浅析多点定位系统中的 CAT010与 CAT021报文

林昭凯

（中国民用航空深圳空中交通管理站 广东深圳 518128）

摘要：多点定位技术和广播式自动相关监视是近年来开始推广应用的监视新技术。本文通过介绍多点定位技术的技术原理、系统组成以及解析多点定位技术的目标报文及其与ADS-B报文的对比，简析多点定位技术与ADS-B两种监视新技术的异同。

关键词：多点定位,ADS-B，CAT010,CAT021

1. 引言

多点定位技术（Multilateration ，简称MLAT）是近年来开始应用于民航空管的技术，作为一种监视新技术得到了中国民航局的大力推广。多点定位技术分为广域多点定位技术及场面多点定位技术，分别应用于航路和终端区、场面区域。场面多点定位技术从功能性将可以理解为一部场面监视雷达（SMR），可以通过对目标应答的报文的解析实现对机场跑道、滑行道及机坪位置目标的监视。

2. 多点定位系统概述

   1. 多点定位技术原理

多点定位技术是利用多个地面站接收目标发射的同一应答信号，通过对各地面基站接收的信号到达时间差(TDOA)进行解算处理实现目标定位的技术。其原理基础是解算多个双曲面的交点可以得到目标的具体位置。根据原理，实现二维定位至少需要三个地面站，实现三维定位需要至少四个地面站。

1. 2. 多点定位系统组成

多点定位系统主要由远端接收站、中心处理站、参考基准站及询问发射站组成（以下简称接收站、中心站、参考站和询问站）。

接收站用于实现空中1090MHz信号、授时信号的接收并记录到达时间（TOA），将站点编号、报文信息和到达时间发送给中心站。中心站收到以上信息后将多站收到的同一个报文进行配对，利用信号到达时间差计算出目标位置，并从目标报文中提出识别信息发送给后端用户。必要时，中心站通过控制询问站向目标发射各种类型的1090MHz询问信号，提高目标的更新率，使目标定位保持连续性。参考站用于实现系统自检，实现系统内参数校正和时间同步。

3. 多点定位系统报文

   1. 多点定位系统信息来源

多点定位系统信息来源主要有以下几种类型：

1. S模式应答机或ADS-B主动周期性发射的DF11或DF17/18报文；

2. 航空器ACAS发射的DF0/DF16报文；

3. 多点定位询问站或雷达S模式点呼应答的DF4/DF5/DF20/DF21报文；

4. 多点定位询问站A/C ONLY ALL-CALL询问应答的A/C报文；

5. 其它雷达系统A/C 模式询问应答的A/C报文。

其中的DF17类型报文是ADS-B应答机下发的报文，多点定位接收站在接收到以上信息后，经过中心站处理可以输出CAT010或CAT021类型的报文。

1. 2. 多点定位系统的CAT010和CAT021报文

CAT010是Asterix协议下的一种协议，是描述多点定位类型的目标报告。CAT010数据块是实体间（如二次雷达、自动化系统）交换信息的单元，一个数据块包含一个或多个相同类别数据的记录。其结构如下所示：

其中,数据类型CAT=020以一个八位字节表示，代表了该数据块的类型为多点定位数据；长度指示符LEN是两个八位字节的字段，表示数据块的八位字节的总长度，包括CAT和LEN字段；数据域索引FSPEC定义了一个记录里面实际包含的数据域，它位于一个记录的最前面，FSPEC的位通过域引用号FRN来与用户应用简介（UAP）规定的数据域一一对应，从而确定记录里面实际包含的数据域。UAP是将数据项分配给数据字段的机制，并包含需要标准化以成功编码和解码消息的所有必要信息。根据EUROCONTROL相关定义，CAT010报文的UAP如下图1所示。

图1 CAT010的UAP表

在多点定位系统的通过不同端口输出CAT010和CAT021类型的报文，其中CAT010的输出端口号为11020，CAT021的输出端口号为11021，在对应的端口号进行截取即可获得报文。下面以十六进制数表示的报文为例对其内容进行解析。

图2 CAT010报文内容

其中，0a表征CAT010类型报文；00 2e转换为十进制数46，表征该报文长度为46个字节；fb 3f 30是该报文的FSPEC，转换为二进制数为11111011 00111111 00110000,最后一位以0结束，代表该报文的索引字段的结尾；16表征该报文为来自多点定位系统的目标报。

