ADS-B系统数据格式分析

干浩亮，吴世桂，陈 龙，宋 凯，王盈君遥，苏 柯

(重庆机场集团有限公司 航务管理部，重庆 401120)

0 引言

中国经济的快速增长带动了民航业的蓬勃发展，中国民航航空运输规模连续15年稳居世界第二位，且与第一位的差距逐年缩小。面对航空运输规模的快速增长，空中交通管理部门迫切需要应用新技术，确保管制指挥人员能够对管制空域内飞机的飞行动态进行实时监视，使航路上的飞机科学、准确地按照飞行计划安全飞行。目前，空管部门对于空中飞机的监视主要依靠传统的一、二次雷达来完成。航管雷达具有很多局限性：雷达旋转周期限制了数据更新率的提高；精度不高；假目标多；存在大量的雷达盲区；无法获取飞行态势信息。此外，航管雷达设备昂贵，且运营成本较高[1]。

与传统一、二次雷达的监视能力相比，以地空数据链、星基导航、高速网络通信等新技术为支撑的广播式自动相关监视(ADS-B)系统具有更明显的优越性。与雷达系统相比，ADS-B系统能够提供实时和更加准确的航空器位置、速度等监视信息，设备成本远低于传统的航管雷达，并且维护费用低，使用寿命长[2]。国际民航组织将ADS-B技术确定为未来监视技术的主要发展方向，大力推进ADS-B技术的应用。中国民航也已经制定了ADS-B技术应用的总体实施方案，大力开展ADS-B技术研究和应用推广[3]。2019年，中国民航按计划全面启动ADS-B管制运行。

ADS-B系统还需与其它监视应用系统如空管自动化系统、A-SMGCS系统、ADS-B中小显系统等进行互联互通、协同工作才能充分发挥其应有的功能，这就要求ADS-B系统报文格式在不同监视系统之间传输时具有统一的标准，否则，将会阻碍不同系统之间的互联、报文解析，传输报文的标准化成为其功能应用的前提。因此深入解析和探讨ADS-B系统数据报文格式有助于提高对ADS-B系统的应用能力。本文以重庆江北国际机场已安装建设的国产ADS-B系统报文格式为例进行详细分析。

1 ADS-B系统简介

ADS-B是利用地空、空空数据链完成空中交通态势监视和信息传递的一种新兴监视技术，无需人工干预。ADS-B监视示意图如图1所示。ADS-B系统使用星基导航和定位系统得到航空器精确的位置、速度和高度等信息，利用机载电子设备向外周期性地广播航空器的航班号、位置、高度、速度等参数。管制人员通过航空数据链、ADS-B地面站或其他航空器接收此数据报文，获得航空器的精确定位信息，增强了管制人员和机组人员的空中交通情景意识和位置感知，极大提升了航班的运行效率和飞行安全管理水平[4]。卫星、飞机和地面站形成空天地协同监视。从航空器的角度，ADS-B系统应用功能可分为发射(OUT)和接收(IN)两类。ADS-B OUT是指航空器向外发送信息，即机载设备以一定周期对外广播飞机的位置、速度和识别码等信息。对于地空监视而言，采用的是ADS-B OUT模式，即航空器发信息，地面站通过接收信息来实现对航空器的监视。ADS-B IN是指航空器接收其它航空器及地面服务设施发送的ADS-B OUT信息，通过驾驶舱显示设备获知其他航空器的运行态势，从而为机组人员提供运行支持[5]。

图1 ADS-B监视示意图

ADS-B系统可使用下列三种数据链技术进行信息发送：

(a)VDL-4：工作于VHF频段(108.000～136.975 MHz)，单频道带宽为25 kHz，数据速率为19600 bps，调制方式为GFSK，由瑞典民航局提出的数字数据链路格式，其数据通信与ATN完全兼容；

(b)UAT：工作于单一带宽信道，设计频段为978 MHz，数据速率为1 Mbps，调制方式为GFSK，由FAA提出的一种数据链路格式，双向传输;

(c)1090ES：工作于传统二次雷达使用的1090 MHz频段，数据速率为1 Mbps，调制方式为PPM，发送Mode S信号[6]。

2 ASTERIX数据帧格式

1999年12月欧洲航空安全组织发布了ADS-B CAT21 v0.10[7]。重庆江北国际机场安装建设的ADS-B系统输出报文格式是基于ASTERIX(All Purpose Structured Eurocontrol Radar Information Exchange Format)标准。ASTERIX是欧洲航空安全组织为雷达数据传输和交换定义的一种结构化协议。该协议本质上是一个数据的定义和集合，具有格式统一、易于扩展、可以更新，新版本能兼容老版本等优点，其目的是支持不同监视设备之间按照约定的格式信息交换。目前，ASTERIX协议已经成为了国际标准，涵盖了一次场监雷达、二次场监雷达、多点定位系统等监视设备，以及空管自动化、场监融汇系统、数据中心等相关设备。

