Asterix Category 021协议的应用与分析✴

杨珊，时宏伟

Asterix Category 021协议的应用与分析✴

杨珊，时宏伟

（四川大学计算机科学学院，成都610065）

介绍了Asterix Category 021协议的数据项内容、用户应用程序框架（UAP）的结构、报文数据块的布局，以及ADS-B系统应用该协议的方式，分析了该协议的实例应用和协议报文的解析，提出了处理报文的思路。研究与分析结果可为如何使用Asterix Category 021协议生成与解析报文提供参考。

空中交通管制；ADS-B；Asterix Category 021协议；报文标准；协议应用

1 引言

现代空中交通管制系统要实现安全高效的指挥管理，需建立在先进可靠的监视基础之上。ADS-B（广播式自动相关监视系统）技术及其系统的推广应用对管制系统产生了深远的影响，极大地扩展了空管监视系统的时空覆盖范围，提高了监视精度和效果，从而提高了航空安全和飞行效率。ADS-B系统作为常规空管监视雷达的补充，其获取的监视数据具有精度高、更新快、信息内容丰富等特点，已成为国际民航组织（ICAO）新航行系统中的一个重要组成部分。它还需与其它应用系统（如空管自动化系统、机场场面监视管理指挥系统等）进行互联、协同工作才能充分发挥其应有的效能，这就要求不同系统之间传输报文的格式要有一个解析统一标准，否则，传输报文格式及内容的不一致将给空管系统的统一化管理造成极大的阻碍，传输报文的标准化成为其功能应用的首要前提。由欧管EUROCONTROL制定发布的Asterix Category 021［1］协议成为有关ADS-B报文传输标准及监视数据交换的标准协议。本文分别从Asterix Category 021协议的基本组成、框架、报文格式［1］，以及解析ADS-B应用系统的实例报文［2］两大方面分析该协议。

2 两种监视数据——雷达数据与ADS-B数据的比较［3，4］

目前，空中交通管制系统中的监视数据仍以雷达为主，雷达监视与新兴的ADS-B监视系统存有诸多差异。为了更好地分析了解Asterix Category 021

协议内容及其相关应用，本文将雷达监视数据与ADS-B监视数据的特点进行了初步比较，见表1。

3 Category 021 ADS-B报文监视数据交换协议的体系架构

从1999年12月至2010年12月，Asterix Category 021协议总共经过了30次版本修改。该标准协议属于欧管有关标准文件的一个组成部分，主要描述了ADS-B报文传输的架构，定义了Asterix Category 021数据的输出，同时也说明了该标准与其它协议标准（如ICAO ANNEX 10，Vol.IV.，RTCA 260／260A等）的引用、参考关系。

3.1 Asterix Category 021的基本构成

在Asterix Category 021协议里，最基本的构成是Data Item（数据项），它也是数据类（如Asterix Category 021）里最小的信息单位。ADS-B系统所处理的报文，从内容上来讲，是按照一定的顺序排列起来的数据项，在形式上这样的排列被称为UAP（用户应用程序框架）。每个数据项都有唯一的项标志号，有自己的编码规则及结构，使用数据项需遵从协议中数据项的编码规则。在UAP中，每个数据项有自己的FRN序号、长度、使用准则（也就是数据项的出现条件）。

下面以Asterix Category 021中几个重要的数据项为例，说明数据项在实际应用中构成的基本信息。

I021／020：产生ADS-B单位的属性，其中包含了3类信息：和飞行器重量有关的信息、和飞行器种类有关的信息、最后是阻碍物的信息。

I021／010：对数据源的确认。数据源的确认包括SAC（系统地区码）和SIC（系统确认码），主要是为了对传送ADS-B信息的源头进行确认。

I021／030：被报告位置的当日时间。时间戳应该遵循标准ICAO Annex 5［5］。

I021／040：目标报告的描述符，则是对系统传输的数据和属性进行描述。其中也有同样的信息定义在最新版本的Category 023［6］协议之中。

I021／070：八进制形式的3／A模式码。每当有更新的时候，只要3／A模式码可用，此数据项就会被发送。

I021／130：WGS-84坐标系统位置，这在ADSB报文中是非常重要的位置信息数据项，传递了目标的当前位置。

I021／145：飞行高度层，以2进制补码形式表示的气压层（非修正海平面气压）。

I021／090：性能指数，解析报文的系统将会根据这些指数来确定如何使用报文数据，具体含义如表2所示。

其中PA的编码称作NUC（导航不确定性类别）［7］。表3综合反映了ADS-B定位信息的精度和完好性，其中RC为完好性的限制半径，即实际位置落在以测量位置为圆心、RC为半径的圆范围内的概率为95%。

