專利名稱：一種基于ads-b的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)載信息處理方法和裝置，特別是一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范 圍的方法和裝置，屬于空中交通管制領(lǐng)域。
技術(shù)背景空中交通管制的根本目的是使航線上的飛機(jī)安全、有效和有計劃的在空域中飛行，管制 員需要對管制空域內(nèi)飛機(jī)的飛行動態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視。傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視手段釆用詢問應(yīng)答方式對目標(biāo)探測。從長遠(yuǎn)來看，雷達(dá)系統(tǒng)自身具有很 多局限性，限制了監(jiān)視性能的提高。雷達(dá)波束的直線傳播形成了大量雷達(dá)盲區(qū)，無法覆蓋海 洋和荒漠等地區(qū)；雷達(dá)旋轉(zhuǎn)周期限制了數(shù)據(jù)更新率的提高，從而限制了監(jiān)視精度的提高；無 法獲得飛機(jī)的計劃航路、速度等態(tài)勢數(shù)據(jù)，限制了跟蹤精度的提高和短期沖突檢測告警STCA 的能力。因此，需要開發(fā)新的監(jiān)視手段。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B(Automatic Dependence Surveillance-Broadcast)利用 航空器自動廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的精確定位信息，地面設(shè)備和其他航空器通 過航空數(shù)據(jù)鏈接收此信息，衛(wèi)星系統(tǒng)、飛機(jī)以及地基系統(tǒng)通過高速數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)空天地一體化 協(xié)同監(jiān)視。ADS-B不僅克服了傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視手段的一些問題，并且具有精度高、更新率高、 應(yīng)用范圍廣、地面設(shè)備建設(shè)和維護(hù)費用低等優(yōu)勢。ADS-B技術(shù)可以實現(xiàn)飛機(jī)和飛機(jī)之間的相互監(jiān)視，但其監(jiān)視覆蓋范圍受到飛機(jī)發(fā)射機(jī)、 接收機(jī)性能的限制，難以提供更大范圍內(nèi)的監(jiān)視信息。廣播式交通信息服務(wù)TIS-B技術(shù)可以 為飛機(jī)提供空中交通信息服務(wù)，但建造TIS-B地面站需要較高的費用，且受到地形、環(huán)境等 的影響，不適合在海洋等區(qū)域建立地面站。基于合同的自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)(ADS-C)可以為 海洋等區(qū)域上空的飛機(jī)提供監(jiān)視服務(wù)，伹其需要衛(wèi)星提供通信連路，因此其使用費用不可忽 視。基本的ADS-B系統(tǒng)可以實現(xiàn)飛機(jī)之間的互相通信，從而使一架飛機(jī)獲得周圍的空中交 通態(tài)勢信息，提高飛機(jī)的預(yù)防碰撞的能力，達(dá)到安全飛行的目的。但由于機(jī)載通信系統(tǒng)受到 能量、飛機(jī)載重量和天線的通信覆蓋范圍的限制，其能夠獲得的空中交通態(tài)勢信息量是有限 的。如附圖1所示，A飛機(jī)在向前飛行時會發(fā)現(xiàn)B在其前方，B會發(fā)現(xiàn)C在其前方，但A 無法發(fā)現(xiàn)C也在其前方，而A存在著與C相撞的可能。因此需要擴(kuò)展A飛機(jī)的監(jiān)視范圍。 一種方法是擴(kuò)大A飛機(jī)的發(fā)射機(jī)功率，這樣需要A飛機(jī)裝載更多的能源，并更換大功率的發(fā)射機(jī)，經(jīng)濟(jì)效益不理想。另一種方法是借助B飛機(jī)將C飛機(jī)的態(tài)勢信息傳遞給A飛機(jī)。C 飛機(jī)處于B飛機(jī)的通信覆蓋范圍內(nèi)，B飛機(jī)可"看見"C飛機(jī)，同時B飛機(jī)也可以"看見"A 飛機(jī)，但A飛機(jī)和C飛機(jī)是互不可見的。借助于B飛機(jī)，就可以達(dá)到A飛機(jī)和C飛機(jī)互相可 見的效果，從而增大A飛機(jī)的動態(tài)監(jiān)視范圍。這樣，B飛機(jī)不僅需要傳輸B自身的數(shù)據(jù)，還要負(fù)責(zé)傳送B飛機(jī)監(jiān)視范圍內(nèi)其他飛機(jī)的 數(shù)據(jù)，如A飛機(jī)；B不僅充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的"一般節(jié)點"的角色，還要充當(dāng)"數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點"的 角色；B是一個具有多重功能的節(jié)點。該方法的思想示意圖如圖2所示。目前，支持ADS-B功能的數(shù)據(jù)鏈有三種，分別是1090MHz擴(kuò)展S模式應(yīng)答機(jī)、甚高 頻數(shù)據(jù)鏈模式4和通用訪問收發(fā)信機(jī)(Universal Access Transceiver, UAT)。 UAT數(shù)據(jù)鏈 是美國開發(fā)的一種數(shù)據(jù)鏈，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)數(shù)據(jù)傳送率高的特點，目前已被 國際民航組織批準(zhǔn)用于通用航空。通用訪問收發(fā)信機(jī)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)鏈的報文傳輸 綜合應(yīng)用了時分訪問和隨機(jī)訪問兩種方式，其基本的發(fā)送管理單位為一個幀。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈協(xié) 議標(biāo)準(zhǔn)，每個UAT幀時長為1秒，與通過世界時間(UTC)秒時間同步。每一幀的時間又 分為兩部分，分別用于轉(zhuǎn)發(fā)信息廣播和自身信息廣播。每一幀的時間劃分為4段，轉(zhuǎn)發(fā)信息 廣播時長為176ms,共劃分為32個時隙，每個時隙5.5 ms， 一個轉(zhuǎn)發(fā)時隙包括22個MSO (Message Start Opportunity),采用相對固定的時隙預(yù)分配方式進(jìn)行管理，每個轉(zhuǎn)發(fā)信 息的飛機(jī)每秒鐘只能廣播一個轉(zhuǎn)發(fā)消息。當(dāng)飛機(jī)之間相距足夠遠(yuǎn)而不構(gòu)成通信范圍的重疊覆 蓋時，可以使用相同的時間片，以提高頻率的復(fù)用率。轉(zhuǎn)發(fā)信息廣播與自身信息廣播之間預(yù) 留12ms的保護(hù)時間，用于轉(zhuǎn)發(fā)信息廣播與自身信息廣播之間的隔離。飛機(jī)占用時間段時長 共800ms，每個時隙包括l個MSO，長為250 His。自身信息廣播采用偽隨機(jī)時隙選擇的 方式進(jìn)行，從3200個時隙中選擇一個合適的時隙進(jìn)行廣播。每個UTC秒的最后12ms預(yù) 留為保護(hù)間隔，以確保最后的廣播有足夠的時間傳播到有效的覆蓋空間，避免與后續(xù)的轉(zhuǎn)發(fā) 信息廣播之間發(fā)生交叉重疊。Maggie X. Cheng等在其論文《The Connectivity of Ad Hoc Network for Advanced Air Traffic Management》中基于UAT數(shù)據(jù)鏈提出了一種與ad hoc網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的空中交通 管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以增強(qiáng)機(jī)載ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能，尤其可以提高機(jī)載ADS-B系統(tǒng)的 監(jiān)視范圍；但該論文僅僅給出了一種構(gòu)想，并未給出這種系統(tǒng)的具體實施方案。 