基于ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)的終端數(shù)據(jù)交換

雷張華 李方軍 邱 天 朱永杰

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

根據(jù)某用戶國(guó)的作戰(zhàn)使用要求，需在原雷達(dá)終端已實(shí)現(xiàn)的自定義通信接口基礎(chǔ)之上，采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化、可擴(kuò)展化的ASTERIX協(xié)議替代現(xiàn)有接口，以適應(yīng)搜索雷達(dá)信息與用戶國(guó)的上級(jí)通信系統(tǒng)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的信息傳輸格式完成通信互連，以保證數(shù)據(jù)的可靠描述與數(shù)據(jù)交換。雷達(dá)終端分系統(tǒng)軟件包含數(shù)據(jù)處理軟件、操控管理軟件、顯示控制軟件。

ASTERIX(All Purpose Structured Euro-control Radar Information Exchange)[1]是歐管組織為監(jiān)視、協(xié)同合作時(shí)定義的通用信息交換數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，而且美國(guó)雷神雷達(dá)、法國(guó) Thales 雷達(dá)、比利時(shí)的 Indra 雷達(dá)，意大利的 Alenia 雷達(dá)，以及近年來(lái)新興的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-BroadCast)和多點(diǎn)定位技術(shù)[2]，均采用了ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)。上世紀(jì)八十年代末，發(fā)表了ASTERIX用戶手冊(cè)，它描述了框架和數(shù)據(jù)項(xiàng)(data item)，包括單雷達(dá)、氣象雷達(dá)等設(shè)備。自九十年代末期開始，由歐管組織不斷更新ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)里的不同記錄類型CAT的版本。ASTERIX標(biāo)準(zhǔn)是一種應(yīng)用層/表示層協(xié)議，在定義了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)項(xiàng)基礎(chǔ)之上，也支持用戶自定義，以滿足數(shù)據(jù)的傳輸和交換，它的目的在于允許兩個(gè)應(yīng)用之間使用彼此認(rèn)可的數(shù)據(jù)交換表示方法，進(jìn)行有效的信息傳輸。ASTERIX 共定義了 256 種數(shù)據(jù)類別，用于區(qū)分不同的應(yīng)用場(chǎng)景，CAT000-CAT127類用于標(biāo)準(zhǔn)的民用和軍用監(jiān)視信息交換，CAT128-CAT240 類用于特殊民用和軍用監(jiān)視信息交換，CAT241-CAT 255 用于非標(biāo)準(zhǔn)民用和軍用信息交換。常用的類別如表1所示。

表1 常見的數(shù)據(jù)類別

1 UAP的幀結(jié)構(gòu)

每個(gè)類別CAT由眾多數(shù)據(jù)項(xiàng)(DATA ITEM)組成[3]，數(shù)據(jù)項(xiàng)是數(shù)據(jù)類別的最小信息單位。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)有唯一的標(biāo)志號(hào)、編碼規(guī)則、數(shù)據(jù)項(xiàng)參考序號(hào)(FRN, Field Reference Number)、長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)項(xiàng)的出現(xiàn)條件。用戶自定義配置好的報(bào)文從內(nèi)容上來(lái)看，是按照一定順序排列起來(lái)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，而從形式上這樣的排列被稱為用戶應(yīng)用程序框架UAP (User Application Profile)，UAP是某標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類別的子集，即通過(guò)UAP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)項(xiàng)和數(shù)據(jù)字段之間的標(biāo)準(zhǔn)化，確定好每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)必須出現(xiàn)或者可能出現(xiàn)的條件，以便能夠成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活配置。各生產(chǎn)廠家并不會(huì)按某數(shù)據(jù)類別的標(biāo)準(zhǔn)順序定義UAP格式，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，每種雷達(dá)數(shù)據(jù)類型有自己的UAP，應(yīng)注意嚴(yán)格遵循甲方定義的 UAP 順序和格式，組成新的數(shù)據(jù)幀。UAP 用于控制目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)選擇了哪些Data Item數(shù)據(jù)項(xiàng)，即選擇后的數(shù)據(jù)項(xiàng)在 FSPEC 里的具體位置，并定義了編碼和解碼的標(biāo)準(zhǔn)化信息，即每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)最小最大長(zhǎng)度等信息。表中每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)具體含義和注意事項(xiàng)，可查閱接口控制文件ICD(Interface Control Document接口控制文件)。一般在工程應(yīng)用中，點(diǎn)跡對(duì)應(yīng)一個(gè) UAP，航跡對(duì)應(yīng)另一個(gè) UAP。

