acars信号检测与解析方法
技术领域
1.本发明涉及acars信号发射、接收、检测与解析方法。
背景技术：2.航空交通运输业的发展，使得航空安全问题在未来的全球航空的发展中愈发重要，航空安全成为每一个乘客都在关心的问题。然而，这也带来了隐患，发生航空事故的频率也在逐年提升。如何进一步提高飞机的飞行安全，成为了国际航空界和全球各国相关部门的一个重大难题。只有实时地进行地面基站与飞机间的通信联系，从而实现对飞机飞行和设备状况的实时监控，才能提高飞行安全。
技术实现要素：3.本发明的目的是为了解决现有飞机通信报告与寻址系统(acars)报文解析效率低的问题，而提出acars信号检测与解析方法。
4.acars信号检测与解析方法具体过程为：
5.步骤1、在发射端建立acars信号的基本模型，在发射端发射acars信号；
6.步骤2、在接收端使用能量检测算法检测是否接收到acars信号，如果没接收到，继续检测；如果接收到，则执行步骤3；
7.步骤3、对接收到的acars信号进行数字差分解调、解码，得到原始acars报文；
8.步骤4、对步骤3恢复出的原始acars报文进行两次预处理，得到预处理后的acars报文；
9.步骤5、步骤4预处理后的acars报文包括报头和正文，分别对报头和正文进行特征提取，得到acars报文中报头和正文的各个参数，对报头和正文的各个参数进行解析，得到解析后的报文。
10.本发明的有益效果为：
11.本发明的主要研究内容是acars信号的处理与分析，主要包括acars信号的建模、接收、检测与解析。acars系统可以实时地获取航空器的各种参数信息。地面根据机载acars设备记录和传回的飞行数据，可以实时地分析和模拟飞机的飞行状态，为飞行状况监测、空中事故检测和飞机性能监测等提供更加有效的分析方法，提高了报文解析效率。这些飞行数据使用acars报文的形式进行传输，所以对acars系统的报文发射、接收、检测、处理、解析等研究是十分重要的。
附图说明
12.图1为待发送的acars报文图；
13.图2为acars信号模型图；
14.图3为acars信号检测概率在不同信噪比下与虚警概率的关系图；
15.图4为误码率与信噪比关系曲线图；
16.图5为acars报文解析流程图；
17.图6为特征参数提取法流程图；
18.图7为模板匹配法流程图；
19.图8为acars滑入报的解译结果图。
具体实施方式
20.具体实施方式一：本实施方式acars信号检测与解析方法具体过程为：
21.本发明是为了提高飞机飞行安全，实时地检测飞行状态，提供了一种acars信号的处理与解析方法。本发明基于acars系统基本理论与vhf空地数据链，同时考虑不同的acars报文种类，对acars信号进行了建模、接收、检测与解析。针对国内空地数据链通信应用现状，以数据链信息传输通信协议为依据，构建acars空地数据通信系统架构；着重研究基于vhf空地数据链传输的空—地段和地—地段标准acars报文基本结构，提出固定位置提取、模板解析和特征提取相结合的acars报文解析方法。研究结果为专业人员提高报文解析的准确性以及在国内广泛应用acars空地数据通信系统奠定坚实基础，对提高飞行安全具有重要意义。
22.在发射端进行acars信号的建模仿真，主要包括报文的编码与msk调制；在接收端进行acars信号的检测、解调、解码以及报文的解析。
23.以数据链信息传输通信协议与acars信号基本结构为依据，构建acars信号模型；着重研究基于vhf空地数据链传输的空—地段和地—地段acars报文基本结构，提出固定位置提取、模板解析和特征提取相结合的acars报文解析方法。acars信号解析流程如5-图7所示。
24.步骤1、在发射端建立acars信号的基本模型，在发射端发射acars信号；
25.步骤2、在接收端使用能量检测算法检测是否接收到acars信号，如果没接收到，继续检测；如果接收到，则执行步骤3；
26.步骤3、对接收到的acars信号进行数字差分解调、解码，得到原始acars报文；
27.步骤4、对步骤3恢复出的原始acars报文进行两次预处理，得到预处理后的acars报文；
