ADS-B DF-17數(shù)據(jù)壓縮位置解碼算法解析

【摘 要】ADS-B全稱是Automatic Dependent Surveillance -Broadcast，即廣播式自動相關(guān)監(jiān)視。ADS-B與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，具有數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)更新速度快、使用成本低、監(jiān)視能力強等明顯優(yōu)點，在民航系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如民航浙江空管分局，目前已安裝使用了一套ADS-B三級數(shù)據(jù)站，及4套ADS-B地面站設(shè)備，分別在義烏機場、衢州機場、千島湖通用機場及杭州蕭山機場。目前使用的ADS-B系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)均采用1090ES地空數(shù)據(jù)鏈，其中應(yīng)用層使用的DF-17數(shù)據(jù)編碼，本文重點研究了DF-17報文中對飛機經(jīng)緯度的壓縮位置編碼及解碼算法的原理，為后端的ADS-B數(shù)據(jù)采集、融合、處理及顯示奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】廣播自動相關(guān)監(jiān)視;數(shù)據(jù)解析;DF-17數(shù)據(jù)幀;數(shù)據(jù)壓縮位置編碼

一、DF-17數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

ADS-B 報文通過空空、空地數(shù)據(jù)鏈廣播式傳播，系統(tǒng)廣播出的數(shù)據(jù)包括 8?s 前導(dǎo)脈沖和 112?s的數(shù)據(jù)脈沖，前導(dǎo)脈沖（應(yīng)答報頭）形狀固定，表示ADS-B報文的開始，后面為112?s為數(shù)據(jù)脈沖，數(shù)據(jù)通過脈沖位置調(diào)制進(jìn)行編碼[1]。數(shù)據(jù)塊部分為雙層結(jié)構(gòu)，第一層由5個字段組成：DF，CA，AA，ME，PI。其中DF（Downlink Format）字段表示下行鏈路格式，用于區(qū)分不同應(yīng)答機發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈格式，占5bit。DF不同此后的3bit子類型意義不同。例如DF=17，表示數(shù)據(jù)類型是基于二次雷達(dá)S模式的ADS-B數(shù)據(jù)鏈。

其中33-88bit的ME字段被再次劃分，為第二層結(jié)構(gòu)。ME 字段是狀態(tài)數(shù)據(jù)字段，包含ADS-B 系統(tǒng)各種實用數(shù)據(jù)，共占56bit。該字段中可以包含不同類型的狀態(tài)數(shù)據(jù)，例如的空中位置信息、地面位置信息和飛行器ID以及類型信息等。最后的PI 字段是奇偶校驗字段，采用CRC校驗段，用于糾檢錯處理，共占24bit[2]。

其中類型（TYPE）字段占ME字段的1-5bit，可以編碼為32個不同的值，因此ME消息字段總共有32種不同的編碼方式。其中有幾種已分配的類型分別表示了ADS-B消息中的空中位置信息、地面位置信息、飛機身份與類別信息、空中速度信息、飛行位置、飛機的狀態(tài)等。不同類型的ME字段擁有相同的幀格式，通過判斷ME字段內(nèi)容，可以分析屬于哪種信息，并且得到不同的數(shù)據(jù)。本文主要對含有經(jīng)緯度位置信息的空中位置報及地面位置報進(jìn)行詳細(xì)描述。

二、空中位置報

空中位置信息中的“ME”字段格式如下所示，每一個分區(qū)的內(nèi)容如下，包含了高度位置信息以及簡潔位置編碼（CPR）后的經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)[3]。

CPR格式字段：占1比特，位于“ME”字段的22比特，用來表示簡潔位置編碼（CPR）是奇編碼還是偶編碼。當(dāng)該位為0時，表示為偶編碼，為1時，表示奇編碼。奇編碼和偶編碼的不同采用的是相同的編碼方法，只是位置數(shù)據(jù)獲取的時刻不同。當(dāng)時間位為0時，奇編碼和偶編碼交替出現(xiàn)，交替頻率為0.2秒UTC。

CPR編碼緯度：占17比特，“ME”字段的23-39比特，表示進(jìn)行簡潔位置編碼后的飛機緯度。CPR編碼經(jīng)度：占17比特，“ME”字段的40-56比特，表示進(jìn)行簡潔位置編碼后的飛機經(jīng)度。

三、地面位置報

地面位置報與空中位置報的格式十分相同，不同的地面位置報描述了目標(biāo)在地面時的狀態(tài)與速度大小方向，沒有高度位。

其中類型位只能編碼為5、6、7、8這四個固定值。53bit-88bit中的時間碼、CPR格式碼、CPR編碼緯度、CPR編碼經(jīng)度與 “空中位置報”中對應(yīng)的各位編碼方式相同，不再做過多的介紹。