發(fā)明 內(nèi) 容本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法和裝置，采取了自組織通信技術(shù)，這 種方法充分利用飛機(jī)自身的ADS-B信息和其他飛機(jī)的ADS-B信息，基于現(xiàn)有的通用訪問收發(fā) 信機(jī)，通過轉(zhuǎn)發(fā)其他飛機(jī)的ADS-B信息達(dá)到增大監(jiān)視范圍的目的。該方法能夠使現(xiàn)有的飛機(jī) 監(jiān)視半徑增大，從而使飛行員更好的掌握空中交通信息，維護(hù)空中交通安全。本方法的總體計算量與空中交通流量成正比，計算步驟簡單，對機(jī)載計算機(jī)處理器的性能要求不高，完全 可以通過普通嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)。一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置，包括信息管理單元和通信管理單元；信息 管理單元對接收的ADS-B信息和GNSS導(dǎo)航信息解析、提取后進(jìn)行分析處理，更新交通信息 表，將得出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息通過接口傳遞到通信管理單元，并將生成的ADS-B信息放入數(shù)據(jù) 隊列中傳遞到通信管理單元；通信管理單元更新轉(zhuǎn)發(fā)時隙表、并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息調(diào)用更新 后的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表生成時隙預(yù)約/釋放信息，最終將飛機(jī)的ADS-B信息發(fā)送到ADS-B信號收發(fā) 信機(jī)；所述信息管理單元包括ADS-B信息解析模塊、ADS-B信息提取模塊、GNSS信息解析模 塊、GNSS信息提取模塊和狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊，還包括交通信息表更新模塊；ADS-B信息解 析模塊和GNSS信息解析模塊分別將接收到的兩路ADS-B信息和GNSS信息進(jìn)行解析； ADS-B信息提取模塊和GNSS信息提取模塊分別提取一部分解析后的信息并分別輸入到交通 信息表更新模塊用于更新交通信息表；交通信息表更新模塊通過輸入的解析后的部分ADS-B 信息和部分GNSS信息對當(dāng)前飛機(jī)所獲得的空中交通狀況進(jìn)行更新；狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊調(diào)用 交通信息表并通過各個飛機(jī)覆蓋范圍的計算判定該機(jī)下一秒所處的狀態(tài)，通過接口將狀態(tài)轉(zhuǎn) 換信息傳遞給通信管理單元；同時，生成的ADS-B信息也放入數(shù)據(jù)隊列中傳遞到通信管理單 元。所述交通信息表更新模塊根據(jù)所接收的ADS-B信息對交通信息表進(jìn)行更新；交通信息 表更新模塊處理每架飛機(jī)的交通信息時首先提取該飛機(jī)的24位地址碼，并根據(jù)24位地址碼 判斷該飛機(jī)的交通信息是否已存在于交通信息表中，若是，則只需對該飛機(jī)的交通信息進(jìn)行 更新；若否，則需要在交通信息表的末尾添加一個新的表項，并將該飛機(jī)的24位地址碼、 經(jīng)度、緯度、高度、速度添到表項中。所述通信管理單元由轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊、時隙預(yù)約信息生成模塊組成；轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更 新模塊從其他飛機(jī)的ADS-B信息中提取時隙預(yù)約信息和相應(yīng)飛機(jī)的24位地址碼對轉(zhuǎn)發(fā)時隙表進(jìn)行更新，時隙預(yù)約信息生成模塊在轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中選擇相應(yīng)的時隙，進(jìn)行預(yù)約或者釋放， 并將相關(guān)信息與本飛機(jī)的ADS-B信息組成一份數(shù)據(jù)一起發(fā)送。所述轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊負(fù)責(zé)對轉(zhuǎn)發(fā)時隙表進(jìn)行更新，獲得最新的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的占用情 況；轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊首先確定參加當(dāng)前秒的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新飛機(jī)的數(shù)目，然后對具有時 隙預(yù)約請求的每架飛機(jī)逐個判斷其時隙預(yù)約信息類型；若為釋放相應(yīng)的時隙，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表 更新單元將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中某個時隙的占用信息清空；若為預(yù)約時隙信息，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新單元要首先按照飛機(jī)的24位地址碼從小到大進(jìn)行排序;優(yōu)先給24位地址碼小的飛機(jī)分配時隙； 當(dāng)某架飛機(jī)所預(yù)約的時隙已被其他飛機(jī)預(yù)約時，則等待最后一架飛機(jī)的時隙預(yù)約完成后再為其分配時隙；第一輪時隙分配結(jié)束后，再按24位地址碼從小至大的順序，從當(dāng)前未被預(yù)約 或占用的時隙中選取時隙數(shù)最小的時隙分配給該飛機(jī)；當(dāng)仍有飛機(jī)的時隙分配未完成時，則 這些時隙分配未完成的飛機(jī)等待5秒后再次發(fā)送時隙預(yù)約信息，并參加時隙預(yù)約分配。所述時隙預(yù)約信息生成模塊中，若本飛機(jī)需要預(yù)約時隙，則在更新后的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中， 時隙預(yù)約信息生成纟莫塊選擇時隙號碼最小的一個時隙，將其作為飛機(jī)本身預(yù)約的時隙號碼添 加到本飛機(jī)的ADS-B信息中，并將預(yù)約時隙標(biāo)志設(shè)為1;若本飛機(jī)需要釋放時隙，則在更新 完畢的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中，時隙預(yù)約信息生成模塊選擇本飛機(jī)24位地址碼對應(yīng)的時隙，將其清 除，并將所清除的時隙號碼添加到本飛機(jī)的ADS-B信息中，同時將釋放時隙標(biāo)志設(shè)為0。所述交通信息表中每一列為交通信息表的一個表項，記錄每架飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng) 度、緯度、高度和速度；交通信息表的長度根據(jù)所接收到的ADS-B信息的多少發(fā)生長短的 變化。所述轉(zhuǎn)發(fā)時隙表由32個單元組成，表示了 32個轉(zhuǎn)發(fā)時隙被占用的情況，該表根據(jù)當(dāng)前 飛機(jī)所收到的其他飛機(jī)的ADS-B信息對32個時隙的占用情況不斷進(jìn)行更新，及時反映出時 隙被占用的情況；該表每個單元存儲了時隙號碼、占用/釋放的標(biāo)志、所占用飛機(jī)的24位地 址碼。