[发明专利]一种基于ADS－B的扩展飞机监视范围的方法和装置

说明书

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。

背景技术

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采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，但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5.5ms，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1个MSO，长为250μs。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。