四、壓縮位置解碼算法原理

CPR編碼是為提高了ADS-B消息傳輸效率而設(shè)計的位置編碼方式，由于飛機在正常飛行情況下，表示經(jīng)緯度的編碼在較長的時間內(nèi)不會發(fā)生很大的變化，這樣消息傳輸?shù)男示秃艿?。而采用了CPR編碼方法，通過對地球進(jìn)行區(qū)域的劃分，然后只對劃分后的區(qū)域進(jìn)行兩種不同方式（奇和偶）的編碼，避免了高階位的重復(fù)發(fā)送，在接收端通過比較不同類型的編碼消息，得出位置信息，如此一來就提高了傳輸效率。

CPR的編碼方式是根據(jù)經(jīng)緯度進(jìn)行兩極劃分，首先把全球的緯度劃分為奇、偶兩種區(qū)段（Zone），其次把全球經(jīng)度也劃分為奇、偶兩種區(qū)段（Zone），最后把劃分完成的緯度奇、偶區(qū)段和經(jīng)度奇、偶區(qū)段進(jìn)行二次劃分，劃分為更小的箱塊（Bin），無論是經(jīng)度區(qū)還是緯度區(qū)，一個區(qū)段內(nèi)，箱塊的個數(shù)固定。CPR采用劃分后目標(biāo)所在的箱塊中心值來表示實際經(jīng)緯度位置，箱塊的編號就是CPR的編碼[4]。

高度就決定了編碼的精度。CPR最終的編碼結(jié)果是用經(jīng)度與緯度的奇偶編碼箱塊編號表示，就是和。

下圖為CPR編碼的詳細(xì)過程，首先要進(jìn)行緯度的編碼，再根據(jù)緯度位置求得經(jīng)度區(qū)個數(shù)NL，從而計算得到經(jīng)度編碼。實際情況下獲得的奇編碼與偶編碼位置有一定的相差，若根據(jù)奇偶編碼緯度計算出的NL不相同，則誤差較大舍棄數(shù)據(jù)。

五、CPR解碼算法實現(xiàn)

CPR解碼算法分為本地解碼（local decoding）和全球解碼（global decoding）。本地解碼只能限制在區(qū)段的范圍進(jìn)行解碼，而且還需要一個已經(jīng)確定的位置作為參考。但是本地解碼可以使用任何一個格式的CPR位置編碼，而且也沒有接收時間的限制。而全球解碼則需接收一對奇偶位置編碼信息。對于在空中位置的飛機來說，這一對奇偶編碼數(shù)據(jù)接收時間不能超過10s，若在地面位置則間隔為50s。這種方法不需要設(shè)置參考點，解碼出來的位置信息也是確定的。

通常在目標(biāo)第一次出現(xiàn)時，使用全球解碼計算出一個確定的位置。然后，才切換到本地解碼計算后續(xù)的更新位置[6]。

（1）全球解碼

全球解碼原理是：偶區(qū)段和奇區(qū)段的邊界之差與區(qū)段序號存在一種線性關(guān)系，而偶區(qū)段和奇區(qū)段邊界之差可以通過偶編碼和奇編碼計算出來。并且，這種線性關(guān)系，無論在緯度區(qū)段，還是在經(jīng)度區(qū)段，都存在。

如圖所示，目標(biāo)分別位于偶區(qū)段P0位置，奇區(qū)段P1位置。從區(qū)段0開始，奇區(qū)段跟偶區(qū)段相差一個，以此類推區(qū)段2相差。

得到確切的緯度值以后開始進(jìn)行經(jīng)度的解碼，首先計算出NL。

如果計算出的奇偶區(qū)塊數(shù)目不相同，則表示兩次收到的位置信息不再同一個緯度區(qū)域內(nèi)，這種情況說明飛行器在跨越緯度區(qū)域，不能解碼，則需等待接收到位置信息中經(jīng)緯度區(qū)域值相等時再解碼。如果相等，則可以計算ZO的值：

特殊情況：NL=1時，經(jīng)度區(qū)段的長度為360°此時無需用公式計算，區(qū)段編號為0。

因此，全球解碼的總流程為：首先獲取到ADS-B數(shù)據(jù)中的CPR位置數(shù)據(jù)與CPR格式，然后計算出奇、偶編碼的緯度區(qū)段差，由已知的一個奇、偶緯度區(qū)段差ZO可以得到緯度的區(qū)段編號j，從而計算出實際的緯度。然后由求出的緯度，計算出在該緯度上的經(jīng)度區(qū)段數(shù)NL，判讀一致后，進(jìn)行經(jīng)度解碼，與緯度解碼過程相同，最后求出飛機實際位置，具體流程如下圖：