一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法，包括如下步驟步驟l:信息管理單元中的ADS-B信息解析模塊和GNSS信息解析模塊分別接收ADS-B 信息和GNSS導(dǎo)航信息，分別對ADS-B信息和GNSS導(dǎo)航信息進(jìn)行解析，得到各飛機(jī)的24位 地址碼、經(jīng)緯度以及高度、航向角、速度、時間信息；步驟2:信息管理單元中的ADS-B信息提取模塊提取解析后的24位地址碼、經(jīng)度、諱度、 高度、速度；信息管理單元中的GNSS信息提取模塊提取解析后的經(jīng)度、諱度、高度和速度 信息；ADS-B信息提取模塊和GNSS信息提取模塊將提取后的ADS-B信息和GNSS導(dǎo)航信息 分別分兩路發(fā)送到信息管理單元中的交通信息表更i^莫塊；步驟3:信息管理單元中的交通信息表更新模塊根據(jù)GNSS信息更新本機(jī)的位置信息；如 果飛機(jī)當(dāng)前收到其他飛機(jī)的ADS-B信息，交通信息表更新模塊則從收到的其他飛機(jī)的ADS-B 信息中，提取排在最前的飛機(jī)的24位地址碼，判斷該機(jī)是否已在交通信息表中；若在，則更 新此飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度；若不在，則將此飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度寫入 新添加的表項中；逐架處理各個飛機(jī)的ADS-B信息，直至全部待處理飛機(jī)處理完畢；步驟4:交通信息表更新模塊將該飛機(jī)當(dāng)前通信覆蓋范圍內(nèi)的所有飛機(jī)的位置信息發(fā)送到 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊中，根據(jù)經(jīng)度'、緯度、高度計算出兩架飛機(jī)的通信覆蓋范圍；以組合的計 算方式成對判斷所有飛機(jī)間的通信覆蓋范圍，根據(jù)得到的通信覆蓋情況生成狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息；步驟5: ADS-B信息解析模塊解析出的ADS-B信息從信息管理單元傳送到通信管理單元；狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息傳送接口傳送；通信管理單元的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模i央從 數(shù)據(jù)隊列的其他飛機(jī)的ADS-B信息中提取時隙預(yù)約信息和相應(yīng)飛機(jī)的24位地址碼更新轉(zhuǎn)發(fā)時隙表；步驟6:通信管理單元的時隙預(yù)約信息生成模塊根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息判斷本飛機(jī)所屬狀態(tài)； 若本飛機(jī)需要預(yù)約時隙，則時隙預(yù)約信息生成模塊提取轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中時隙號碼最小且未被預(yù) 約的時隙，在飛機(jī)本身的ADS-B信息中將此時隙號碼添加為飛機(jī)本身的預(yù)約時隙號碼，并添 加預(yù)約時隙標(biāo)志；若本飛機(jī)需要釋放時隙，則將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中本飛機(jī)24位地址碼清除，時隙 預(yù)約信息生成模塊從轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中提取本飛機(jī)所占用時隙的時隙號碼；在飛機(jī)本身ADS-B信 息中將此時隙號碼添加為飛機(jī)本身的釋放時隙號碼，并添加釋放時隙標(biāo)志；將添加完時隙預(yù) 約/釋放信息的飛機(jī)本身的ADS-B信息發(fā)送到ADS-B信號發(fā)射器；如果不需要預(yù)約時隙或釋放時隙，則本方法結(jié)束。所述步驟5中，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新4莫塊更新包括如下步驟1. 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊提取其他飛機(jī)的時隙預(yù)約信息和相應(yīng)24位地址碼，判斷本飛機(jī) 是否在上一秒發(fā)送了時隙預(yù)約信息；若是，則本飛機(jī)的時隙預(yù)約信息也要參加當(dāng)前秒的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新；否則本飛機(jī)的時隙預(yù)約信息不參加轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新，只有其他飛機(jī)參加當(dāng) 前的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新；2. 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊判斷時隙預(yù)約請求飛機(jī)的時隙預(yù)約信息類型；若為釋放相應(yīng)的時 隙狀態(tài)，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中某個時隙的占用信息清空；若為預(yù)約時隙信 息狀態(tài)，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更模塊將飛機(jī)的24位地址碼從小到大進(jìn)行排序；3. 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊按24位地址碼由小到大的順序為飛機(jī)分配時隙；當(dāng)某架飛機(jī)所 預(yù)約的時隙已被其他飛機(jī)預(yù)約時，則在所有飛機(jī)時隙預(yù)約完成后再為其分配時隙；4. 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊按24位地址碼從小到大的順序從當(dāng)前未被預(yù)約或占用的時隙 中，選取時隙數(shù)最小的時隙分配給未分配時隙的飛機(jī)，直至所有飛機(jī)的時隙分配完成；5. 當(dāng)32個時隙已經(jīng)完全被預(yù)約或占用，而仍有飛機(jī)的時隙分配未完成時，則這些時隙 分配未完成的飛機(jī)延遲5秒再次發(fā)送時隙預(yù)約信息。本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法和裝置的效果在于1. 本發(fā)明基于ADS-B空管監(jiān)視技術(shù)，充分利用飛機(jī)所接收到的ADS-B信息，根據(jù)其 他飛機(jī)的位置信息，判斷飛機(jī)所處的狀態(tài)，并通過在適當(dāng)?shù)臅r候轉(zhuǎn)發(fā)其他飛機(jī)的ADS-B信 息，擴(kuò)大飛機(jī)的監(jiān)視范圍。2. 本發(fā)明完全依靠飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，不需要建設(shè)地面站，也不需要 衛(wèi)星提供通信鏈路，為一種具有自組織性和協(xié)作式的飛行動態(tài)監(jiān)視方案。尤其適合于飛機(jī)跨 海洋或者惡劣環(huán)境條件下的飛行。


