ADSB綜合課程設(shè)計報告

1、沈陽航空航天大學(xué)綜 合 課 程 設(shè) 計 ADS-B報文數(shù)據(jù)的解析研究班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：1、 設(shè)計說明 對接收到的ADS-B數(shù)據(jù)進行解析，就是要對航空報文有較多了解，根據(jù)編碼協(xié)議對報文進行解碼，從里面提取出有用信息，能讓人直觀理解報文信息2、 設(shè)計要求 根據(jù)鏈路協(xié)議及編碼協(xié)議，對報文解析，要實現(xiàn)： 1.能夠解析出速度，高度，經(jīng)緯度等重要信息； 2.界面盡量友好，誤差要?。?3.數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r更新3、 實驗要求用VC+實現(xiàn)編程和解析四、推薦參考資料五、按照要求撰寫課程設(shè)計報告成績評定表評語、建議或需要說明的問題：指導(dǎo)教師簽

2、字： 日期：成 績沈陽航空航天大學(xué)綜合課程設(shè)計一、概述 空中交通管理的根本目的是使航線上的飛機安全、有效和有計劃地在空域中飛行, 管制員需要對管制空域內(nèi)飛機的飛行動態(tài)進行實時監(jiān)視。傳統(tǒng)的雷達監(jiān)視手段采用詢問/ 應(yīng)答方式對目標(biāo)探測。從長遠來看, 雷達系統(tǒng)自身具有很多局限性: 雷達波束的直線傳播形成了大量雷達盲區(qū); 無法覆蓋海洋和荒漠等地區(qū); 雷達旋轉(zhuǎn)周期限制了數(shù)據(jù)更新率的提高, 從而限制了監(jiān)視精度的提高; 無法獲得飛機的計劃航路、速度等態(tài)勢數(shù)據(jù), 限制了跟蹤精度的提高和短期沖突告警STCA ( Short TermConflict Alert ) 的能力。因此, 需要發(fā)展新的監(jiān)視手段。廣播式自動

3、相關(guān)監(jiān)視ADS- B( Automatic DependentSurveillance- Broadcast ) 即航空器自動廣播由機載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的精確定位信息, 地面設(shè)備和其他航空器通過航空數(shù)據(jù)鏈接收此信息, 衛(wèi)星系統(tǒng)、飛機以及地基系統(tǒng)通過高速數(shù)據(jù)鏈進行空天地一體化協(xié)同監(jiān)視。ADS- B 的精度和數(shù)據(jù)更新率比雷達高, 除位置信息外,ADS- B 還提供其他信息, 包括速度和飛行意向等, 尤其適合于山區(qū)、荒漠、邊遠機場等不宜建設(shè)雷達的區(qū)域, 也適合于高密度機場的監(jiān)視, 是未來監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成部分和發(fā)展方向。目前，ICAO（International Civil Aviation

4、Organization，國際民用航空組織）高度重視ADSB 的發(fā)展與應(yīng)用，并制訂了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展規(guī)劃，并一直在努力倡導(dǎo)在全球統(tǒng)一部署相同標(biāo)準(zhǔn) ADSB 體系，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的飛行監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享。 我國的民用航空業(yè)目前正處于成長期，飛機的數(shù)量、飛行的規(guī)模和空域的范圍都在不斷擴大，需要引進并吸收 ADSB 技術(shù)，以豐富和改進我們自己的空中交通管制系統(tǒng)和體系，并實現(xiàn)與國際最新技術(shù)的接軌。在 ADSB 技術(shù)的吸收和應(yīng)用中，需要不斷地研究其基本原理，掌握其技術(shù)核心，促進實現(xiàn)國際先進技術(shù)與中國本地情況的不斷融合。 導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送發(fā)送相互發(fā)送接收數(shù)據(jù) 飛機B 飛機A 地面基站 圖1 ADS-B技術(shù)在航

