中航航空电子有限公司 刘 畅

1090ES广播式自动相关监视系统CPR算法解析

中航航空电子有限公司 刘 畅

本文描述了1090ES广播式自动相关监视系统采用的CPR算法应用和原理，并描述了CPR算法的解码的步骤。

1090ES；广播式自动；监视系统；CPR算法

1 简介

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)是广播式自动相关监视的英文缩写,它主要实施空对空监视,一般情况下,只需机载电子设备(GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器CDTI),不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能,装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其它数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其它飞机的机载ADS-B结合起来,在空地都能提供精确、实时的冲突信息。

1090ES(1090 Extended Squitter,1090MHz S模式扩展电文数据链)是ADS-B技术的一种,是在ADS和TCAS和场面监视的基础上,综合三者的特点提出的一种监视技术。与传统的雷达监视技术相比,ADS-B技术具有精度高误差小、监视能力强的特点。目前用于ADS-B早期实施的多数方法之一就是选择1090ES作为数据链。而在1090ES ADS-B系统中为了提高数据的传输效率对于飞机的经度和纬度消息其信源编码采用简洁位置报告CRP的形式。本文阐明了CRP编解码的基本原理,针对全球位置情况给出了相关的经度和纬度的解码算法及实现步骤。

本文的依据为RTCA发布的DO-260B文档。

2 CPR编解码算法的基本原理

1090ES能够携带112 bit字长的信息量,其中ADS信息字长为56 bit。由于字长限制,需要采取特别编码方式以保证能够承载必要的信息量,这种编码方式被成为CPR编码(Compact Position Report,紧凑位置报告)。

CPR编码主要体现在对经纬度的编码压缩方面,经纬度一般用3个字节(24 bit)表示,但在CPR编码中,需要用17 bit表示经度和纬度。

其具体方法为在每个消息中不再发送长时间不变的几个高阶位。例如在纬度的二进制编码中有一位专门于指明飞机是否位于南半球或北半球,由于该位在一个相当长的时间内保持不变,因此在发送位置消息时不需要重复发送该位,否则会影响传输效率。由于高阶位不发送,因此地球上的多个位置将产生相同的编码位置,如果只接收到单个的位置消息,解码时将包含不明确性。难以确定多个位置中的哪一个是飞机的正确位置。

在1090ES接收机处理时,有一个重要的参考信息,即接收机本地位置,根据接收机GPS获得的地理信息(纬度和经度)以及ADS-B的接收范围约100公里,即可唯一确认ADS-B发射源的位置。

3 CRP解码算法

3.1 消息描述

1090ES使用112位2进制数(7字节)表示飞行器信息。具体为:

1 -5 6 -7 8 9 -2 0 2 1 2 2 2 3 -3 9 4 0 -5 6类型 监视状况单天线 高度 时间 C R P格式纬度编码经度编码

CRP解码主要分析22-56位。

CRP格式分为奇编码和偶编码,通过两种编码交替方式使编码值更逼近实际值。纬度编码和经度编码值域为0-131071(2的17次方)。

3.2 解码步骤

CRP解码分为以下4个步骤:

(1)纬度区的确认

纬度区偶编码:

全球共分30个区,北半球15个,南半球15个,每个纬度区6°纬度。如北京机场附近,纬度为+40°,属于北半球第7个纬度区(36°-42°)。

纬度区奇编码:

全球共分30个区,北半球15个,南半球15个,每个纬度区约6.1°(360/59)纬度。如北京机场附近,纬度为+40°,属于北半球第7个纬度区(36.6101695° -42.7118644°)。

(2)经度区的确认

经度区偶编码:

经度区距离固定,经度区与纬度相关,纬度越低,经度区越多,赤道区有60个经度区,每区6经度,87度以上为1个经度区。经度区数量NL的计算方式为:

lat为CRP解码计算的参考纬度,一般使用ADS-B接收机自带GPS定位的纬度值。如北京机场附近,纬度为+40°,计算得到NL为45,即北纬40°纬度圈分为45个经度区,每经度区的经度范围为360°/45=8°,北京经度约116°,所在的经度圈为第15个经度圈,范围为112°-120°,经度区起始位置为112°。

经度区奇编码:

经度区距离固定,经度区与纬度相关,纬度越低,经度区越多,赤道区有60个经度区,每区6经度,87°以上为1个经度区。经度区数量NL的计算方式与奇编码一致。如北京机场附近,纬度为+40度,计算得到NL为45,即北纬40度纬度圈分为45个经度区,每经度区的经度范围为360°/(45-1) =8.181818°,北京经度约116°,所在的经度圈为第15个经度圈,范围为114.545455°-122.727273°,经度区起始位置为114.545455°。

(3)CRP解码

(YZ为纬度编码,偶编码时,纬度区单位为6°,奇编码时,纬度区单位约为6.1°,即360°/59)

(XZ为经度编码,偶编码时,纬度区单位为360/ NL,奇编码时,纬度区单位约为360/(NL-1))

(4)检验

计算出经度和纬度后,需要和参考点(接收机本地位置)经纬度进行比较,如果经度或纬度差超过1度,则需要进行校正,加或减一个经度或纬度区单位,以保证飞行器位置和接收机在合理范围(接收机的接收范围一般在100公里范围以内)。

4 应用展望

随着航空监控技术的发展,以及我国通航产业的发展, ADS-B技术越来越贴近航空专业技术人员和普通航空爱好者,随着更多厂商进入航空监视设备领域,对设备原理和算法的研究也会更加深入。

［1］RTCA DO-260B MOPS for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast and Traffic Information Service-Broadcast.

［2］彭良福,郑 超,刘志刚,林云松 1090ES广播式自动相关监视系统的CPR算法［J］.中国民航学院学报,2010.2(28.2).

刘畅（1974—），男，陕西西安人，硕士，高级工程师，现就职于中航航空电子有限公司，主要研究方向为空中交通管理。