ADS-B中經(jīng)緯度編解碼算法及實(shí)現(xiàn)

紀(jì)愛玲 張正華

摘要：在1090ES廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）模式下，針對飛機(jī)的位置信息中涉及經(jīng)緯度編解碼算法的內(nèi)容進(jìn)行了簡要介紹，主要涉及經(jīng)緯度編碼、本地解碼、全球解碼算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟。通過檢飛驗(yàn)證，研究結(jié)果表明，簡潔位置報(bào)告（Compact Position Reporting，CPR）編解碼具有很高的有效性和準(zhǔn)確性，能有效提高成功接收報(bào)文的概率。

關(guān)鍵詞：廣播式自動相關(guān)監(jiān)視；簡潔位置報(bào)告；編碼；解碼

中圖分類號：TN79文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2023）01-59-5

0引言

1090ES廣播式自動相互監(jiān)視（Automatic Dependent Surverillance-Broadcast，ADS-B）是國際民航組織（ICAO）為了未來航空運(yùn)輸發(fā)展的需要，以衛(wèi)星技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)提出的一種監(jiān)視技術(shù)[1]。ADS-B系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)空對空監(jiān)視，一般情況下只需機(jī)載電子設(shè)備（如GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器），不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能，實(shí)時、自發(fā)、間歇性地對外廣播自身狀態(tài)參數(shù)[2]。

ADS-B技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)，體現(xiàn)在高精度、小誤差、較強(qiáng)的監(jiān)視能力等方面。單個ADS-B監(jiān)視基站監(jiān)控范圍覆蓋方圓200 n mile以上，可提供全視角監(jiān)視、監(jiān)控更新頻率是雷達(dá)的4倍，精度可達(dá)米級，成本卻只有雷達(dá)的1/10[3]。ADS-B技術(shù)在實(shí)現(xiàn)空對空通信、導(dǎo)航、監(jiān)視方面具有重大應(yīng)用前景。

1簡潔位置報(bào)告編解碼算法及驗(yàn)證

簡潔位置報(bào)告（Compact Position Reporting，CPR）算法包括編碼和解碼2部分，其示意如圖1所示。

1.1編碼

目標(biāo)飛機(jī)的經(jīng)度和緯度信息運(yùn)用CPR算法可以分解成17 bit的二進(jìn)制編碼值，空中飛機(jī)ADS-B報(bào)文有112 bit，即14 Byte，其信息格式如表1所示[4]。當(dāng)=17時，代表基于1 090 MHz ES的發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)通信包；CA代表CommA或者CommB的通信標(biāo)志；AA代表發(fā)射機(jī)唯一的ICAO地址；PI代表CRC校驗(yàn)，計(jì)算時包含該字段前面88 bit的校驗(yàn)值；ME代表預(yù)留值，可以擴(kuò)展為多種信息，例如飛機(jī)標(biāo)識與類型信息、空中速度信息、地面位置信息和空中位置信息等[5]。

空中位置信息報(bào)文的“ME”字段如表2所示[5]。

地球根據(jù)經(jīng)度和緯度可以劃分為很多編號不同的區(qū)域（Zone），以此來準(zhǔn)確地確認(rèn)飛機(jī)的精準(zhǔn)位置。CPR編碼指的是依據(jù)對經(jīng)度和緯度的編碼計(jì)算飛機(jī)的空中實(shí)際坐標(biāo)位置。編碼過程依據(jù)經(jīng)度和緯度的值，以輸入的實(shí)數(shù)形式為準(zhǔn)，轉(zhuǎn)化成整數(shù)形式的和坐標(biāo)。=0時代表偶編碼；=1時代表奇編碼[6]。飛機(jī)空中位置的編碼實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：

1.2.2全球解碼

在ADS-B系統(tǒng)中，為提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，飛機(jī)位置報(bào)文采用CPR的形式[9]。不發(fā)送高階位的信息會引起飛機(jī)不同位置的編碼值是一樣的，所以編碼時把地球劃分為南北方向上的緯度Zone和東西方向上的經(jīng)度Zone。其中緯度Zone和經(jīng)度Zone根據(jù)不同的編碼形式，劃分為“奇/偶”緯度Zone，“奇/偶”經(jīng)度Zone[1]。

空中飛機(jī)交替發(fā)送含有偶形式（0，0）和奇形式（1，1）兩種CPR編碼的位置報(bào)文，解碼時接收設(shè)備依據(jù)規(guī)定的時間范圍內(nèi)（空中目標(biāo)約10 s，地面目標(biāo)約50 s）接收到一組含奇/偶編碼的報(bào)文信息，便可準(zhǔn)確地計(jì)算出飛機(jī)的空中位置[10]。

解碼算法中用下標(biāo)區(qū)分奇偶編碼，=0時代表偶編碼，=1時代表奇編碼，目標(biāo)飛機(jī)空中位置全球解碼經(jīng)緯度算法如下：

1.3 CPR編解碼算法仿真驗(yàn)證

1.3.1 CPR編碼仿真驗(yàn)證

隨機(jī)抽取10組飛機(jī)的位置信息經(jīng)緯度值進(jìn)行CPR編碼驗(yàn)證，如表4所示。

1.3.2 CPR本地解碼仿真驗(yàn)證

實(shí)現(xiàn)過程中，系統(tǒng)在成功接收到1 090 MHz頻率上的報(bào)文信息之后，選用=17格式的信息進(jìn)行CPR本地解碼驗(yàn)證，隨機(jī)抽取其中10組數(shù)據(jù)，如表5所示[11]。