5、空中的應(yīng)用示意圖2、 ADS-B 系統(tǒng)工作原理ADS-B OUT 系統(tǒng)中，主要的功能由 S 模式應(yīng)答機實現(xiàn)，在其正常工作期間，周期性的將 DF17 格式的擴展斷續(xù)振蕩信號廣播出去，為飛機和地面站提供相關(guān)信息包括飛機的經(jīng)緯度信息、高度信息、航行速度信息等。在系統(tǒng)正常工作時，應(yīng)答機接收來自GPS 接收機的導(dǎo)航消息，通過對數(shù)據(jù)的分析，提取有有用的信息部分組合成為使用于 S模式傳輸?shù)膱笪母袷剑缓笠蕴囟ǖ乃俾释ㄟ^應(yīng)答機天線發(fā)送出去，當(dāng)?shù)孛嬲竞推渌w機接收到這些信息后，通過對信息的解碼、檢錯、糾錯、報文生成過程獲取這架飛機的飛行參數(shù)，高度速度等有效的信息，這些信息將非常有效的幫助完成空中管理以及飛機間的

6、相關(guān)監(jiān)視過程。 與應(yīng)答機應(yīng)答二次雷達的詢問一樣，DF17 格式的擴展斷續(xù)振蕩信號用一個1090MHz 的載波頻率進行調(diào)制并以 1Mbps 數(shù)據(jù)速率廣播脈沖位置，擴展斷續(xù)振蕩脈沖的長度為 112 比特。 ADS-B消息結(jié)構(gòu) Bit 1-5 6-8 9-32 33-88 89-112 DF=17DF=10001 CA AA(ICAO) ME字段 PI 圖2 ADS-B消息結(jié)構(gòu)在接收的數(shù)據(jù)部分中，以 DF17 格式的擴展斷續(xù)振蕩信號為例，共有 5 個主要的飛行任務(wù)字段。其中，第一個字段為 DF 位格式字段，長度為 5 比特，主要作用在于識別擴展斷續(xù)振蕩的內(nèi)容，此字段設(shè)置為固定值 17（十進制數(shù)），本

7、項目工作的研究也主要針對此類信號。接下來則是 3 比特的應(yīng)答機能力(CA)字段，該字段描述了飛機的 S 模式數(shù)據(jù)鏈通信能力，如是否裝載了 ADS 系統(tǒng)等。廣播地址(AA)字段是消息中最重要的一個字段，該字段唯一的識別了每個飛機獨一無二的 24 比特的 S 模式地址，用來表明飛機的身份。接下來是機載設(shè)備采集整合的信息 ME 字段，56 比特的擴展型斷續(xù)振蕩報文是主要的 ADS-B 消息，該消息主要包括飛機的參數(shù)信息如高度、速度、經(jīng)度、緯度等信息，它為飛機參數(shù)如 GPS 位置和速度提供報文有效信息。最后，24 比特的奇偶性(PI)字段，該字段為前 88 位數(shù)據(jù)信息的 CRC 校驗余數(shù)，用于實現(xiàn) C

8、RC 檢錯糾錯。三 相關(guān)技術(shù)11090 ES 數(shù)據(jù)鏈 1090 ES（Extended Squitter，擴展電文）的命名中包含兩層含義。1090 指的是該數(shù)據(jù)鏈的下行傳輸頻帶是 1090MHz。ES 指的是對原有 ADS-B 報文長度的擴展。原有的報文長度一般為 56-112 比特。 1090 ES 是由 ICAO 推薦的、唯一一個可以在全球范圍內(nèi)使用的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，得到了美國、歐洲、亞洲等大部分國家的承認和應(yīng)用。在第 11 次國際航空會議上，已經(jīng)將1090 ES 作為 ADS-B 主要數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，并制定了相關(guān)的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。 1090 ES 是一種 S 模式的數(shù)據(jù)鏈，支持一對一的詢問-應(yīng)答機制