以下是报文里的具体数据项：

1. Data Source Identifier：00 01

表征该站点的SAC=0，SIC=1; 机场上的每个系统均被分配一个专用且明确的 SIC 代码，对于CAT 010，其SAC固定为零，以指示本地数据流；

2. Message Type：25

转换为十进制数37，表征消息类型为37；

3. Target Report Descriptor：03

转换为二进制数为00000011，表征数据源类型为二次雷达数据，没有微分校正，使用链路1，应答机的接地位未设置。该字节最后一位为1，表示内容有扩展。由于下一个字节全为0，表征该消息为实际的报告，其消息来源于目标应答机；

4、Time of Day： 46 b8 ee

表征时间戳的绝对时间，单位为1/128s，经过计算为10:03:29（UTC）

5、Position in WGS-84 Co-ordinates：

10 19 59 a8 50 ed 8b 3c：表征目标在WGS-84坐标系中的位置，单位为180°/231，其中前四个字节表征纬度，后四个字节表征经度；

6、Position in Cartesian Co-ordinates：08 ee 14 b7

其中前两个字节表征x轴坐标，后两个字节表征y轴坐标；

7、Track Number：0e 88

表征该目标的航机编号；

8、Track Status：00

表征该航迹为确认航迹，航迹无外推，在传感器平面。

9、Mode-3/A Code in Octal Representation：02 78，

转换为二进制数为0000001001111000，其中后12位表征目标的3/A码，为1170。

10、Target Address：78 06 6e

表征该目标的二十四位地址码为0x78066e。

11、Target Identification：航班号00 0d 33 b5 cf 7d e0

后六个字节表征该目标的8位航班号，具体编码规则可参见附件10。

12、Flight Level in Binary Representation：00 0b

由飞机自带的高度气压表得到的飞行高度，经转换为275ft。

13、Measured Height ：00 02

接收站由TDOA测量得到的高度，由于接收站的布点因素，通常存在较大误差。

多点定位系统的CAT021报文的数据块结构与CAT010大致相同，下面是从多点系统获取的CAT021报文，其FSPEC字段为ff 9f bb 6b c3 c4，根据其UAP表可以解析得到具体的报文信息，方法与分析CAT010，在此不一一赘述。

图3 CAT021报文内容

图4 CAT021的UAP表

4. MLAT与ADS-B的异同

通过对比CAT010和CA021报文信息可以分析MLAT和ADS-B的异同。MLAT 收到ADS-B 报文后除了用TDOA 计算目标位置，输出多点定位报文外，也会解析ADS-B 报文内容，提取位置信息输出ADS-B 报文，所以MLAT 兼容ADS-B。ADS-B下行数据链有专用的格式，其传输的信息内容比MLAT更丰富,包括航向、速度、位置精度、MOPS版本号等等。

MLAT可以应用于场面，当目标应答概率低时，可以通过主动询问来提高目标的应答率和刷新率，而ADS-B是被动工作的方式，其信息来源只能依赖于目标下发，当目标处于静止状态时，目标更新率达到5s，可能造成短暂的目标丢失现象。此外，多点系统可以通过合理布点，有效避免机场盲区；而ADS-B不需要大量布站，其天线辐射范围有限，无法避免机场盲区，因此不能应用于场面监视。从应用上看，MLAT适合作为场面监视手段，而ADS-B更适合作为广域监视手段。

5. 结语

多点定位技术的定位精度高，询问率低刷新率高，扩展性好，建设成本低，与传统的场监雷达相比有着明显的优势，因此在推进空管监视新技术应用的过程中起到了非常重要的作用。相比于ADS-B，多点定位技术有其优点，但也有局限的地方，两者应用在不同的方向，可以相得益彰，共同推动民航空管监视新技术的发展。

参考文献：

[1]高光辉，INDRA二次雷达数据格式分析，科技视界，2014.01

[2] MH/T 4037.1-2017 多点定位系统通用技术要求第1 部分：机场场面多点定位系统

[3] 国际民航公约附件10 航空电信第IV 卷监视与防撞系统2007