多點(diǎn)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式分析與研究

干浩亮，吳世桂，李運(yùn)生，陳 龍，劉立翔，楊翱飆

（重慶機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，重慶，401120）

0 引言

中國經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)促進(jìn)了中國民航業(yè)的快速發(fā)展。2019年，重慶江北國際機(jī)場(chǎng)完成旅客吞吐量4478.7 萬人次、貨郵吞吐量41.2 萬噸，飛機(jī)起降31.8 萬架次，其中旅客吞吐量增速位列全國十大機(jī)場(chǎng)首位。目前重慶機(jī)場(chǎng)已經(jīng)形成了三條跑道和三座航站樓同時(shí)運(yùn)行的復(fù)雜格局，四跑道及配套工程正在規(guī)劃建設(shè)中。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)內(nèi)跑道、滑行道和聯(lián)絡(luò)道布局也日趨復(fù)雜，此外機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面內(nèi)飛行器和作業(yè)車輛的活動(dòng)也日益頻繁，如何有效提升管制人員對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)視能力，降低安全隱患，成為機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視亟待解決的問題。

傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視手段是依靠塔臺(tái)管制人員目視指揮，在能見度低和夜晚?xiàng)l件下，安全性不高，容量有限，不適合繁忙樞紐機(jī)場(chǎng)。場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的應(yīng)用，能對(duì)飛行區(qū)內(nèi)飛行器和車輛進(jìn)行監(jiān)視，并提供沖突預(yù)警，取得了良好的效果，有效地保障了地面安全，緩解了管制員、飛行員、場(chǎng)內(nèi)特種車駕駛員和地面安全監(jiān)視人員的工作壓力，但是場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)在使用中有以下幾個(gè)問題：

（1）不能直接確定飛機(jī)識(shí)別代碼；

（2）由于機(jī)場(chǎng)建筑物遮擋，存在盲區(qū)，假目標(biāo)多；

（3）工程造價(jià)高，維護(hù)成本高。

多點(diǎn)定位技術(shù)作為一種新的場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)，與場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)相比，具有精度較高，更新率高，可準(zhǔn)確獲得飛機(jī)呼號(hào)、代碼，布站靈活、安裝簡(jiǎn)單（無盲區(qū)）等優(yōu)勢(shì)，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)面飛機(jī)和其他運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)視與識(shí)別，提高機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的運(yùn)行效率和安全水平。

若多點(diǎn)定位系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如場(chǎng)監(jiān)融匯系統(tǒng)、場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)等）互聯(lián)，協(xié)同工作，能更好地發(fā)揮作用，但這就要求不同系統(tǒng)之間報(bào)文的傳輸格式具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[1]。因此，深入解析和探討多點(diǎn)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式有助于我們提高對(duì)多點(diǎn)定位系統(tǒng)的應(yīng)用和保障能力。

本文以目前重慶江北國際機(jī)場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱重慶機(jī)場(chǎng)）已安裝建設(shè)的國產(chǎn)多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文格式為例進(jìn)行詳細(xì)分析與研究。

1 多點(diǎn)定位系統(tǒng)在重慶機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用

重慶機(jī)場(chǎng)多點(diǎn)定位系統(tǒng)主要用于對(duì)塔臺(tái)管制員關(guān)注的活動(dòng)目標(biāo)：進(jìn)港、離港和在地面滑行的飛機(jī)以及在飛行區(qū)內(nèi)移動(dòng)的車輛。目前，重慶機(jī)場(chǎng)的多點(diǎn)定位系統(tǒng)共有59部接收機(jī)，10部詢問發(fā)射機(jī)，2 部參考基準(zhǔn)站。

重慶機(jī)場(chǎng)所安裝建設(shè)的多點(diǎn)定位系統(tǒng)，選用的中國民航第二研究所自主研發(fā)的MPS-I型場(chǎng)面多點(diǎn)定位系統(tǒng)。MPS-I 型場(chǎng)面多點(diǎn)定位系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)端接收站、詢問發(fā)射機(jī)、參考基準(zhǔn)站、中心處理站、監(jiān)控系統(tǒng)和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 場(chǎng)面多點(diǎn)定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

