S模式机载应答机能力统计分析软件的设计与实现

文/叶中脉 陈扬

近年来，民航空管大量S模式二次雷达建成投产，并接入自动化系统，为管制员提供S模式雷达数据信息，提高管制效率，提升管制运行安全性。在我国多年的S模式二次雷达技术应用过程中积累了宝贵的运行经验，同时也发现针对S模式二次雷达询问策略设置，还具备一定优化空间，通过统计空域内飞行器S模式机载应答机能力，可以为询问策略设置提供参考，通过优化询问策略设置，兼顾S模式二次雷达的性能与维护成本。以成都地区为例，民航飞机日均保障量为4636架次，成都双流国际机场日均起降997架次，该地区军方及飞行学院飞行器活动较多，空情相对复杂。鉴于成都空域内各类飞行器的机载应答机的装备差异，为优化S模式雷达询问策略设置，掌握空域内S模式机载应答机装备情况，探讨一种机载S模式应答机能力的有效统计手段是具有现实意义的。

1 BDS1,0简介

S模式机载应答机通过BDS1,0（Data link capability report (concluded)，数据链能力报）中的对应信息域表征S模式机载应答机的能力。BDS1,0中包含了多个表征该S模式机载应答机能力的信息域，为优化S模式雷达询问策略设置，掌握空域内S模式机载应答机装备情况，主要关注以下信息域：35 bit--监视标识码（SIC,Surveillance identifier code），主要表征S模式应答机是否具备SI能力以支持雷达开启SI码询问；25 bit--S模式特定服务能力，主要表征S模式应答机是否具备BDS 4/5/6交互能力；24 bit--应答机增强协议指示，主要表征S模式应答机是否为5级应答机；33 bit--飞行器呼号能力，主要表征S模式应答机是否可以输出飞行器呼号；37 bit--混合监视能力，用 于ACAS； 40、39 bit--飞 行 器ACAS版本。综上所述，只要能够从CAT48报文中获取BDS1,0并解析对应信息域，即可根据解析的信息对S模式应答机的能力进行统计分析。

图1：只包含飞行器24位地址码和BDS1,0信息的CAT报文

2 软件设计

根据实际应用，对S模式机载应答机能力统计分析软件完成需求分析如下：

（1）获取BDS1,0数据；

（2）解析BDS1,0中的指定信息域（35 bit--SI能力；25 bit--BDS 4/5/6能力；24 bit--5级应答机；33 bit--飞行器呼号能力；37 bit--混合监视能力； 40、39 bit--飞行器ACAS版本）；

（3）数据统计；

（4）可扩展性：设计基于BDS1,0的信息域通用解析函数，方便后续需求扩展；

（5）可移植性：软件可跨平台使用。

为保证软件的数据处理能力，提高软件的数据解析以及S模式应答机能力统计效率，降低编程开销，数据源应尽量简洁，仅包含为数据统计准备的最少量有效信息最佳。因此，配置Thales RSM970S询问参数（即：仅询问Data Item I048/220--飞行器24位地址码、Data Item I048/250--飞行器应答机BDS1,0数据），获取S模式机载应答机BDS1,0信息，输出XML文件作为数据源。

雷达录取器输出的只包含飞行器24位地址码和BDS1,0信息的CAT报文如图1。

由图1可知，对于雷达输出的该条CAT48报文，30--CAT48报文，00 57--报文字节长度，它由若干个飞行器的Data Record组成，而对于一个Data Record，在前述的询问设置下，仅由数据头01 A0（2个字节）、Data Item I048/220--飞行器24位地址码（3个字节）、Data Item I048/250--飞行器应答机BDS1,0数据（9个字节）组成。以Data Record 1为例，在此设置下可解析为：01 A0--单个飞行器数据头，78 10 53（3个字节）--飞行器24位地址码，01 10 01 06 80 FD 00 0000 10（9个字节）--24位地址码为781053的飞行器的BDS1,0信息。由于简化了询问策略，因此得到的CAT48极为精简，除去CAT48报文的报头（30）与报文长度（XX XX）这3个字节数据，其包含的每一条单个飞行器的Data Record均为14字节定长数据，这为统计软件的实现与高效统计数据提供了支撑。

