CN107896136B - 一种雷达航迹报文编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达航迹报文编码方法，包括如下步骤：1、读入一帧雷达航迹报文，生成魔术字；2、判断关键字段是否命中；如未命中，转步骤3；如命中，当前帧定义为P帧，对报文增加P帧帧头标识和I帧档案中检索的魔术字，求P帧相对于I帧的残差，对所述残差进行简化哈夫曼编码，转步骤4；3、检索魔术字在魔术字列表中是否有重复项；若有，当前帧定义为不建档I帧，构建码流；否则，当前帧定义为I帧，构建码流，并将所述魔术字和I帧码流加入到魔术字列表中；4、判断是否有下一条报文，如有，跳转至步骤1，否则结束编码。采用该方法对雷达航迹报文进行编码，能够降低相同数据的传输资源消耗，提高报文压缩比，保证数据传输的完整性、实时性。

Description

一种雷达航迹报文编码方法

技术领域

本发明属于雷达数据处理技术领域，具体涉及一种雷达航迹报文的无损压缩编码方法。

背景技术

雷达航迹报文由点迹报文组成，点迹报文按照某一固定协议组织。雷达航迹报文在传输前通常进行数据编码压缩。

数据压缩方法按照压缩前后信息量是否有损失可分为两种类型，分别为有损压缩和无损压缩。有损压缩是指使用压缩后的数据进行重构(或者叫做还原，解压缩)，重构后的数据与原来的数据有所不同；而无损压缩是指使用压缩后的数据进行重构后，数据与原来的数据完全相同，典型的无损压缩方法有行程编码、哈夫曼编码、算术编码等。哈夫曼编码是一种比较常用的变长编码方法，其基本原理是根据源数据符号发生的概率进行编码，对出现概率大的信息符号编短码字，对出现概率小的信息符号编长码字，从而达到用尽可能少的码符号表示源数据。理论研究表明，哈夫曼编码方法是接近压缩比上限的一种较好的编码方法，同时，该编码方法效率高、运算速度快、实现方式灵活，从20世纪60年代至今，在数据压缩领域得到了广泛的应用。

直接采用上述数据压缩编码方法对雷达航迹报文进行编码，没有利用连续点迹数据之间不变的信息，对于报文间的相同数据仍需消耗传输资源，当数据量特别大时，会影响数据的实时处理。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种雷达航迹报文编码方法，采用该方法对雷达航迹报文在传输前进行编码，能够有效降低相同数据的传输资源消耗，提高报文的压缩比，保证数据传输的完整性、可靠性、实时性。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种雷达航迹报文编码方法，包括如下步骤：

(1)读入一帧雷达航迹报文，根据报文数据生成魔术字；

魔术字为报文数据采用校验算法生成的校验码，本发明中魔术字为报文数据除去报文类型及报文长度两个字段后，采用16位循环冗余校验生成唯一校验码。

(2)判断关键字段是否命中；如果未命中，转步骤(3)；如果命中，当前帧定义为P帧，对报文增加P帧帧头标识和I帧档案中检索的魔术字，求P帧相对于I帧的残差，对所述残差进行简化哈夫曼编码，转步骤(4)；

关键字段为能够标识报文特征的多字段集合，本发明中关键字段包括报文长度、FSPEC字段、数据源标识、批号。

(3)检索魔术字在魔术字列表中是否有重复项；若是，当前帧定义为不建档I帧，构建码流；否则，当前帧定义为I帧，构建码流，并将所述魔术字和I帧码流加入到魔术字列表中；