多點(diǎn)定位系統(tǒng)在重慶機(jī)場(chǎng)建成投用后，有效提升了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的監(jiān)視能力和運(yùn)行效率。能夠覆蓋跑道、滑行道、停機(jī)位等關(guān)鍵區(qū)域，并且定位誤差小于7.5 m（95%）和12 m（99%），機(jī)動(dòng)區(qū)目標(biāo)更新率大于95%。

2 ASTERIX 協(xié)議簡(jiǎn)介

重慶機(jī)場(chǎng)安裝建設(shè)的多點(diǎn)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式是基于歐洲航空安全組織為雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸和交換定義的一種結(jié)構(gòu)化協(xié)議[2](All purpose Structured Euro-control Radar Information exchange format，ASTERIX)。早在20世紀(jì)80年代，歐洲雷達(dá)系統(tǒng)專家組（RSSP，該機(jī)構(gòu)現(xiàn)已被歐洲航空安全組織接管）為了解決歐洲各國之間雷達(dá)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不一致，無法以一種統(tǒng)一的方式進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸和交換的問題，制定了通用的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式，即為ASTERIX 協(xié)議[3]。該協(xié)議定義了監(jiān)視數(shù)據(jù)編碼的框架結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)的定義和集合，具有格式統(tǒng)一、易于擴(kuò)展、可以更新、新版本能對(duì)老版本兼容等優(yōu)點(diǎn)，其目的是可支持不同監(jiān)視設(shè)備之間按照約定的格式進(jìn)行信息交換。目前，ASTERIX協(xié)議已經(jīng)成為了國際標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了一次場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)、二次雷達(dá)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)等監(jiān)視設(shè)備，以及空管自動(dòng)化、場(chǎng)監(jiān)融匯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心等相關(guān)設(shè)備[4]。

在ASTERIX 協(xié)議中，數(shù)據(jù)報(bào)文按其內(nèi)容而被應(yīng)用分離為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的信息單元，即ASTERIX數(shù)據(jù)幀，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。ASTERIX 數(shù)據(jù)幀包括數(shù)據(jù)類型（CAT）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（LEN）、數(shù)據(jù)記錄（RECORD）、字段描述（FSPEC）、數(shù)據(jù)項(xiàng)（DATA FIELD）等字段[5]。ASTERIX 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。ASTERIX 數(shù)據(jù)幀可包含一個(gè)或多個(gè)包含同一類別數(shù)據(jù)的記錄，但在實(shí)際應(yīng)用中通常只有一個(gè)數(shù)據(jù)記錄。

（1）CAT：表示數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)根據(jù)用途分為不同類別，以便于進(jìn)行分辨。它總共可定義256種類型，其中0~127 為民用和軍用監(jiān)視數(shù)據(jù)，128~240 為特殊軍事用途監(jiān)視數(shù)據(jù)，241~255 為非標(biāo)準(zhǔn)的民用和軍事用途監(jiān)視數(shù)據(jù)。重慶機(jī)場(chǎng)多點(diǎn)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式為ASTERIX CAT10。

（2）LEN：表示 ASTERIX 數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度，字段為2 個(gè)字節(jié)。表示CAT 字段（1 字節(jié)）、LEN字段（2 字節(jié)）、FSPEC 字段、數(shù)據(jù)項(xiàng)的總長(zhǎng)度。最大長(zhǎng)度為65 535 個(gè)字節(jié)。

（3）RECORD：為數(shù)據(jù)記錄，每個(gè)數(shù)據(jù)記錄只包含一個(gè)目標(biāo)的信息。由FSPSE 字段和多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)組成（Data Item）組成。

（4）Data Item：表示數(shù)據(jù)項(xiàng)，用于數(shù)據(jù)通信的物理實(shí)現(xiàn)，是數(shù)據(jù)記錄中最小的信息單位。

（5）UAP（User Application Profile）：是用戶應(yīng)用描述表，本質(zhì)為某類型下所有數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合。如表1所示，UAP 中包含了ASTERIX CAT10 數(shù)據(jù)格式所能傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)項(xiàng)。UAP 為每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)置了索引編號(hào)FRN、字段代碼和字段描述，并限定了數(shù)據(jù)項(xiàng)的傳輸順序，最后一欄表示數(shù)據(jù)項(xiàng)的長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位。

