基于ADS-B的飞行航迹获取研究与实现

发布时间：2016-04-28 10:15

第 1 章 绪    论

1.1 研究背景
新技术的应用不仅可以提高管理效率，而且在很多时候还可以降低建设成本和管理成本。 飞机航迹信息的获取一直都是航空管理中一项重要内容。航迹获取有两种方式，一种是主动探测，另一种是被动获取。所谓主动探测就是主动向飞机发送探测信号，根据返回的信号确定航迹数据。所谓被动获取，就是被动等待飞机的航迹数据报告。 主动探测主要是依靠雷达的探测能力雷达探测技术目前也经历了两代发展[4]。第一代称为一次雷达，只具有电磁波探测功能。第二代称为二次雷达。二次雷达是具有询问应答能力，除了获取外形、速度、位置等信息外，还可以获得更多的飞行信息。但这种询问应答能力需要飞机的配合，即需要在飞机上安装应答机。 被动获取早期主要靠飞机上携带的电台，由飞机员通过电台向地面站或其它飞机语音汇报飞机的位置。但这种方式效率低，而且容易出错，需要一种更为精确的自动化方式来主动报告飞机的飞行数据。 ADS-B[5]就是目前最新的飞行数据被动获取技术。ADS-B 的全称是 Automatic Dependant Surveillance -Broadcast，即广播式自动相关监视。ADS-B 包括了一系列标准协议和一系列的设备组成。这些设备包括一套机载设备用于飞行数据的获取和计算，如GNSS（Global  Navigation  Satellite  System，全球导航卫星系统）、大气压高度传感器等。还有 2 套通信设备，一套用于向周围广播 ADS-B 数据。这种广播是不是一次性的，而是周期性地产生。另一套用于接收周围的 ADS-B 数据。 
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1.2 国内外研究与发展现状
用 ADS-B 技术获取航迹信息需要多方面的支持。一方面要研究 ADS-B 的通信协议和数据格式，另一方面需要建设基础设施。基础设施包括飞机上需要安装的机载 ADS-B 设备，以及需要建立的 ADS-B 地面站。 ADS-B 的通信协议和数据格式目标由国际民航组织（ICAO）负责，多个国家参与，共同制订相关的标准，如 ICAO ANNEX 10 Vol.IV[7]，ICAO DOC 9871[8]等。此外，各个国家也有自己定义的一些标准，如美国 RCTA（Radio Technical Commission for Aeronautics，航空无线电委员会）制订的 ADS-B 标准有[9] DO-260 Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Automatic Dependent Surveillance - Broadcast (ADS-B)、DO-260B Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter  Automatic  Dependent  Surveillance  -  Broadcast  (ADS-B)  and  Traffic Information Services - Broadcast (TIS-B)、DO-249 Development and Implementation Planning  Guide  for  Automatic  Dependent  Surveillance  Broadcast  (ADS-B) Applications 等。 ADS-B 技术源于欧洲，却在美国首先得到应用，美国从 1992 年就开始研究 ADS-B技术，并开始逐步应用。目前已经全面推开，计划到 2016 年，实现基于 ADS-B 全面航管服务。 欧洲由于雷达站部署比较完善，并不急于应用 ADS-B 技术。再加上数据链技术方面的不兼容，造成了欧洲与国际标准的脱节。目前欧洲也逐步开始重视 ADS-B 技术的应用，但其应用的目标不是替代二次雷达，而是作为二次雷达的有效补充。 
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第 2 章 ADS-B 技术 