9、。S 是Selective 的意思，指的是可以對航空器進行選擇通信。 1090 ES 采用 PPM（脈沖位置調(diào)制）編碼。2. ADS-B IN 設(shè)備報文 系統(tǒng)采用的 ADS-B IN 設(shè)備，在收到 ADS-B 報文后，對 ADS-B 報文進行了二次封裝，增加了報文頭，將 ADS-B 報文作為它的載荷。封裝后的報文被 ADS-B IN 設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給其它設(shè)備。除此之外，ADS-B IN 設(shè)備還發(fā)送一些狀報文，描述設(shè)備時間和位置等信息。 ADS-B IN 設(shè)備可以發(fā)出的報文一共有三類： 1）Message Report 2）Time Report 3）Position Report 我們用的接

10、收設(shè)備是SBS-3接收機，主要分析Message Report，即DF17數(shù)據(jù)，所以其他兩種 Report不多做介紹。 表1 Message report的格式 字段 長度（字節(jié)） 含義 STX 1報文頭標(biāo)識，其固定值為0x20 LEN 1報文長度，不包括報文頭標(biāo)識和結(jié)尾標(biāo)識 type 1報文類型，用于區(qū)分三種類型 time 6報文到達的時間message 14報文內(nèi)容flags 1報文標(biāo)識 amp 1信號強度 crc 2CRC校驗值，從 LEN到 amp ETX 1報文結(jié)尾標(biāo)識 Message Report 的報文長度共 28 個字節(jié)。一些關(guān)鍵字段的說明如下： <type>字段，

11、取值范圍是 0-4，0-3 代表 Message Report 或 Time Report，兩者的區(qū)分可以通過<message>字段的內(nèi)容來辨別。0-3 的不同之處在于<time>時間標(biāo)準(zhǔn)的不同。0是本地時間，1 是 NOT COUPLED 類型的 UTC 時間，2 是 COASTING 類型的 UTC 時間，3 是 COUPLED 類型的 UTC 時間。4 代表 Position Report。 <flag>字段是一個按位解析的字段，第 0 位指示了接收的天線，其值為 0 表示從 A天線接收；值為 1 表示從 B 天線接收。第 3 位指示了<amp&

12、gt;字段的單位和范圍，其值為0 表示信號強度的單位是 ADC 的 LSB，范圍是 0 到 255；值為 1 表示信號強度的單位是d Bm，范圍是-127 到 127。其它位目前都沒有使用，缺省設(shè)置為 0。<crc>字段的計算采用了常用的 CRC-16，其生成多項式是 X16+X15+X2+1，對應(yīng)的二進制位列為 1 1000 0000 00000101，因為其 MSB 必然為 1，可以省略 MSB，簡寫為1000000000000101。3. ADS-B 基本報文 ADS-B 報文由業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和附加數(shù)據(jù)兩部分組成。ADS-B 基本報文指的是從宏觀的角度，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)作為一個整體而不考

13、慮其細節(jié)，所展現(xiàn)出來的 ADS-B 報文。ADS-B 基本報文對 ADS-B 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行了封裝，作為 ADS-B 基本報文的一個獨立字段存在。在ADS-B 的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中，包含了不同類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，它們具有不同的結(jié)構(gòu)。本節(jié)將這些不同格式的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)稱之為 ADS-B 業(yè)務(wù)報文。 ADS-B 報文的長度共 112 位，是按位進行格式設(shè)計的結(jié)構(gòu)。下表是 1090ES 的報文結(jié)構(gòu)定義，ADS-B 的報文基本結(jié)構(gòu)包含在其中 表2 1090ES報文結(jié)構(gòu)Bits 1-5Bits 6-8Bits 9-32Bits 33-88Bits8 9-112DF=17 CA AA ICAO地址 ADS-B ME字段 PI