28.步骤5、步骤4预处理后的acars报文包括报头和正文，分别对报头和正文进行特征提取，得到acars报文中报头和正文的各个参数，对报头和正文的各个参数进行解析，得到解析后的报文。
29.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤1中在发射端建立acars信号的基本模型，在发射端发射acars信号；具体过程为：
30.对acars信号的建模主要包括，使用基于字符传输的空地通信协议arinc-618对要发射的acars信号的信息内容进行编码，得到编码后的acars报文，acars报文内容如图1所示；
31.然后把编码后的acars报文转化为ascii码，再把ascii码转成二进制01序列；
32.将二进制01序列数字信号经msk调制后形成模拟信号，再经过加噪处理，从而形成带有acars报文信息的模拟信号，其如图2所示。
33.其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
34.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤2中在接收端使用能量检测算法检测是否接收到acars信号，如果没接收到，继续检测；如果接收到，则执行步骤3；具体过程为：
35.使用能量检测算法检测是否接收到acars信号，在不同的信噪比和不同的虚警概率条件下的检测概率如图3所示；
36.接收到的待检测信号χn的能量用绝对值的二次方|χn|2的相加和表示，把待检测信号χn的能量当作是待检验变量t
ed
，用待检验变量t
ed
和判决门限γ
ed
来对比判决；
37.若待检验变量t
ed
≥γ
ed
，判断成是h1，表示接收端接收到了目标信号；
38.若待检验变量t
ed
＜γ
ed
，判断成是h0，表示接收端接收到的信号只有噪声；
39.能量检测算法的判决表达式是：
[0040][0041]
其中，n为采样点数；
[0042]
假设信道噪声的类型是高斯白噪声，则经过计算发送的信号检测概率为：
[0043][0044]
其中，p
fa
为检测概率，t
ed
≥γ
ed
|h1为当累计能量大于等于检测门限时判定为信号存在，q()为标准正态分布的右边积分，σ
ω
为噪声的方差。
[0045]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0046]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤3中对接收到的acars信号进行数字差分解调、解码，得到原始acars报文；具体过程为：
[0047]
对接收到的acars信号进行数字差分解调恢复出调制前的二进制01序列，然后通过矩阵分块和变换，以及ascii码反变换恢复出原始发送的acars报文信息，误码率与信噪比关系曲线如图4所示。
[0048]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0049]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤4中对步骤3恢复出的原始acars报文进行两次预处理，得到预处理后的acars报文；具体过程为：
[0050]
第一次预处理用来剔除步骤3恢复出的原始acars报文中不在iso-5字符集的字符；
[0051]
第二次预处理用来删除第一次预处理后的acars报文中不完整的报文，两次预处理后，得到完整的acars报文。
[0052]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0053]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤5中步骤4预处理后的acars报文包括报头和正文，分别对报头和正文进行特征提取，得到acars报文中报头和正文的各个参数，对报头和正文的各个参数进行解析，得到解析后的报文；具体过程为：
[0054]