圖1是基本的ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視范圍受限示意圖；圖2是一種擴(kuò)展ADS-B監(jiān)視范圍的過程示意圖；圖3是通用訪問收發(fā)信機(jī)的自組織航空數(shù)據(jù)通信幀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法的流程圖；圖5是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置的系統(tǒng)示意圖；圖6是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置的信息管理單元示意圖；圖7是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法和裝置的交通信息表結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置中狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊控制的 飛機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖；圖9是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置的通信管理單元結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法和裝置的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表結(jié)構(gòu)示 意圖；圖11是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊的工 作流程圖。圖12(a)是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置的時隙預(yù)約信息生成模塊 的預(yù)約時隙的示意圖；圖12(b)是本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置的時隙預(yù)約信息生成模塊 的釋放時隙的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述。本發(fā)明一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法，如圖4所示，包括如下步驟 步驟l: ADS-B信息解析模塊和GNSS信息解析模塊分別接收ADS-B信息和GNSS導(dǎo)航 信息，并對兩路ADS-B信息和GNSS信息進(jìn)行解析。根據(jù)國際民航組織的規(guī)定，ADS-B信息 應(yīng)符合AsterixCAT21/33標(biāo)準(zhǔn)，解析程序要根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)編寫；ADS-B信息解析完成后，可 以得到這些ADS-B信息所對應(yīng)飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)緯度以及高度、航向角、速度、時間等 信息。對于采用GPS系統(tǒng)的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)，其報文符合GPS導(dǎo)航電文規(guī)范；GNSS信息解 析模塊負(fù)責(zé)依據(jù)GPS導(dǎo)航電文規(guī)范對所接收的導(dǎo)航電文進(jìn)行解析。步驟2: ADS-B信息解析模塊和GNSS信息解析模塊解析完成后，ADS-B信息提取模塊 和GNSS信息提取模塊分別提取一部分解析后的信息;ADS-B信息提取模塊提取的信息包括: 飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度、速度；GNSS信息提取模塊提取的信息包括經(jīng)度、緯度、高度和速度信息；提取過后的ADS-B信息和GNSS信息分別分兩路發(fā)送到交通信息表 更新模塊。交通信息表更新模塊將根據(jù)ADS-B信息和GNSS信息對交通信息表進(jìn)行更新。步驟3:交通信息表更新模塊根據(jù)輸入的本機(jī)GNSS信息更新本飛機(jī)的交通信息,根據(jù)其 他飛機(jī)的ADS-B信息更新其他飛機(jī)的交通信息。飛機(jī)從來自GNSS接收機(jī)中得到飛機(jī)自身的 經(jīng)度、諱度、高度、速度信息，并用這些信息更新交通信息表中本飛機(jī)的經(jīng)度、諱度和高度。 如果飛機(jī)當(dāng)前收到其他飛機(jī)的ADS-B信息，交通信息表更新模塊根據(jù)收到的ADS-B信息獲得 當(dāng)前與本飛機(jī)通信的飛機(jī)的數(shù)目，從收到的其他飛機(jī)的ADS-B信息中，提取排在最前面的飛 機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、髙度。根據(jù)該架飛機(jī)的24位地址碼，判斷該飛機(jī)的上述信息 是否已在交通信息表中。如圖7所示，為交通信息表的結(jié)構(gòu)每一列為交通信息表的一個表項， 記錄每架飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度和速度。若該架飛機(jī)的上述信息在交通信息 表中，則更新此飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度；若不在，則添加一個新的表項，并將此飛機(jī)的24 位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度寫入新添加的表項中；逐架處理各個飛機(jī)的ADS-B信息，直至 全部待處理飛機(jī)處理完畢。步驟4:交通信息表更新模塊從交通信息表中獲取該飛機(jī)當(dāng)前通信覆蓋范圍內(nèi)的所有飛機(jī) 的位置信息(包括經(jīng)度、緯度、高度、速度)發(fā)送到狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊中，并由狀態(tài)轉(zhuǎn)換控 制模塊根據(jù)飛機(jī)的接收機(jī)類型得到該飛機(jī)的通信覆蓋半徑；狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊根據(jù)經(jīng)度、緯度、高度及通信覆蓋半徑得出兩架飛機(jī)的通信覆蓋范圍；判斷兩者是否存在交集，若有交集， 則兩架飛機(jī)可以互相通信，否則兩架飛機(jī)不能互相通信。如果存在兩架飛機(jī)不能夠互相通信，若本飛機(jī)當(dāng)前處于一般狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊向通信管理單元發(fā)送指示信息本飛機(jī)已進(jìn)入預(yù)約狀態(tài)，需要發(fā)送預(yù)約信息；若飛機(jī)處于預(yù)約狀態(tài)，則飛機(jī)需要根據(jù)通信管理單元的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配協(xié)商結(jié)果，若飛機(jī)時隙分配成功，則進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，否則仍舊保持在預(yù)約狀態(tài)，并在5秒后重新發(fā)送預(yù)約信息；若飛機(jī)處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)， 則判斷飛機(jī)仍舊處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。若兩架飛機(jī)可以互相通信則繼續(xù)判斷其他飛機(jī)是否可以互相通信，直到所有飛機(jī)間的通 信狀況計算完畢。如果所有的飛機(jī)都能夠互相通信，當(dāng)飛機(jī)當(dāng)前處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時，狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊向通 信管理單元發(fā)送指示信息飛機(jī)已進(jìn)入釋放狀態(tài)，需要發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)時隙釋放信息；若飛機(jī)處于釋放狀態(tài)或飛機(jī)當(dāng)前處于一般狀態(tài)，則判斷飛機(jī)處于一般狀態(tài)。步驟5:信息管理單元將所有ADS-B信息以隊列的形式從信息管理單元傳送到通信管理 單元。每個隊列包含上一秒飛機(jī)自身的ADS-B信息和接收的所有的ADS-B信息；隊列中包含 多個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包是一條ADS-B報文；通信管理單元每次將數(shù)據(jù)隊列中所有的數(shù)據(jù)讀 取到自身的存儲器中，準(zhǔn)備將這些數(shù)據(jù)發(fā)送出去。狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息不通過數(shù)據(jù)隊列傳送到通信管理單元，而是通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息傳送接口傳送。通信管理單元從數(shù)據(jù)隊列的其他飛機(jī)的ADS-B信息中提取時隙預(yù)約信息和相應(yīng)飛機(jī)的 24位地址碼更新轉(zhuǎn)發(fā)時隙表；其具體步驟如下1. 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊其他飛機(jī)的ADS-B信息中提取時隙預(yù)約信息和相應(yīng)飛機(jī)的24位 地址碼。判斷本飛機(jī)在上一秒是否發(fā)送了時隙預(yù)約信息，若是，則本飛機(jī)的時隙預(yù)約信息和 其他飛機(jī)的時隙預(yù)約信息一起參加當(dāng)前這一秒的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新；否則只有其他飛機(jī)的時 隙預(yù)約信息參加當(dāng)前這一秒的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新。2. 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊對每架飛機(jī)逐個判斷其時隙預(yù)約信息是預(yù)約相應(yīng)的時隙，還是釋 放相應(yīng)的時隙。若為釋放相應(yīng)的時隙，則將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中某個時隙的"占用/釋放"位置為0， 并將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中該時隙對應(yīng)的飛機(jī)的24位地址碼清除。若為預(yù)約時隙信息則要首先經(jīng)過 下面的時隙預(yù)約分配程序。轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊按照飛機(jī)的24位地址碼從小到大的順序?qū)?飛機(jī)排序，24位地址碼小的排在前面，大的排在后面。3. 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊進(jìn)行第一輪時隙分配，優(yōu)先給24位地址碼小的飛機(jī)分配時隙。 當(dāng)某架飛機(jī)所預(yù)約的時隙已被其他飛機(jī)預(yù)約時，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新t莫塊暫時不給其分配時隙， 等待最后一架飛機(jī)的時隙預(yù)約完成后再為其分配時隙。4. 當(dāng)所有的飛機(jī)的時隙預(yù)約請求經(jīng)過處理后，第一輪時隙分配結(jié)束，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新才莫 塊開始進(jìn)行第二輪時隙分配。轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊在第二輪時隙分配中給第一輪時隙分配中 未分配到時隙的飛機(jī)分配時隙。轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊按照24位地址碼給這些未分配時隙的 飛機(jī)分配時隙，分配的時候優(yōu)先給地址碼小的飛機(jī)進(jìn)行時隙分配。分配時隙時，從當(dāng)前未被 預(yù)約或占用的時隙中，選取時隙號碼最小的一個時隙分配給該飛機(jī)。所有飛機(jī)的時隙分配完 成，則程序結(jié)束。5. 當(dāng)32個時隙已經(jīng)完全被預(yù)約或占用，而仍有飛機(jī)的時隙分配未完成時，這些飛機(jī)等 待5秒后再次發(fā)送時隙預(yù)約信息。步驟6:當(dāng)飛機(jī)需要發(fā)送時隙預(yù)約或釋放信息時，通信管理單元根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時隙表生成時隙 預(yù)約/釋放信息，并與飛機(jī)本身的ADS-B信息組成一幀數(shù)據(jù)發(fā)送。時隙預(yù)約信息生成模塊根據(jù)步驟2所得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息，當(dāng)飛機(jī)由一般狀態(tài)轉(zhuǎn)換為預(yù)約 狀態(tài)時，時隙預(yù)約信息生成模塊從轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中選取時隙號碼最小且未被占用的時隙作為本 飛機(jī)的預(yù)約時隙，并在本飛機(jī)的ADS-B信息中添加預(yù)約時隙號碼和預(yù)約標(biāo)志；當(dāng)飛機(jī)由一般 轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為釋放狀態(tài)時，狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊從轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中將本飛機(jī)的24位地址碼對應(yīng) 的時隙的"占用/釋放"位和其24位地址碼清除，并在本飛機(jī)的ADS-B信息中添加釋放時隙 號碼和釋放標(biāo)志。將添加完時隙預(yù)約/釋放信息的飛機(jī)本身的ADS-B信息發(fā)送到ADS-B信號 發(fā)射器；如果不需要預(yù)約時隙或釋放時隙，則本方法結(jié)束。本方法適用于一般的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)施，比如嵌入式電子計算機(jī)系統(tǒng)。圖5中給出了實現(xiàn)本方 法的一般硬件結(jié)構(gòu)框圖。該框圖主要包括三部分ADS-B收發(fā)信機(jī)、GNSS接收機(jī)以及嵌入 式信息處理系統(tǒng)。嵌入式信息處理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接口、報文解析編碼器、信息處理器、 存儲器。信息處理器包括信息管理單元和通信管理單元。嵌入式信息處理系統(tǒng)以嵌入式操作 系統(tǒng)(如Windows CE、嵌入式linux等)為軟件基礎(chǔ)，以嵌入式硬件平臺為硬件基礎(chǔ)，使 信息管理單元、通信管理單元正常工作。當(dāng)ADS-B收發(fā)信機(jī)接收到其他飛機(jī)的ADS-B信息后，ADS-B收發(fā)信機(jī)將這些ADS-B信 息進(jìn)行變頻、放大、AD轉(zhuǎn)換、校驗、譯碼，然后將譯碼后的ADS-B信息進(jìn)行報文格式轉(zhuǎn)換， 形成符合嵌入式信息處理系統(tǒng)總線要求的數(shù)據(jù)報文，并將這部分信息通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到嵌 入式信息處理系統(tǒng)。同樣，GNSS接收機(jī)也會將GNSS導(dǎo)航信息通過數(shù)據(jù)接口送到嵌入式信 息處理系統(tǒng)。GNSS接收機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航天線接收來自導(dǎo)航衛(wèi)星的信息，通過飛機(jī)機(jī)載的數(shù)據(jù) 線傳送到嵌入式信息處理系統(tǒng)。存儲器中存儲了交通信息表和轉(zhuǎn)發(fā)時隙表。交通信息表給出了所有能夠與本飛機(jī)通信的 飛機(jī)的空中交通狀況；轉(zhuǎn)發(fā)時隙表給出了轉(zhuǎn)發(fā)時隙表被利用的情況。交通信息表是一個可變 長度的表，表中分為若干個數(shù)據(jù)單元，每個數(shù)據(jù)單元包含飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、 高度信息。信息處理器中的交通信息更新模塊會不斷對交通信息表珠行更新。