ADS-B信号深度解析：1090MHz ES标准下的关键信息速递


# 摘要
自动相关监视广播（ADS-B）技术是现代空中交通管理系统的关键组成部分，以其高精度和实时性能在全球范围内得到广泛应用。本文首先对ADS-B技术进行概述，包括技术简介、与传统雷达系统的对比以及应用现状。随后，详细探讨了1090MHz扩展监视（ES）标准基础，包括频段特点、工作原理以及ADS-B消息格式与类型。信号结构分析章节则涉及ADS-B信号的基本帧结构、调制编码方式和同步检测机制。关键信息提取章节着重描述了如何获取和解读飞行身份、位置、状态和性能数据。实践中，文章展示了ADS-B数据的接收与解析方法，并探讨了ADS-B系统的安全性和隐私问题。本文旨在为读者提供一个全面的ADS-B技术理解和应用指南。

# 关键字
ADS-B技术；1090MHz ES；信号结构；信息提取；数据解析；安全性与隐私

参考资源链接：[1090MHz ADS-B标准详解：电子科技大学李荣翻译版](https://wenku.csdn.net/doc/6412b4dabe7fbd1778d410e6?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ADS-B技术概述

ADS-B（自动相关监视广播）技术是现代空中交通管理系统的关键组成部分，它通过接收和广播航空器的位置和其他相关数据来增强空中交通的可监视性。相比传统的雷达系统，ADS-B具有更高的精确度、更广泛的覆盖范围以及更低的运营成本。

## 1.1 ADS-B技术简介
ADS-B通过航空器上的传感器收集飞行数据，并使用全球卫星导航系统（如GPS）来确定其精确位置。然后，该位置信息和其他相关信息（如速度、高度、识别标志等）被广播出去，这样就能够在空管人员和其他航空器上实现实时的监视和追踪。

## 1.2 ADS-B与传统雷达系统的对比
传统雷达系统依赖于地面雷达站的回波信号来探测和跟踪飞机，这通常受限于视线范围和地形遮蔽效应。而ADS-B则不同，它允许航空器在无需地面雷达覆盖的区域也能被实时监视，提供了更连续、更全面的监视能力。

## 1.3 ADS-B在全球范围内的应用现状
ADS-B技术已被全球众多国家和地区采纳，用于提高飞行安全性和空中交通的效率。从2020年起，根据国际民航组织（ICAO）的要求，许多主要航线和高密度区域内的航空器必须装备ADS-B设备。

ADS-B技术的使用不仅提升了飞行安全水平，还降低了空中交通管理的成本，推动了整个航空业的发展。随着技术的进步和普及，我们可以预见，ADS-B将在未来的航空系统中扮演更加重要的角色。

# 2. 1090MHz ES标准基础

## 2.1 1090MHz频段的由来与特点
1090MHz频段是航空无线电频段的一部分，被国际民航组织（ICAO）指定用于空中交通监视。在扩展监视（Extended Squitter，简称ES）模式中，1090MHz频段承载ADS-B信号，使得飞机能够向外广播其位置、速度、身份和其他重要飞行信息。这一频段的特点包括相对较高的传播效率，这使得ADS-B信号可以在大约250海里的范围内被接收，进而为航空交通监控提供可靠的数据源。

## 2.2 扩展监视(ES)模式的工作原理
扩展监视（ES）模式是ADS-B系统中最为关键的部分之一。通过1090MHz频段，飞机的应答机周期性地发射包含各种飞行数据的消息。这些消息，即ADS-B Out信息，可以被地面站或其他装备接收器的飞机接收。ES模式的关键在于其能够让飞机主动提供位置和飞行信息，而不是像传统雷达那样通过地面站向空中发送询问信号，然后再等待飞机响应。