经过两次预处理后保存的报文都是完整的acars报文。然而由于从地面接收到的
acars报文种类繁多，因此为了使接收到的实时acars报文具有较强的扩展性和适应性，需要对这些报文进行整理、整合以分类管理；为了提高了报文解析效率及利用率，考虑到acars报文参数的位置及特点，可将报文解析分成报头解码和正文解码两部分独立进行，然后进行整合。其具体解析流程图如图5所示。
[0055]
步骤51、将步骤4预处理后的acars报文中前14个字符作为报头，剩余作为正文；
[0056]
步骤52、
[0057]
对报头提取优先级参数、目的地址参数、供应商信息参数、传送时间参数、信息标识符参数、航班号参数、机尾注册号参数；
[0058]
对提取的优先级参数、目的地址参数、供应商信息参数、传送时间参数、信息标识符参数、航班号参数、机尾注册号参数进行重组，得到重组后的报头；
[0059]
所述重组过程具体为：
[0060]
每个参数对应一个唯一标签，每个标签具有相应的文字内容，将所有参数对应的文字内容进行组合，完成重组；
[0061]
步骤53、
[0062]
对正文提取航班(fi)参数、机尾号(an)参数、航空发动机压力比(epr)、排气温度(egt)、接收报文的地面站地址(dt)参数、接收时间(ctu)参数、日期(dmy)参数、起飞时间(utc)参数、纬度(lat)参数、经度(lon)参数、高度(alt)参数、当前机载油量(fob)参数、预达时间(eta)参数等；
[0063]
对提取的航班(fi)参数、机尾号(an)参数、航空发动机压力比(epr)、排气温度(egt)、接收报文的地面站地址(dt)参数、接收时间(ctu)参数、日期(dmy)参数、起飞时间(utc)参数、纬度(lat)参数、经度(lon)参数、高度(alt)参数、当前机载油量(fob)参数、预达时间(eta)参数等进行重组，得到重组后的正文；
[0064]
所述重组过程具体为：
[0065]
每个参数对应一个唯一标签，每个标签具有相应的文字内容，将所有参数对应的文字内容进行组合，完成重组；
[0066]
步骤54、
[0067]
将步骤53重组后的正文与发动机性能模板进行匹配，匹配成功得到发动机性能，匹配不成功返回步骤51；
[0068]
所述发动机性能为匹配成功的参数对应的文字内容，如航空发动机压力比(epr)、低压压气机转子转速(n1)、排气温度(egt)、速度(mach)等；
[0069]
所述发动机性能模板主要包括起飞报、巡航报、爬升报等；
[0070]
将步骤53重组后的正文与航空公司信息aoc模板进行匹配，匹配成功得到航空公司信息，匹配不成功返回步骤51；
[0071]
所述航空公司信息为匹配成功的参数对应的文字内容，如起飞时间(utc)、起飞机场四字代码(icao)、当前机载油量(fob)、预达时间(eta)等；
[0072]
所述航空公司信息aoc模板主要包括推出报(out)、着陆报(on)、滑入报(in)、服务应答报；
[0073]
将步骤53重组后的正文与航班动态模板进行匹配，匹配成功得到航班动态，匹配不成功返回步骤51；
[0074]
航班动态为匹配成功的参数对应的文字内容，比如航班起飞时间(utc)、飞行高度(alt)、经度(lon)、纬度(lat)、校正空速(cas)等；
[0075]
所述航班动态模板主要包括位置报(pos)、航路位置报(fml)、预达时间报(eta)、告警报(warn)；
[0076]
将步骤53重组后的正文与空管信息ats模板进行匹配，匹配成功得到空管信息，匹配不成功返回步骤51；
[0077]
空管信息为匹配成功的参数对应的文字内容，如起飞时间(utc)、起飞/目的机场四字代码(icao)、总温(tat)、静温(sat)、风速(ws)、风向(wd)等；
[0078]
所述空管信息ats模板主要包括起飞前放行报(pdc)，自动化终端区信息服务报(atis)、气象报、自动相关监视报(ads)、管制员/飞行员数据链通信报(cpdlc)；
[0079]
步骤55、
[0080]