當(dāng)某架飛機(jī)的 信息已經(jīng)存儲在交通信息表中時，則更新該飛機(jī)的交通信息時，只需更改該飛機(jī)的經(jīng)度、諱 度、高度信息；當(dāng)某架飛機(jī)的信息尚未存儲在交通信息表中時，則在表的末尾添加一個新的 交通信息表，并將該飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、髙度信息添加到此表中。數(shù)據(jù)接口控制模塊控制數(shù)據(jù)在嵌入式信息處理系統(tǒng)和ADS-B收發(fā)信機(jī)和GNSS接收機(jī)之 間的傳送。當(dāng)接收到的ADS-B數(shù)據(jù)要向嵌入式信息處理系統(tǒng)傳送時，數(shù)據(jù)接口控制模塊將控 制數(shù)據(jù)接口讀入所接收的ADS-B數(shù)據(jù)，并將GNSS數(shù)據(jù)和發(fā)送ADS-B的數(shù)據(jù)保持在等待狀 態(tài);當(dāng)接收ADS-B的數(shù)據(jù)傳送已經(jīng)完成時，數(shù)據(jù)接口控制模塊將數(shù)據(jù)接口釋放出來用于GNSS 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送ADS-B數(shù)據(jù)。報文解析編碼器包含了ADS-B信息解析模塊和GNSS信息解析模塊，ADS-B信息解析模 塊和GNSS信息解析模塊分別將接收到的兩路ADS-B信息和GNSS信息進(jìn)行解析。ADS-B的 報文符合Asterix CAT21或者33報文規(guī)范，解析ADS-B報文的時候要依照這兩個報文編碼規(guī) 范進(jìn)行。對ADS-B信息進(jìn)行編碼的時候也要依照這兩個報文編碼規(guī)范進(jìn)行。在具體實施例中 的GNSS信息采用的是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其報文符合GPS導(dǎo)航電文規(guī)范，對其解析也應(yīng)依 照GPS導(dǎo)航電文規(guī)范進(jìn)行。信息處理器中包含信息管理單元和通信管理單元。信息管理單元包括ADS-B信息提取模 塊、GNSS信息提取模塊、交通信息更新模塊以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊。通信管理單元包括時隙預(yù)約更新模塊和時隙預(yù)約信息生成模塊。信息處理器通過ADS-B信息提取模塊和GNSS信 息提取模塊從報文解析編碼器解析后的ADS-B信息和GNSS信息中提取部分ADS-B信息和 GNSS信息；交通信息更新模塊和狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊利用提取后的信息對存儲器中的交通信 息表進(jìn)行更新并生成飛機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息。通信管理單元中的時隙預(yù)約更新模塊根據(jù)所接收 ADS-B信息中的時隙預(yù)約信息對存儲器中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表進(jìn)行更新；轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新完畢后，由時隙預(yù)約信息生成模塊根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息生成本飛機(jī)的時隙預(yù)約信息。所述的信息管理單元如圖6所示，包括ADS-B信息解析模塊、ADS-B信息提取模塊、交 通信息表更新模塊、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊、GNSS信息解析模塊和GNSS信息提取模塊。ADS-B 信息解析模塊和GNSS信息解析模塊分別將接收到的兩路ADS-B信息和GNSS信息進(jìn)行解 析；ADS-B信息提取模塊和GNSS信息提取模塊分別提取一部分解析后的信息并將這部分信 息分別輸入到交通信息表更新模塊對存儲器中的交通信息表進(jìn)行更新，得到最新時刻的交通 信息表；狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制4莫塊根據(jù)最新的交通信息表得到飛機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息，將得到的狀態(tài) 轉(zhuǎn)換信息傳遞給通信管理單元。同時，飛機(jī)所接收的ADS-B信息要通過數(shù)據(jù)隊列傳遞到通信 管理單元。 '所述的交通信息表更新模塊負(fù)責(zé)對交通信息表進(jìn)行更新。交通信息表更新模塊根據(jù)收到 的ADS-B信息獲得當(dāng)前與本飛機(jī)通信的飛機(jī)的數(shù)目，然后從這些ADS-B信息中提取排在最前 面的飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度。根據(jù)該架飛機(jī)的24位地址碼，判斷該機(jī)是否已 在交通信息表中。如圖7所示，為交通信息表的結(jié)構(gòu)每一列為交通信息表的一個表項，記錄 每架飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度。若該架飛機(jī)的上述信息在交通信息表中，則更 新此飛機(jī)的經(jīng)度、諱度、高度；若不在，則添加一個新的表項，并將此飛機(jī)的24位地址碼、 經(jīng)度、緯度、高度寫入新添加的表項中；逐架處理各個飛機(jī)的ADS-B信息，直至全部待處理 飛機(jī)處理完畢。所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖8所示。狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊將飛機(jī)分為四種狀態(tài)， 并給出了四個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊中飛機(jī)的四個狀態(tài)為一般狀態(tài)、預(yù)約 狀態(tài)、轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)和釋放狀態(tài)。飛機(jī)通常處于一般狀態(tài)下，即飛機(jī)不轉(zhuǎn)發(fā)其他飛機(jī)的ADS-B信 息，僅接收其他飛機(jī)的ADS-B信息并發(fā)送本飛機(jī)的ADS-B信息。當(dāng)本飛機(jī)通過計算發(fā)現(xiàn)其監(jiān) 視范圍內(nèi)存在兩架飛機(jī)不能夠相互通信時，則該飛機(jī)需要預(yù)約時隙來轉(zhuǎn)發(fā)其他飛機(jī)的ADS-B 信息；該飛機(jī)在預(yù)約時隙時處于預(yù)約狀態(tài)。當(dāng)該飛機(jī)預(yù)約時隙成功后，飛機(jī)由預(yù)約狀態(tài)轉(zhuǎn)換 為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，否則，飛機(jī)仍舊處于預(yù)約狀態(tài)。若飛機(jī)處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，當(dāng)飛機(jī)監(jiān)視范圍內(nèi)任意 兩架飛機(jī)間都能夠互相通信時，則該架飛機(jī)不再需要轉(zhuǎn)發(fā)其他飛機(jī)的ADS-B信息，飛機(jī)需要 釋放其所占用的時隙，此時飛機(jī)由轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)進(jìn)入釋放狀態(tài)；飛機(jī)在釋放狀態(tài)時需要發(fā)送釋放 時隙信息。當(dāng)飛機(jī)將釋放時隙信息發(fā)送完畢后，進(jìn)入1狀態(tài)。所述的通信管理單元如圖9所示，包括轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊、時隙預(yù)約信息生成模塊。 