ASTERIX协议定义了监视数据编码的框架结构，以HDLC(High-level Data Link Control)为协议基础。HDLC是链路层协议的一项国际标准，用以实现远程用户间资源共享以及信息交互，HDLC帧由6个字段组成的，帧的两端都是以标志字段(FLAG)结束，传输的数据包含在信息字段。ASTERIX监视数据块封装在HDLC的信息字段内，一个HDLC帧可以包含一个或多个ASTERIX数据块。ASTERIX数据块包括数据类型CAT、数据长度LENGTH、字段描述FSPEC、数据项Data Item 等字段[8]。HDLC帧及ASTERIX数据结构如图2所示。CAT字段表示该条数据的类型，占一个字节长度，ASTERIX协议最多可以定义28=256种数据格式。LENGTH表示该数据的长度，是数据类型、数据长度和数据记录的总长度，占两个字节。每帧ASTERIX格式的数据至少包含一个数据记录，每个数据记录只包含一架飞机的ADS-B报告。多个数据项(Data Item)组成一个数据记录，是每种ASTERIX数据格式中最小的信息单位。

图2 HDLC帧及ASTERIX数据结构

ADS-B系统所处理的报文，在内容上是按照一定的顺序排列起来的数据项。数据项在数据记录中的排列顺序由UAP(User Application Profile)定义，其本质为某类型下所有数据项的集合。v0.26版本的ASTERIX CAT21标准UAP表如表1所示，该UAP中包含了ASTERIX CAT21数据格式所能传输的所有数据项。UAP为每个数据项设置了索引编号FRN、字段代码和字段描述，并限定了数据项的传输顺序即按FRN编号从小到大的顺序传输，最后一栏表示数据项的长度，以字节为单位[9]。FSPEC为数据字段描述。FSPEC类似于一个UAP表的目录索引，定义了ASTERIX数据帧传输的UAP表中的数据项。FSPEC的二进制bit位从左到右传输顺序依次与 UAP表中的FRN编号列从上到下一一对应。当报文中发送某一数据项，则FSPEC相应的比特位为1,0表示不发送该数据项；FX位是字段扩展位，FX=0表示扩展结束，FX=1表示其后有扩展字节。不同版本的ASTERIX CAT21数据格式的UAP是不同的。

表1 v0.26版本的ASTERIX CAT21标准UAP表

续表1

3 ADS-B系统数据帧解析

在实际应用中，ADS-B接收站将收到的ADS-B信息进行处理，生成ASTERIX CAT21报文送往ADS-B监视应用系统，经过一系列的处理，生成综合航迹，在显示终端上进行显示。以重庆江北国际机场安装建设的国产ADS-B系统输出的ASTERIX CAT21报文数据为例进行解析，通过网络抓包软件抓取一帧数据，一帧ADS-B系统数据报文如表2所示，数据内容由十六进制表示，按字节逐一进行解析：

表2 一帧ADS-B系统数据报文

(1)字节1：15，转换成十进制数为21，表示该报文类别为CAT21；

(2)字节2-3：0031，转换为十进制数为49，表示这帧数据长度为49个字节；

(3)字节4-7：fb a1 df 86为FSPEC字段，转换为二进制表示为11111011101000011101111110000110，其中fb、a1和df的二进制表示最后一位为1，是字段扩展标识，表示向后扩展一个字节，86的二进制表示最后一位为0，表示FSPEC字段结束。此FSPEC字段表示在UAP表中选取FRN=1-5、7-8、10、15-16、18-21、22、27-28的数据项，共17个数据项。

(4)字节8-9：1690，为数据源识别，包括SAC和SIC，SAC为系统区域代码，表示不同的国家或地区；SIC为系统标识代码，表示不同厂家生产的设备。16为SAC，即SAC=22；90为SIC，即SIC=112。

(5)字节10-11：0030，为目标报告描述符，转换成二进制为0000000000110000，表明该数据的性质和类型，目标报告描述符各个数据位的含义如表3所示：

表3 目标报告描述符各个数据位的含义

其中，Bit-16(DCR)：0-无微分修正，1-微分修正；Bit-15(GBS)：0-未设置接地位，1-已设置接地位；Bit-14(SIM)：0-实际目标报告，1-模拟目标报告；Bit-13(TST)：0-默认，1-测试目标；Bit-12(RAB)：0-来自目标应答机的报告，1-来自固定应答机的报告；Bit-11(SAA)：0-设备不能提供选定高度，1-设备能够提供选定高度；Bit-10(SPI)：0-SPI不存在，1-特殊位置识别(SPI)；Bit-9：0-备用未设；Bit-(8-6)(ATP)：0-非唯一地址，1-24位ICAO地址，2-地面车辆地址，3-匿名地址，4-预留地址；Bit-(5-4)(ARC，高度报告能力)：0-未知，1-762.000 cm，2-3048.000 cm；Bit-(3-1)：0-备用未设。

