一种基于ads-b的扩展飞机监视范围的方法和装置的制作方法

专利名称：一种基于ads-b的扩展飞机监视范围的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机载信息处理方法和装置，特别是一种基于ADS-B的扩展飞机监视范 围的方法和装置，属于空中交通管制领域。
技术背景空中交通管制的根本目的是使航线上的飞机安全、有效和有计划的在空域中飞行，管制 员需要对管制空域内飞机的飞行动态进行实时监视。传统的雷达监视手段釆用询问应答方式对目标探测。从长远来看，雷达系统自身具有很 多局限性，限制了监视性能的提高。雷达波束的直线传播形成了大量雷达盲区，无法覆盖海 洋和荒漠等地区；雷达旋转周期限制了数据更新率的提高，从而限制了监视精度的提高；无 法获得飞机的计划航路、速度等态势数据，限制了跟踪精度的提高和短期冲突检测告警STCA 的能力。因此，需要开发新的监视手段。广播式自动相关监视ADS-B(Automatic Dependence Surveillance-Broadcast)利用 航空器自动广播由机载星基导航和定位系统生成的精确定位信息，地面设备和其他航空器通 过航空数据链接收此信息，卫星系统、飞机以及地基系统通过高速数据链实现空天地一体化 协同监视。ADS-B不仅克服了传统雷达监视手段的一些问题，并且具有精度高、更新率高、 应用范围广、地面设备建设和维护费用低等优势。ADS-B技术可以实现飞机和飞机之间的相互监视，但其监视覆盖范围受到飞机发射机、 接收机性能的限制，难以提供更大范围内的监视信息。广播式交通信息服务TIS-B技术可以 为飞机提供空中交通信息服务，但建造TIS-B地面站需要较高的费用，且受到地形、环境等 的影响，不适合在海洋等区域建立地面站。基于合同的自动相关监视技术(ADS-C)可以为 海洋等区域上空的飞机提供监视服务，伹其需要卫星提供通信连路，因此其使用费用不可忽 视。基本的ADS-B系统可以实现飞机之间的互相通信，从而使一架飞机获得周围的空中交 通态势信息，提高飞机的预防碰撞的能力，达到安全飞行的目的。但由于机载通信系统受到 能量、飞机载重量和天线的通信覆盖范围的限制，其能够获得的空中交通态势信息量是有限 的。如附图1所示，A飞机在向前飞行时会发现B在其前方，B会发现C在其前方，但A 无法发现C也在其前方，而A存在着与C相撞的可能。因此需要扩展A飞机的监视范围。 一种方法是扩大A飞机的发射机功率，这样需要A飞机装载更多的能源，并更换大功率的发射机，经济效益不理想。另一种方法是借助B飞机将C飞机的态势信息传递给A飞机。C 飞机处于B飞机的通信覆盖范围内，B飞机可"看见"C飞机，同时B飞机也可以"看见"A 飞机，但A飞机和C飞机是互不可见的。借助于B飞机，就可以达到A飞机和C飞机互相可 见的效果，从而增大A飞机的动态监视范围。这样，B飞机不仅需要传输B自身的数据，还要负责传送B飞机监视范围内其他飞机的 数据，如A飞机；B不仅充当网络中的"一般节点"的角色，还要充当"数据转发节点"的 角色；B是一个具有多重功能的节点。该方法的思想示意图如图2所示。目前，支持ADS-B功能的数据链有三种，分别是1090MHz扩展S模式应答机、甚高 频数据链模式4和通用访问收发信机(Universal Access Transceiver, UAT)。 UAT数据链 是美国开发的一种数据链，它具有系统结构简单、稳定性强数据传送率高的特点，目前已被 国际民航组织批准用于通用航空。通用访问收发信机帧结构如图3所示。数据链的报文传输 综合应用了时分访问和随机访问两种方式，其基本的发送管理单位为一个帧。根据数据链协 议标准，每个UAT帧时长为1秒，与通过世界时间(UTC)秒时间同步。每一帧的时间又 分为两部分，分别用于转发信息广播和自身信息广播。每一帧的时间划分为4段，转发信息 广播时长为176ms,共划分为32个时隙，每个时隙5.5 ms， 一个转发时隙包括22个MSO (Message Start Opportunity),采用相对固定的时隙预分配方式进行管理，每个转发信 息的飞机每秒钟只能广播一个转发消息。当飞机之间相距足够远而不构成通信范围的重叠覆 盖时，可以使用相同的时间片，以提高频率的复用率。转发信息广播与自身信息广播之间预 留12ms的保护时间，用于转发信息广播与自身信息广播之间的隔离。飞机占用时间段时长 共800ms，每个时隙包括l个MSO，长为250 His。自身信息广播采用伪随机时隙选择的 方式进行，从3200个时隙中选择一个合适的时隙进行广播。每个UTC秒的最后12ms预 留为保护间隔，以确保最后的广播有足够的时间传播到有效的覆盖空间，避免与后续的转发 信息广播之间发生交叉重叠。Maggie X. Cheng等在其论文《The Connectivity of Ad Hoc Network for Advanced Air Traffic Management》中基于UAT数据链提出了一种与ad hoc网络相关的空中交通 管理系统，该系统可以增强机载ADS-B系统的监视性能，尤其可以提高机载ADS-B系统的 监视范围；但该论文仅仅给出了一种构想，并未给出这种系统的具体实施方案。 发明 内 容本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法和装置，采取了自组织通信技术，这 种方法充分利用飞机自身的ADS-B信息和其他飞机的ADS-B信息，基于现有的通用访问收发 信机，通过转发其他飞机的ADS-B信息达到增大监视范围的目的。