通信管理單元負(fù)責(zé)根據(jù)飛機(jī)從信息管理單元輸出的數(shù)據(jù)隊列中的ADS-B信息中獲取時隙預(yù)約信息，及時更新轉(zhuǎn)發(fā)時隙表；時隙預(yù)約信息生成模塊調(diào)用時隙更新模塊得到的最新的轉(zhuǎn)發(fā) 時隙表以及飛機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制信息生成本飛機(jī)的時隙預(yù)約/釋放信息，最后將生成的ADS-B 信息發(fā)送到ADS-B收發(fā)信機(jī)。所述的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表如圖IO所示，它給出了32個轉(zhuǎn)發(fā)時隙被占用的情況，該表根據(jù)當(dāng)前 飛機(jī)所收到的其他飛機(jī)的ADS-B信息對32個時隙的占用情況不斷進(jìn)行更新，及時反映出轉(zhuǎn) 發(fā)時隙被占用的情況。該表包括32個單元，每個單元存儲了時隙號碼、占用/釋放的標(biāo)志、 所占用飛機(jī)的24位地址碼。當(dāng)某個時隙被占用時，比如時隙1，則時隙1中占用/釋放標(biāo)志 將置l;同時，占用該時隙的飛機(jī)的24位地址碼也會寫到單元中的24位地址碼中。若某個 時隙被釋放或未被占用，則該時隙的占用/釋放標(biāo)志將被置0，同時24位地址碼也將清空。 轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新是根據(jù)本飛機(jī)所接收到的其他飛機(jī)的ADS-B信息來完成的。更新時按照 24位地址碼大小安排各個飛機(jī)時隙預(yù)約的順序，優(yōu)先給24位地址碼小的飛機(jī)分配時隙；當(dāng) 某架飛機(jī)的時隙預(yù)約請求得不到滿足時，則該架飛機(jī)需要在5秒后再次發(fā)送時隙預(yù)約信息。所述的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊流程圖如圖11所示，如果本飛機(jī)在上一秒發(fā)送了時隙預(yù)約 信息，則本飛機(jī)的時隙預(yù)約信息也要參加當(dāng)前這一秒的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新；否則只有本飛機(jī) 所接收到的其他飛機(jī)的時隙預(yù)約信息參加當(dāng)前這一秒的時隙更新。接著轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊 對具有時隙預(yù)約請求的飛機(jī)逐個判斷其時隙預(yù)約信息類型；若為釋放時隙請求，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙 表更新模塊將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中某個時隙的占用信息清空，然后判斷所有飛機(jī)的時隙預(yù)約/釋放請 求是否處理完畢。若為預(yù)約時隙請求，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊要首先將飛機(jī)的24位地址碼從 小到大進(jìn)行排序，然后判斷所有飛機(jī)的時隙預(yù)約/釋放請求是否處理完畢。若所有飛機(jī)的時隙 預(yù)約/釋放請求未處理完畢，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊繼續(xù)判斷下一架飛機(jī)的時隙預(yù)約信息類 型，直至所有飛機(jī)的預(yù)約/釋放信息處理完畢。若所有飛機(jī)的預(yù)約/釋放信息處理完畢則轉(zhuǎn)發(fā) 時隙表中所有需要釋放的時隙的占用信息被清空，需要預(yù)約時隙飛機(jī)的24位地址碼排序完 畢，下面需要對預(yù)約時隙請求進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊按照24位地址碼由小到大的 順序處理各個預(yù)約時隙飛機(jī)的預(yù)約時隙請求。轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊處理某架飛機(jī)的預(yù)約時隙 請求時，首先判斷該飛機(jī)所預(yù)約的時隙是否被其他飛機(jī)所占用。若是，則該架飛機(jī)等待所有 飛機(jī)的預(yù)約時隙請求處理完成后再進(jìn)行時隙分配。若不是，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊將該飛機(jī) 預(yù)約的時隙在轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中設(shè)置為占用，并將該飛機(jī)的24位地址碼添加到轉(zhuǎn)發(fā)時隙表相應(yīng) 的時隙中。每架飛機(jī)的時隙預(yù)約請求處理完成后都要判斷是否所有飛機(jī)的預(yù)約請求處理完成， 若否則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊繼續(xù)處理下一架飛機(jī)的時隙預(yù)約請求，若是則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模 塊判斷是否存在飛機(jī)尚未分配時隙。若不存在飛機(jī)尚未分配時隙，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新結(jié)束；若存在飛機(jī)尚未分配時隙，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊將所有未分配時隙的飛機(jī)按照24位地址 碼從小到大排序，并將32個轉(zhuǎn)發(fā)時隙中未被占用的時隙從小到大逐個分配給這些飛機(jī)。32 個時隙均被分配完后，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊判斷是否存在飛機(jī)尚未分配時隙，若是，則未分 配時隙的飛機(jī)等待5秒后重新發(fā)送時隙預(yù)約請求，該架飛機(jī)在5秒之后重新參加轉(zhuǎn)發(fā)時隙表 的更新過程；若否則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新結(jié)束。所述時隙預(yù)約信息生成模塊如圖12(a) 、 12(b)所示，飛機(jī)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息判斷本飛機(jī) 所屬狀態(tài)；若本實施例中飛機(jī)的24位地址碼為abc，當(dāng)其需要預(yù)約時隙，如圖12(a)中所示， 則時隙預(yù)約信息生成模塊提取轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中時隙號碼最小且未被預(yù)約的時隙，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中 時隙號碼為8的時隙號碼最小，且該時隙未被占用，為空閑狀態(tài)，則對應(yīng)的"占用/釋放"位 值為O, 24位地址碼值為NULL;時隙預(yù)約信息生成模塊將"占用/釋放"位置為l,并將本 飛機(jī)的24位地址碼寫入到轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中時隙8對應(yīng)的24位地址碼；在生成的ADS-B信息中， 預(yù)約時隙號碼即為轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中的對應(yīng)的時隙號碼8，并將預(yù)約標(biāo)志置為l。若本實施例中飛 機(jī)的24位地址碼為abc，當(dāng)其需要釋放時隙，如圖12(b)所示，則其占用的時隙8的"占用/ 釋放"位值為l， 24位地址碼值為abc;時隙預(yù)約信息生成模塊將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中本飛機(jī)24位 地址碼abc更改為NUL L,并將"占用/釋放"位置為O;時隙預(yù)約信息生成模塊從轉(zhuǎn)發(fā)時 隙表中提取本飛機(jī)所占用時隙的時隙號碼8，并在飛機(jī)本身ADS-B信息中將此時隙號碼8添加 為飛機(jī)本身的釋放時隙號碼，并添加釋放時隙標(biāo)志置為O。將添加完時隙預(yù)約/釋放信息的飛 機(jī)本身的ADS-B信息通過報文解析編碼器對ADS-B信息編碼，并通過數(shù)據(jù)接口將編碼后的 ADS-B信息發(fā)送到ADS-B收發(fā)信機(jī)進(jìn)行ADS-B信號發(fā)射；如果飛機(jī)不需要預(yù)約時隙或釋放 時隙，則無前述過程。