其它数据项还能传递如地面向量、链接技术、MOPS版本等信息［8-10］。

3.2 Asterix Category 021的用户应用程序框架

用户应用程序框架（UAP），是Asterix Category 021协议中制定的，应用于应用程序系统的报文设计的数据项组成框架，包括数据项顺序、编码规则等。

无论是解析ADS-B报文格式还是生成ADSB报文，都需要在系统设计的时候对用户程序框架（UAP）进行设定。

（1）确定ADS-B报文适用的版本协议中适合的数据项。可能应用程序并不完全需要Category 021协议里所有的数据项，协议里编码要求为必须出现的数据项是必须在设计中出现，应用程序需要确定的是其它可选数据项是否在此处系统通信报文中出现。数据项的格式、传输内容等必须严格按照协议内容执行。

（2）确定ADS-B报文适用的版本协议中的UAP。确定数据项在报文中的使用规则。确定原协议中未使用的数据项在UAP中空闲比特的位置。

（3）其余设计内容应严格遵循协议规定。

表4所示为来自Asterix Category 021协议所制定的UAP的部分内容，以及应用程序对该UAP的框架所做出的设计更改。其中“…”代表该行内容无代表性，原UAP中有内容，但本文未在此表引用；“-”代表原UAP中此处为空闲比特，无信息、长度、编码规则等说明。

表4中的空闲比特有两种情况，一种是协议本身保留的最后7个数据项、原协议UAP中保留的空闲比特、以及保留扩展域，另外一种是该ADS-B系统接口设计时从原UAP中剔除的数据项，它们在此处都被设置为空闲位。其它所需要的数据项依旧按照原FRN顺序排列。

表4的最后一列是每个数据项的使用规则。在Asterix Category 021原协议UAP中，每个数据项的编码规则只有可选与必须出现两种情况，此处UAP给出了每个数据项必须出现或者可出现的条件，将原协议的可选情况细节化，灵活制定自己的系统规则。

3.3 Asterix Category 021的报文模块

Asterix Category 021协议对其标准报文格式如图1所示。其中，“数据类=21”代表这个数据块传输的是ADS-B报文，“长度”描述的是包括数据类以及长度在内的数据块的字节长度，“字段描述符”记录的是该报文所含有的数据项的个数，数据项出现的情况，“…”表示略去中间零个或多个记录。

在第4部分的实际系统应用中，将会介绍一段ADS-B报文实例的分析，其内容的解析就是根据该报文模块结构实现的。

4 Asterix Category 021协议在某ADS-B监视系统中的应用

在国内某ADS-B监视系统中（图2），我们按照Asterix Category 021协议标准实现了ADS-B数据接入ATC自动化系统［11］等相关应用。该系统由几大模块组成［2，12］，下面分别描述。

（1）ADS-B数据接入设备

ADS-B数据接入设备-多路线路适配器、NPORT可接收来至ADS-B系统的HDLC协议ADS -B数据，并转换为TCP／IP数据进入九寨ADS-B监视系统进行后续处理。

（2）主从ADS-B数据处理服务器

主从ADS-B数据处理服务器上相同部署ADS -B前端处理模块、ADS-B航迹处理模块、ABS-B融合处理模块、多雷达数据融合模块、ADS-B选择性融合处理模块、选择性融合航迹输出模块等，实现ADS-B数据的校验、解析、航迹管理（航迹的建立、更新、外推、清除）、多雷达数据融合、ADS-B数据与多雷达融合航迹的选择性融合及输出等，并送ADS-B监视终端显示；主从ADS-B数据处理服务器有效保障系统此关键节点的可靠运行。

（3）ADS-B监视终端

ADS-B监视终端以ADS-B目标标牌样式显示ADS-B目标，以充分显示ADS-B目标信息，并可实现ADS-B目标、系统航迹的单独、叠加显示或选择性融合数据显示。

从图2中可以看到，ADS-B地面站将接收到的ADS-B数据通过ADS-B数据接入设备（即图2中多路线路适配器、NPORT）接入该ADS-B监视应用系统，同时多路线路适配器还接受雷达数据，两种数据均在接入设备处被转换为TCP／IP数据并送入系统网络进行后续处理。ADS-B数据服务器首先将收到的Asterix Category 021格式的ADS-B数据转换成内部格式，然后对ADS-B原始数据进行解码，提取和处理报文中的所有信息，经过一系列处理之后形成航迹，于显示终端上显示，或者生成其它系统所需要的综合航迹输出。