该方法能够使现有的飞机 监视半径增大，从而使飞行员更好的掌握空中交通信息，维护空中交通安全。本方法的总体计算量与空中交通流量成正比，计算步骤简单，对机载计算机处理器的性能要求不高，完全 可以通过普通嵌入式计算机系统实现。一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置，包括信息管理单元和通信管理单元；信息 管理单元对接收的ADS-B信息和GNSS导航信息解析、提取后进行分析处理，更新交通信息 表，将得出的状态转换信息通过接口传递到通信管理单元，并将生成的ADS-B信息放入数据 队列中传递到通信管理单元；通信管理单元更新转发时隙表、并根据状态转换信息调用更新 后的转发时隙表生成时隙预约/释放信息，最终将飞机的ADS-B信息发送到ADS-B信号收发 信机；所述信息管理单元包括ADS-B信息解析模块、ADS-B信息提取模块、GNSS信息解析模 块、GNSS信息提取模块和状态转换控制模块，还包括交通信息表更新模块；ADS-B信息解 析模块和GNSS信息解析模块分别将接收到的两路ADS-B信息和GNSS信息进行解析； ADS-B信息提取模块和GNSS信息提取模块分别提取一部分解析后的信息并分别输入到交通 信息表更新模块用于更新交通信息表；交通信息表更新模块通过输入的解析后的部分ADS-B 信息和部分GNSS信息对当前飞机所获得的空中交通状况进行更新；状态转换控制模块调用 交通信息表并通过各个飞机覆盖范围的计算判定该机下一秒所处的状态，通过接口将状态转 换信息传递给通信管理单元；同时，生成的ADS-B信息也放入数据队列中传递到通信管理单 元。所述交通信息表更新模块根据所接收的ADS-B信息对交通信息表进行更新；交通信息 表更新模块处理每架飞机的交通信息时首先提取该飞机的24位地址码，并根据24位地址码 判断该飞机的交通信息是否已存在于交通信息表中，若是，则只需对该飞机的交通信息进行 更新；若否，则需要在交通信息表的末尾添加一个新的表项，并将该飞机的24位地址码、 经度、纬度、高度、速度添到表项中。所述通信管理单元由转发时隙表更新模块、时隙预约信息生成模块组成；转发时隙表更 新模块从其他飞机的ADS-B信息中提取时隙预约信息和相应飞机的24位地址码对转发时隙表进行更新，时隙预约信息生成模块在转发时隙表中选择相应的时隙，进行预约或者释放， 并将相关信息与本飞机的ADS-B信息组成一份数据一起发送。所述转发时隙表更新模块负责对转发时隙表进行更新，获得最新的转发时隙表的占用情 况；转发时隙表更新模块首先确定参加当前秒的转发时隙表更新飞机的数目，然后对具有时 隙预约请求的每架飞机逐个判断其时隙预约信息类型；若为释放相应的时隙，则转发时隙表 更新单元将转发时隙表中某个时隙的占用信息清空；若为预约时隙信息，转发时隙表更新单元要首先按照飞机的24位地址码从小到大进行排序;优先给24位地址码小的飞机分配时隙； 当某架飞机所预约的时隙已被其他飞机预约时，则等待最后一架飞机的时隙预约完成后再为其分配时隙；第一轮时隙分配结束后，再按24位地址码从小至大的顺序，从当前未被预约 或占用的时隙中选取时隙数最小的时隙分配给该飞机；当仍有飞机的时隙分配未完成时，则 这些时隙分配未完成的飞机等待5秒后再次发送时隙预约信息，并参加时隙预约分配。所述时隙预约信息生成模块中，若本飞机需要预约时隙，则在更新后的转发时隙表中， 时隙预约信息生成纟莫块选择时隙号码最小的一个时隙，将其作为飞机本身预约的时隙号码添 加到本飞机的ADS-B信息中，并将预约时隙标志设为1;若本飞机需要释放时隙，则在更新 完毕的转发时隙表中，时隙预约信息生成模块选择本飞机24位地址码对应的时隙，将其清 除，并将所清除的时隙号码添加到本飞机的ADS-B信息中，同时将释放时隙标志设为0。所述交通信息表中每一列为交通信息表的一个表项，记录每架飞机的24位地址码、经 度、纬度、高度和速度；交通信息表的长度根据所接收到的ADS-B信息的多少发生长短的 变化。所述转发时隙表由32个单元组成，表示了 32个转发时隙被占用的情况，该表根据当前 飞机所收到的其他飞机的ADS-B信息对32个时隙的占用情况不断进行更新，及时反映出时 隙被占用的情况；该表每个单元存储了时隙号码、占用/释放的标志、所占用飞机的24位地 址码。一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法，包括如下步骤步骤l:信息管理单元中的ADS-B信息解析模块和GNSS信息解析模块分别接收ADS-B 信息和GNSS导航信息，分别对ADS-B信息和GNSS导航信息进行解析，得到各飞机的24位 地址码、经纬度以及高度、航向角、速度、时间信息；步骤2:信息管理单元中的ADS-B信息提取模块提取解析后的24位地址码、经度、讳度、 高度、速度；信息管理单元中的GNSS信息提取模块提取解析后的经度、讳度、高度和速度 信息；ADS-B信息提取模块和GNSS信息提取模块将提取后的ADS-B信息和GNSS导航信息 分别分两路发送到信息管理单元中的交通信息表更i^莫块；步骤3:信息管理单元中的交通信息表更新模块根据GNSS信息更新本机的位置信息；如 