(4)判断是否有下一条报文，如有，跳转至步骤(1)，否则结束编码。

所述简化哈夫曼编码具体包括如下步骤：

(A1)P帧与I帧同一个字节内容相同时则编码为0；

(A2)P帧与I帧同一个字节内容不同时则直接在最高位加1，保留原I帧字节。

步骤(3)中不建档I帧和建档I帧的码流包括：不建档I帧标识和去报文类型及长度字段后的原始报文。

所述I帧为不同的关键字段首次出现时的报文；所述P帧为参照I帧进行信息压缩编码的报文。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的雷达航迹报文编码方法具有以下有益效果：1、将帧内、帧间编码的思想引入到雷达航迹报文压缩中，重复利用连续点迹数据间的相同的信息，通过去相近报文间的冗余信息大幅提高了报文的压缩比；2、基于已公开的可靠的校验算法生成魔术字，对建档I帧采用魔术字进行唯一标识，简化为两字节校验码，并对可能出现的重复魔术字进行特殊处理，保证了标识的唯一性，使得解码端进行检索建档I帧迅速有效；3、通过定义了多种码流及其组织形式，有效区分编码报文与非编码报文，并通过帧头标识进行区分，在编码与解码两端建立了很好的秩序；4、对P帧计算相对于I帧的残差，对残差进行简化哈夫曼编码，可以有效减少相同数据的传输；5、本发明公开的方法可以有效降低相同数据的传输资源消耗，提高报文的压缩比；同时，在信道带宽有限的情况下，能够有效节约资源，保证数据传输的完整性、可靠性、实时性，大幅提高了报文的传输效率，增强了报文的实时处理与使用效果。

附图说明

图1为实施例中编码系统的流程图；

图2为实施例中的P帧参照I帧的变化量；

图3为实施例中的多个P帧参照多个I帧的变化量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

本实施例以广泛采用的《欧洲航空安全组织监视数据交换标准文件》第7部分：单传感器场面运动数据信息标准格式CAT 010报文格式为例，说明雷达航迹报的编码过程。该协议属于本发明所阐述的雷达航迹报文，协议帧格式形如：“<Cat><Len><Fspec><Data>”，各个字段以<>隔开以示区分，各字段所代表的信息如下：

Cat——报文类型说明CAT，一个字节；

Len——长度字段LEN，两个字节；

Fspec——FSPEC，指示报文结构中有哪些字段，变长；

Data——数据；

具体格式说明如下：

<0><1><2><3><4><5><6><7><8><9><10>

字段<0>：0a，报文类型说明，表明该报文为单传感器场面运动数据信息标准格式CAT010目标数据，一个字节；

字段<1>：长度字段，两个字节；

字段<2>：FSPEC，指示报文结构中有哪些字段，变长；

字段<3>：数据源标识，两个字节；

字段<4>：消息类型，一个字节；

字段<5>：目标描述，变长；

字段<6>：时间，三个字节；

字段<7>：极坐标，四个字节；

字段<8>：直角坐标，四个字节；

字段<9>：航速航向，四个字节；

字段<10>：批号，两个字节。

本实施例构建的雷达航迹报文编码系统，共分为四种码流类型，通过帧头标识进行定义，分别是透传、建档I帧、不建档I帧及P帧，对应不同类型的码流，其组织方式具体如下：

(1)透传：透传标识c2+原始报文；

(2)建档I帧：建档I帧标识c3+除去报文类型及长度字段的原始报文；

(3)不建档I帧：不建档I帧标识c5+除去报文类型及长度字段的原始报文；

(4)P帧：P帧标识c7+对应建档I帧魔术字+哈夫曼编码结果。

假设需连续处理两条报文，具体内容如下：

Q1：0a 00 1b f7 a0 01 00 01 61 00 61 9f 9e 00 52 da aa 05 5e 00bb 0021 3a 7800 8a；

Q2：0a 00 1b f7 a0 01 00 01 61 00 00 00 9e 00 52 da aa 05 5e 00bb 0021 3a 78 00 8a。

