基于ADS-B的低空飞行动态展示技术研究与实现

刘俊波

目前，低空空域监视缺乏有效的监视手段，传统的雷达监视，由于其覆盖范围较小，仅包括航路航线及周边。而通用航空的飞行活动灵活多样，飞行范围大多处于非雷达覆盖区域。因此，必须引进新的技术手段或监视方式，才能有效的解决通航飞行监视的难题。ADS-B 由于其建设成本低廉，建设难度较低，因此在低空监视领域得到大力推广及应用。

1 相关技术

1.1 WebSocket

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在单个TCP 连接上进行全双工通讯的协议。允许客户端和服务器之间进行全双工通信，以便任一方都可以通过建立的连接将数据推送到另一端。WebSocket 只需要建立一次连接，就可以一直保持连接状态。

1.2 ActiveMQ

ActiveMQ 是Apache 软件基金下的一个开源软件，它遵循JMS 规范，是消息驱动中间件软件。ActiveMQ 的设计目标是提供标准的，面向消息的，能够跨越多语言和多系统的应用集成消息通信中间件。

1.3 SuperMap

SuperMap 是一款商业化的地理信息系统软件，通过该软件可以实现地图绘制、空间分析、数据编辑处理等操作，并且其可提供标准化的SOAP 服务以及Restful 服务。

1.4 Cat021

Cat021 是空管专用ADS-B 地面站输出的ADS-B报文格式，是一整套的信息传输规范，定义了传输数据的各个组成部分的不同含义。

2 研究与实现

2.1 数据流图

图1

2.2 数据源引接

数据源主要包括：

1）航班计划数据，以读取消息队列数据的方式，采集航班计划系统中航班计划。航班计划系统中处理数据包括运输航班数据、以及通用航空数据，通过任务类型区分，获取对应的通航航班计划（主要包括航班号、二次代码、起飞机场、降落机场等属性）。

2）ADS-B 监视数据，以接收UDP 报文的方式，采集ADS-B 数据中心的监视数据，数据中心的监视数据为已处理过的数据，包括去重、虚假目标处理、去除锯齿等操作。通关过解析UDP 报文，获取报文中的航班号、二次代码数据，从而与步骤（1）中获取到的通航计划数据列表进行关联，过滤出通航飞行监视数据。

2.3 ADS-B 数据解析

通过接收单播或广播方式传送的ADS-B 监视数据，按照Cat021 数据格式进行解析，获取其航班号、应答机编码、UTC 时间、经度、纬度、飞行高度、地速、角度、目标标识等信息字段。

系统设计有UDP 端口监听程序，当监听到数据到来时，触发数据解析进程，对该UDP 报文进行拆分解析，每一个UDP 报文可能包含多个Cat021 格式的数据，需在解析前进行处理。解析成功的数据存储于内存中，通过设置阀值来判断是否批量存入消息队列中。

2.4 航班计划关联

航班计划系统中的航班计划数据以消息队列的方式对外发布。所发布的数据既包含运输航班的数据，也包含通航航班的数据。通过关联通航相关的任务性质（比如“训练”“护林”“巡线”等），筛选出通航计划数据。将获取到的数据，以内存对象的形式存储。每个对象均包含航班号、应答机等重要信息。航班计划关联程序通过将此信息与ADS-B 监视数据进行关联，过滤出通航飞行的监视数据，暂不对运输航班监视数据进行处理。同时补充起飞机场、降落机场字段，同时将该数据保存消息队列中。

2.5 消息队列缓存

由于ADS-B 监视数据中既包含运输航空的监视数据，也包括通用航空的监视数据，数据量较大。虽然已经成功过滤出通航的监视数据，但对于监视数据的发布频次来看，还是过于频繁。对于低空飞行监视来说，并不需要如此小的间隔数据，因此还需要设置一个数据过滤阀值，主动过滤部分数据。对于判断为通航的航班来说，其轨迹数据较多，如果对于每一条轨迹数据均直接进行数据库操作的话，将会大大增加数据库的负载压力。因此，引入了并发性能更加优越的消息队列。通过设置消息队列深度，来调用数据库批量写入操作。为避免应用程序频繁的对数据进行写操作，将解析程序与数据库操作程序通过ActiveMQ 消息队列进行分离，解析程序直接将解析结果插入队列中即可。

图2

2.6 数据批量存储

设计消息队列监听程序，对于存入消息队列中的数据，当消息队列深度已满时，将会直接启动数据库读写操作。通过建立与数据库之间的连接，利用数据库批量写入方法，按批量的写入数据库，极大的减少了数据写入耗时。

2.7 WebSocket 服务端

该服务端的设计仅针对于ADS-B 运输航空的飞行数据。对于判断为运输航空的监视数据，不存入消息队列中，通过设计一个消息发送服务端。同时为了减轻网络传输带宽压力，对所传输的数据进行格式转换，调整为JSON 格式，进行GZIP 压缩，经测试，经过转格式以及压缩后的数据量，为原始数据大小的1/10。通过建立Server 端，实时监听连接端口，一旦发现有客户端连接，则实时发送解析后的数据。此种方式可以满足一对多的场景，即一个Server 端，允许对多个客户端传输数据。另外，设置客户端存活监测机制，定期在客户端与服务端之间传送心跳数据，避免假死情况发生。

由于系统中只需要关注飞行态势，因此对于同一个航班的飞行轨迹，不需保存多个轨迹点数据，对于具体某航班的轨迹，仅保留其两个相邻位置点信息。对于解析获取到的ADS-B 数据，更新较早的位置点信息。当用户选择运输航空监视时，自动创建于WebSocket 服务端的连接，服务端将内存中的航班轨迹列表发送至各接入的客户端浏览器。

2.8 航迹绘制

SuperMap 是一套GIS 产品，提供基础的地图服务，可以通过调用图层绘制方法，在原底图基础上进行自定义绘制，包括管制区，机场等。通过读取通航航班飞行轨迹数据，调用SuperMap 提供的JavaScript 方法，在地图上进行绘制。

对于通航航班，其轨迹数据均存储于数据库中，通过批量读取数据库中的轨迹记录，查找其最新两个位置点信息。然后计算其相对位置，调整轨迹绘制时的角度。

对于运输航空航班，通过选取运输航空类别后，建立与WebSocket 服务端的TCP 连接，直接通过获取服务端发送的航班轨迹数据，每个航班轨迹仅包含相邻两个位置点信息，通过JS 的JSON 数据拆分方法，获取相邻两个坐标值。通过调用SuperMap提供的绘制方法，将航班图标进行间隔绘制，同时做一定平滑处理。设定绘制更新间隔，实时展示航班轨迹。

3 结束语

ADS-B 监视手段是实现低空监视的重要手段之一，本文通过对ADS-B 监视数据的解析、与航班计划关联、分类存储、GIS 展现等技术，实现了通航航班飞行轨迹的实时展示，能够更好地为通航服务。