如表2所示，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由為數(shù)據(jù)類別(CAT)、幀的總長(zhǎng)(LEN)、數(shù)據(jù)項(xiàng)說(shuō)明索引(FSPEC, Field Specification)、目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)(DATA FIELD)四個(gè)部分組成，且具體描述如下。

表2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

1)CAT表示數(shù)據(jù)類別，說(shuō)明后續(xù)數(shù)據(jù)屬于哪個(gè)數(shù)據(jù)類別。當(dāng)CAT為0x30時(shí)，表示為CAT048。

2)LEN表示數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)，其計(jì)算方法如下：

幀的總長(zhǎng)(LEN)=CAT長(zhǎng)度(1byte)+LEN長(zhǎng)度(2byte)+FSPEC長(zhǎng)度+目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度。

3)FSPEC表示 UAP 表的數(shù)據(jù)索引，可由用戶配置，且FSPEC本身長(zhǎng)度可變。FSPEC中各個(gè)位上的0或1，0 表示不選，1 表示選取，即它的每一個(gè)bit位與UAP表中的數(shù)據(jù)項(xiàng)按順序?qū)?yīng)，1表示選擇了該數(shù)據(jù)項(xiàng)。0表示沒(méi)有選擇該數(shù)據(jù)項(xiàng)。在FSPEC的每個(gè)byte的最后一位(即第8位)是域擴(kuò)展指示位(FX, Field Extension Indicator)，且當(dāng)FX為0時(shí)，表示FSPEC字段結(jié)束；當(dāng)FX為1時(shí)，表示其后仍有FSPEC段。通過(guò)這種可選擇、可擴(kuò)展的機(jī)制，在終端軟件中對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行靈活配置，滿足用戶的實(shí)際需要。

4)目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)，即是在FSPEC后面的byte內(nèi)容，且依次為選取號(hào)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)量可變，長(zhǎng)度可變。

2 CAT048數(shù)據(jù)解析

對(duì)輸出點(diǎn)跡的格式，可定義兩種UAP 來(lái)描述，分別為一次點(diǎn)跡目標(biāo)UAP和二次點(diǎn)跡目標(biāo)UAP；對(duì)于輸出航跡的格式，可采用兩種 UAP進(jìn)行描述，分別為航跡點(diǎn)UAP、航跡取消UAP。由于CAT048為目標(biāo)報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，不僅可以兼容CAT001服務(wù)報(bào)告，而且可以兼容常規(guī)一次雷達(dá)、常規(guī)二次雷達(dá)、單脈沖雷達(dá)和MTD雷達(dá)的目標(biāo)報(bào)告[4]，因此本文選用CAT048作為具體講解航跡UAP的解析過(guò)程。參考20194.3.4發(fā)布的CAT048.1.24版本，預(yù)先制定一個(gè)航跡目標(biāo)UAP如表3所示，由于字長(zhǎng)可擴(kuò)展，占用字長(zhǎng)結(jié)合基礎(chǔ)長(zhǎng)度進(jìn)行描述。

表3 CAT048航跡目標(biāo)UAP

按CAT048協(xié)議制定，如表4所示以接收到的航跡數(shù)據(jù)為例進(jìn)行解析，且表內(nèi)數(shù)據(jù)是接收數(shù)據(jù)流信息，且為16進(jìn)制，分析流程如圖1所示。

表4 按CAT048協(xié)議接收的數(shù)據(jù)包

圖1 ASTERIX協(xié)議解析處理流程圖

1)第1個(gè)byte 0x30，轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制是48，表示CAT048；

2)第2、3個(gè)byte 00 22表示數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)為34；

3)從第4個(gè)byte開始，F(xiàn)1 13 88表示數(shù)據(jù)項(xiàng)說(shuō)明索引，轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制為11110001 0001111 10001000，且根據(jù)擴(kuò)展位判斷此索引所占的byte為3；1表示選中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，0表示沒(méi)選中，參考表3，即分別選擇了數(shù)據(jù)項(xiàng)010、140、020、040、161、042、200、170、210、110；