如图1所示，依次接收Q1、Q2，整个编码系统的工作流程如下：

步骤1，读入一条报文；

步骤2，判断是否是航迹报；

根据报文类型字段，即字段<0>判断所述一条报文是否是航迹报，若是，则跳转到步骤4，否则执行下一步骤3；报文Q1的首字节为0a，判断为航迹报文，

步骤3，透传该报文；

如果不是航迹数据，对该报文增加透传标识，透传该报文，然后跳转到步骤12；

步骤4，生成魔术字；

所述魔术字，本发明特指对建档I帧报文生成的16位循环冗余校验码(CRC16)，本发明使用CRC16算法，但不局限于该方法，已公开的校验算法均可应用于本发明魔术字的生成。本实施例中魔术字生成的字节序列范围是除去报文类型及报文长度两个字段的报文内容，但不局限于该范围，可根据实际情况确定。通过采用16位循环冗余校验对对除去报文类型及报文长度两个字段的报文生成唯一校验码，作为魔术字，然后进入步骤5；本实施例中对去除字段<0>和字段<1>后的报文参与魔术字(CRC16)计算，因此从第3个字节f7开始生成魔术字为3b 58；

步骤5，判断关键字段是否命中；

关键字段是确保一条报文属性并能最大化压缩的数据字段集合。根据雷达目标航迹报文特点及所依据的数据格式标准，选取可以标识一条报文特征的多个字段，定义为关键字段。任何雷达航迹报文压缩的诸如共享、存储、传输等场合，只需根据报文特点适应性选取关键字段开展报文压缩。对于不同数据格式标准的雷达航迹报文，结合报文组成的字段必选项、可选项及禁选项规定，通常选取信息源、航迹号、报文长度及FSPEC字段作为关键字段。本实施例中关键字段包括报文长度、FSPEC字段、数据源标识、批号，即字段<1>、<2>、<3>、、<10>，Q1报文中关键字段为加下划线部分：

0a 00 1b b7 a0 01 00 01 61 00 61 9f 9e 00 52 da aa 05 5e 00bb 00 213a 78 00 8a；

在编码过程中，根据关键字段是否命中，判断进入I帧建档或者P帧编码过程；若是，则跳转到步骤9，否则执行下一步骤6；

步骤6，检索魔术字是否有重复项；

检索步骤4生成的魔术字在魔术字列表中是否出现重复项，若是，则执行下一步骤7，否则跳转到步骤8；

步骤7，定义为不建档I帧，构建码流；

当出现具有相同魔术字的I帧时，为了更充分利用简化的魔术字实现与I帧关联，根据本发明的码流定义，去报文类型及长度字段后增加不建档I帧标识并生成码流传输，告知解码端不对该I帧报文建档，以避免解码混乱问题；然后进入步骤12；

步骤8，定义为I帧，I帧建档；

根据本实施例的码流类型定义，对报文增加I帧帧头标识，由I帧帧头标识及除去报文类型及长度字段的报文内容构成I帧，建档列表以魔术字为主索引，存储魔术字及I帧码流；I帧建档完成然后进入步骤12；

对Q1进行压缩编码时，目前建档I帧库中为空，关键字没有命中，且魔术字没有重复，则Q1为I帧，将Q1去掉字段<0>字段<1>，添加报文头标识为c3，形成码流Q1-1为：

Q1-1：c3 f7 a0 01 00 01 61 00 61 9f 9e 00 52 da aa 05 5e 00 bb 00 213a 78 00 8a

将魔术字3b 58和码流Q1-1保存在魔术字列表中。

步骤9，定义为P帧；

关键字段命中的情况下，根据本发明的码流定义，对报文增加P帧帧头标识，然后写入I帧档案中检索的魔术字，那么解码端接收后可以通过P帧标识确定解码过程，通过魔术字唯一检索关联I帧，实现报文解码；然后进入步骤10；

读入Q2时，通过关键字段比较，发现<00 1b><f7a0><01 00><00 8a>命中，进入P帧编码，关键字段与I帧，即Q1报文相同，无需编码，直接剔除，下划线为变化部分：

0a 00 1b f7 a0 01 00 01 61 00 00 00 9e 00 52 da aa 05 5e 00 bb 00 213a 78 00 8a

步骤10，求P帧相对于I帧的残差；

对读取的报文除报文类型及关键字段外，以字节为单位，与命中I帧逐个字节进行比较，求P帧与I帧之间的变化量，即残差；然后进入步骤11；

步骤11，简化哈夫曼编码并输出新码流；

对残差进行简化哈夫曼编码，P帧与I帧同一个字节内容相同时则编码为0，内容不同时则直接在最高位加1，保留原I帧字节。当出现最后不满8位的情况时，直接在低位补0凑齐8位即可；然后进入步骤12；