表5描述了该系统接收到的一个内容为“15 00 2C FF A1 D8 6FDE 04 28 A7 56 F5 00 57 71 0D 01 24 62 48 78 02 7A 13 84 00 06 08 04 B4 00 00 06 5B CA 1E 0C 30 74 CB 8E 60 00 C8 08”的ADS-B报文实例，说明ADS-B数据服务器对此Category 021协议报文的内容的解析［4，13］。

5 Category 021应用的总结和展望

通过以上对Category 021协议内容及其在实例系统中应用的分析，可以了解该协议是如何包装各类ADS-B数据，以及系统如何解析该协议编码的数据包，体现其在ADS-B系统数据传输中的重要意义，从根本上了解ADS-B的优势，同时为ADSB数据系统的设计和解析提供方法和参考。

Asterix Category 021协议高效、安全的传输能力，为ADS-B监视数据逐渐取代雷达数据奠定了坚实的基础。为了配合目前仍广泛使用的雷达监视数据，促使监视技术的更新换代，Asterix Category 021协议可根据其NUC指标来控制ADS-B与雷达数据融合的权重，建立以数据完好性NUC为基础的数据融合规则并融入协议之中，此类构想还需在未来逐渐实现。

［1］SUR.ET1.ST05.2000-STD-12-01，Surveillance Data Exchange-Part12：Category 021 Edition 0.26［S］.

［2］黄煜.ADS-B应用监视系统技术手册［R／DK］.中国：四川川大智胜有限公司，（2008-06）［2011-05-22］. HUANG Yu.The technologicalnotebook of ADS-B application surveillance system［R／DK］.China：Wisesoft Co.，Ltd.，（2008-06）［2011-05-22］.（in Chinese）

［3］李耀.基于模式S的ADS-B系统研究［D］.成都：电子科技大学，2008.

LIYao.The research on ADS-B system based on Mode S［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2008.（in Chinese）

［4］黄煜.ADS-B简介及在ATC系统中的应用［R／DK］.中国：四川川大智胜有限公司，（2010-09）［2011-05-23］.

Huang Yu.Introduce to ADS-B and The application in ATC system［R／DK］.China：Wisesoft Co.，Ltd.，（2010-09）［2011-05-23］.（in Chinese）

［5］Annex 5，Units ofMeasurement to Be Used in Air and Ground Operations：Fourth Edition［S］.

［6］SUR.ET1.ST05.2000-STD-16-1，ASTERIX Category 023 CNS／ATM Ground Station Service Reports［S］.

［7］RTCA／DO-242A，Minimum Aviation System Performance Standards for ADS-B［S］.

［8］ICAOSARPS for ACAS in ICAOAnnex10，Volume IV，Aeronautical Telecommunications：Volume IVChapter4［S］.1998-09.

［9］RTCA DO-260，Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Automatic Dependent Surveillance，Broadcast（ADS-B）［S］.

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

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［13］MH 4007-2006，民用航空飞行动态固定电报格式［S］. MH4007-2006，Civil aviation flight activity fixed telegraph format［S］.（in Chinese）

［14］ISUR.ET3.ST06.3220.001，Automatic Dependent Surveillance Requirements，edition 0.8［S］.

YANG Shan was born in Sichuan Province，in 1988.She is now a graduate student.Her research direction is network communication.

Email：256657＠qq.com

时宏伟（1963—），男，河南人，1990获硕士学位，现为教授、博士生导师，主要研究方向为空管与雷达数据融合。

SHIHong-weiwas born in Henan Province，in 1963.He received the M.S.degree in 1990.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns air trafficmanagement and radar data fusion.

App lication and Analysis of Asterix Category 021 Protocol

YANGShan，SHIHong-wei
（School of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The content of Data Items，composition of user application profile and layout ofmessage data block included in Asterix Category 021 protocolare introduced，aswell ashow the ADS-B system complieswith the protocol.The application of Asterix Category 021 and theway to decode the protocolmessage are analysed，a thought to dispose themessage is presented.The research and analysis result provides a reference to apply this protocol.

air traffic control；ADS-B；Asterix Category 021 protocol；report standard；protocol application

TN92；V19

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.027

杨珊（1988—），女，四川人，硕士研究生，主要研究方向为计算机系统结构网络通信；

1001-893X（2011）10-0132-05

2011-06-03；

2011-09-02