## 2.3 ADS-B消息格式与类型
ADS-B消息格式有其固定的标准，通常由一系列的比特组成，这些比特包含了不同类型的信息。ADS-B消息主要分为两类：

### 2.3.1 ADS-B Out消息
这类消息由飞机主动向外广播，内容包括飞机的识别码、位置（经度和纬度）、高度、速度和航向等关键信息。ADS-B Out消息的核心目的是提供给地面站和其他飞机实时的飞行信息，以增强空域的监视和安全性。

### 2.3.2 ADS-B In消息
与ADS-B Out相对，ADS-B In消息是地面站向飞机广播的信息。这类消息主要包含交通信息，如附近的飞机位置、飞行状态和告警信息等。它为飞行员提供了增强的态势感知能力，帮助他们做出更明智的飞行决策。

ADS-B消息在结构上遵循特定的格式，如下表所示：

| 消息类型 | 识别码 | 时间戳 | 经度 | 纬度 | 高度 | 速度 | 航向 | 其他信息 |
|-----------|---------|--------|------|------|------|------|------|-----------|
| ADS-B Out | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
| ADS-B In | √ | √ | - | - | - | - | - | √ |

下面是一个ADS-B消息的示例代码块，展示了其数据结构：

# ADS-B Out 消息示例
{
    "type": "ADS-B Out",
    "callsign": "AAL123",
    "timestamp": "2023-04-01T12:00:00Z",
    "longitude": -122.374433,
    "latitude": 37.618972,
    "altitude": 35000,
    "airspeed": 520,
    "heading": 270,
    "squawk": "7700"
}

- `type`：消息类型，指明是ADS-B Out。
- `callsign`：飞机的无线电呼号。
- `timestamp`：消息的时间戳。
- `longitude`、`latitude`：飞机的地理位置坐标。
- `altitude`：飞机的飞行高度。
- `airspeed`：飞机的空速。
- `heading`：飞机的航向。
- `squawk`：应答机的四字符模式代码，通常用于紧急情况标识。

这个结构保证了ADS-B消息具有很高的互操作性，不同制造商生产的ADS-B设备都可以无缝交换信息。此外，随着ADS-B技术的推广，全球的航空交通监视能力将得到显著提升。

# 3. ADS-B信号结构分析

## 3.1 ADS-B信号的基本帧结构

自动相关监视广播（ADS-B）技术使得飞机能够实时广播其位置、速度和识别信息等，从而实现对空域中飞机的高精度监视。ADS-B信号由一系列帧构成，每帧包含特定的信息，这些信息通过无线电信号发送。基本帧结构包括同步头、帧长度、消息类型、数据块以及校验部分。ADS-B信号的同步头用于接收设备识别信号的开始，而帧长度表示后续数据的字节数，消息类型则指示了该帧的类型与所包含的信息。

每个ADS-B消息都会以一个8字节的同步头开始，这个同步头由8个连续的"1"组成，其目的是让接收器能够准确地检测到信号的起始位置。接下来的三个字节包含消息类型和帧长度等信息，而消息类型可以是多种类型，比如位置消息、空速/风速消息、身份消息等。数据块部分紧随其后，长度根据不同的消息类型和所携带信息的不同而有所变化，可能包含飞机的身份、位置、速度等重要信息。最后是校验部分，通常使用循环冗余校验（CRC）方法，确保接收到的数据的完整性。

为了深入理解ADS-B信号的结构，考虑以下示例代码，该代码用于生成一个简单的ADS-B帧的二进制表示：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// 假设函数用于计算16位CRC校验码
uint16_t calculate_crc(const uint8_t *data, uint16_t length) {
    // 实际的CRC计算逻辑较为复杂，此处省略具体实现
    return 0; // 返回计算得到的CRC值
}

