基于Android平台的1090ES数据链数据采集系统

汤国防，闫永恒，张寒雪

(中国电子科技集团公司 第十五研究所国家空管科技自主创新基地，北京 100083)



基于Android平台的1090ES数据链数据采集系统

汤国防，闫永恒，张寒雪

(中国电子科技集团公司 第十五研究所国家空管科技自主创新基地，北京 100083)

随着空中交通管理技术的发展，1 090 MHz扩展电文(1090ES)数据链已经成为承载地空通信、空空通信的重要数据链，在民用航空及通用航空领域得到了广泛应用;传统的二次雷达或ADS-B地面站设备大而沉重，为了构建便携、低成本的1090ES数据链数据采集系统，提出了一种基于Android智能终端和广播数据采集板卡的解决方案，利用1 090 MHz天线接收广播信号，由单片机(PIC18F2550)实现模数信号转换，通过USB-OTG接口发送至Android智能终端；开发了数据采集APP，实现数据的融合解译、数据采集以及航空器的飞行监视；经测试验证，系统能够有效采集1090ES数据链公开协议航空数据，覆盖范围超过150公里，即插即用，应用前景广泛。

1090ES数据链； 安卓系统； 数据采集； 飞行监视

0 引言

随着民用航空通信与监视技术的发展，1 090 MHz 扩展电文(1090ES)数据链已经成为二次雷达、机载防撞系统TCAS、广播式自动相关监视ADS-B的重要通信链路[1]。根据我国规划，2015年底所有运输飞机都已具备基于1090ES数据链的ADS-B监视能力，通用航空正在推广机载及便携式1090ES ADS-B设备以实现飞行监视和地空数据通信[2]。1090ES数据链作为全球公开协议的数据链，可以通过1 090 MHz天线实现对1090ES数据链广播数据信号的接收，配合智能硬件和软件完成数字信号的解析和采集存储。

随着Android智能终端的广泛应用[3-4]，为了实现低成本、即插即用的便携式1090ES数据链数据采集工具，满足执行空中巡视、航拍测量、无人机巡航等野外作业时对航空器飞行监视的需要，本文基于微型1 090 MHz广播信号采集设备和Android平台研究构建了一种1090ES数据链数据采集系统。

1 系统组成

系统整体由1 090 MHz广播信号采集端和Android系统平台组成，结构设计如图1所示。

图1 系统组成结构

1 090 MHz广播信号采集端由1 090 MHz全向天线、信号过滤放大器、信号采集控制模块组成，实现1090ES数据链广播信号的接收、模数转换和采集控制。为实现数字信号采集以及与Android系统平台的通信，信号采集控制模块选用PIC18F2550单片机，内置通用串行总线和10路10位模数转换器，支持控制、中断、等待和批量数据传输模式，能够将1 090 MHz模拟信号转换为0～255数字信号并通过USB接口输出。

Android系统平台为搭载Android操作系统的智能终端，如手机或平板电脑。Android平台通过USB-OTG接口与采集端信号采集控制模块进行数据通信和控制，并为采集端供电；基于Android系统开发数据采集APP，实现对采集端的通信控制、数据解析处理、数据可视化显示和存储功能。

2 软件功能设计

Android操作系统自3.1版本开始增加了对USB-OTG接口功能的支持[5]。外部USB设备(采集端单片机PIC18F2550)接入后，Android系统将自动注册并创建USB字符设备[6]，以支持应用层对USB设备的控制与数据通信。

2.1 Android系统与PIC18F2550通信控制

Android系统连接采集端单片机PIC18F2550后，可根据单片机的设备属性进行遍历获得对应的USB设备，并获取设备的通信管理权限；根据设备接口的通信端点的通信方向，识别指令通信端点(OUT)和数据通信端点(IN)；当需要启动数据采集时，通过打开设备连接，在指令通信端点写入通信指令或参数配置指令，并在数据通信端点进行监听接收采集的数据；数据传输方式采用块传输(Bulk Transfers)，以实现错误检测和重传机制。停止数据采集时，则在指令通信端点写入停止指令，停止单片机的数据采集运算并释放USB设备接口。

