ADS-B报文格式解析

一、介绍

二次雷达

二次监视雷达（secondary surveillance radar，SSR）。SSR使用1030 MHz发送询问，飞机应答器使用1090MHz发送答复。 在SSR的早期设计中，引入了两种民用通信协议（模式A和模式C）。 模式A和模式C允许SSR分别连续询问飞机的身份（代号）和气压高度。二次雷达通过两种不同的脉冲模式进行模式A和C询问，如图1.1所示。

图1.1 模式A/C询问脉冲

每个脉冲约为0.8微秒宽。P1和P3是定向天线发送的两个主脉冲。 对于模式A和C，它们分别间隔8微秒和21微秒。P2是由全向天线在P1之后发送的脉冲，作用是抑制旁瓣。 当飞机靠近雷达时，如果P2的功率高于P1，说明询问很可能是由定向天线的旁瓣产生的，飞机应予以忽略。

在图1.2中，显示了模式A / C答复的示例。每个回复均包含两个相隔20.3微秒的持续脉冲（F1和F2）。 在此期间内，使用13个0.45微秒脉冲对身份代码或海拔代码进行编码。 脉冲之间的间隔为一微秒。 中心的脉冲用作验证脉冲，并且始终不存在。 是否存在其他12个脉冲代表1位或0位。 当空中交通管制员要求出于识别目的时，在两个缺失脉冲之后，F2可能跟随一个特殊目的识别（SPI）。

图1.2 模式A/C答复脉冲

但是通过答复脉冲是无法区分出是A还是C模式的，SSR只能通过询问与答复的时间同步来确认何种模式。这种方式的缺点是无法应对高密度的空情状态，因为应答信号会重叠导致错误。并且如果周围存在其它的雷达，那么对其它雷达的应答信号会串扰。

S模式

模式S的主要特征是它的选择性询问，它允许SSR分别询问来自不同飞机的不同信息。 通过使用选择性询问，它在很大程度上缓解了模式A / C中的乱码问题，从而大大提高了通信通道的容量。

模式S上行链路信号包含指示空中交通管制员期望哪些信息的参数。 模式S询问有两种类型，如图1.3所示。 短查询包含在数据块中的56位信息，长查询在数据块中包含112位信息。P2脉冲与模式A / C应答器中的作用相似，用作旁瓣抑制，因此它们将忽略其余的询问脉冲。 模式S询问数据块中的信息使用差分相移键控（DPSK）调制。

图1.3 模式S询问脉冲

模式S下行链路信号有两种类型，即短应答和长应答，分别对应于来自SSR的短查询和长查询。 对于每一微秒，将传输两个比特。 所有模式S答复均以8微秒的固定前导开始，并以56或122微秒的数据块继续。 下行链路消息的结构如图1.4所示。

图1.4 模式S应答脉冲

16位修复程序前导可以二进制形式表示为1010000101000000。 数据块中包含的信息使用脉冲位置调制（PPM）进行调制，这是一种幅度调制。 在PPM中，1表示为0.5微秒的高脉冲，然后是0.5微秒的低脉冲。 与1相比，0进行反转。 它由0.5微秒的低脉冲后跟0.5微秒的高脉冲表示。

 图1.5 模式S上行和下行格式

在上行链路中，未使用UF/DF 17、18、19，因为相应的下行链路被设计为自动广播，自动广播中最常用的方式就是ADS-B。

ADS-B

Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B)，ADS-B是一项监视技术，旨在使飞机能够定期广播其飞行状态，而无需进行讯问。

ADS-B中包含的常见飞机状态参数是位置，高度和速度。 该位置由全球导航卫星系统（GNSS）确定。 速度是从GNSS位置和惯性测量系统得出的。 高度信息包括气压高度和GNSS高度。 气压高度由空气数据系统提供。 除这些主要状态参数外，ADS-B还允许广播其他信息，例如飞机呼号，高精度指示器，完整性指示器和运行状态。

不同类型的ADS-B消息由类型代码标识。 这些消息的结构均在国际民航组织的文件中定义。

 图1.6 模式S上的不同服务

二、ADS-B报文格式

ADS-B是自动相关监视广播的缩写。 它是一个基于卫星的监视系统。 诸如位置，速度和识别之类的参数是通过模式S扩展的Squitter（1090 MHz）发送的。 如今，大多数飞机都在不断广播ADS-B消息。

消息结构

ADS-B帧长112位，由5个主要部分组成，如下所示：

 图3.1 ADS-B帧结构

任何ADS-B消息都必须以下行链路格式17开头。对于TIS-B消息，下行链路格式为18。对于前5位，它们对应于二进制的10001或10010。 位6-8用作附加标识符，在每个ADS-B子类型中代表不同的含义。

在每个ADS-B消息中，可以使用根据ICAO规定分配的S模式应答器代码来识别发送方（始发飞机）。 模式S应答器代码通常也称为ICAO地址或十六进制代码。ICAO地址以二进制形式从9到32位（或在十六进制位置是3到8）定位。唯一的ICAO地址被分配给飞机的每个S模式应答器，并用作每个飞机的唯一标识符。 原则上，该代码在飞机的使用寿命内不会改变。 但是，可以对应答器进行重新编程，以使消息包含不同的地址。 在选择使用FAA隐私国际民航组织地址系统的军用飞机和私人飞机中已经观察到了这一点。

为了识别ADS-B消息中包含哪些信息，我们需要查看消息的类型代码。类型代码位于第33-37位。下图显示了每个类型代码与其包含在ME段中的信息之间的关系。

图3.2 消息类型

让我们用一个例子来说明解码过程。 首先，接收到原始消息，该消息以十六进制格式表示：

 8D4840D6202CC371C32CE0576098

它可以方便地转换为二进制。 二进制消息的结构如下所示：

 前五个位显示下行链路格式为17（或二进制格式为10001），表示该消息是ADS-B消息。 ME字段的前五位显示类型代码为4（或二进制00100），表示该消息是标识消息。

不同的ADS-B消息具有不同的传输速率。 更新频率也会有所不同，具体取决于飞机是在地面上还是在空中，以及飞机在地面上是静止还是在移动。

飞机类型

在ADS-B消息组（33-88）中，飞机标识和类别消息旨在广播标识（也称为呼号）和飞机的尾流涡流类别。 在此消息中，类型代码（33-37）可以为1到4。

飞机位置

飞机的机载位置消息用于广播飞机的位置和高度。 它的类型代码为9到18或20到22。当类型代码为9到18时，编码的高度表示飞机的大气高度。 当类型代码为20到22时，编码高度包含飞机的GNSS高度。 类型代码值与位置的不确定性有关。