2.1 ADS-B 概念 
根据 ICAO 的定义，ADS-B 是一种用于空中交通监视的技术，它通过数据链将飞机的飞行状态参数，如航速、位置、高度、告警等信息，周期性广播给周围接收范围内所有的用户。 ADS-B 是全称是 Automatic  Dependant  Surveillance  Broadcast。这四个英文单词也充分说明了 ADS-B 概念的内涵。 Automatic：说明 ADS-B 是自动运行，不需要人为管理或干预。 Dependant：说明 ADS-B 本身不能产生数据，而要依赖于其它来源的数据，如 GNSS位置、大气压高度等。 Surveillance：说明 ADS-B 的目的就是为了监视飞机的状态。 Broadcast：说明 ADS-B 以广播的形式发送飞机状态数据。 Dependant  Surveillance  Broadcast 是一种递进的操作，而 Automatic 描述了这些操作的性质，如下图所示 
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2.2 ADS-B 体系
从空间层次上来看，ADS-B 是一套涉及了天、空、地三个层次的综合体系。ADS-B的一些数据来源于天上的卫星。ADS-B 将卫星数据封装之后，，在空中向周围发送，地面和空中都可以接收到。 从硬件角度来看，ADS-B包含了三类设备：数据感知设备、ADS-B OUT设备和ADS-BIN 设备。数据感知设备用于获取飞行状态数据，如卫星信号接收机、高度传感器等。ADS-B OUT 设备用于发送 ADS-B 报文，ADS-B IN 设备用于接收 ADS-B 报文。三者的工作流程是数据感知设备获取飞行状态数据，如速度、经纬度、高度。此外，ADS-B 还可以从飞机的飞行管理系统获取飞行状态数据。所有的 ADS-B 可以的获得的飞行状态数据通过 ADS-B OUT 进行发送。ADS-B IN 设备随时都可以接收 ADS-B 报文。 ADS-B 最终的目的是向下游应用扩展，用飞行状态数据去支撑各种应用，如航班跟踪、空中交通监视、空中交通管理、机场监控、飞行监控等。 
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第 3 章  航迹数据的获取与处理 .......... 8 
3.1 飞机身份的识别 ...... 8 
3.2 飞机位置信息和速度信息的获取 .... 13
3.3 航迹数据的融合.... 24
3.4 小结 .......... 30 
第 4 章  CPR 编码与解码 ..... 31 
4.1 CPR 编码原理 ........ 31 
4.2  经纬度块的划分 .......... 31    
4.2.1 区段的划分 ..... 31    
4.2.2 箱块的划分 ..... 34 
4.3 CPR 的解码 ..... 35   
4.3.1 全球解码 ......... 36
4.3.2 本地解码 .......... 38 
4.4 小结 .......... 41 
第 5 章  航迹获取与显示系统的设计与实现 ......... 42 
5.1 系统功能需求分析 ....... 42 
5.2 系统业务类设计 .... 43 
5.3 关键流程设计 ........ 45    
5.3.1 周围航班显示流程 ....... 45    
5.3.2 指定航班航迹显示流程 ...... 46    
5.3.3 飞行数据显示流程 ....... 47 
5.4 系统实现 ......... 48  

第 5 章 航迹获取与显示系统的设计与实现 

5.1 系统功能需求分析 

系统的功能根据具体的角色相关，这些角色处于业务逻辑中的不同方面，也就是说每个角色都是只面向系统的与自己相关的部分功能。 本系统有两类用户角色，一类是系统管理员，另一类是普通用户。系统管理员是最高权限的用户，用于进行用户管理、数据备份、级别较高的业务逻辑处理等。普通用户是一类权限受限用于，只能访问系统所设定好的功能。 周围航班显示功能是以 ADS-B 设备为中心，对于周围可以接收到 ADS-B 报文进行解析，获取所有的航班号，并在以列表的形式显示。 指定航班航迹显示是对选择的航班号进行查询，确保其在可接收范围内。对其航班的轨迹和当前位置在地图上进行显示。 飞行数据显示是对指定的航班的当前飞行数据进行显示，包括飞行的高度、水平速度、水平航向、垂直速度、垂直航向、纬度、经度等信息。 地图操作是对当前地图的显示进行控制，包括地图的放大、缩小、拖动、定位等操作。 系统登录是对用户的身份进行验证，对于合法的用户进一步获取其角色信息，根据角色赋予其功能权限。 密码修改是针对于每个单独的用户的。每个用户只能修改自己的密码，而且在修改密码之前需要输入旧的密码，防止被其他人修改。输入新的密码时，需要重复两次，防止输入错误。对于用户输入的密码，还要检验其合法性，防止密码过于简单。用户密码要求 8 个或 8 个以上字符，包含字母和数字。 

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总结

本文工作主要是通过识别、解码和融合过程，从 ADS-B 报文中获取航迹数据，并实现相应的软件系统。 完成主要工作如下：航空安全是一个永恒的话题，是民用航空业的生命线，是民用航空业存在和发展的基础。马来西亚航空公司飞机的失联，又一次将航空安全问题摆到普通民众的面前。航空事故因其事故严重性大、社会影响广，所受到的关注度也更高。 为了提高航空安全性，出现了很多辅助监视和管理系统，但无论是什么系统，最重要的是要有数据的支撑。ADS-B 技术能够以较低的投入成本，提供飞机的飞行状态信息。与雷达技术相比，使用 ADS-B 技术获取航迹信息具有数据精度高、数据更新速度快、建设成本低、适应地形能力强等特点。本文就是采用 ADS-B 技术，获取飞机广播的ADS-B 数据，通过对 ADS-B 数据内容的识别、解码和融合，获取有效的航迹数据。 欧美的发达国际由于研究 ADS-B 较早，已经占据的先发的优势。所有 ADS-B 相关的标准都是国外制订的，而且美国、澳大利亚等国家已经都有了成熟的应用。 我国还处于相关技术研究和应用试点阶段，未来针对 ADS-B 的应用还有很大的发展空间。 
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参考文献(略)

本文编号：37799