将步骤52重组后的报头与步骤54得到的发动机性能进行重组(将步骤52重组后的报头对应的文字内容和步骤54得到的发动机性能对应的文字内容链接组合)，得到发动机性能报；
[0081]
将步骤52重组后的报头与步骤54得到的航空公司信息进行重组(文字内容和文字内容链接组合)，得到航空公司信息aoc报；
[0082]
将步骤52重组后的报头与步骤54得到的航班动态进行重组(文字内容和文字内容链接组合)，得到航班动态报；
[0083]
将步骤52重组后的报头与步骤54得到的空管信息进行重组(文字内容和文字内容链接组合)，得到空管信息ats报；
[0084]
将步骤52重组后的报头与步骤53得到的重组后的正文进行重组(文字内容和文字内容链接组合)，得到原始报文；
[0085]
步骤56、
[0086]
将步骤55得到的发动机性能报、航空公司信息aoc报、航班动态报、空管信息ats报、原始报文进行重组(文字内容和文字内容链接组合)，得到解析后的报文。
[0087]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0088]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤53中对正文提取航班(fi)参数、机尾号(an)参数、接收报文的地面站地址(dt)参数、接收时间(ctu)参数、日期(dmy)参数、世界协调时间(utc)参数、纬度(lat)参数、经度(lon)参数、高度(alt)参数、机载油量(fob)参数、预达时间(eta)参数等；具体过程为：
[0089]
步骤531、调用正文参数数组；
[0090]
步骤532、在步骤531中调用的正文参数数组中搜索航班(fi)参数、机尾号(an)参数、接收报文的地面站地址(dt)参数、接收时间(ctu)参数、日期(dmy)参数、世界协调时间(utc)参数、纬度(lat)参数、经度(lon)参数、高度(alt)参数、机载油量(fob)参数、预达时间(eta)参数等(搜索特征字符串)；
[0091]
对于搜索到的参数保存至数组单元；对于搜索不到的参数设置空字符数组单元(把提取出的特征字符串分隔开)；
[0092]
步骤533、判断正文参数数组是否读完，是，执行步骤534，否，返回步骤532继续搜索；
[0093]
步骤534、将保存至数组单元的参数归一化，得到航班(fi)参数、机尾号(an)参数、接收报文的地面站地址(dt)参数、接收时间(ctu)参数、日期(dmy)参数、世界协调时间(utc)参数、纬度(lat)参数、经度(lon)参数、高度(alt)参数、机载油量(fob)参数、预达时间(eta)参数等，保存。
[0094]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0095]
分别对报头和正文进行特征提取，得到acars报文中的各个参数，特征提取的流程图如图6所示。特征提取法就是首先构建一个各类报文的所有参数数组(该参数数组是按照acars报文规范中参数的属性来设置的)，再以循环的方式依次查询该报文正文内容，以提取有效特征组，直至查询结束，就会得到acars报文统一的一个正文数组(即特征提取法用于归一化报文正文)。
[0096]
根据提取的特征参数对报头和正文进行重组，并对报文进行分类，最终把不具可读性、字符串形式的报文转化成具有可读性、直观的工程值。对acars报文进行归一化处理之后虽然方便了报文管理，但却增加了用户查询使用难度，降低了其提供实时信息的效率。为此，提出在报文归一化之后，对其进行简单处理，将其分为常用的发动机性能报、aoc报、ats报、航班动态报和原始报文五大类。其处理流程是先根据国际规范及专家知识建立相应的模板库，然后与归一化之后的正文数组匹配，提取出与模板相应的特征参数集，建立成正文数组。模板解析的流程图如图7所示。然而经过处理之后的报文是不完整的，为了使其和我们平常所见到的arinc 620规范格式报文一致，还需要将这些正文数组都添加上用固定位置提取法处理后的报头，才能最终形成方便于我们管理应用的5类acars报文。
[0097]
图1为待发送的acars报文，图8为报文解析结果。