使用ASTERIX Toolkit的DataRP软件记录雷达输出报文，以记录的XML文件作为数据源，在该文件索引下的信息即为需要进行统计的CAT48报文。

3 软件实现

表1：分析结果统计

为保证人机界面友好以及软件的可移植性，使用Qt 5.10（开源版）作为应用程序开发框架，Visual Studio 2017（社区版）作为软件开发工具集，C++作为编程语言，开发S模式机载应答机能力统计分析软件。根据需求分析，划分软件功能模块如下：1.XML文件读取；2.目标报文筛选；3.非标准报文筛除；4.Cat48报文预处理；5.数据初始化；6.BDS1,0解析；7.数据统计。

软件具体实现逻辑如下：

（1）读取XML文件，提取该文件中索引为data的信息，通过报头30判断该条信息是否为CAT48报文，若否，则提取下一条data信息；若是，则进入2。

（2）根据报文长度，判断该条报文是否为标准长度数据，若（该报文长度-3）/14不为0，则说明该条报文为不规则报文，其中有可能存在雷达录取器输出过程中出现的错误数据（如：在报文末尾多一个字节--00等），则提取下一条data信息（由于询问设置，飞行器应答机将在每一个天线转中均应答BDS1,0信息，因此抛弃该不规则报文对统计结果无影响）；若结果为0，则进入3。

（3）按14字节的长度切割报文，得到对应单个飞行器的Data Record与该报文中Data Record的个数，用于初始化哈希表。

（4）初始化哈希表：对一个指定的飞行器，在前述询问设置下，每一个天线转都将应答一次BDS1,0信息，但对该飞行器而言，其应答机能力指标是一定的，也即每次应答的BDS1,0信息都是一致的。因此，对于一个指定飞行器，在记录的XML文件提取的CAT48报文中，会有多次重复记录。由于飞行器24地址码是唯一的，因此使用飞行器24位地址码作为哈希表的Key，14字节的Data Record作为哈希表的Value，若该哈希表中已有该24位地址码的Data Record，则处理下一条，若无，则存入哈希表中。

图2：流程图

（5）在数据初始化完成后，哈希表的Count即为飞行器总量（因为24位地址码是唯一的），对哈希表进行遍历，编写通用的数据位提取函数（在此不多做赘述）获取哈希表各个VALUE（也即单个Data Record）中BDS1,0对应位的值，根据返回结果进行指定位及信息域的解析，获取统计结果。

程序流程图如图2。

4 软件统计结果

软件统计结果如表1。

由表1可知，软件运行处理XML文件中存储的81618条CAT48报文，获取雷达覆盖空域内665架次飞机的S模式机载应答机能力信息。当前雷达覆盖空域内，具备SI能力的飞行器占比为94.285%，具备BDS 4/5/6交互能力的飞行器占比为90.376%，装备5级应答机的飞行器占比仅为1.353%，具备飞行器呼号能力的飞行器占比，具备混合监视能力的飞行器占比为92.180%。此外，ACAS按版本分为RTCA DO-185、RTCA DO-185 A、RTCA DO-185 B，支持以上三个的飞行器分别占比10.075%、10.827%、79.098%。

统计结果显示，成都区域空情复杂，并非所有飞行器均具备SI能力及BDS 4/5/6交互能力，且有部分飞行器已装备5级应答机，原因是该空域时有军方及飞行学院飞行活动。因此，在成都区域部署S模式二次雷达，建议询问策略中仅采用II码询问，并严格保证BDS 4,0/5,0/6,0的询问有效性，以免出现因为询问策略设置不当造成的目标丢失。此外，应定期关注5级应答机的装备情况，若占比持续上升，则说明区域内S模式二次雷达可通过软硬件更新获取更多飞行器信息。

5 结束语

对S模式二次雷达技术来说，在应用层面上，S模式二次雷达询问策略设置与雷达设备安装的地理位置、雷达型号、周边雷达部署情况、空域环境、航班量以及飞行器机载应答机能力均息息相关。因此，优化S模式二次雷达询问策略，最大程度发挥S模式二次雷达的作用是该技术应用的难题之一。基于Qt的S模式机载应答机能力统计分析软件运行结果显示，该软件能有效统计S模式机载应答机能力，其统计数据能有效掌握空域内S模式机载应答机装备情况，为优化S模式二次雷达询问策略设置提供了数据参考，在S模式二次雷达前期可研、安装调试及后期维护、故障处置中均能发挥作用。