1.3.3 CPR全球解碼仿真驗(yàn)證

實(shí)現(xiàn)過程中，系統(tǒng)在成功接收到1 090 MHz頻率上的報(bào)文信息之后，選用=17格式的信息進(jìn)行CPR全球解碼驗(yàn)證，隨機(jī)抽取其中10組數(shù)據(jù)，如表6所示[12]。

對CPR解碼的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)際數(shù)據(jù)誤差處于10-6～10-4，充分體現(xiàn)了CPR解碼算法的有效性和可靠性。CPR算法使經(jīng)度碼位（24 bit）和緯度碼位（23 bit）均降為17 bit，降低了位置信息編解碼的位數(shù)。在傳輸帶寬有限的條件下，為1 090ES數(shù)據(jù)鏈提供了更多的可用空間，有效地提高了信息的傳輸效率。

2 CPR解碼的實(shí)現(xiàn)

2.1原理框圖

系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，接收到飛機(jī)ADS-B信息后，混頻到中頻60 MHz，進(jìn)行AD采樣，DDC到零中頻。對零中頻信號進(jìn)行PPM解調(diào)獲得飛機(jī)的112 bit報(bào)文信息，報(bào)文信息通過網(wǎng)口通信送至計(jì)算機(jī)端進(jìn)行經(jīng)緯度解碼。

經(jīng)緯度解碼可采用本地解碼方式，也可采用全球解碼方式。

2.2飛機(jī)解碼實(shí)驗(yàn)結(jié)果

全球解碼后ADS-B監(jiān)視的目標(biāo)飛機(jī)信息如圖3所示。

3結(jié)束語

本文針對飛機(jī)空中位置ADS-B報(bào)文信息的CPR編解碼算法，給出了詳細(xì)的解決步驟，通過仿真實(shí)驗(yàn)與方案論證，最終通過硬件實(shí)現(xiàn)以及檢飛驗(yàn)證，達(dá)到預(yù)期效果。但從單個ADS-B基站得到的目標(biāo)軌跡異常點(diǎn)較多，丟點(diǎn)也不少，實(shí)際效果比理論值差。如何關(guān)聯(lián)歷史目標(biāo)點(diǎn)跡，用本地解碼等方式過濾掉異常點(diǎn)跡，優(yōu)化算法降低丟點(diǎn)率，以保證ADS-B目標(biāo)識別的正確性和平穩(wěn)性是下一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張鵬，何光亮.1090ES關(guān)鍵信息解碼算法優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（3）：30-35.

[2] BORIO D， O DRISCOLL L . Coherent，Nocoherent and Differentially Coherent Combining Trchniquisition of New Composite GNSS Signals[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems，2009，45（3）：1227-1240.

[3] RTCA DO-260A.Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast（ADS-B） and Traffic Information Services-Broadcast（TIS-B）[S]，2003.

[4]石磊，郭寶龍，劉彥明，等.臨近空間高速飛行器綜合信道模型研究[J].宇航學(xué)報(bào)，2011，32（7）：1557-1563.

[5] The European Organization for Civil Aviation Equipment. ED-102A Minimum Operational Performance Standards for 1090MHz Extened Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast （ADS-B） and Traffic Information Services-Broadcast （TIS-B）[S].[S.1.]：The European Organization for Civil Aviation Equipment，2009.

[6] REKKAS C，RESS M.Towards ADS-B Implementation in Europe[C]//Tyrrhenian International Workshop on Digital Communications-Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles.Capri：IEEE，2008：1-4.

[7]劉萍，倪育德，馬宇申.ADS-B IN CPR編解碼仿真及同頻干擾研究[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2013，4（5）：342-347.

[8]彭良福，鄭超，劉志剛，等.1090ES廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)的CPR算法[J].中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（1）：33-37.

[9]呂小平.ADS-B技術(shù)介紹[J].空中交通管理，2005（4）：24-25.

[10]鄭植，練馬林，張超，等.模式S應(yīng)答處理中報(bào)頭檢測算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（S1）：66-70.

[11]劉萍.基于ADS-B IN的報(bào)文信息處理研究[D].天津：中國民航大學(xué)，2014.

[12]丁維昊.1090ES ADS-B系統(tǒng)中CPR算法與實(shí)現(xiàn)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2016，7（2）：57-62.

[13]張辰.ADS-B信號解碼板設(shè)計(jì)及報(bào)文處理[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[14]李德勝.基于UAT數(shù)據(jù)鏈的ADS-B機(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空維修與工程， 2012（2）：56-59.

[15]何桂萍，徐亞軍.ADS-B數(shù)據(jù)鏈的比較及特性研究[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，21（4）：3-6.

[16]李云雙，楊寧，李冬霞，等.ADS-B系統(tǒng)監(jiān)視性能評估研究與驗(yàn)證[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，45（5）：19-24.

[17]馮曉丹，李呈祥，祎喬.基于ADS-B數(shù)據(jù)的機(jī)場場面多目標(biāo)行為識別[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（5）：1958-1964.

[18]鄒璐.淺析貴陽本場DLD-100C型二次雷達(dá)目標(biāo)高度跳變的原因及解決辦法[J].技術(shù)論壇，2018，（9）：55-57.

[19]王育東，任媛媛.基于VxWorks的行進(jìn)間搜索雷達(dá)天線波束補(bǔ)償控制研究[J].空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，33（5）：341-344.

[20]呂江濤，袁鴦，韓改弟.航管二次雷達(dá)測量精度分析及改善方法[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32（3）：10-12.