表1 ASTERIX CAT10 標(biāo)準(zhǔn)UAP 表

（6）FSPEC（Field Specification）：是數(shù)據(jù)字段描述。FSPEC 就像一個(gè)UAP 表的目錄索引，定義了ASTERIX 數(shù)據(jù)幀傳輸了UAP 表中哪些數(shù)據(jù)項(xiàng)。FSPEC 的二進(jìn)制bit 位從左到右傳輸順序依次與UAP 表中的FRN 編號(hào)列從上到下一一對(duì)應(yīng)。FSPEC長(zhǎng)度可變，至少為1 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，F(xiàn)SPEC 第一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制8 個(gè)bit 位按從左到右順序分別為F1，F(xiàn)2…，F(xiàn)7 和FX。Fi=0，表示不選取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)（i=1，2，3，…7），F(xiàn)i=1，選取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)（i=1，2，3，…7），F(xiàn)X 位是字段擴(kuò)展位，F(xiàn)X=0 表示擴(kuò)展結(jié)束，F(xiàn)X=1 表示其后有擴(kuò)展字節(jié)，第一個(gè)擴(kuò)展字節(jié)的二進(jìn)制bit 位為F8，F(xiàn)9…，F(xiàn)14 和FX，如果第一個(gè)擴(kuò)展字節(jié)的FX=0，則擴(kuò)展結(jié)束。F1，F(xiàn)2…，F(xiàn)X 分別對(duì)應(yīng)這UAP 表中的索引編號(hào)FRN（1，2，……，F(xiàn)X）。

3 ASTERIX CAT10 數(shù)據(jù)格式解析

在ASTERIX CAT10 協(xié)議中，數(shù)據(jù)項(xiàng)是其最基本的組成，下面以ASTERIX CAT10 標(biāo)準(zhǔn)UAP 表中一些常用的數(shù)據(jù)項(xiàng)為例，來闡述數(shù)據(jù)項(xiàng)的編碼規(guī)則和含義。

I010/010：數(shù)據(jù)源識(shí)別碼，用于區(qū)分系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的來源，包括SAC（系統(tǒng)區(qū)域代碼）和SIC（系統(tǒng)識(shí)別代碼）。SAC 表示的數(shù)據(jù)來自哪個(gè)國家或地區(qū)，SIC 表示數(shù)據(jù)來自哪個(gè)廠家的設(shè)備（不同廠家的設(shè)備分配不同的SIC）。

I010/000：信息類型，取值1：目標(biāo)報(bào)告；2：更新周期的開始；3：定期狀態(tài)消息；4：事件觸發(fā)狀態(tài)消息。I010/020：目標(biāo)報(bào)告描述符，其結(jié)構(gòu)如表2~表4所示。

表2 目標(biāo)報(bào)告描述符表

表3 目標(biāo)報(bào)告描述符擴(kuò)展字節(jié)1

表4 目標(biāo)報(bào)告描述符擴(kuò)展字節(jié)2

bit8-6（TYP，類別）：000 二次雷達(dá)多點(diǎn)定位系統(tǒng)；001 S 模式多點(diǎn)定位系統(tǒng)；010 ADS-B；011 一次雷達(dá)；100 磁環(huán)系統(tǒng)；101 高頻多點(diǎn)定位；110 未定義；111 其他類型。

bit5（DCR，差分校正）：0 無差分校正；1 差分校正。

bit4（CHN，鏈路）：0 鏈路1；1 鏈路2。

bit3（GBS，接地位是否設(shè)置）：0 應(yīng)答機(jī)接地位未設(shè)置；1 應(yīng)答機(jī)接地位設(shè)置。

bit2（CRT，應(yīng)答是否損壞）：0 多點(diǎn)定位系統(tǒng)無損壞的應(yīng)答；1 多點(diǎn)定位系統(tǒng)有損壞的應(yīng)答。

bit1（FX）：0 字段結(jié)束；1 擴(kuò)展下一個(gè)字節(jié)

bit8（SIM，目標(biāo)是否位仿真）：0 實(shí)際目標(biāo)報(bào)告；1 仿真目標(biāo)報(bào)告。

bit7（TST，是否為測(cè)試目標(biāo)）：0 默認(rèn)；1 測(cè)試目標(biāo)。

bit6（RAB，報(bào)告是否來自目標(biāo)應(yīng)答機(jī)）：0 來自目標(biāo)應(yīng)答機(jī)的報(bào)告；1 來自固定應(yīng)答機(jī)的報(bào)告。