果飞机当前收到其他飞机的ADS-B信息，交通信息表更新模块则从收到的其他飞机的ADS-B 信息中，提取排在最前的飞机的24位地址码，判断该机是否已在交通信息表中；若在，则更 新此飞机的经度、纬度、高度；若不在，则将此飞机的24位地址码、经度、纬度、高度写入 新添加的表项中；逐架处理各个飞机的ADS-B信息，直至全部待处理飞机处理完毕；步骤4:交通信息表更新模块将该飞机当前通信覆盖范围内的所有飞机的位置信息发送到 状态转换控制模块中，根据经度'、纬度、高度计算出两架飞机的通信覆盖范围；以组合的计 算方式成对判断所有飞机间的通信覆盖范围，根据得到的通信覆盖情况生成状态转换信息；步骤5: ADS-B信息解析模块解析出的ADS-B信息从信息管理单元传送到通信管理单元；状态转换信息通过状态转换信息传送接口传送；通信管理单元的转发时隙表更新模i央从 数据队列的其他飞机的ADS-B信息中提取时隙预约信息和相应飞机的24位地址码更新转发时隙表；步骤6:通信管理单元的时隙预约信息生成模块根据状态转换信息判断本飞机所属状态； 若本飞机需要预约时隙，则时隙预约信息生成模块提取转发时隙表中时隙号码最小且未被预 约的时隙，在飞机本身的ADS-B信息中将此时隙号码添加为飞机本身的预约时隙号码，并添 加预约时隙标志；若本飞机需要释放时隙，则将转发时隙表中本飞机24位地址码清除，时隙 预约信息生成模块从转发时隙表中提取本飞机所占用时隙的时隙号码；在飞机本身ADS-B信 息中将此时隙号码添加为飞机本身的释放时隙号码，并添加释放时隙标志；将添加完时隙预 约/释放信息的飞机本身的ADS-B信息发送到ADS-B信号发射器；如果不需要预约时隙或释放时隙，则本方法结束。所述步骤5中，转发时隙表更新4莫块更新包括如下步骤1. 转发时隙表更新模块提取其他飞机的时隙预约信息和相应24位地址码，判断本飞机 是否在上一秒发送了时隙预约信息；若是，则本飞机的时隙预约信息也要参加当前秒的转发时隙表的更新；否则本飞机的时隙预约信息不参加转发时隙表的更新，只有其他飞机参加当 前的转发时隙表的更新；2. 转发时隙表更新模块判断时隙预约请求飞机的时隙预约信息类型；若为释放相应的时 隙状态，则转发时隙表更新模块将转发时隙表中某个时隙的占用信息清空；若为预约时隙信 息状态，转发时隙表更模块将飞机的24位地址码从小到大进行排序；3. 转发时隙表更新模块按24位地址码由小到大的顺序为飞机分配时隙；当某架飞机所 预约的时隙已被其他飞机预约时，则在所有飞机时隙预约完成后再为其分配时隙；4. 转发时隙表更新模块按24位地址码从小到大的顺序从当前未被预约或占用的时隙 中，选取时隙数最小的时隙分配给未分配时隙的飞机，直至所有飞机的时隙分配完成；5. 当32个时隙已经完全被预约或占用，而仍有飞机的时隙分配未完成时，则这些时隙 分配未完成的飞机延迟5秒再次发送时隙预约信息。本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法和装置的效果在于1. 本发明基于ADS-B空管监视技术，充分利用飞机所接收到的ADS-B信息，根据其 他飞机的位置信息，判断飞机所处的状态，并通过在适当的时候转发其他飞机的ADS-B信 息，扩大飞机的监视范围。2. 本发明完全依靠飞机机载电子设备和卫星导航接收机，不需要建设地面站，也不需要 卫星提供通信链路，为一种具有自组织性和协作式的飞行动态监视方案。尤其适合于飞机跨 海洋或者恶劣环境条件下的飞行。


图1是基本的ADS-B系统的监视范围受限示意图；图2是一种扩展ADS-B监视范围的过程示意图；图3是通用访问收发信机的自组织航空数据通信帧结构的结构图；图4是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法的流程图；图5是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置的系统示意图；图6是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置的信息管理单元示意图；图7是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法和装置的交通信息表结构示意图；图8是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置中状态转换控制模块控制的 飞机状态转换示意图；图9是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置的通信管理单元结构示意图； 图10是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法和装置的转发时隙表结构示 意图；图11是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置的转发时隙表更新模块的工 作流程图。图12(a)是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置的时隙预约信息生成模块 的预约时隙的示意图；图12(b)是本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置的时隙预约信息生成模块 的释放时隙的示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行描述。