4)第7、8個(gè)byte對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)源識(shí)別符，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制是22和1，22是規(guī)定的中國(guó)SAC(System Area Code)碼，1是SIC碼(System Identification Code)雷達(dá)的編碼，每個(gè)雷達(dá)都有唯一的SIC碼；

5)第9、10、11個(gè)byte表示當(dāng)前時(shí)刻384000，轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制是3686400，即UTC(Coordinated Universal Time)時(shí)間，再考慮單位3686400/128為28800 s，對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為8∶00∶00；

6)第12個(gè)byte表示目標(biāo)報(bào)告描述符，具體含義如表5所示，20換算成二進(jìn)制為0010 0000；

表5 目標(biāo)報(bào)告描述符的具體含義

①Type為000表示沒(méi)有檢測(cè)，為001表示一次雷達(dá)單目標(biāo)檢測(cè)，為010表示二次雷達(dá)單目標(biāo)檢測(cè)，為011表示一次加二次雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)，為100表示S模式全呼，為101表示S模式選呼，為110表示S模式全呼加一次雷達(dá)，為111表示S模式選呼加一次雷達(dá)；

②SIM為0表示真實(shí)目標(biāo)報(bào)告，為1表示仿真目標(biāo)報(bào)告；

③RDP為0表示目標(biāo)來(lái)自于雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理器1，為1表示目標(biāo)來(lái)自于雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理器2；

④SPI(Special Position Identification特殊位置識(shí)別) 為0表示缺少SPI，為1表示有SPI，且若是S模式SPI信息在數(shù)據(jù)項(xiàng)I048/230中有更進(jìn)一步的描述；

⑤RAB為0表示是從飛機(jī)的應(yīng)答機(jī)得到的應(yīng)答信號(hào)，為1表示是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)器(固定的應(yīng)答機(jī))得到的應(yīng)答信號(hào)；

⑥FX是擴(kuò)展位，為0表示該數(shù)據(jù)項(xiàng)結(jié)束，為1表示繼續(xù)擴(kuò)展該字段；

7)第13到第16個(gè)byte表示在極坐標(biāo)系下目標(biāo)的位置，即距離01 00，方位07 1C，結(jié)合單位求取距離為256/256NM=1NM=1.852 km，方位為1820×360°/(216)=9.998°；

8)第17、18個(gè)byte表示航跡批號(hào)，占兩個(gè)byte，01 64轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制表示航跡號(hào)為100，當(dāng)雷達(dá)站輸出航跡信息時(shí)此航跡批號(hào)是必須要被發(fā)送的數(shù)據(jù)項(xiàng)；

9)第19到22個(gè)byte表示笛卡爾坐標(biāo)系下的位置信息，00FC代表x軸的坐標(biāo)，002C代表y軸的坐標(biāo)。結(jié)合單位求取分別為1823 m和318.3 m；

若在輸出目標(biāo)位置信息時(shí)，包含在點(diǎn)跡/航跡中的測(cè)量位置一般用極坐標(biāo)位置(RHO，THETA)表示，以雷達(dá)站位置作為系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，方位角參照本地地理正北方向(如北東地，滿足右手螺旋準(zhǔn)則)。解碼后的雷達(dá)數(shù)據(jù)其位置信息通常以雷達(dá)頭位置為原點(diǎn)坐標(biāo)，用x、y軸的平面坐標(biāo)有兩種計(jì)算方法：

一種是以雷達(dá)平面的坐標(biāo)表達(dá)高斯投影算法的轉(zhuǎn)換公式為

(1)

另一種輸出位置使用 WGS-84 橢球模型[5]在雷達(dá)頭位置的切平面的二維笛卡爾坐標(biāo)位置，并使用測(cè)量高度或系統(tǒng)默認(rèn)高度進(jìn)行空間坐標(biāo)的投影變換。目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，其定位結(jié)果是 WGS-84 下的定位坐標(biāo)。如圖2所示，空間目標(biāo)所處的空間位置P1點(diǎn)，用(B1,L1,H1)表示，其中B1、L1、H1分別代表目標(biāo)點(diǎn)的緯度、經(jīng)度、高度，同理雷達(dá)所在位置P0點(diǎn)，用(B0,L0,H0)表示。在實(shí)際工程中還有如式(2)的估算公式，可以直接將目標(biāo)機(jī)的經(jīng)緯高轉(zhuǎn)到以雷達(dá)為原點(diǎn)的北東地坐標(biāo)系，則其北向、東向、地向坐標(biāo)可以表示為