// 生成一个 ADS-B 帧
void generate_adsb_frame(uint8_t *frame, uint8_t msg_type, uint8_t *data, uint16_t data_length) {
    frame[0] = 0xFF; // 同步头：11111111
    frame[1] = 0xFF; // 同步头：11111111
    frame[2] = 0xFF; // 同步头：11111111
    frame[3] = 0xFF; // 同步头：11111111
    frame[4] = msg_type; // 消息类型
    frame[5] = data_length; // 帧长度
    // ...此处添加数据块的填充逻辑
    frame[5 + data_length] = calculate_crc(data, data_length); // CRC校验值填充
}

int main() {
    uint8_t frame[50];
    uint8_t msg_type = 0x00; // 消息类型示例值
    uint8_t data[10] = {0}; // 数据块示例填充
    uint16_t data_length = sizeof(data) / sizeof(uint8_t);

    generate_adsb_frame(frame, msg_type, data, data_length);
    // 打印帧内容以验证正确性
    for (int i = 0; i < 50; ++i) {
        printf("%02X ", frame[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

在上述代码中，我们定义了两个函数：`calculate_crc`用于计算CRC校验值，`generate_adsb_frame`用于构造一个ADS-B帧。值得注意的是，CRC计算部分在本例中仅提供了一个框架，实际应用中需要实现具体的CRC算法。消息类型和数据块将根据所要传输的具体信息进行填充。

## 3.2 信号的调制与编码方式

ADS-B信号使用最小移频键控（MSK）调制技术进行无线电信号的编码。MSK属于连续相位频率键控（CPFSK）的一种，是频移键控（FSK）的一种特殊情况，其相位在调制过程中保持连续，从而减少了带宽的需求并提高了信号的抗干扰能力。

信号编码的过程中，首先将待发送的二进制数据转换为连续的符号序列，然后根据MSK调制原理将每个符号映射到相应的频率上。具体来说，MSK调制是一种特定的频率键控调制方式，其频率变化与二进制数据的逻辑"1"或"0"相对应，"1"和"0"分别对应两个不同的频率，而这两个频率的差值为符号速率的一半。这种调制方式有利于在高速移动和复杂的电磁环境下保持数据传输的稳定性和可靠性。

在实际的应用中，MSK调制方式允许数据以较低的误码率在信道中传输，这对于飞机的监视系统而言至关重要，因为ADS-B系统的准确性和可靠性直接关系到空中交通的安全。

## 3.3 信号的同步和检测机制

为了确保ADS-B信号能够被接收设备准确无误地接收和解析，接收设备需要能够检测并同步信号。这通常通过识别信号中的同步头来实现，同步头是预设的特定比特序列，接收端利用这个序列识别信号的开始。

信号同步机制的关键在于，接收端检测到同步头之后，会基于这个位置对后续接收到的数据进行解析。因为数据的传输可能会受到噪声的影响，使得接收到的信号产生误差，因此同步机制也需具备一定的容错能力，以便正确地从噪音中恢复出原始信号。

为了实现这一目标，同步算法通常会采用滑动相关技术。滑动相关是一种通过动态计算相关系数的方式来检测数据序列与参考序列之间相似度的方法。在ADS-B接收设备中，会不断滑动接收数据窗口，并与同步头序列进行比较，当相关值超过某一阈值时，就认为检测到了同步头，从而实现信号的同步。

此外，ADS-B信号还采用了差错控制编码，如循环冗余校验（CRC），来检测数据在传输过程中是否产生了错误。在接收端对接收到的数据进行CRC校验，如果校验失败，则表示数据在传输过程中发生了错误，此时接收端会要求重新发送数据，或采取其他错误处理措施。

综上所述，ADS-B信号的同步和检测机制是确保ADS-B系统可靠运行的基础，涉及到同步头的检测、滑动相关技术以及循环冗余校验等多种技术的综合运用。

flowchart LR
    A[接收ADS-B信号]
    B[检测同步头]
    C[滑动相关同步]
    D[校验CRC]
    E[信号同步成功]
    F[提取数据]
    G[错误检测与处理]

    A --> B
    B -- 同步头检测 --> C
    C -- 滑动相关同步 --> D
    D -- CRC校验 --> E
    E --> F
    D -- 校验失败 --> G