2.2 1 090 MHz广播数据融合解译

1090ES数据链数据包括航空器S模式应答机面向二次雷达的应答信息、ADS-B报文以及TCAS机载防撞系统的问答信息。根据1090ES数据链路通信协议[1]，每条扩展电文均在电文开头以5比特位标识数据的下传格式(DownFormat，简称DF)，以随后3比特位标识详细的电文数据内容类别。主要数据格式及说明如表1所示。

表1 1090ES数据链数据格式

航空器S模式应答机及机载ADS-B设备的电文数据均含有24比特位全球唯一的应答机地址码，由ICAO分配，可以用来识别当前空中唯一的飞行目标[7]。基于这种特性，可以对1 090 MHz广播收到的雷达应答信息、机载ADS-B报文、TCAS报文进行融合解译，以提高飞行目标监视定位的频率和定位精度。数据解译流程如图2所示。

图2 1 090 MHz广播数据解译流程

在数据解译流程中，首先根据接收到的广播数据识别数据格式DF并进行CRC较验，对正确的报文解析获得航空器应答机地址码，并维护以地址码为关键字的航空器目标列表；解析报文中的数据内容，并更新对应航空器的飞行状态属性。其中，ADS-B报文的空中位置数据采用CPR简洁位置编码，文献[8]给出了详细的编解码算法，需要采集至少2个周期的空中位置数据才可获得准确的经纬度信息。

2.3 数据采集与可视化显示

1090ES数据通过数据采集APP进行可视化显示，实现对空中航空器目标的飞行监视。数据采集APP设计了采集控制模块与单片机PIC18F2550进行通信交互，并接收处理报文数据。数据处理的逻辑流程如图3所示。

图3 数据采集处理逻辑流程

2.3.1 数据接收处理模块

模块采用独立线程运行，对USB设备接口的数据通信端点进行监听，对接收到的报文数据进行解译；维护航空器目标列表缓存，并更新缓存中对应航空器的飞行状态数据。

2.3.2 数据清理模块

航空器降落或飞出可监视区域后，系统采集端将无法继续从1090ES数据链获得对应航空器的广播报文，超出预设时间阀值即视为过期目标。模块采用线程调度机制，定时对航空器目标列表缓存中的过期对象进行清理。

2.3.3 航迹动态存储模块

模块采用线程调度模式，每5秒调度运行一次，循环遍历航空器目标列表中的对象，将其飞行状态数据以结构化数据记录形式批量存储存储至数据库。

2.3.4 数据显示界面

以16进制文本方式滚动显示实时接收到的报文数据，数据样本如下所示：

2800098FDEBC31(DF=5)

8D7806A099040911C8220E8C62B9(DF=17)

5D780AE871C60D(DF=11)

0261813A1BF3A6(DF=0)

20000738D2B7E6(DF=4)

80A1849D6025D26369C8288F6835(DF=16)

……

2.3.5 飞行监视界面

基于地图界面，对采集获取的航空器目标位置、飞行轨迹数据进行动态标绘展现，实现数据的可视化。

2.3.6 轨迹查询界面

根据照航空器标识、起始时间条件对采集的历史数据进行查询和可视化显示。

3 系统实现

本文以Android 4.0智能手机作为Android平台，利用Java语言编写了1090ES数据解码库，并以百度地图提供的Android SDK开发了数据采集APP，实现了智能手机与1 090 MHz信号采集端的通信与控制、数据采集、地理坐标转换[9]以及基于在线/离线地图模式的航空器飞行监视功能。系统界面如图4所示。

