1090ES廣播式自動相關監視系統CPR算法解析

中航航空電子有限公司 劉 暢

1090ES廣播式自動相關監視系統CPR算法解析

中航航空電子有限公司 劉 暢

本文描述了1090ES廣播式自動相關監視系統采用的CPR算法應用和原理，并描述了CPR算法的解碼的步驟。

1090ES；廣播式自動；監視系統；CPR算法

1 簡介

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)是廣播式自動相關監視的英文縮寫,它主要實施空對空監視,一般情況下,只需機載電子設備(GPS接收機、數據鏈收發機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI),不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能,裝備了ADS-B的飛機可通過數據鏈廣播其自身的精確位置和其它數據(如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等)。ADS-B接收機與空管系統、其它飛機的機載ADS-B結合起來,在空地都能提供精確、實時的沖突信息。

1090ES(1090 Extended Squitter,1090MHz S模式擴展電文數據鏈)是ADS-B技術的一種,是在ADS和TCAS和場面監視的基礎上,綜合三者的特點提出的一種監視技術。與傳統的雷達監視技術相比,ADS-B技術具有精度高誤差小、監視能力強的特點。目前用于ADS-B早期實施的多數方法之一就是選擇1090ES作為數據鏈。而在1090ES ADS-B系統中為了提高數據的傳輸效率對于飛機的經度和緯度消息其信源編碼采用簡潔位置報告CRP的形式。本文闡明了CRP編解碼的基本原理,針對全球位置情況給出了相關的經度和緯度的解碼算法及實現步驟。

本文的依據為RTCA發布的DO-260B文檔。

2 CPR編解碼算法的基本原理

1090ES能夠攜帶112 bit字長的信息量,其中ADS信息字長為56 bit。由于字長限制,需要采取特別編碼方式以保證能夠承載必要的信息量,這種編碼方式被成為CPR編碼(Compact Position Report,緊湊位置報告)。

CPR編碼主要體現在對經緯度的編碼壓縮方面,經緯度一般用3個字節(24 bit)表示,但在CPR編碼中,需要用17 bit表示經度和緯度。

其具體方法為在每個消息中不再發送長時間不變的幾個高階位。例如在緯度的二進制編碼中有一位專門于指明飛機是否位于南半球或北半球,由于該位在一個相當長的時間內保持不變,因此在發送位置消息時不需要重復發送該位,否則會影響傳輸效率。由于高階位不發送,因此地球上的多個位置將產生相同的編碼位置,如果只接收到單個的位置消息,解碼時將包含不明確性。難以確定多個位置中的哪一個是飛機的正確位置。

在1090ES接收機處理時,有一個重要的參考信息,即接收機本地位置,根據接收機GPS獲得的地理信息(緯度和經度)以及ADS-B的接收范圍約100公里,即可唯一確認ADS-B發射源的位置。

3 CRP解碼算法

3.1 消息描述

1090ES使用112位2進制數(7字節)表示飛行器信息。具體為:

1 -5 6 -7 8 9 -2 0 2 1 2 2 2 3 -3 9 4 0 -5 6類型 監視狀況單天線 高度 時間 C R P格式緯度編碼經度編碼

CRP解碼主要分析22-56位。

CRP格式分為奇編碼和偶編碼,通過兩種編碼交替方式使編碼值更逼近實際值。緯度編碼和經度編碼值域為0-131071(2的17次方)。

3.2 解碼步驟

CRP解碼分為以下4個步驟:

(1)緯度區的確認

緯度區偶編碼:

全球共分30個區,北半球15個,南半球15個,每個緯度區6°緯度。如北京機場附近,緯度為+40°,屬于北半球第7個緯度區(36°-42°)。

緯度區奇編碼:

全球共分30個區,北半球15個,南半球15個,每個緯度區約6.1°(360/59)緯度。如北京機場附近,緯度為+40°,屬于北半球第7個緯度區(36.6101695° -42.7118644°)。

(2)經度區的確認

經度區偶編碼:

經度區距離固定,經度區與緯度相關,緯度越低,經度區越多,赤道區有60個經度區,每區6經度,87度以上為1個經度區。經度區數量NL的計算方式為:

lat為CRP解碼計算的參考緯度,一般使用ADS-B接收機自帶GPS定位的緯度值。如北京機場附近,緯度為+40°,計算得到NL為45,即北緯40°緯度圈分為45個經度區,每經度區的經度范圍為360°/45=8°,北京經度約116°,所在的經度圈為第15個經度圈,范圍為112°-120°,經度區起始位置為112°。

經度區奇編碼:

經度區距離固定,經度區與緯度相關,緯度越低,經度區越多,赤道區有60個經度區,每區6經度,87°以上為1個經度區。經度區數量NL的計算方式與奇編碼一致。如北京機場附近,緯度為+40度,計算得到NL為45,即北緯40度緯度圈分為45個經度區,每經度區的經度范圍為360°/(45-1) =8.181818°,北京經度約116°,所在的經度圈為第15個經度圈,范圍為114.545455°-122.727273°,經度區起始位置為114.545455°。

(3)CRP解碼

(YZ為緯度編碼,偶編碼時,緯度區單位為6°,奇編碼時,緯度區單位約為6.1°,即360°/59)

(XZ為經度編碼,偶編碼時,緯度區單位為360/ NL,奇編碼時,緯度區單位約為360/(NL-1))

(4)檢驗

計算出經度和緯度后,需要和參考點(接收機本地位置)經緯度進行比較,如果經度或緯度差超過1度,則需要進行校正,加或減一個經度或緯度區單位,以保證飛行器位置和接收機在合理范圍(接收機的接收范圍一般在100公里范圍以內)。

4 應用展望

隨著航空監控技術的發展,以及我國通航產業的發展, ADS-B技術越來越貼近航空專業技術人員和普通航空愛好者,隨著更多廠商進入航空監視設備領域,對設備原理和算法的研究也會更加深入。

［1］RTCA DO-260B MOPS for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast and Traffic Information Service-Broadcast.

［2］彭良福,鄭 超,劉志剛,林云松 1090ES廣播式自動相關監視系統的CPR算法［J］.中國民航學院學報,2010.2(28.2).

劉暢（1974—），男，陜西西安人，碩士，高級工程師，現就職于中航航空電子有限公司，主要研究方向為空中交通管理。