本发明一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法，如图4所示，包括如下步骤 步骤l: ADS-B信息解析模块和GNSS信息解析模块分别接收ADS-B信息和GNSS导航 信息，并对两路ADS-B信息和GNSS信息进行解析。根据国际民航组织的规定，ADS-B信息 应符合AsterixCAT21/33标准，解析程序要根据该标准编写；ADS-B信息解析完成后，可 以得到这些ADS-B信息所对应飞机的24位地址码、经纬度以及高度、航向角、速度、时间等 信息。对于采用GPS系统的GNSS导航系统，其报文符合GPS导航电文规范；GNSS信息解 析模块负责依据GPS导航电文规范对所接收的导航电文进行解析。步骤2: ADS-B信息解析模块和GNSS信息解析模块解析完成后，ADS-B信息提取模块 和GNSS信息提取模块分别提取一部分解析后的信息;ADS-B信息提取模块提取的信息包括: 飞机的24位地址码、经度、纬度、高度、速度；GNSS信息提取模块提取的信息包括经度、纬度、高度和速度信息；提取过后的ADS-B信息和GNSS信息分别分两路发送到交通信息表 更新模块。交通信息表更新模块将根据ADS-B信息和GNSS信息对交通信息表进行更新。步骤3:交通信息表更新模块根据输入的本机GNSS信息更新本飞机的交通信息,根据其 他飞机的ADS-B信息更新其他飞机的交通信息。飞机从来自GNSS接收机中得到飞机自身的 经度、讳度、高度、速度信息，并用这些信息更新交通信息表中本飞机的经度、讳度和高度。 如果飞机当前收到其他飞机的ADS-B信息，交通信息表更新模块根据收到的ADS-B信息获得 当前与本飞机通信的飞机的数目，从收到的其他飞机的ADS-B信息中，提取排在最前面的飞 机的24位地址码、经度、纬度、髙度。根据该架飞机的24位地址码，判断该飞机的上述信息 是否已在交通信息表中。如图7所示，为交通信息表的结构每一列为交通信息表的一个表项， 记录每架飞机的24位地址码、经度、纬度、高度和速度。若该架飞机的上述信息在交通信息 表中，则更新此飞机的经度、纬度、高度；若不在，则添加一个新的表项，并将此飞机的24 位地址码、经度、纬度、高度写入新添加的表项中；逐架处理各个飞机的ADS-B信息，直至 全部待处理飞机处理完毕。步骤4:交通信息表更新模块从交通信息表中获取该飞机当前通信覆盖范围内的所有飞机 的位置信息(包括经度、纬度、高度、速度)发送到状态转换控制模块中，并由状态转换控 制模块根据飞机的接收机类型得到该飞机的通信覆盖半径；状态转换控制模块根据经度、纬度、高度及通信覆盖半径得出两架飞机的通信覆盖范围；判断两者是否存在交集，若有交集， 则两架飞机可以互相通信，否则两架飞机不能互相通信。如果存在两架飞机不能够互相通信，若本飞机当前处于一般状态，状态转换控制模块向通信管理单元发送指示信息本飞机已进入预约状态，需要发送预约信息；若飞机处于预约状态，则飞机需要根据通信管理单元的转发时隙分配协商结果，若飞机时隙分配成功，则进入转发状态，否则仍旧保持在预约状态，并在5秒后重新发送预约信息；若飞机处于转发状态， 则判断飞机仍旧处于转发状态。若两架飞机可以互相通信则继续判断其他飞机是否可以互相通信，直到所有飞机间的通 信状况计算完毕。如果所有的飞机都能够互相通信，当飞机当前处于转发状态时，状态转换控制模块向通 信管理单元发送指示信息飞机已进入释放状态，需要发送转发时隙释放信息；若飞机处于释放状态或飞机当前处于一般状态，则判断飞机处于一般状态。步骤5:信息管理单元将所有ADS-B信息以队列的形式从信息管理单元传送到通信管理 单元。每个队列包含上一秒飞机自身的ADS-B信息和接收的所有的ADS-B信息；队列中包含 多个数据包，每个数据包是一条ADS-B报文；通信管理单元每次将数据队列中所有的数据读 取到自身的存储器中，准备将这些数据发送出去。状态转换信息不通过数据队列传送到通信管理单元，而是通过状态转换信息传送接口传送。通信管理单元从数据队列的其他飞机的ADS-B信息中提取时隙预约信息和相应飞机的 24位地址码更新转发时隙表；其具体步骤如下1. 转发时隙表更新模块其他飞机的ADS-B信息中提取时隙预约信息和相应飞机的24位 地址码。判断本飞机在上一秒是否发送了时隙预约信息，若是，则本飞机的时隙预约信息和 其他飞机的时隙预约信息一起参加当前这一秒的转发时隙表的更新；否则只有其他飞机的时 隙预约信息参加当前这一秒的转发时隙表的更新。2. 转发时隙表更新模块对每架飞机逐个判断其时隙预约信息是预约相应的时隙，还是释 放相应的时隙。若为释放相应的时隙，则将转发时隙表中某个时隙的"占用/释放"位置为0， 并将转发时隙表中该时隙对应的飞机的24位地址码清除。若为预约时隙信息则要首先经过 下面的时隙预约分配程序。转发时隙表更新模块按照飞机的24位地址码从小到大的顺序对 飞机排序，24位地址码小的排在前面，大的排在后面。3. 转发时隙表更新模块进行第一轮时隙分配，优先给24位地址码小的飞机分配时隙。 当某架飞机所预约的时隙已被其他飞机预约时，转发时隙表更新t莫块暂时不给其分配时隙， 等待最后一架飞机的时隙预约完成后再为其分配时隙。4. 当所有的飞机的时隙预约请求经过处理后，第一轮时隙分配结束，转发时隙表更新才莫 块开始进行第二轮时隙分配。