14、DF=18CF=0 AA ICAO地址ADS-B ME字段 PICF=1 AA 非 ICAO地址ADS-B ME字段 PICF=2 to 3 AATIS-B ME字段 PICF=4TIS-B和ADS-B管理報文 PICF=5AATIS-B ME字段 PI四信息處理 ADS-B數(shù)據(jù)的信息處理包括數(shù)據(jù)的接收與解析兩大部分，其中包括循環(huán)冗余校驗， LSB 與 MSB，數(shù)據(jù)的打包與解包 ，多線程操作，CPR解碼算法等技術(shù)，由于側(cè)重點不同，這里主要講一下數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收及解析算法。1. 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收ADS-B 報文從發(fā)送從網(wǎng)絡(luò)上接收最初始的數(shù)據(jù)，到轉(zhuǎn)換成 ME 報文，其過程如下圖所示。IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈

15、ADS-BOUT設(shè)備機載設(shè)備數(shù)據(jù)采集設(shè)備ADS-BIN設(shè)備Message ReportMessage ReportADS-B報文ADS-B業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)ADS-B報文ADS-B報文ADS-B報文ME報文 圖3 收發(fā)，解析數(shù)據(jù)示意圖數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收遵循TCP通信協(xié)議，按照協(xié)議編碼就行，這里不再贅述。2. 數(shù)據(jù)的解析 數(shù)據(jù)的解析是重中之重，這是決定你能否得到想要的結(jié)果的至關(guān)重要的一步，也是本次課設(shè)所重點研究的方面。數(shù)據(jù)的編碼與解析是按照協(xié)議進行的，對飛機的身份，編號，高度，速度，經(jīng)緯度等信息進行編碼，其中除了經(jīng)緯度，其他信息大多按照進制數(shù)進行編碼，不需要太復(fù)雜的算法，因此，這里只講經(jīng)緯度的算法解析。CP

16、R解碼分為全球解碼和本地解碼兩種情況。 如果同時接收到奇編碼和偶編碼兩個消息，那么進行全球解碼。 如果只接收到一個奇編碼或偶編碼消息，那么進行本地解碼。 不論是全球解碼還是本地解碼，又分為空中位置和地面位置兩類情況全球明確的空中位置和地面位置的解碼步驟為：1） 計算緯度Zone 的尺寸DlatiDlati = 360°/（ 4NL - i） 空中位置 i = 0(偶編碼） 90°/（ 4NL - i） 地面位置 i = 0(偶編碼）2） 計算緯度索引jj = floor（ 59 × YZ0 - 60 × YZ1 ）/217 + 1/2）當(dāng)j0 時， j

17、= 偶緯度Zone 的編號- 60， j = 奇緯度Zone 的編號- 59；當(dāng)j0 時， j= 偶緯度Zone 的編號，j = 奇緯度Zone 的編號。3）計算偶形式的緯度Rlat0和奇形式的緯度Rlat1Rlati = Dlati × MOD（ j，60 - i） + YZi /217 若求出的緯度絕對值大于90°，則應(yīng)減去360°。因為緯度的取值范圍為-90°+90°。4） 計算緯度數(shù)NL（ Rlat0） 和NL（ Rlat1） 。判斷NL（ Rlat0） 是否與NL（ Rlat1） 相等。若相等，則計算經(jīng)度Zone 的尺寸Dloni。否

18、則，繼續(xù)等待下一個位置消息。5） 計算經(jīng)度Zone 的尺寸Dloni。根據(jù)剛接收到的空中位置消息是偶編碼（ i = 0） 還是奇編碼（ i = 1） ，按式（ 12） 計算Dloni = 360°/ni空中位置 i = 0(偶編碼） 90°/ni地面位置 i = 1(奇編碼）式中ni = maxNL（ Rlati） - i，1。6） 采用緯度數(shù)NL，計算經(jīng)度索引mm =floor XZ0×（ NL（ Rlati） - 1） - XZ1 ×NL（ Rlati）/217 +12當(dāng)m0 時，m = 偶緯度Zone 的編號- n0，m = 奇緯度Zone 的編號