(6)字节12-14：037b ac为报文日时间，表示所报告位置的星历基准时间，以上一个午夜零点起所消逝的时间计算，并以UTC时间表示，最低有效位为1/128 s，将其转换为十进制数为1783 s，用UTC表示为0 h 29 min 43 s。

(7)字节15-22：005539 a9013182 a3为目标WGS-84坐标位置。前四个字节为纬度，后四个字节为经度，最低有效位均为180/225°。将前四个字节转换为十进制数，计算得纬度等于29.962°，将后四个字节转换为十进制数，计算得经度等于107.406°。

(8)字节23-25：780c 42为目标地址，即目标24位ICAO地址=780c42。

(9)字节26、27：0007为品质因数，转换成二进制数为0000000000000111，品质因数各个数据位的含义如表4所示：

表4 品质因数各个数据位的含义

其中，Bit-16、15(AC)：00-未知，01-ACAS不可用，10-ACAS可提供使用，11-无效；Bit-14、13(MN)：00-未知，01-多个导航设备未处于工作状态，10-多个导航设备处于工作状态，11-无效；Bit-12、11(DC)：00-未知，01-微分校正，10-无微分校正，11-无效；Bit-(10-5)：备用位设为零；Bit-(4-1)(PA)：位置精确度，PA分为9个等级，等级越低误差越大。

(10)字节28：08为数据链技术，表示使用何种链路技术来传输目标报告，转换成二进制数为00001000，数据链技术各个数据位定义如表5所示。

表5 数据链技术各个数据位定义

其中，Bit-(8-6)：0-备用未设；Bit-5(DTI，交通信息座舱显示器)：0-未知，1-飞机装有CDTI；Bit-4(MDS，S模式扩展型数据链)：0-未使用，1-使用；Bit-3(UAT)：0-未使用，1-使用；Bit-2(VDL，是高频数据链VDL-4)：0-未使用，1-使用；Bit-1(OTR，其他技术)：0-未使用，1-使用。

(11)字节29、30：0336为飞行高度，即通过气压测得的高度，范围为-15 FL≤大气压高度≤1500 FL，最低有效位为1/4 FL。计算得飞行高度为6363.64 m。

(12)字节31、32：01 f6为几何垂直递减率，最低值为190.500，计算得几何垂直递减率为95631.000。

(13)字节33-36：07903e f7为地向量，包括地速和航向角。前两个字节表示地速，最低有效位为3704～25928 m/s，后面两个字节表示航向角，最低有效位为360/216°，计算的地速为218.536 m/s，航向角为88.54°。

(14)字节37-42：0c 3074 c31e 60为目标识别码，目标识别码编码结构如表6所示。

表6 目标识别码编码结构

航空器身份识别码编码规则如表7所示，获取目标身份识别码的字符1-8后，可以按照表7对字符进行解码即可得到目标身份识别码，即目标识别码为CCA4019(国航4019)。

表7 航空器身份识别码编码规则

(15)字节43：00为速度准确度，即速度不确定性，故速度不确定性为0。

(16)字节44：80为日时间准确度，最低有效位为2(16)～8(16) s，可得日时间精度为0.5 s。

(17)字节45：00为目标状态，0-无紧急情况/不报告，1-一般紧急情况，2-医疗/救护，3-最低油量，4-无通信信号，5-非法干扰，该目标状态为无紧急情况/不报告。

(18)字节46：02为发射器种类，表示加装ADS-B设备目标的类型，对于飞机目标而言，包括飞机的重量信息和种类信息，该目标发射器种类为预留。

(19)字节47-48：0a f9为mode 3/A识别码，目标mode 3/A识别码编码规则如表8所示。其中，Bit16(V，验证)：0-码字已验证，1-码字未验证；Bit15(G，错乱)：0-默认，1-码字错乱；Bit14(L，码字来源)：0-识别码来自应答机的应答，1-上次扫描期间未提取识别码；Bit13：0-备用未设置位；Bits-12/1：八进制表示的mode 3/A识别码，依次将A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1和D4D2D1转换成八进制数，组成ABCD，即为mode 3/A识别码，该目标的mode 3/A识别码为5371。

(20)字节49：b7为信号强度，将其转换成十进制数183，即该目标信号强度为183。

至此，将截取的这一帧ADS-B系统输出CAT21数据报文解析完毕。

表8目标mode 3/A识别码编码规则

4 结论

本文重点讨论了ADS-B系统输出报文ASTERIX CAT21的数据解析方法，并以重庆江北国际机场ADS-B系统输出的一帧CAT21数据为例进行解析。通过对ASTERIX CAT21报文内容的解析，可以很好地了解 ASTERIX CAT21报文的基本框架、各数据项的含义，以及各个数据项封装的结构，其它类别的ASTERIX协议监视数据报文也可以通过上述方法进行解析；同时也方便对ADS-B系统信号质量、工作方式、数据开发等问题进行进一步地探讨，能更好满足空管监视设备保障工作的需要，很有实用价值。