通过上述流程图可以清晰地看到ADS-B信号同步和检测的过程，以及在不同阶段可能采取的措施。这样的设计确保了ADS-B系统能够高效、准确地传输飞机的状态信息。

| ADS-B接收过程 | 功能描述 |
| -------------- | -------- |
| 接收ADS-B信号 | 监听1090MHz频段，捕捉ADS-B信号 |
| 检测同步头 | 识别信号帧的起始位置，确保信号同步 |
| 滑动相关同步 | 动态计算相关系数，确定同步头位置 |
| 校验CRC | 使用循环冗余校验来检测数据传输错误 |
| 信号同步成功 | 当检测到同步头并成功校验CRC后，完成信号同步 |
| 提取数据 | 解析同步后的信号，提取出飞行信息 |
| 错误检测与处理 | 对于检测到的错误进行处理，包括请求重新传输等 |

以上表格对ADS-B接收和同步过程中每一阶段的功能进行了简要说明。正确理解并应用这些机制，对于开发和使用ADS-B接收器至关重要。

# 4. ADS-B信号的关键信息提取

ADS-B系统的有效性在于能否准确、快速地提取出飞行器的关键信息，包括位置、速度、飞行状态和身份识别等。本章节将深入探讨如何从ADS-B信号中获取这些关键信息，并了解信息提取的流程和技术细节。

## 4.1 如何获取飞行身份和位置信息

### 4.1.1 飞机身份信息提取
ADS-B信号中包含了一个独特的24位地址，称为ICAO地址，该地址是飞机的唯一身份标识。此地址不仅用于区分不同飞行器，而且在航空管理中作为飞机识别和跟踪的核心数据。

**提取步骤**：
1. 解码ADS-B信号的帧头，通常位于信号的前56比特。
2. 从帧头后跟随的比特流中解析出ICAO地址。
3. 利用软件工具或编写代码进行解码处理，例如，使用Python中的pyModeS库进行解析。

**示例代码**：

from pyModeS import common

# 假设我们有一段ADS-B信号的比特流
bits = "111011001100110010101010110011001010101011001100"

# 将比特流转换为ICAO地址
address = common.bin2icao(bits)
print("ICAO Address:", address)

### 4.1.2 飞机位置信息提取
位置信息通常包括经度和纬度坐标，这些数据是通过解码经纬度的二进制表示来获取的。

**提取步骤**：
1. 分析ADS-B信号数据块中相应的比特位置，提取经纬度的比特位。
2. 将提取的比特位转换为实际的经纬度值。
3. 可以使用公开的库或API来帮助进行转换，比如使用python的pyModeS库。

**示例代码**：

from pyModeS import common

# 假设我们有一段ADS-B信号的经纬度数据块
latitude_bits = "1011100011101111111111111010111110110001101111111111"
longitude_bits = "010111111111011111111111111011101111101110111111111111"

# 将比特流转换为经纬度值
latitude = common.bin2lat(latitude_bits)
longitude = common.bin2lon(longitude_bits)
print("Latitude:", latitude)
print("Longitude:", longitude)

## 4.2 飞行状态和速度向量信息的解读

### 4.2.1 飞行状态信息提取
飞行状态信息提供了飞机当前的飞行阶段，如起飞、巡航、下降等。这些信息通常由 ADS-B 消息的特定字段表示。

**提取步骤**：
1. 分析 ADS-B 消息结构，定位飞行状态相关的字段。
2. 解码该字段，获取飞行状态信息。
3. 可以使用解码函数进行操作，如 pyModeS 中的 `common.ias2kts()` 函数用于将指示空速转换为真实空速。