（2）本地解碼

本地解碼需要使用一個參考點，但參考點的選擇不是隨便的。參考點（Reference Position，RP）和編碼位置（Encoded Position，EP）之間的差的絕對值必須在1/2個緯（經(jīng)）度區(qū)塊內(nèi)。本地解碼的原理是：以參考點為中心，建立緯度和經(jīng)度的滑動窗口?；瑒哟翱诘膶挾仁?個區(qū)段的尺寸，這樣在滑動窗口內(nèi)就不會出現(xiàn)重復(fù)的箱塊編號。保證了解碼的唯一性。

緯度的解碼過程如下：

設(shè)ZI為緯度區(qū)段序號，則目標(biāo)點的緯度區(qū)段號為：

左邊是編碼位置緯度區(qū)段序號，右邊是參考點緯度區(qū)段序號，以及參考點和目標(biāo)點的緯度區(qū)段序號差。由于滑動窗口的大小限制，差值的值只能是 1，-1 或 0。由此可見，目標(biāo)點的緯度可由參考點緯度以及區(qū)段長度得到。

參考點區(qū)段編碼號計算：

的值可以由參考點與目標(biāo)點的相對位置關(guān)系計算得到。設(shè)為比例因子，它表示了位置為P的點，其緯度在所在區(qū)段中位置與區(qū)段總長度的之比?？梢杂镁暥葘嶋H值進(jìn)行計算，也可以使用CPR編碼值進(jìn)行計算。和就采用了這兩種方法。

由上圖可知，參考點與目標(biāo)點的位置關(guān)系，大概可以概括為三種：EP與RP同一區(qū)段，EP比RP北一個緯度區(qū)，EP比RP南一個緯度區(qū)。由此，可以總結(jié)出公式：

計算后可知：在EP與RP同一個區(qū)塊內(nèi)，值為0;EP比RP北一個緯度區(qū)，值為1;EP比RP南一個緯度區(qū)，值為-1。

把以上公式都帶入（4-16）可以得到最終公式：

本地解碼完成。

總過程可以描述為，由已知的一點知道確切位置的參考點，與目標(biāo)點相對比，由參考點的緯度區(qū)段號和計算出的參考點比例因子、目標(biāo)點比例因子可得目標(biāo)點的區(qū)段號，從而解碼出飛機位置，具體解碼流程如下圖：

六、結(jié)語

隨著杭州地區(qū)航班量的飆升和民航空中交通管制事業(yè)的快速發(fā)展，浙江空管分局的ADS-B系統(tǒng)已于2019年開放使用，有效地解決雷達(dá)監(jiān)視的覆蓋問題，提供了更高質(zhì)量的監(jiān)控。本文工作主要是從 ADS-B 報文中獲取航跡數(shù)據(jù)，對簡潔位置編碼（CPR）后的飛機位置進(jìn)行解碼，CPR采取奇編碼和偶編碼兩種方式，截取到同一目標(biāo)的兩種編碼后的不同結(jié)果，根據(jù)計算公式可以得到飛機當(dāng)前的位置，完成解碼。通過飛機ADS-B下行鏈路DF-17的解析，解析了飛機ADS-B報文中的多種信息。通過獲取到的飛行位置參數(shù)，可以為其后的飛機航跡顯示、飛行數(shù)據(jù)融合奠定基礎(chǔ)，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮淑麗.機場場面移動目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[2]徐天宇.淺談 ADS-B 技術(shù)在我國民航上的應(yīng)用和發(fā)展[J].江蘇航空，2012，12（4）：62-64

[3]Dependent Surveillance Broadcast（ADS-B）.1140 Connecticut Avenue，NW，Suite 10200Washington，DC 20036-4001，U.S.A. 2000

[4]斯坦利·李普曼，約瑟·拉喬伊，芭芭拉·默，王剛，楊巨峰.C++ Primer中文版（第5版）[J].中國科技信息，2013，20：28.

[5]程擎.中國實施 ADS-B 監(jiān)視的地面站部署分析[J].電訊技術(shù).2012，52（8）：1227-1231

[6]WEN BOLONG，LI YUBAI，LI HUAN，PENG WEI. An Expanded Description of the CPR Algorithm [A].IEEE，2011：4.

作者簡介：

邱昕鈺（1994—），女，本科，助理工程師。

（作者單位：中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局浙江分局）