[0098]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
技术特征：1.acars信号检测与解析方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤1、在发射端建立acars信号的基本模型，在发射端发射acars信号；步骤2、在接收端使用能量检测算法检测是否接收到acars信号，如果没接收到，继续检测；如果接收到，则执行步骤3；步骤3、对接收到的acars信号进行数字差分解调、解码，得到原始acars报文；步骤4、对步骤3恢复出的原始acars报文进行两次预处理，得到预处理后的acars报文；步骤5、步骤4预处理后的acars报文包括报头和正文，分别对报头和正文进行特征提取，得到acars报文中报头和正文的各个参数，对报头和正文的各个参数进行解析，得到解析后的报文。2.根据权利要求1所述acars信号检测与解析方法，其特征在于：所述步骤1中在发射端建立acars信号的基本模型，在发射端发射acars信号；具体过程为：使用基于字符传输的空地通信协议arinc-618对要发射的acars信号的信息内容进行编码，得到编码后的acars报文；然后把编码后的acars报文转化为ascii码，再把ascii码转成二进制01序列；将二进制01序列数字信号经msk调制后形成模拟信号，再经过加噪处理，从而形成带有acars报文信息的模拟信号。3.根据权利要求2所述acars信号检测与解析方法，其特征在于：所述步骤2中在接收端使用能量检测算法检测是否接收到acars信号，如果没接收到，继续检测；如果接收到，则执行步骤3；具体过程为：接收到的待检测信号χ
n
的能量用绝对值的二次方|χ
n
|2的相加和表示，把待检测信号χ
n
的能量当作是待检验变量t
ed
，用待检验变量t
ed
和判决门限γ
ed
来对比判决；若待检验变量t
ed
≥γ
ed
，判断成是h1，表示接收端接收到了目标信号；若待检验变量t
ed
＜γ
ed
，判断成是h0，表示接收端接收到的信号只有噪声；能量检测算法的判决表达式是：其中，n为采样点数；假设信道噪声的类型是高斯白噪声，则经过计算发送的信号检测概率为：其中，p
fa
为检测概率，t
ed
≥γ
ed
|h1为当累计能量大于等于检测门限时判定为信号存在，q()为标准正态分布的右边积分，σ
ω
为噪声的方差。4.根据权利要求3所述acars信号检测与解析方法，其特征在于：所述步骤3中对接收到的acars信号进行数字差分解调、解码，得到原始acars报文；具体过程为：对接收到的acars信号进行数字差分解调恢复出调制前的二进制01序列，然后通过矩阵分块和变换，以及ascii码反变换恢复出原始发送的acars报文信息。5.根据权利要求4所述acars信号检测与解析方法，其特征在于：所述步骤4中对步骤3
恢复出的原始acars报文进行两次预处理，得到预处理后的acars报文；具体过程为：第一次预处理用来剔除步骤3恢复出的原始acars报文中不在iso-5字符集的字符；第二次预处理用来删除第一次预处理后的acars报文中不完整的报文，得到完整的acars报文。6.根据权利要求5所述acars信号检测与解析方法，其特征在于：所述步骤5中步骤4预处理后的acars报文包括报头和正文，分别对报头和正文进行特征提取，得到acars报文中报头和正文的各个参数，对报头和正文的各个参数进行解析，得到解析后的报文；具体过程为：步骤51、将步骤4预处理后的acars报文中前14个字符作为报头，剩余作为正文；步骤52、对报头提取优先级参数、目的地址参数、供应商信息参数、传送时间参数、信息标识符参数、航班号参数、机尾注册号参数；对提取的优先级参数、目的地址参数、供应商信息参数、传送时间参数、信息标识符参数、航班号参数、机尾注册号参数进行重组，得到重组后的报头；所述重组过程具体为：每个参数对应一个唯一标签，每个标签具有相应的文字内容，将所有参数对应的文字内容进行组合，完成重组；步骤53、对正文提取航班参数、机尾号参数、航空发动机压力比、排