bit5-4（LOP，環(huán)狀態(tài)）：00 未定義；01 環(huán)開始；10 環(huán)結(jié)束。

bit3-2（TOT，目標(biāo)性質(zhì)）：00 未定義；01 飛機(jī)；10 地面車輛；11 直升機(jī)。

bit1（FX）：0 字段結(jié)束；1 擴(kuò)展下一個(gè)字節(jié)。

bit8（SPI，有無特殊位置指示）：0 無SPI；1有SPI。

bit1（FX）：0 字段結(jié)束；1 擴(kuò)展下一個(gè)字節(jié)，默認(rèn)為0，最多可以擴(kuò)展2 個(gè)字節(jié)。

I010/140：日時(shí)間，表示所報(bào)告位置的星歷基準(zhǔn)時(shí)間，以上一個(gè)午夜零點(diǎn)起所消逝的時(shí)間計(jì)算，并以UTC 時(shí)間表示，最低有效位為1/128 s。其結(jié)構(gòu)如表5所示。

表5 日時(shí)間

I010/041：WGS-84 坐標(biāo)位置，占用8 個(gè)字節(jié)，前4 個(gè)字節(jié)表示緯度，后4 個(gè)字節(jié)表示經(jīng)度，單位為180/231°。

I010/040：極坐標(biāo)測(cè)量位置。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/042：笛卡爾坐標(biāo)位置，前兩個(gè)字節(jié)為X坐標(biāo)，后兩個(gè)字節(jié)為Y坐標(biāo)，單位為1 m，最大值是±32768 m。超出該范圍需要在計(jì)算值上減去32768 的整數(shù)倍。

I010/200：極坐標(biāo)下航跡的速度。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/202：笛卡爾坐標(biāo)系下航跡的速度。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/161：航跡編號(hào)，其結(jié)構(gòu)如表6所示。

表6 航跡編號(hào)

I010/170：航跡狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如表7所示。

表7 航跡狀態(tài)

bit8（CNF，航跡是否確認(rèn)）：0，已確認(rèn)的航跡；1，初始狀態(tài)的航跡。

bit7（TRE，航跡是否最后一次報(bào)告）：0，默認(rèn)；1，航跡最后一次報(bào)告。

bit6-5（CST，航跡外推狀態(tài)）：00，無外推；01，由于傳感器更新周期導(dǎo)致的預(yù)測(cè)外推；10，在屏蔽區(qū)的預(yù)測(cè)外推；11，由于不可預(yù)測(cè)的無法檢測(cè)導(dǎo)致的外推。

bit4（MAH，操縱狀態(tài)）：0，默認(rèn)；1，水平操縱。

bit3（TCC，航跡跟蹤狀態(tài)）：0，傳感器層面航跡跟蹤；1，斜距校正和采用了投影技術(shù)的二位航跡跟蹤。

bit2（STH，位置是否平滑）：0，測(cè)量位置；1，平滑位置。

bit1（FX）：0 字段結(jié)束；1 擴(kuò)展下一個(gè)字節(jié)。

I010/060：目標(biāo)Mode-3/A 識(shí)別碼，其編碼規(guī)則如表8所示。

表8 目標(biāo)Mode-3/A 識(shí)別碼

bit16（V，驗(yàn)證）：0，碼字已驗(yàn)證；1，碼字未驗(yàn)證。

bit15（G，錯(cuò)亂）：0，默認(rèn)；1，碼字錯(cuò)亂。

bit14（L，碼字來源）：0，識(shí)別碼來自應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答；1，上次掃描期間未提取識(shí)別碼。

bit13：備用為設(shè)置位0。

bits12-1：八進(jìn)制表示的Mode-3/A 識(shí)別碼。

依此將A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1 和D4D2D1轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)，組成ABCD，即為Mode-3/A 識(shí)別碼。

I010/220：目標(biāo)地址，即目標(biāo)的24 位地址碼，其結(jié)構(gòu)如表9所示。I010/245：目標(biāo)身份識(shí)別碼，即航班號(hào)或注冊(cè)標(biāo)志。其編碼規(guī)則如表10所示。

