ADS-B中经纬度编解码算法及实现

2023-05-30纪爱玲张正华

计算机与网络 2023年1期

纪爱玲张正华

摘要：在1090ES广播式自动相关监视（ADS-B）模式下，针对飞机的位置信息中涉及经纬度编解码算法的内容进行了简要介绍，主要涉及经纬度编码、本地解码、全球解码算法的具体实现步骤。通过检飞验证，研究结果表明，简洁位置报告（Compact Position Reporting，CPR）编解码具有很高的有效性和准确性，能有效提高成功接收报文的概率。

关键词：广播式自动相关监视；简洁位置报告；编码；解码

中图分类号：TN79文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）01-59-5

0引言

1090ES广播式自动相互监视（Automatic Dependent Surverillance-Broadcast，ADS-B）是国际民航组织（ICAO）为了未来航空运输发展的需要，以卫星技术、数据通信技术和计算机技术为基础提出的一种监视技术[1]。ADS-B系统主要实现空对空监视，一般情况下只需机载电子设备（如GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器），不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能，实时、自发、间歇性地对外广播自身状态参数[2]。

ADS-B技术优于传统的雷达监视技术，体现在高精度、小误差、较强的监视能力等方面。单个ADS-B监视基站监控范围覆盖方圆200 n mile以上，可提供全视角监视、监控更新频率是雷达的4倍，精度可达米级，成本却只有雷达的1/10[3]。ADS-B技术在实现空对空通信、导航、监视方面具有重大应用前景。

1简洁位置报告编解码算法及验证

简洁位置报告（Compact Position Reporting，CPR）算法包括编码和解码2部分，其示意如图1所示。

1.1编码

目标飞机的经度和纬度信息运用CPR算法可以分解成17 bit的二进制编码值，空中飞机ADS-B报文有112 bit，即14 Byte，其信息格式如表1所示[4]。当=17时，代表基于1 090 MHz ES的发射机数据通信包；CA代表CommA或者CommB的通信标志；AA代表发射机唯一的ICAO地址；PI代表CRC校验，计算时包含该字段前面88 bit的校验值；ME代表预留值，可以扩展为多种信息，例如飞机标识与类型信息、空中速度信息、地面位置信息和空中位置信息等[5]。

空中位置信息报文的“ME”字段如表2所示[5]。

地球根据经度和纬度可以划分為很多编号不同的区域（Zone），以此来准确地确认飞机的精准位置。CPR编码指的是依据对经度和纬度的编码计算飞机的空中实际坐标位置。编码过程依据经度和纬度的值，以输入的实数形式为准，转化成整数形式的和坐标。=0时代表偶编码；=1时代表奇编码[6]。飞机空中位置的编码实现的具体步骤如下：

1.2.2全球解码

在ADS-B系统中，为提高数据的传输效率，飞机位置报文采用CPR的形式[9]。不发送高阶位的信息会引起飞机不同位置的编码值是一样的，所以编码时把地球划分为南北方向上的纬度Zone和东西方向上的经度Zone。其中纬度Zone和经度Zone根据不同的编码形式，划分为“奇/偶”纬度Zone，“奇/偶”经度Zone[1]。

空中飞机交替发送含有偶形式（0，0）和奇形式（1，1）两种CPR编码的位置报文，解码时接收设备依据规定的时间范围内（空中目标约10 s，地面目标约50 s）接收到一组含奇/偶编码的报文信息，便可准确地计算出飞机的空中位置[10]。

解码算法中用下标区分奇偶编码，=0时代表偶编码，=1时代表奇编码，目标飞机空中位置全球解码经纬度算法如下：

1.3 CPR编解码算法仿真验证

1.3.1 CPR编码仿真验证

随机抽取10组飞机的位置信息经纬度值进行CPR编码验证，如表4所示。

1.3.2 CPR本地解码仿真验证

实现过程中，系统在成功接收到1 090 MHz频率上的报文信息之后，选用=17格式的信息进行CPR本地解码验证，随机抽取其中10组数据，如表5所示[11]。

1.3.3 CPR全球解码仿真验证

实现过程中，系统在成功接收到1 090 MHz频率上的报文信息之后，选用=17格式的信息进行CPR全球解码验证，随机抽取其中10组数据，如表6所示[12]。

对CPR解码的测试数据进行综合分析，实际数据误差处于10-6～10-4，充分体现了CPR解码算法的有效性和可靠性。CPR算法使经度码位（24 bit）和纬度码位（23 bit）均降为17 bit，降低了位置信息编解码的位数。在传输带宽有限的条件下，为1 090ES数据链提供了更多的可用空间，有效地提高了信息的传输效率。

2 CPR解码的实现

2.1原理框图

系统组成框图如图2所示，接收到飞机ADS-B信息后，混频到中频60 MHz，进行AD采样，DDC到零中频。对零中频信号进行PPM解调获得飞机的112 bit报文信息，报文信息通过网口通信送至计算机端进行经纬度解码。

经纬度解码可采用本地解码方式，也可采用全球解码方式。

2.2飞机解码实验结果

全球解码后ADS-B监视的目标飞机信息如图3所示。

3结束语

本文针对飞机空中位置ADS-B报文信息的CPR编解码算法，给出了详细的解决步骤，通过仿真实验与方案论证，最终通过硬件实现以及检飞验证，达到预期效果。但从单个ADS-B基站得到的目标轨迹异常点较多，丢点也不少，实际效果比理论值差。如何关联历史目标点迹，用本地解码等方式过滤掉异常点迹，优化算法降低丢点率，以保证ADS-B目标识别的正确性和平稳性是下一步研究的重点。

参考文献

[1]张鹏，何光亮.1090ES关键信息解码算法优化及实现[J].现代电子技术，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，郭宝龙，刘彦明，等.临近空间高速飞行器综合信道模型研究[J].宇航学报，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，马宇申.ADS-B IN CPR编解码仿真及同频干扰研究[J].现代导航，2013，4（5）：342-347.

[8]彭良福，郑超，刘志刚，等.1090ES广播式自动相关监视系统的CPR算法[J].中国民航大学学报，2010，28（1）：33-37.

[9]吕小平.ADS-B技术介绍[J].空中交通管理，2005（4）：24-25.

[10]郑植，练马林，张超，等.模式S应答处理中报头检测算法的研究与实现[J].电子科技大学学报，2008（S1）：66-70.

[11]刘萍.基于ADS-B IN的报文信息处理研究[D].天津：中国民航大学，2014.

[12]丁维昊.1090ES ADS-B系统中CPR算法与实现[J].指挥信息系统与技术，2016，7（2）：57-62.

[13]张辰.ADS-B信号解码板设计及报文处理[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[14]李德胜.基于UAT数据链的ADS-B机载系统的设计与实现[J].航空维修与工程， 2012（2）：56-59.

[15]何桂萍，徐亚军.ADS-B数据链的比较及特性研究[J].中国民航飞行学院学报，2010，21（4）：3-6.

[16]李云双，杨宁，李冬霞，等.ADS-B系统监视性能评估研究与验证[J].现代电子技术，2022，45（5）：19-24.

[17]冯晓丹，李呈祥，祎乔.基于ADS-B数据的机场场面多目标行为识别[J].科学技术与工程，2022，22（5）：1958-1964.

[18]邹璐.浅析贵阳本场DLD-100C型二次雷达目标高度跳变的原因及解决办法[J].技术论坛，2018，（9）：55-57.