转发时隙表更新模块在第二轮时隙分配中给第一轮时隙分配中 未分配到时隙的飞机分配时隙。转发时隙表更新模块按照24位地址码给这些未分配时隙的 飞机分配时隙，分配的时候优先给地址码小的飞机进行时隙分配。分配时隙时，从当前未被 预约或占用的时隙中，选取时隙号码最小的一个时隙分配给该飞机。所有飞机的时隙分配完 成，则程序结束。5. 当32个时隙已经完全被预约或占用，而仍有飞机的时隙分配未完成时，这些飞机等 待5秒后再次发送时隙预约信息。步骤6:当飞机需要发送时隙预约或释放信息时，通信管理单元根据转发时隙表生成时隙 预约/释放信息，并与飞机本身的ADS-B信息组成一帧数据发送。时隙预约信息生成模块根据步骤2所得到的状态转换信息，当飞机由一般状态转换为预约 状态时，时隙预约信息生成模块从转发时隙表中选取时隙号码最小且未被占用的时隙作为本 飞机的预约时隙，并在本飞机的ADS-B信息中添加预约时隙号码和预约标志；当飞机由一般 转发状态转换为释放状态时，状态转换控制模块从转发时隙表中将本飞机的24位地址码对应 的时隙的"占用/释放"位和其24位地址码清除，并在本飞机的ADS-B信息中添加释放时隙 号码和释放标志。将添加完时隙预约/释放信息的飞机本身的ADS-B信息发送到ADS-B信号 发射器；如果不需要预约时隙或释放时隙，则本方法结束。本方法适用于一般的硬件结构设施，比如嵌入式电子计算机系统。图5中给出了实现本方 法的一般硬件结构框图。该框图主要包括三部分ADS-B收发信机、GNSS接收机以及嵌入 式信息处理系统。嵌入式信息处理系统主要包括数据接口、报文解析编码器、信息处理器、 存储器。信息处理器包括信息管理单元和通信管理单元。嵌入式信息处理系统以嵌入式操作 系统(如Windows CE、嵌入式linux等)为软件基础，以嵌入式硬件平台为硬件基础，使 信息管理单元、通信管理单元正常工作。当ADS-B收发信机接收到其他飞机的ADS-B信息后，ADS-B收发信机将这些ADS-B信 息进行变频、放大、AD转换、校验、译码，然后将译码后的ADS-B信息进行报文格式转换， 形成符合嵌入式信息处理系统总线要求的数据报文，并将这部分信息通过数据接口发送到嵌 入式信息处理系统。同样，GNSS接收机也会将GNSS导航信息通过数据接口送到嵌入式信 息处理系统。GNSS接收机的卫星导航天线接收来自导航卫星的信息，通过飞机机载的数据 线传送到嵌入式信息处理系统。存储器中存储了交通信息表和转发时隙表。交通信息表给出了所有能够与本飞机通信的 飞机的空中交通状况；转发时隙表给出了转发时隙表被利用的情况。交通信息表是一个可变 长度的表，表中分为若干个数据单元，每个数据单元包含飞机的24位地址码、经度、纬度、 高度信息。信息处理器中的交通信息更新模块会不断对交通信息表珠行更新。当某架飞机的 信息已经存储在交通信息表中时，则更新该飞机的交通信息时，只需更改该飞机的经度、讳 度、高度信息；当某架飞机的信息尚未存储在交通信息表中时，则在表的末尾添加一个新的 交通信息表，并将该飞机的24位地址码、经度、纬度、髙度信息添加到此表中。数据接口控制模块控制数据在嵌入式信息处理系统和ADS-B收发信机和GNSS接收机之 间的传送。当接收到的ADS-B数据要向嵌入式信息处理系统传送时，数据接口控制模块将控 制数据接口读入所接收的ADS-B数据，并将GNSS数据和发送ADS-B的数据保持在等待状 态;当接收ADS-B的数据传送已经完成时，数据接口控制模块将数据接口释放出来用于GNSS 数据接收和发送ADS-B数据。报文解析编码器包含了ADS-B信息解析模块和GNSS信息解析模块，ADS-B信息解析模 块和GNSS信息解析模块分别将接收到的两路ADS-B信息和GNSS信息进行解析。ADS-B的 报文符合Asterix CAT21或者33报文规范，解析ADS-B报文的时候要依照这两个报文编码规 范进行。对ADS-B信息进行编码的时候也要依照这两个报文编码规范进行。在具体实施例中 的GNSS信息采用的是GPS卫星导航系统，其报文符合GPS导航电文规范，对其解析也应依 照GPS导航电文规范进行。信息处理器中包含信息管理单元和通信管理单元。信息管理单元包括ADS-B信息提取模 块、GNSS信息提取模块、交通信息更新模块以及状态转换控制模块。通信管理单元包括时隙预约更新模块和时隙预约信息生成模块。信息处理器通过ADS-B信息提取模块和GNSS信 息提取模块从报文解析编码器解析后的ADS-B信息和GNSS信息中提取部分ADS-B信息和 GNSS信息；交通信息更新模块和状态转换控制模块利用提取后的信息对存储器中的交通信 息表进行更新并生成飞机的状态转换信息。通信管理单元中的时隙预约更新模块根据所接收 ADS-B信息中的时隙预约信息对存储器中的转发时隙表进行更新；转发时隙表更新完毕后，由时隙预约信息生成模块根据状态转换信息生成本飞机的时隙预约信息。所述的信息管理单元如图6所示，包括ADS-B信息解析模块、ADS-B信息提取模块、交 通信息表更新模块、状态转换控制模块、GNSS信息解析模块和GNSS信息提取模块。ADS-B 信息解析模块和GNSS信息解析模块分别将接收到的两路ADS-B信息和GNSS信息进行解 析；ADS-B信息提取模块和GNSS信息提取模块分别提取一部分解析后的信息并将这部分信 息分别输入到交通信息表更新模块对存储器中的交通信息表进行更新，得到最新时刻的交通 信息表；状态转换控制4莫块根据最新的交通信息表得到飞机的状态转换信息，将得到的状态 转换信息传递给通信管理单元。