### 4.2.2 速度向量信息提取
速度信息包括飞机相对于地面的水平速度和垂直速度。

**提取步骤**：
1. 解析 ADS-B 消息中关于速度的部分。
2. 根据 ADS-B 协议将速度值从二进制转换为物理单位（例如，节或米/秒）。
3. 这通常涉及到对信号中特定数据位的解析，并根据特定公式进行转换。

## 4.3 飞机的应答机状态和飞行性能数据

### 4.3.1 应答机状态信息提取
ADS-B信号中包含了飞机的应答机状态信息，如应答机是否开启，以及其模式。

**提取步骤**：
1. 解析 ADS-B 消息中有关应答机状态的部分。
2. 判定应答机的当前状态和工作模式。

### 4.3.2 飞行性能数据提取
飞行性能数据提供了飞机的飞行性能参数，例如爬升率、下降率、俯仰角等。

**提取步骤**：
1. 定位 ADS-B 消息中的飞行性能数据字段。
2. 解码并转换这些数据，通常这些数据是经过特殊编码的。
3. 对这些数据进行解读，以便进一步分析飞机的飞行性能。

## 4.4 本章节总结
本章节介绍了从 ADS-B 信号中提取关键信息的详细过程。通过解读 ICAO 地址，可以精确识别飞行器；通过处理经纬度数据，可以确定飞机在地球表面上的位置；而飞行状态、速度向量以及应答机状态和飞行性能数据的提取，为全面了解飞机在空中的活动提供了可能。这些信息的准确提取，对于航空管理和空中交通监控具有极其重要的意义。接下来的章节我们将看到，如何将这些信息应用到实际的 ADS-B 数据接收与解析工作中。

# 5. 实践应用：ADS-B数据的接收与解析

## 5.1 ADS-B数据接收器的种类和选择

随着ADS-B技术的普及，市场上出现了多种类型的ADS-B数据接收器，它们针对不同的使用场景和用户需求进行了优化。在选择ADS-B接收器时，我们需要考虑以下几个关键因素：

- **信号覆盖范围**：接收器应该有足够远的接收距离，以便覆盖所需监测的空域。
- **接口兼容性**：接收器的输出接口应与用户的设备兼容，如USB、网口、串口等。
- **性能指标**：包括接收器的灵敏度、数据处理速度和准确性等。
- **附加功能**：一些高级接收器集成了天气信息接收、GPS定位等功能。
- **成本**：根据预算和需求进行权衡，选择性价比高的产品。

常见的ADS-B数据接收器有如下类型：

- **USB接收器**：便于携带和使用，适合个人爱好者和小规模应用。
- **网络接收器**：通过网络接口提供数据，方便远程监控和数据共享。
- **树莓派集成套件**：结合树莓派使用，易于集成和扩展，适合DIY爱好者和教育目的。
- **专业级接收器**：具有更高的性能和更广泛的覆盖范围，适用于大型机构和商业应用。

## 5.2 接收ADS-B信号的软件工具

为了将ADS-B数据接收器收集到的数据转换为有用信息，我们需要借助软件工具进行信号的解析和处理。以下是一些广泛使用的ADS-B数据解析软件：

### 5.2.1 ADS-B Exchange

ADS-B Exchange是一个开源项目，支持全球的飞机追踪信息共享。该平台允许用户上传他们收集到的ADS-B数据，并且可以从世界各地的其他数据源获取数据。

### 5.2.2 FlightRadar24

FlightRadar24是一个流行的航班追踪服务，它利用全球用户上传的ADS-B数据为公众提供实时航班信息。它还有自己的专有接收器网络。

### 5.2.3 dump1090

dump1090是一个流行的开源ADS-B数据解码器，常被用于接收和解析1090MHz频段的ADS-B信号。它能够输出多种格式的数据，包括JSON和原始数据格式。

### 5.2.4 Virtual Radar Server

Virtual Radar Server是一个能够显示ADS-B和其他数据源的软件解决方案。它可以将ADS-B数据与地图集成，使用户能以图形化的方式查看航班信息。

### 代码示例

以dump1090为例，以下是一个典型的命令行调用示例：

./dump1090 --quiet --net

在该命令中，`--quiet`选项可以减少不必要的输出，而`--net`选项使得dump1090可以作为一个网络服务运行，允许用户通过网络浏览器访问收集到的数据。

