基于ADS-B的防撞系统的制作方法

本发明涉及一种融合ads-b系统与tcas系统的机载防撞系统；属于航空技术领域。

背景技术：

传统的空中防撞系统主要依靠tcas(trafficalertandcollisionavoidancesystem)，它对冲突的预测只能依靠获得的当前和历史位置、速度信息，冲突预测能力随着航路飞行复杂性的增加而大大降低，无法充分灵活的适应空域管理的演变。为了提升tcas的性能，需要对现有的防撞跟踪系统(collisionavoidancesystem，cas)设计原则进行更新，并引入了更有效的输入数据。自动相关监视技术(ads-b)技术能提高飞行中的航空器之间的相互监视能力。与tcas相比，ads-b的位置报告是自发广播式的，航空器之间无须发出问询即可接收和处理渐近航空器的位置报告。根据联邦适航局(faa)的提案，要求在2020年以前在所有飞机上装备ads-b设备，因此在防撞系统中使用ads-b技术将是一种趋势。ads-b数据的使用将使得tcas能够获得更准确的角度和速度信息且能够有效增加tcas的监控范围。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种基于ads-b的防撞系统，通过ads-b与tcas设备交联配合提供防撞告警决策和交通告警等，与单一的ads-b系统和tcas系统相比，本发明在有效的简化设备、降低成本的同时，可以提供更加精确的角度测量和估计，增加空域监视范围，提高空域监视能力，也为后续的水平避撞提供了可能。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于ads-b的防撞系统，包含ads-b信息解码模块、ads-b监视跟踪处理模块、防撞信息处理模块；

ads-b信息解码模块用于对接收到的邻机广播的ads-b信息进行解码，解算出邻机的位置信息；

防撞信息处理子模块用于将邻机的位置信息转换为邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳，并确认是否对邻机进行跟踪，然后将跟踪信息列表送至防撞信息处理模块；

防撞信息处理模块用于利用防撞算法对跟踪信息列表中的邻机的角度、距离、高度和时间戳进行处理，做出防撞告警决策和交通告警决策。

优选地，ads-b信息解码模块执行如下程序步骤：

步骤1.1)、对同一邻机的时间差值不超过10秒的ads-b信息进行全球cpr解码，获得邻机的位置信息

步骤1.2)、计算全球cpr解码获得的邻机的位置信息与本机的距离，并判断该距离是否在最大接收范围内，若是则进入步骤1.3)；

步骤1.3)、根据上一次获得的邻机位置或者全球cpr解码获得的邻机的位置信息作为本地cpr解码的参考点，对当前接收到的同一邻机的ads-b信息做本地cpr解码；

步骤1.4)将全球cpr解码和本地cpr解码获得的邻机的位置信息做误差计算，如果数据差值在10米以内，将全球cpr解码得到的位置信息输出给防撞信息处理模块。

优选地，ads-b监视跟踪处理模块执行以下程序步骤：

步骤2.1)、跟踪、平滑本机的位置信息；

步骤2.2)、利用平滑后的本机的位置信息将邻机的位置信息转换为邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳；

步骤2.3)、根据邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳在监听、捕获、跟踪三个状态之间进行切换；

步骤2.4)将进入跟踪状态的邻机的邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳进行平滑后，加入跟踪信息列表，将跟踪信息列表发送给防撞信息处理模块。

优选地，基于ads-b的防撞系统还包含ads-b接收机，用于接收邻机广播的ads-b信息，并传输给ads-b信息解码模块。

优选地，基于ads-b的防撞系统还包含ads-b发射机，用于将告警信息通过广播告知地面站和周围空域中的飞机，将避让建议发送给相应邻机。

本发明的有益效果在于：

现行的防撞告警设备无法满足对装配ads-b的飞机实施监视告警，针对这个问题，本发明提出了一种基于ads-b的防撞系统，通过接收空域中的ads-b信息，从而建立对邻机的监视跟踪，并根据相应的算法对产生的威胁进行告警。该系统采用被动接收的方式进行跟踪告警，因此本发明可以减少对传统tcas中射频模块的依赖，简化设备降低成本更加适合轻型飞机或无人机使用，同时减少问询发送的频率，降低了对空域无线环境的干扰；另一方面相对传统的tcas，ads-b能够提供更加精确的角度测量和估计，从而为水平方向的避撞提供了可能。

附图说明

图1是基于ads-b的防撞系统的结构示意图。

图2是ads-b信息解码模块的解码流程示意图。

图3是ads-b监视跟踪处理模块的监视跟踪流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，基于ads-b的防撞系统包含ads-b接收机(ads-bin)、防撞信息处理子模块和ads-b发射机(ads-bout)。

ads-b接收机，通过射频接收技术接收邻机广播的ads-b信息。

防撞信息处理子模块为计算机系统，包含ads-b信息解码模块、ads-b监视跟踪处理模块、防撞信息处理模块。ads-b信息解码模块用于对接收到的邻机广播的ads-b信息进行解码，解算出邻机的位置信息。防撞信息处理子模块用于将邻机的位置信息转换为邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳，并确认是否对邻机进行跟踪，然后将跟踪信息列表送至防撞信息处理模块。防撞信息处理模块用于利用防撞算法对跟踪信息列表中的邻机的角度、距离、高度和时间戳进行处理，做出防撞告警决策和交通告警决策，以及避让建议。

ads-b信息提供邻机的s模式地址、经纬度、高度、空地状态等信息，通过解码该ads-b信息消息可以获得邻机的相对位置，从而为邻机的跟踪提供依据。ads-b信息通过cpr解码，从中解码获得飞机的经纬度信息。如图2所示，ads-b信息解码模块执行如下程序步骤：