气温度、接收报文的地面站地址参数、接收时间参数、日期参数、起飞时间参数、纬度参数、经度参数、高度参数、当前机载油量参数、预达时间参数；对提取的航班参数、机尾号参数、航空发动机压力比、排气温度、接收报文的地面站地址参数、接收时间参数、日期参数、起飞时间参数、纬度参数、经度参数、高度参数、当前机载油量参数、预达时间参数进行重组，得到重组后的正文；所述重组过程具体为：每个参数对应一个唯一标签，每个标签具有相应的文字内容，将所有参数对应的文字内容进行组合，完成重组；步骤54、将步骤53重组后的正文与发动机性能模板进行匹配，匹配成功得到发动机性能，匹配不成功返回步骤51；所述发动机性能为匹配成功的参数对应的文字内容；所述发动机性能模板包括起飞报、巡航报、爬升报；将步骤53重组后的正文与航空公司信息模板进行匹配，匹配成功得到航空公司信息，匹配不成功返回步骤51；所述航空公司信息为匹配成功的参数对应的文字内容；所述航空公司信息模板包括推出报、着陆报、滑入报、服务应答报；将步骤53重组后的正文与航班动态模板进行匹配，匹配成功得到航班动态，匹配不成功返回步骤51；航班动态为匹配成功的参数对应的文字内容；所述航班动态模板包括位置报、航路位置报、预达时间报、告警报；将步骤53重组后的正文与空管信息模板进行匹配，匹配成功得到空管信息，匹配不成
功返回步骤51；空管信息为匹配成功的参数对应的文字内容；所述空管信息模板包括起飞前放行报，自动化终端区信息服务报、气象报、自动相关监视报、管制员/飞行员数据链通信报；步骤55、将步骤52重组后的报头与步骤54得到的发动机性能进行重组，得到发动机性能报；将步骤52重组后的报头与步骤54得到的航空公司信息进行重组，得到航空公司信息报；将步骤52重组后的报头与步骤54得到的航班动态进行重组，得到航班动态报；将步骤52重组后的报头与步骤54得到的空管信息进行重组，得到空管信息报；将步骤52重组后的报头与步骤53得到的重组后的正文进行重组，得到原始报文；步骤56、将步骤55得到的发动机性能报、航空公司信息报、航班动态报、空管信息报、原始报文进行重组，得到解析后的报文。7.根据权利要求6所述acars信号检测与解析方法，其特征在于：所述步骤53中对正文提取航班参数、机尾号参数、接收报文的地面站地址参数、接收时间参数、日期参数、世界协调时间参数、纬度参数、经度参数、高度参数、机载油量参数、预达时间参数；具体过程为：步骤531、调用正文参数数组；步骤532、在步骤531中调用的正文参数数组中搜索航班参数、机尾号参数、接收报文的地面站地址参数、接收时间参数、日期参数、世界协调时间参数、纬度参数、经度参数、高度参数、机载油量参数、预达时间参数；对于搜索到的参数保存至数组单元；对于搜索不到的参数设置空字符数组单元；步骤533、判断正文参数数组是否读完，是，执行步骤534，否，返回步骤532继续搜索；步骤534、将保存至数组单元的参数归一化，得到航班参数、机尾号参数、接收报文的地面站地址参数、接收时间参数、日期参数、世界协调时间参数、纬度参数、经度参数、高度参数、机载油量参数、预达时间参数，保存。
技术总结ACARS信号检测与解析方法，本发明涉及ACARS信号发射、接收、检测与解析方法。本发明的目的是为了解决现有飞机通信报告与寻址系统报文解析效率低的问题。过程为：1、在发射端建立ACARS信号的基本模型，在发射端发射ACARS信号；2、在接收端检测是否接收到ACARS信号，如果接收到，则执行3；3、对接收到的信号进行数字差分解调、解码，得到原始ACARS报文；4、对原始ACARS报文进行两次预处理；5、预处理后的ACARS报文包括报头和正文，分别进行特征提取，得到ACARS报文中报头和正文的各个参数，对报头和正文的各个参数进行解析，得到解析后的报文。本发明用于ACARS信号检测与解析领域。本发明用于ACARS信号检测与解析领域。本发明用于ACARS信号检测与解析领域。
技术研发人员：杨柱天 朱伟强 张帝君 杨蔚 杨佳敏 郑鹏飞
受保护的技术使用者：中国航天科工集团八五一一研究所
技术研发日：2022.04.21
技术公布日：2022/7/5