19、- n1； 當(dāng)m0 時，m = 偶緯度Zone 的編號，m = 奇緯度Zone 的編號。7） 計算全球的經(jīng)度Rlon0和Rlon1。根據(jù)接收到的ADS- B 位置消息是偶編碼（ i = 0）還是奇編碼（ i = 1） ，按式 計算Rloni = Dloni × MOD（ m，ni） + XZi /2 若求出的經(jīng)度絕對值大于180°， 則應(yīng)減去360°。因為經(jīng)度的取值范圍為-180° +180°。如何實現(xiàn)飛機的經(jīng)度和緯度消息的CPR 格式的編碼和解碼， 是1090ES ADS- B 系統(tǒng)中有效提高ADS- B 位置消息傳輸效率的關(guān)鍵。本文針對全球

20、位置和本地位置兩種情況，闡明了飛機在空中位置和地面位置時經(jīng)度和緯度的編解碼算法的基本原理和詳細的實現(xiàn)步驟， 有助于從事ADS- B 技術(shù)的科技人員掌握CPR 編解碼的原理和進行相關(guān)的軟件開發(fā)。ADS-B消息提取提取CPR數(shù)據(jù)否是奇編碼存儲CPR編碼數(shù)據(jù)，設(shè)置Target_TTL,ODD_TTL存儲CPR編碼數(shù)據(jù)，設(shè)置Target_TTL,EVEN_TTL否否是ODD_TTL為0EVEN_TTL為0計算NL(Rlat0)和NL（Rlat1計算NL(Rlat0)和NL（Rlat1)NL（Rlat1)否否是否相等是否相等是是提取其他信息計算Rlat0計算Rlat1存儲解碼位置信息存儲解碼位置信息信息

21、 結(jié)束 結(jié)束 圖 4 CPR 消息解碼流程圖 圖4 解析數(shù)據(jù)界面 四.課程設(shè)計體會 不知不覺這次課程已經(jīng)結(jié)束，這個學(xué)期接觸了它我了解了很多。從剛開始的一無所知到逐漸熟悉，這個過程是令人充實的。每做一個實驗，我感覺我收獲不少。做實驗是讓我們對平時的理論知識與實際操作相結(jié)合，在理論和實驗中更進一步去掌握自己學(xué)到的知識比加以掌握和提高，學(xué)會將知識應(yīng)用與實際的方法，提高分析和解決問題的能力。在實驗過程中，我感到自己的實力有限。有些東西沒見過，不是在我的能力范圍內(nèi)。經(jīng)過我自己慢慢的學(xué)習(xí)與探討我終于有了些眉目。通過這次的課程設(shè)計，我充分認識到理論與實際相結(jié)合的重要性，理論知識再豐富，沒有實際的操作經(jīng)驗，自

22、身的能力是不會有所提高的。我認為，在學(xué)習(xí)中要學(xué)以致用，不能過分的盲目的學(xué)習(xí)理論知識，我們必須要將理論與實踐結(jié)合。應(yīng)該側(cè)重于基本方法和使用實例。從軟件的應(yīng)用環(huán)境和特點來看，培養(yǎng)一定的應(yīng)用系統(tǒng)的分析能力和初步設(shè)計能力而為以后的學(xué)習(xí)以及設(shè)計才是最終目的。社會的競爭是激烈的，我們應(yīng)該把握大學(xué)學(xué)習(xí)的時間，充分利用好自己的價值，充實自己，完善自我，全面發(fā)展，做一名優(yōu)秀的大學(xué)生，努力做好自己的事，讓自己成為有用之才。衛(wèi)星導(dǎo)航行業(yè)是一個朝陽行業(yè)，我國的北斗導(dǎo)航目前正處于全球組網(wǎng)的快速發(fā)展時期，我這次的課設(shè)乃至以后的畢設(shè)正是這方面的研究，我相信經(jīng)過課設(shè)和畢設(shè)，我的水平一定會再上一個臺階，為今后的工作和生活提供不