步骤1.1)、对同一邻机的时间差值不超过10秒的ads-b信息进行全球cpr解码，获得邻机的位置信息。通过ads-b信息的s模式地址可以判断是否为同一邻机。ads-b信息中的cpr编码部分采用二种编码方式，分别为奇编码和偶编码，奇编码和偶编码的发送间隔时间一般小于10秒，通过对先后接收到的奇编码和偶编码进行全球cpr解码，可以得到邻机的位置信息。

步骤1.2)、计算全球cpr解码获得的邻机的位置信息与本机的距离，并判断该距离是否在最大接收范围内，若是则进入步骤1.3)。其中，最大接收范围是防撞系统接收入侵机信号的最远距离。

步骤1.3)、根据上一次获得的邻机位置的历史数据或者全球cpr解码获得的邻机的位置信息作为本地cpr解码的参考点，对当前接收到的同一邻机的ads-b信息做本地cpr解码。采用本地cpr解码时，只需要奇编码或偶编码中的一个就行，但需要配合参考点才能解出邻机的位置信息，参考点可以选用历史数据或者全球cpr解码获得的邻机的位置信息。

步骤1.4)、将全球cpr解码和本地cpr解码获得的邻机的位置信息做误差计算，如果数据差值在10米以内，将全球cpr解码得到的位置信息输出给防撞信息处理模块。

ads-b监视跟踪处理模块的主要功能是对邻机建立有效的跟踪，通过对应的平滑算法为防撞信息处理模块提供跟踪信息列表。如图3所示，ads-b监视跟踪处理模块执行以下程序步骤：

步骤2.1)、跟踪、平滑本机的位置信息。跟踪、平滑的本机的位置信息包含无线电高度、经纬度、气压高度等信息。

步骤2.2)、利用平滑后的本机的位置信息将邻机的位置信息转换为邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳。为了建立邻机的跟踪，需要对解码后的ads-b信息进行转换和处理，将高度、经纬度、空地状态等信息转化为防撞信息处理模块所需要的数据形式——邻机的角度、距离、高度和时间戳。

相对距离和相对位置角度计算公式为：

第一步：计算地心坐标系中本机坐标。

x_a＝(na+h_a)*cos(lat_a)*cos(lon_a)

y_a＝(na+h_a)*cos(lat_a)*sin(lon_a)

z_a＝(na*(1-e²)+h_a)*sin(lat_a)

其中，a表示wgc84坐标系地球长半轴，e表示wgc84坐标系地球扁率，lat_a表示本机纬度，lon_a表示本机经度，h_a表示本机高度，x_a，y_a，z_a分别表示本机地心坐标系中xyz轴坐标。

第二步：计算地心坐标系中目标飞机坐标。

x_b＝(nb+h_b)*cos(lat_b)*cos(lon_b)

y_b＝(nb+h_b)*cos(lat_b)*sin(lon_b)

z_b＝(nb*(1-e²)+h_b)*sin(lat_b)

其中，lat_b表示目标飞机纬度，lon_b表示目标飞机经度，h_b表示目标飞机高度，x_b，y_b，z_b分别表示本机地心坐标系中xyz轴坐标。

第三步：计算目标飞机相对于本机直角坐标。

x＝-sin(lat_a)*cos(lon_a)*(x_b-x_a)-sin(lat_a)*sin(lon_a)*(y_b-y_a)+cos(lat_a)*(z_b-z_a)

y＝-sin(lon_a)*(x_b-x_a)+cos(lon_a)*(y_b-y_a)

z＝cos(lat_a)*cos(lon_a)*(x_b-x_a)+cos(lat_a)*sin(lon_a)*(y_b-y_a)+sin(lat_a)*(z_b-z_a)

其中，x，y，z分别表示目标飞机地心坐标系中相对于本机xyz轴坐标。

第四步：计算目标飞机相对于本机极坐标。

dis＝sqrt(x²+y²)

azi_angle＝a*tan(y/x)

其中，dis表示目标飞机相对于本机距离，azi_angle表示目标飞机本机方位角。

步骤2.3)、根据邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳在监听、捕获、跟踪三个状态之间进行切换。

监听状态主要是为了获得入侵飞机的高度；捕获状态主要是为了获得入侵飞机的距离；跟踪状态主要是为了持续跟踪入侵飞机的状态。系统一旦接收到包含未监听过的s模式地址的df17报文，则该飞机就被纳入ads-b监视范围内，且该入侵飞机被判定为处于监听状态。当收到空中入侵机的正确高度报告且高度小于10000ft且根据高度状态及丢失高度的次数更新入侵飞机的sum值大于或等于20，入侵飞机应从监听状态跳转到捕获状态。如果连续两个周期接收入侵机df17报文成功，并且是合法的，那么飞机就进入跟踪状态。

步骤2.4)将进入跟踪状态的邻机的邻机相对于本机的角度、邻机相对于本机的距离、高度和时间戳进行平滑后，加入跟踪信息列表，将跟踪信息列表发送给防撞信息处理模块。

ads-b发射机将防撞告警信息和交通告警信息通过广播告知地面站和周围空域中的飞机，将避让建议发送给相应邻机。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。