同时，飞机所接收的ADS-B信息要通过数据队列传递到通信 管理单元。 '所述的交通信息表更新模块负责对交通信息表进行更新。交通信息表更新模块根据收到 的ADS-B信息获得当前与本飞机通信的飞机的数目，然后从这些ADS-B信息中提取排在最前 面的飞机的24位地址码、经度、纬度、高度。根据该架飞机的24位地址码，判断该机是否已 在交通信息表中。如图7所示，为交通信息表的结构每一列为交通信息表的一个表项，记录 每架飞机的24位地址码、经度、纬度、高度。若该架飞机的上述信息在交通信息表中，则更 新此飞机的经度、讳度、高度；若不在，则添加一个新的表项，并将此飞机的24位地址码、 经度、纬度、高度写入新添加的表项中；逐架处理各个飞机的ADS-B信息，直至全部待处理 飞机处理完毕。所述状态转换控制模块的状态转换如图8所示。状态转换控制模块将飞机分为四种状态， 并给出了四个状态之间的转换关系。状态转换控制模块中飞机的四个状态为一般状态、预约 状态、转发状态和释放状态。飞机通常处于一般状态下，即飞机不转发其他飞机的ADS-B信 息，仅接收其他飞机的ADS-B信息并发送本飞机的ADS-B信息。当本飞机通过计算发现其监 视范围内存在两架飞机不能够相互通信时，则该飞机需要预约时隙来转发其他飞机的ADS-B 信息；该飞机在预约时隙时处于预约状态。当该飞机预约时隙成功后，飞机由预约状态转换 为转发状态，否则，飞机仍旧处于预约状态。若飞机处于转发状态，当飞机监视范围内任意 两架飞机间都能够互相通信时，则该架飞机不再需要转发其他飞机的ADS-B信息，飞机需要 释放其所占用的时隙，此时飞机由转发状态进入释放状态；飞机在释放状态时需要发送释放 时隙信息。当飞机将释放时隙信息发送完毕后，进入1状态。所述的通信管理单元如图9所示，包括转发时隙表更新模块、时隙预约信息生成模块。 通信管理单元负责根据飞机从信息管理单元输出的数据队列中的ADS-B信息中获取时隙预约信息，及时更新转发时隙表；时隙预约信息生成模块调用时隙更新模块得到的最新的转发 时隙表以及飞机状态转换控制信息生成本飞机的时隙预约/释放信息，最后将生成的ADS-B 信息发送到ADS-B收发信机。所述的转发时隙表如图IO所示，它给出了32个转发时隙被占用的情况，该表根据当前 飞机所收到的其他飞机的ADS-B信息对32个时隙的占用情况不断进行更新，及时反映出转 发时隙被占用的情况。该表包括32个单元，每个单元存储了时隙号码、占用/释放的标志、 所占用飞机的24位地址码。当某个时隙被占用时，比如时隙1，则时隙1中占用/释放标志 将置l;同时，占用该时隙的飞机的24位地址码也会写到单元中的24位地址码中。若某个 时隙被释放或未被占用，则该时隙的占用/释放标志将被置0，同时24位地址码也将清空。 转发时隙表的更新是根据本飞机所接收到的其他飞机的ADS-B信息来完成的。更新时按照 24位地址码大小安排各个飞机时隙预约的顺序，优先给24位地址码小的飞机分配时隙；当 某架飞机的时隙预约请求得不到满足时，则该架飞机需要在5秒后再次发送时隙预约信息。所述的转发时隙表更新模块流程图如图11所示，如果本飞机在上一秒发送了时隙预约 信息，则本飞机的时隙预约信息也要参加当前这一秒的转发时隙表的更新；否则只有本飞机 所接收到的其他飞机的时隙预约信息参加当前这一秒的时隙更新。接着转发时隙表更新模块 对具有时隙预约请求的飞机逐个判断其时隙预约信息类型；若为释放时隙请求，则转发时隙 表更新模块将转发时隙表中某个时隙的占用信息清空，然后判断所有飞机的时隙预约/释放请 求是否处理完毕。若为预约时隙请求，转发时隙表更新模块要首先将飞机的24位地址码从 小到大进行排序，然后判断所有飞机的时隙预约/释放请求是否处理完毕。若所有飞机的时隙 预约/释放请求未处理完毕，则转发时隙表更新模块继续判断下一架飞机的时隙预约信息类 型，直至所有飞机的预约/释放信息处理完毕。若所有飞机的预约/释放信息处理完毕则转发 时隙表中所有需要释放的时隙的占用信息被清空，需要预约时隙飞机的24位地址码排序完 毕，下面需要对预约时隙请求进行处理。转发时隙表更新模块按照24位地址码由小到大的 顺序处理各个预约时隙飞机的预约时隙请求。转发时隙表更新模块处理某架飞机的预约时隙 请求时，首先判断该飞机所预约的时隙是否被其他飞机所占用。若是，则该架飞机等待所有 飞机的预约时隙请求处理完成后再进行时隙分配。若不是，则转发时隙表更新模块将该飞机 预约的时隙在转发时隙表中设置为占用，并将该飞机的24位地址码添加到转发时隙表相应 的时隙中。每架飞机的时隙预约请求处理完成后都要判断是否所有飞机的预约请求处理完成， 若否则转发时隙表更新模块继续处理下一架飞机的时隙预约请求，若是则转发时隙表更新模 块判断是否存在飞机尚未分配时隙。若不存在飞机尚未分配时隙，则转发时隙表更新结束；若存在飞机尚未分配时隙，则转发时隙表更新模块将所有未分配时隙的飞机按照24位地址 码从小到大排序，并将32个转发时隙中未被占用的时隙从小到大逐个分配给这些飞机。32 个时隙均被分配完后，转发时隙表更新模块判断是否存在飞机尚未分配时隙，若是，则未分 配时隙的飞机等待5秒后重新发送时隙预约请求，该架飞机在5秒之后重新参加转发时隙表 的更新过程；若否则转发时隙表更新结束。