù)（在此不多做贅述）獲取哈希表各個(gè)VALUE（也即單個(gè)Data Record）中BDS1,0對(duì)應(yīng)位的值，根據(jù)返回結(jié)果進(jìn)行指定位及信息域的解析，獲取統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

程序流程圖如圖2。

4 軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果

軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

由表1可知，軟件運(yùn)行處理XML文件中存儲(chǔ)的81618條CAT48報(bào)文，獲取雷達(dá)覆蓋空域內(nèi)665架次飛機(jī)的S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力信息。當(dāng)前雷達(dá)覆蓋空域內(nèi)，具備SI能力的飛行器占比為94.285%，具備BDS 4/5/6交互能力的飛行器占比為90.376%，裝備5級(jí)應(yīng)答機(jī)的飛行器占比僅為1.353%，具備飛行器呼號(hào)能力的飛行器占比，具備混合監(jiān)視能力的飛行器占比為92.180%。此外，ACAS按版本分為RTCA DO-185、RTCA DO-185 A、RTCA DO-185 B，支持以上三個(gè)的飛行器分別占比10.075%、10.827%、79.098%。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，成都區(qū)域空情復(fù)雜，并非所有飛行器均具備SI能力及BDS 4/5/6交互能力，且有部分飛行器已裝備5級(jí)應(yīng)答機(jī)，原因是該空域時(shí)有軍方及飛行學(xué)院飛行活動(dòng)。因此，在成都區(qū)域部署S模式二次雷達(dá)，建議詢問策略中僅采用II碼詢問，并嚴(yán)格保證BDS 4,0/5,0/6,0的詢問有效性，以免出現(xiàn)因?yàn)樵儐柌呗栽O(shè)置不當(dāng)造成的目標(biāo)丟失。此外，應(yīng)定期關(guān)注5級(jí)應(yīng)答機(jī)的裝備情況，若占比持續(xù)上升，則說明區(qū)域內(nèi)S模式二次雷達(dá)可通過軟硬件更新獲取更多飛行器信息。

5 結(jié)束語

對(duì)S模式二次雷達(dá)技術(shù)來說，在應(yīng)用層面上，S模式二次雷達(dá)詢問策略設(shè)置與雷達(dá)設(shè)備安裝的地理位置、雷達(dá)型號(hào)、周邊雷達(dá)部署情況、空域環(huán)境、航班量以及飛行器機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力均息息相關(guān)。因此，優(yōu)化S模式二次雷達(dá)詢問策略，最大程度發(fā)揮S模式二次雷達(dá)的作用是該技術(shù)應(yīng)用的難題之一?；赒t的S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力統(tǒng)計(jì)分析軟件運(yùn)行結(jié)果顯示，該軟件能有效統(tǒng)計(jì)S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)能力，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)能有效掌握空域內(nèi)S模式機(jī)載應(yīng)答機(jī)裝備情況，為優(yōu)化S模式二次雷達(dá)詢問策略設(shè)置提供了數(shù)據(jù)參考，在S模式二次雷達(dá)前期可研、安裝調(diào)試及后期維護(hù)、故障處置中均能發(fā)揮作用。