图4 数据采集APP飞行监视界面

为了验证功能和性能，本文设计的数据采集系统在北京南苑机场附近航班早/晚高峰时期进行了多次采集测试，采集数据总量均超过50万条，统计数据见表2。

表2 1090ES数据链数据采集统计

限于可能的广播重叠、1 090 MHz天线的灵敏度以及信号的滤波处理，剔除系统启动初始化阶段及其他格式噪音数据影响，高峰时段系统数据采集平均误码率约为6.4%，正确探测解码率仍满足不小于90%的应用指标[10]；在视距无遮挡条件下，系统能够有效采集150公里范围的1 090 MHz航空数据，大气能见度条件良好时最远接收距离达220公里，能够有效实现空中目标的飞行监视。

4 结论

本文基于Android平台和1 090 MHz信号采集板卡构建了一种微型的地面接收设备，可以较好的实现对1090ES数据的采集和可视化飞行监视；同时，设计了对广播数据的融合编码，相比单二次雷达监视或ADS-B监视提高了数据采集频率和跟踪精度；另外，所使用的移动地图支持离线模式应用，方便开展野外作业。整个系统轻便智能，兼容性好，应用前景广阔。

[1]Clarification Mode S Transponder in an Airport/A-SMGCS Environment[S]. European Organisation for the Safety of Air Navigation, 2005.

[2]王 菲. 基于1 090 MHz ES数据链ADS-B关键技术研究[D]. 成都：电子科技大学, 2009.

[3]金 凡, 王 成, 白丽红,等. 基于Android平台的脉搏波监测系统的研究[J].计算机测量与控制, 2014，22(4):994-996.

[4]魏崇毓, 张菲菲. 基于Android平台的视频监控系统设计[J]. 计算机工程, 2012，14:214-216.

[5]程 军, 陈贵灿, 姜 飞. 通用串行总线的OTG技术[J]. 微电子学与计算机, 2003，6: 54-56.

[6]孙 洁, 付友涛, 孔凡鹏，等. Android系统下的USB设备驱动程序设计[J].计算机测量与控制, 2013, 5:1386-1388.

[7]姚 娇, 林云松. 1090ES ADS-B接收机模型关于空中交通管理的仿真研究[J]. 中国民航飞行学院学报, 2010,21(5):19-22.

[8]刘 萍, 倪育德, 马宇申. ADS-BINCPR编解码仿真及同频干扰研究[J].现代导航, 2003,5:342-347.

[9]王 柯, 马宏斌. 一种基于Android平台数据采集系统的设计与实现[J]. 测绘与空间地理信息, 2014，37(10):29-32.

[10]1 090 MHz扩展电文广播式自动相关监视地面站(接收)设备测试要求[S]. 中国民用航空局, 2012.

Data Acquisition System for 1090ES Data Link Based on Android Platform

Tang Guofang，Yan Yongheng，Zhang Hanxue

(National Air Traffic Management Science & Technology Independent Innovation Base,China Electronics Technology Group Corporation No.15 Research Institute, Beijing 100083, China)

With the development of air traffic management technology, 1 090 MHz extended squitter (1090ES) data link which realize air-to- ground and air-to-air communication, has been widely used in the field of civil aviation and general aviation. Traditional radar or ADS-B ground station equipment is large and heavy, with the purpose of developing portable and low cost data acquisition system for 1090ES, proposed a solution based on Android platform and radio module, using 1 090 MHz antenna to receive radio signals, with single chip microcomputer (PIC18F2550) to achieve digital signal conversion, in addition to communicate with Android platform through the USB-OTG interface. A data acquisition APP was developed to realize data decoding, data persistence, and flight surveillance. After the testing and verification, the system can effectively collect the 1090ES aviation data, covering the range of over 150 kilometers, plug and play, and has a bright application prospect.

1090ES data link; Android; data acquisition; flight surveillance

2015-12-01；

2015-12-25。

陕西省科技统筹创新工程计划(2013KTZB01-02-05)。

汤国防(1987-)，男，山东济宁人，硕士，工程师，主要从事空中交通管理信息技术方向的研究。

1671-4598(2016)06-0168-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.046

TP274

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