表9 目標(biāo)地址

表10 目標(biāo)身份識(shí)別碼

bit56-55（STI，目標(biāo)身份信息來源）：00，應(yīng)答機(jī)下發(fā)呼號(hào)或注冊(cè)標(biāo)志；01，應(yīng)答機(jī)不下發(fā)呼號(hào)；10，應(yīng)答機(jī)不下發(fā)注冊(cè)標(biāo)志。

獲取目標(biāo)身份識(shí)別碼的字符1~8 后，可以按照表11對(duì)字符進(jìn)行解碼即可得到目標(biāo)身份識(shí)別碼。

表11 航空器身份識(shí)別碼編碼規(guī)則

I010/250：S 模式MB 數(shù)據(jù)。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/300：車輛識(shí)別碼。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/090：飛行高度，即飛機(jī)的氣壓高度層，最低有效位為1/4 FL 即25 英尺（1 英尺=30.48 cm）。最大值=1 638 400 英尺。

I010/091：飛機(jī)的測(cè)量高度，通過無線電高度表測(cè)得，而非氣壓高度，最低有效位為6.25 英尺。最大值=±204 800 英尺。

I010/270：目標(biāo)尺寸和方位。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/550：系統(tǒng)狀態(tài)。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此就不作說明。

I010/310：預(yù)先編排的信息。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/500：位置的標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)構(gòu)如表12所示。其中X、Y坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差最低有效位為0.25 m，其協(xié)方差的最低有效位為0.25 m2。其最大值分別為63.75 m，16 383.75 m2。

表12 位置的標(biāo)準(zhǔn)差

I010/280：存在點(diǎn)。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/131：原始點(diǎn)幅度。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

I010/210：計(jì)算的加速度。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

Spare：空閑。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

SP：特定目的字段。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

RE：保留擴(kuò)展字段。多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文中不常見，在此不作說明。

以重慶機(jī)場(chǎng)安裝建設(shè)的多點(diǎn)定位系統(tǒng)輸出的ASTERIX CAT10 報(bào)文數(shù)據(jù)為例進(jìn)行解析，通過網(wǎng)絡(luò)抓包軟件抓取一幀數(shù)據(jù)：0a 00 33 fb 3f 31 80 16 00 01 25 03 00 42 fd 46 15 21 7c 1c 4b d4 83 35 fa 73 f9 09 06 5b 00 04 00 78 12 23 00 21 80 72 e3 3d e0 00 34 00 02 04 00 ff fc，數(shù)據(jù)內(nèi)容為16 進(jìn)制表示，接下來按字節(jié)逐一進(jìn)行解析，解析流程圖如圖3所示。

圖3 多點(diǎn)定位系統(tǒng)報(bào)文解析流程

解析結(jié)果如表13所示。至此，我們截取的這一幀多點(diǎn)定位系統(tǒng)輸出CAT10 數(shù)據(jù)報(bào)文解析完畢。

表13 一幀CAT10 數(shù)據(jù)報(bào)文解析實(shí)例

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)討論了多點(diǎn)定位系統(tǒng)輸出報(bào)文ASTERIX CAT10 的數(shù)據(jù)解析方法，并以重慶機(jī)場(chǎng)多點(diǎn)定位系統(tǒng)輸出的一幀CAT10 數(shù)據(jù)為例，為大家解析多點(diǎn)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)起到了借鑒作用。通過對(duì)ASTERIX CAT10 報(bào)文內(nèi)容的解析，可以很好地了解 ASTERIX CAT10 報(bào)文的基本架構(gòu)、各數(shù)據(jù)項(xiàng)的基本內(nèi)容，以及各個(gè)數(shù)據(jù)是如何封裝的，其它類別的ASTERIX 協(xié)議監(jiān)視數(shù)據(jù)報(bào)文也可以通過上述方法進(jìn)行解析。同時(shí)也能對(duì)多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量、工作原理、數(shù)據(jù)開發(fā)等問題進(jìn)行進(jìn)一步地探討，有利于解決空管監(jiān)視設(shè)備保障工作中的相關(guān)難題，具有非常實(shí)用的價(jià)值。