本发明中的码流包括I帧和P帧，其中I帧为帧内编码帧，P帧为帧间编码帧。对P帧的编码需要参考I帧，采用简化的哈夫曼编码。如图2所示，P帧报文与参照报文I帧之间，除了关键字段内容相同，报文结构中“G”、“I”、“J”、“K”字节内容相同，则编码时相同的字节用一位的0替代，进行高效压缩编码传输，减少了传输数据量。如图3所示是多个参照报文I帧与P帧的情况，P帧的关键字段与对应的参照报文I帧是相同的，确定了参照报文之后，再对相应的P帧与I帧求变化量。

根据本发明提供的简化哈夫曼编码方法，Q2报文编码后的二进制序列为：

000 1 00000000 1 00000000 00000000 00000

对应16进制为10 08 00 00 00(最后不够8位补0)。

其中前三位0表示Q1和Q2报文中相同的三个字节：01 61 00；下划线部分是Q1和Q2报文中变化的两个字节编码后的码流，最高位为1，其后保留原I帧，即Q1报文字节；最后的13位0表示Q1和Q2报文中相同的13个字节。

再根据本实施例的码流规则，定义P帧报文头为c7，同时附带上对应建档I帧的魔术字3b 58，最终P帧码流Q2-1为：

Q2-1：c7 3b 58 10 08 00 00 00；

步骤12，判断是否有下一条报文；

若是则跳转到步骤1，否则执行下一步骤13；

步骤13，结束本次编码过程。

Q2报文的原始报文长度为27字节，经过P帧编码仅剩余8个字节，压缩比达到3.38。

Claims (6)

1.一种雷达航迹报文编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）读入一帧雷达航迹报文，根据报文数据生成魔术字；所述魔术字为报文数据采用校验算法生成的校验码；

（2）判断是否命中雷达航迹报文的关键字段；如果未命中，转步骤（3）；如果命中，当前帧定义为P帧，对报文增加P帧帧头标识和魔术字列表中检索的魔术字，求P帧相对于I帧的残差，对所述残差进行简化哈夫曼编码，转步骤（4）；

所述关键字段为能够标识报文特征的多字段集合；

所述魔术字列表存储魔术字及I帧码流；

（3）检索魔术字在魔术字列表中是否有重复项；若是，当前帧定义为不建档I帧，构建码流；否则，当前帧定义为I帧，构建码流，并将所述魔术字和I帧码流加入到魔术字列表中；

（4）判断是否有下一条报文，如有，跳转至步骤（1），否则结束编码；

所述简化哈夫曼编码具体包括如下步骤：

（A1）P帧与I帧同一个字节内容相同时则编码为0；

（A2）P帧与I帧同一个字节内容不同时则直接在最高位加1，保留原I帧字节。

2.根据权利要求1所述的雷达航迹报文编码方法，其特征在于，所述魔术字为报文数据除去报文类型及报文长度两个字段后，采用16位循环冗余校验生成唯一校验码。

3.根据权利要求1所述的雷达航迹报文编码方法，其特征在于，所述关键字段包括报文长度、FSPEC字段、数据源标识、批号。

4.根据权利要求1所述的雷达航迹报文编码方法，其特征在于，步骤（3）中当出现具有相同魔术字的I帧时，不建档I帧的码流包括：不建档I帧标识和去报文类型及长度字段后的原始报文。

5.根据权利要求1所述的雷达航迹报文编码方法，其特征在于，步骤（3）中当在魔术字列表中没有检索到当前帧生成的魔术字时，I帧的码流包括：建档I帧标识和去报文类型及长度字段后的原始报文。

6.根据权利要求1所述的雷达航迹报文编码方法，其特征在于，所述I帧为不同的关键字段首次出现时的报文；所述P帧为参照I帧进行信息压缩编码的报文。

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