23、小的助力。 參考文獻： 1 顧春平.空中交通管制新技術(shù)監(jiān)視新技術(shù)簡介J.現(xiàn)代雷達,2010,32(9): 1-7. 2 1090 兆赫擴展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備測試要求S.民航局空管局技術(shù)中心(0207 版),2011. 3呂小平. ADSB 應(yīng)用中 UAT 技術(shù)介紹J, 空中交通管理, 2007,(8), 19-21 4 丁立平. 基于 VDL-4 技術(shù)的機場場面車輛管理系統(tǒng)研究J. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù), 2010, (6), 55-60 5 邱偉杰. ADSB 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)多數(shù)據(jù)鏈路融合方案探索J. 6 肖飛; 余子寒; 隋天宇; 劉文. LTE 中 CRC 算

24、法的研究與實現(xiàn)J. 電子測量技術(shù). 2014, (7), 36-397 李耀.基于模式 S 的 ADS-B 系統(tǒng)研究D.武漢：電子科技大學(xué)碩士論文，20088 李自俊.ADS-B 廣播式自動關(guān)監(jiān)視原理及未來的發(fā)展和應(yīng)用J中國民航飛行學(xué)院學(xué)報,2008(5):11-14.9 蘇英振.積極推進空中交通管制一體化建設(shè)J國防，2008(6):59-6010 中國民航科學(xué)技術(shù)研究指南(2005-2010) M.中國民航總局,2005.11 ICAO. Comparative Analysis of ADS-B data LinksR.AN-Conf/11-IP/1 2.Montreal,CANADA:I

25、CAO,2003.CPR部分算法#include "stdio.h"#include "stdlib.h"#include <math.h>#include "cpr.h"# define M_PI 3.14159265358979323846#define LATZ 15#define MAX(x, y) (x) > (y) ? (x) : (y)int nz(int type) return 4 * LATZ - type;float nl(float lat) if (abs(lat) >= 87.0)

26、return 1.0; return floor( (2.0 * M_PI) * pow(acos(1.0 - (1.0 - cos(M_PI / (2.0 * LATZ) / pow(cos(M_PI / 180.0) * abs(lat), 2), -1) );float dlat(int type, int surface) float res = surface ? 90.0 : 360.0; int nz_val = nz(type); if (nz_val) return res / nz_val; else return res;float dlng(float dec_lat,

27、 int type, int surface) float res = surface ? 90.0 : 360.0; float nl_val = MAX(nl(dec_lat) - type, 1); return res / nl_val;float decode_lat(int enc_lat, int type, int surface, float recv_lat) float t1 = dlat(type, surface); float t2 = (float) enc_lat) / pow(2, 17); float j = floor(recv_lat / t1) + f

28、loor(0.5 + (fmod(recv_lat, t1) / t1) - t2); return t1 * (j + t2);float decode_lng(float dec_lat, int enc_lon, int type, int surface, float recv_lng) float t1 = dlng(dec_lat, type, surface); float t2 = (float) enc_lon) / pow(2, 17); float m = floor(recv_lng / t1) + floor(0.5 + (fmod(recv_lng, t1) / t

29、1) - t2); return t1 * (m + t2);struct dec_location *cpr_resolve_local(struct dec_location *recv, struct enc_location *loc, int type, int surface) float dec_lat = decode_lat(loc->lat, type, surface, recv->lat); float dec_lng = decode_lng(dec_lat, loc->lng, type, surface, recv->lng); struc

30、t dec_location *dec_loc = (dec_location *)malloc(sizeof(*dec_loc); dec_loc->lat = dec_lat; dec_loc->lng = dec_lng; return dec_loc;struct dec_location *cpr_resolve_global(struct enc_location *even, struct enc_location *odd, struct dec_location *recv, int recent_type, int surface) float dlat_eve

31、n = dlat(0, surface); float dlat_odd = dlat(1, surface); float even_lat = (float) even->lat; float even_lng = (float) even->lng; float odd_lat = (float) odd->lat; float odd_lng = (float) odd->lng; /* latitude index */ float j = floor(nz(1) * even_lat - nz(0) * odd_lat) / pow(2,17) + 0.5); float