所述时隙预约信息生成模块如图12(a) 、 12(b)所示，飞机根据状态转换信息判断本飞机 所属状态；若本实施例中飞机的24位地址码为abc，当其需要预约时隙，如图12(a)中所示， 则时隙预约信息生成模块提取转发时隙表中时隙号码最小且未被预约的时隙，转发时隙表中 时隙号码为8的时隙号码最小，且该时隙未被占用，为空闲状态，则对应的"占用/释放"位 值为O, 24位地址码值为NULL;时隙预约信息生成模块将"占用/释放"位置为l,并将本 飞机的24位地址码写入到转发时隙表中时隙8对应的24位地址码；在生成的ADS-B信息中， 预约时隙号码即为转发时隙表中的对应的时隙号码8，并将预约标志置为l。若本实施例中飞 机的24位地址码为abc，当其需要释放时隙，如图12(b)所示，则其占用的时隙8的"占用/ 释放"位值为l， 24位地址码值为abc;时隙预约信息生成模块将转发时隙表中本飞机24位 地址码abc更改为NUL L,并将"占用/释放"位置为O;时隙预约信息生成模块从转发时 隙表中提取本飞机所占用时隙的时隙号码8，并在飞机本身ADS-B信息中将此时隙号码8添加 为飞机本身的释放时隙号码，并添加释放时隙标志置为O。将添加完时隙预约/释放信息的飞 机本身的ADS-B信息通过报文解析编码器对ADS-B信息编码，并通过数据接口将编码后的 ADS-B信息发送到ADS-B收发信机进行ADS-B信号发射；如果飞机不需要预约时隙或释放 时隙，则无前述过程。
权利要求
1、一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置，包括信息管理单元和通信管理单元；信息管理单元对接收的ADS-B信息和GNSS导航信息解析、提取后进行分析处理，更新交通信息表，将得出的状态转换信息通过接口传递到通信管理单元，并将生成的ADS-B信息放入数据队列中传递到通信管理单元；通信管理单元更新转发时隙表、并根据状态转换信息调用更新后的转发时隙表生成时隙预约/释放信息，最终将飞机本身的ADS-B信息发送到ADS-B信号收发信机；所述信息管理单元包括ADS-B信息解析模块、ADS-B信息提取模块、GNSS信息解析模块、GNSS信息提取模块和状态转换控制模块，其特征在于，还包括交通信息表更新模块；ADS-B信息解析模块和GNSS信息解析模块分别将接收到的两路ADS-B信息和GNSS信息进行解析；ADS-B信息提取模块和GNSS信息提取模块分别提取一部分解析后的信息并分别输入到交通信息表更新模块用于更新交通信息表；交通信息表更新模块通过输入的解析后的部分ADS-B信息和部分GNSS信息对当前飞机所获得的空中交通状况进行更新；状态转换控制模块调用交通信息表并通过各个飞机覆盖范围的计算判定该机下一秒所处的状态，通过接口将状态转换信息传递给通信管理单元；同时，生成的ADS-B信息也放入数据队列中传递到通信管理单元；所述交通信息表更新模块根据所接收的ADS-B信息对交通信息表进行更新；交通信息表更新模块处理每架飞机的交通信息时首先提取该飞机的24位地址码，并根据24位地址码判断该飞机的交通信息是否已存在于交通信息表中，若是，则只需对该飞机的交通信息进行更新；若否，则需要在交通信息表的末尾添加一个新的表项，并将该飞机的24位地址码、经度、纬度、高度、速度添到表项中；所述通信管理单元由转发时隙表更新模块、时隙预约信息生成模块组成；转发时隙表更新模块从其他飞机的ADS-B信息中提取时隙预约信息和相应飞机的24位地址码对转发时隙表进行更新，时隙预约信息生成模块在转发时隙表中选择相应的时隙，进行预约或者释放，并将相关信息与本飞机的ADS-B信息组成一份数据一起发送；所述转发时隙表更新模块负责对转发时隙表进行更新，获得最新的转发时隙表的占用情况；转发时隙表更新模块首先确定参加当前秒的转发时隙表更新飞机的数目，然后对具有时隙预约请求的每架飞机逐个判断其时隙预约信息类型；若为释放相应的时隙，则转发时隙表更新单元将转发时隙表中某个时隙的占用信息清空；若为预约时隙信息，转发时隙表更新单元要首先按照飞机的24位地址码从小到大进行排序；优先给24位地址码小的飞机分配时隙；当某架飞机所预约的时隙已被其他飞机预约时，则等待最后一架飞机的时隙预约完成后再为其分配时隙；第一轮时隙分配结束后，再按24位地址码从小至大的顺序，从当前未被预约或占用的时隙中选取时隙数最小的时隙分配给该飞机；当仍有飞机的时隙分配未完成时，则这些时隙分配未完成的飞机等待5秒后再次发送时隙预约信息，并参加时隙预约分配；所述时隙预约信息生成模块中，若本飞机需要预约时隙，则在更新后的转发时隙表中，时隙预约信息生成模块选择时隙号码最小的一个时隙，将其作为飞机本身预约的时隙号码添加到本飞机的ADS-B信息中，并将预约时隙标志设为1；若本飞机需要释放时隙，则在更新完毕的转发时隙表中，时隙预约信息生成模块选择本飞机24位地址码对应的时隙，将其清除，并将所清除的时隙号码添加到本飞机的ADS-B信息中，同时将释放时隙标志设为0。
2、 根据权利要求1所述一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置，其特征在于所述交 通信息表中每一列为交通信息表的一个表项，记录每架飞机的24位地址码、经度、续度、 高度和速度；交通信息表的长度根据所接收到的ADS-B信息的多少发生长短的变化。