## 5.3 实际案例：信号解析与数据处理流程

为了更好地理解如何接收和解析ADS-B信号，以下将介绍一个实际的案例，说明信号解析和数据处理的完整流程。

### 步骤一：安装并配置ADS-B接收器

首先，我们需要安装一个ADS-B接收器，并根据制造商的指导进行配置，以便它可以开始收集1090MHz频段上的ADS-B信号。

### 步骤二：运行解析软件

接下来，启动我们选择的解析软件（例如dump1090）。软件将开始解析接收器传来的信号，并将解析出的飞行数据进行处理。

./dump1090 --quiet --net

### 步骤三：访问解析数据

通过浏览器或其他客户端设备，我们可以访问dump1090提供的网络界面，查看实时航班信息和其他相关数据。

### 步骤四：数据处理和分析

获取到的数据可以进一步通过其他工具或脚本进行处理和分析。比如，我们可以根据需要提取特定的航班信息，或者使用地理信息系统(GIS)软件将数据可视化。

### 步骤五：数据的可视化展示

最后，利用各种工具和API，可以将数据进行可视化处理。例如，使用Google Earth或FlightAware的工具，我们可以看到全球飞机的实时位置和飞行轨迹。

在本章节中，我们深入了解了ADS-B数据接收与解析的实用方法和工具。通过具体案例，我们展示了如何从信号的捕获到最终的数据展示，这一整个过程不仅需要正确配置硬件设备，还需要合适的软件来实现数据的解析和利用。随着技术的不断进步，这些工具正在变得越来越容易使用，对于个人和专业用户来说，实现飞机追踪和数据监控正在变得前所未有的简单。

# 6. ADS-B系统的安全性和隐私问题

ADS-B作为民航监视技术的重要组成部分，其安全性与隐私问题一直受到业界的广泛关注。随着ADS-B的全球部署，攻击者可能利用该技术的漏洞来获取敏感信息或干扰正常运行，从而威胁到航班安全和用户隐私。

## 6.1 ADS-B信号的安全性挑战

ADS-B信号通过无线电传输，这使得它容易受到各种攻击。其中，最突出的安全性挑战包括：

- **信号篡改攻击**：攻击者可以通过发射伪造的ADS-B信号来修改航班的真实位置、速度等信息，从而误导空管人员。
- **信号重放攻击**：攻击者录制合法ADS-B信号并稍后重放，可能造成飞机在空管屏幕上出现重复，引起混乱。
- **信号拦截**： ADS-B信号未加密传输，因此任何拥有适当接收器的人都能够监听到信号内容，这使得敏感数据可能被不怀好意的第三方获取。

## 6.2 保护ADS-B数据传输的措施

为应对这些安全挑战，业内已经采取了多种措施以提高ADS-B系统的安全性：

- **信号认证**：通过对ADS-B消息进行签名和认证，接收端可以验证消息的真实性，从而防御篡改攻击。
- **加密技术**：开发适用于ADS-B消息的加密方案，确保数据在传输过程中的机密性和完整性。
- **信号干扰检测**：实现高级的信号干扰检测系统，可以及时发现异常信号，防止重放和篡改攻击。

## 6.3 隐私问题的现状与发展趋势

ADS-B系统在提高航班监视效率的同时，也暴露了飞机航班和位置的隐私问题。攻击者通过收集ADS-B信号可以轻松地追踪特定航班的实时位置，这对商业航班和私人飞机都是一个隐患。

- **隐私保护法规**：随着对个人隐私保护意识的提高，越来越多的国家和地区开始制定法律规范，要求对ADS-B信号进行隐私保护处理。
- **匿名化处理**：一些技术手段被提出用于对ADS-B信号中的敏感信息进行匿名化处理，如通过特定算法掩盖飞机的真实身份。
- **用户控制**：研究如何让用户对自己的飞行数据拥有更多的控制权，例如通过启用或禁用ADS-B信号的传输。

在今后的发展中，ADS-B系统需要持续改进以满足日益增长的安全性和隐私保护要求。这包括技术创新、法规制定和用户教育等多个方面的共同进步。随着技术的发展，我们有理由相信，ADS-B系统将在保障航班安全与保护用户隐私之间找到更好的平衡点。