(2)

其中，經(jīng)線每分代表1853.2 m；

圖2 WGS-84坐標(biāo)示意圖

10)第23到第26個(gè)byte表示極坐標(biāo)下的航跡速度信息，航跡的速度為06 66，結(jié)合單位求取速度為1638×2-14=99.975 NM/s=185.2 m/s，航跡的航向角為07 1C，結(jié)合單位求取航向角為1820×360°/(216)=9.998°；

11)第27、28個(gè)byte表示航跡狀態(tài)，具體含義如表6、表7所示，23換算成二進(jìn)制為0010 0011 0000 0000；

表6 目標(biāo)報(bào)告描述符的具體含義

①CNF為0表示確定的航跡，為1表示暫時(shí)的航跡；

②RAD為00表示聯(lián)合航跡，為01表示一次雷達(dá)的航跡，為10表示二次雷達(dá)S模式下的航跡，為11表示無(wú)效的航跡；當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)020里的TYP發(fā)生改變后，此航跡狀態(tài)里的RAD也跟著改變；

③DOU為0表示正常置信度，為1表示低置信度；

④MAH為0表示沒(méi)有水平感應(yīng)機(jī)動(dòng)檢測(cè)，為1表示有水平感應(yīng)機(jī)動(dòng)檢測(cè)；

⑤CDM為00表示維持上升或下降模式的現(xiàn)狀，為01表示上升模式，為10表示下降模式，為11表示未知模式；

⑥FX是擴(kuò)展位，為0表示該數(shù)據(jù)項(xiàng)結(jié)束，為1表示繼續(xù)擴(kuò)展該字段；

表7 目標(biāo)報(bào)告描述符擴(kuò)展位的具體含義

①TRE表示航跡結(jié)束的標(biāo)識(shí)，為0表示航跡依然存在，為1表示航跡結(jié)束，即標(biāo)記航跡最后一次的報(bào)告；

②GHO為0表示真實(shí)目標(biāo)航跡，為1表示備份目標(biāo)航跡；

③SUP為0表示航跡維持不是從臨近的傳輸信號(hào)雜波或網(wǎng)絡(luò)獲取的航跡信息，為0表示相反情況；

④TCC表示畫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的方式，為0表示雷達(dá)水平坐標(biāo)系；為1表示雷達(dá)位置坐標(biāo)系；

⑤FX，表示繼續(xù)擴(kuò)展位，為0表示結(jié)束，為1表示繼續(xù)擴(kuò)展；

12)第29到第32個(gè)byte表示航跡質(zhì)量，占用4個(gè)byte，分別表示在本地柵格坐標(biāo)系下的水平方向、垂直方向、地速、航向角的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)合單位求取水平方向的標(biāo)準(zhǔn)差為100/128=0.78，垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差為33/128=0.26，地速的標(biāo)準(zhǔn)差為4×2-14=0.00024 NM/s=0.45 m/s，航向角的標(biāo)準(zhǔn)差為3×360°/(216)=0.0165°，且水平、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差范圍為0到2 NM，地速的標(biāo)準(zhǔn)差范圍為0到56.25 Kt(1 Kt=1 n mail/h)，航向角的標(biāo)準(zhǔn)差范圍為0°到22.5°；

13)第33、34個(gè)byte表示3D雷達(dá)的測(cè)量高度，且該高度以海平面高度為0參考高度，01 90占用2個(gè)byte，結(jié)合單位求測(cè)量高度為400×25=10000ft=3048m。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以ASTERIX協(xié)議的CAT048類別為例，重點(diǎn)講述了基本概念和協(xié)議解析方法，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，而制定的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，再參考相關(guān)接口控制文件，同理可以解析其他類別的協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用中，協(xié)議解析是該項(xiàng)目后續(xù)開展的重要依托，結(jié)合甲方的需求定制UAP，且將解析到的數(shù)據(jù)顯示在雷達(dá)終端界面上并轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)分機(jī)或上報(bào)給指揮系統(tǒng)，對(duì)于解決實(shí)際工程問(wèn)題有很大的幫助。與此同時(shí)可參考這種可擴(kuò)展方式的標(biāo)準(zhǔn)，重新定義并不斷豐富我方雷達(dá)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范。