3、 根据权利要求1所述一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的装置，其特征在于所述转 发时隙表由32个单元组成，表示了 32个转发时隙被占用的情况，该表根据当前飞机所收到 的其他飞机的ADS-B信息对32个时隙的占用情况不断进行更新，及时反映出时隙被占用的 情况；该表每个单元存储了时隙号码、占用/释放的标志、所占用飞机的24位地址码。
4、 一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤l::信息管理单元中的ADS-B信息解析模块和GNSS信息解析模块分别接收ADS-B 信息和GNSS导航信息，分别对ADS-B信息和GNSS导航信息进行解析，得到各飞机的24位 地址码、经纬度以及高度、航向角、速度、时间信息；步骤2::信息管理单元中的ADS-B信息提取模块提取解析后的24位地址码、经度、讳度、 高度、速度；信息管理单元中的GNSS信息提取模块提取解析后的经度、纬度、高度和速度 信息；ADS-B信息提取模块和GNSS信息提取模块将提取后的ADS-B信息和GNSS导航信息分别分两路发送到信息管理单元中的交通信息表更新模块；步骤3:信息管理单元中的交通信息表更新模块根据GNSS信息更新本机的位置信息；如 果飞机当前收到其他飞机的ADS-B信息，交通信息表更新模块则从收到的其他飞机的ADS-B 信息中，提取排在最前的飞机的24位地址码，判断该机是否已在交通信息表中；若在，则更 新此飞机的经度、纬度、高度；若不在，则将此飞机的24位地址码、经度、纬度、高度写入 新添加的表项中；逐架处理各个飞机的ADS-B信息，直至全部待处理飞机处理完毕；步骤4:交通信息表更新模块将该飞机当前通信覆盖范围内的所有飞机的位置信息发送到 状态转换控制模块中，根据经度、纬度、高度计算出两架飞机的通信覆盖范围；以组合的计 算方式成对判断所有飞机间的通信覆盖范围，根据得到的通信覆盖情况生成状态转换信息；步骤5: ADS-B信息解析模块解析出的ADS-B信息从信息管理单元传送到通信管理单元；状态转换信息通过状态转换信息传送接口传送；通信管理单元的转发时隙表更新模块从 数据队列的其他飞机的ADS-B信息中提取时隙预约信息和相应飞机的24位地址码更新转发时隙表；步骤6:通信管理单元的时隙预约信息生成模块根据状态转换信息判断本飞机所属状态; 若本飞机需要预约时隙，则时隙预约信息生成模块提取转发时隙表中时隙号码最小且未被预 约的时隙，在飞机本身的ADS-B信息中将此时隙号码添加为飞机本身的预约时隙号码，并添 加预约时隙标志；若本飞机需要释放时隙，则将转发时隙表中本飞机24位地址码清除，时隙 预约信息生成模块从转发时隙表中提取本飞机所占用时隙的时隙号码；在飞机本身ADS-B信 息中将此时隙号码添加为飞机本身的释放时隙号码，并添加释放时隙标志；将添加完时隙预 约/释放信息的飞机本身的ADS-B信息发送到ADS-B信号发射器；如果不需要预约时隙或释 放时隙，则本方法结束。
5、根据权利要求4所述一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法，其特征在于所述步骤 5中，转发时隙表更新模块更新包括如下步骤1) .转发时隙表更新模块提取其他飞机的时隙预约信息和相应24位地址码，判断本飞机 是否在上一秒发送了时隙预约信息；若是，则本飞机的时隙预约信息也要参加当前秒的转发 时隙表的更新；否则本飞机的时隙预约信息不参加转发时隙表的更新，只有其他飞机参加当 前的转发时隙表的更新；2) .转发时隙表更新模块判断时隙预约请求飞机的时隙预约信息类型；若为释放相应的时 隙状态，则转发时隙表更新模块将转发时隙表中某个时隙的占用信息清空；若为预约时隙信 息状态，转发时隙表更模块将飞机的24位地址码从小到大进行排序；3) .转发时隙表更新模块按24位地址码由小到大的顺序为飞机分配时隙；当某架飞机所 预约的时隙已被其他飞机预约时，则在所有飞机时隙预约完成后再为其分配时隙；4) .转发时隙表更新模块按24位地址码从小到大的顺序从当前未被预约或占用的时隙 中，选取时隙数最小的时隙分配给未分配时隙^f飞机，直至所有飞机的时隙分配完成；5) .当32个时隙已经完全被预约或占用，而仍有飞机的时隙分配未完成时，则这些时隙 分配未完成的飞机延迟5秒再次发送时隙预约信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于ADS-B的扩展飞机监视范围的方法和装置，提供了一种基于ADS-B信息的扩展飞机动态监视范围的信息处理方法和装置，该方法通过解析飞机所接收的ADS-B信息及GNSS信息，获取各个飞机的空中交通信息，并及时更新飞机的标识和位置信息，计算并判决飞机当前所处的状态，当飞机监视范围内存在互不通信的飞机时，则飞机进入转发状态，此时飞机在转发时隙中选择一个时隙用于转发其他飞机的ADS-B信息，达到扩展飞机动态监视范围的目的。本发明完全依靠飞机机载电子设备和卫星导航接收机，为一种具有自组织性和协作式的飞行动态监视方案。尤其适合于飞机跨海洋或者恶劣环境条件下的飞行。
文档编号G08G5/00GK101334936SQ20081011806
公开日2008年12月31日 申请日期2008年8月7日 优先权日2008年8月7日
发明者伟 刘, 军 张, 朱衍波, 熙 林, 飞 黄 申请人:民航数据通信有限责任公司;北京航空航天大学