權(quán)利要求
1、一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置，包括信息管理單元和通信管理單元；信息管理單元對接收的ADS-B信息和GNSS導(dǎo)航信息解析、提取后進(jìn)行分析處理，更新交通信息表，將得出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息通過接口傳遞到通信管理單元，并將生成的ADS-B信息放入數(shù)據(jù)隊列中傳遞到通信管理單元；通信管理單元更新轉(zhuǎn)發(fā)時隙表、并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息調(diào)用更新后的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表生成時隙預(yù)約/釋放信息，最終將飛機(jī)本身的ADS-B信息發(fā)送到ADS-B信號收發(fā)信機(jī)；所述信息管理單元包括ADS-B信息解析模塊、ADS-B信息提取模塊、GNSS信息解析模塊、GNSS信息提取模塊和狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊，其特征在于，還包括交通信息表更新模塊；ADS-B信息解析模塊和GNSS信息解析模塊分別將接收到的兩路ADS-B信息和GNSS信息進(jìn)行解析；ADS-B信息提取模塊和GNSS信息提取模塊分別提取一部分解析后的信息并分別輸入到交通信息表更新模塊用于更新交通信息表；交通信息表更新模塊通過輸入的解析后的部分ADS-B信息和部分GNSS信息對當(dāng)前飛機(jī)所獲得的空中交通狀況進(jìn)行更新；狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊調(diào)用交通信息表并通過各個飛機(jī)覆蓋范圍的計算判定該機(jī)下一秒所處的狀態(tài)，通過接口將狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息傳遞給通信管理單元；同時，生成的ADS-B信息也放入數(shù)據(jù)隊列中傳遞到通信管理單元；所述交通信息表更新模塊根據(jù)所接收的ADS-B信息對交通信息表進(jìn)行更新；交通信息表更新模塊處理每架飛機(jī)的交通信息時首先提取該飛機(jī)的24位地址碼，并根據(jù)24位地址碼判斷該飛機(jī)的交通信息是否已存在于交通信息表中，若是，則只需對該飛機(jī)的交通信息進(jìn)行更新；若否，則需要在交通信息表的末尾添加一個新的表項，并將該飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度、速度添到表項中；所述通信管理單元由轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊、時隙預(yù)約信息生成模塊組成；轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊從其他飛機(jī)的ADS-B信息中提取時隙預(yù)約信息和相應(yīng)飛機(jī)的24位地址碼對轉(zhuǎn)發(fā)時隙表進(jìn)行更新，時隙預(yù)約信息生成模塊在轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中選擇相應(yīng)的時隙，進(jìn)行預(yù)約或者釋放，并將相關(guān)信息與本飛機(jī)的ADS-B信息組成一份數(shù)據(jù)一起發(fā)送；所述轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊負(fù)責(zé)對轉(zhuǎn)發(fā)時隙表進(jìn)行更新，獲得最新的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的占用情況；轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊首先確定參加當(dāng)前秒的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新飛機(jī)的數(shù)目，然后對具有時隙預(yù)約請求的每架飛機(jī)逐個判斷其時隙預(yù)約信息類型；若為釋放相應(yīng)的時隙，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新單元將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中某個時隙的占用信息清空；若為預(yù)約時隙信息，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新單元要首先按照飛機(jī)的24位地址碼從小到大進(jìn)行排序；優(yōu)先給24位地址碼小的飛機(jī)分配時隙；當(dāng)某架飛機(jī)所預(yù)約的時隙已被其他飛機(jī)預(yù)約時，則等待最后一架飛機(jī)的時隙預(yù)約完成后再為其分配時隙；第一輪時隙分配結(jié)束后，再按24位地址碼從小至大的順序，從當(dāng)前未被預(yù)約或占用的時隙中選取時隙數(shù)最小的時隙分配給該飛機(jī)；當(dāng)仍有飛機(jī)的時隙分配未完成時，則這些時隙分配未完成的飛機(jī)等待5秒后再次發(fā)送時隙預(yù)約信息，并參加時隙預(yù)約分配；所述時隙預(yù)約信息生成模塊中，若本飛機(jī)需要預(yù)約時隙，則在更新后的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中，時隙預(yù)約信息生成模塊選擇時隙號碼最小的一個時隙，將其作為飛機(jī)本身預(yù)約的時隙號碼添加到本飛機(jī)的ADS-B信息中，并將預(yù)約時隙標(biāo)志設(shè)為1；若本飛機(jī)需要釋放時隙，則在更新完畢的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中，時隙預(yù)約信息生成模塊選擇本飛機(jī)24位地址碼對應(yīng)的時隙，將其清除，并將所清除的時隙號碼添加到本飛機(jī)的ADS-B信息中，同時將釋放時隙標(biāo)志設(shè)為0。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置，其特征在于所述交 通信息表中每一列為交通信息表的一個表項，記錄每架飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、續(xù)度、 高度和速度；交通信息表的長度根據(jù)所接收到的ADS-B信息的多少發(fā)生長短的變化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn) 發(fā)時隙表由32個單元組成，表示了 32個轉(zhuǎn)發(fā)時隙被占用的情況，該表根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)所收到 的其他飛機(jī)的ADS-B信息對32個時隙的占用情況不斷進(jìn)行更新，及時反映出時隙被占用的 情況；該表每個單元存儲了時隙號碼、占用/釋放的標(biāo)志、所占用飛機(jī)的24位地址碼。
4、 一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟l::信息管理單元中的ADS-B信息解析模塊和GNSS信息解析模塊分別接收ADS-B 信息和GNSS導(dǎo)航信息，分別對ADS-B信息和GNSS導(dǎo)航信息進(jìn)行解析，得到各飛機(jī)的24位 地址碼、經(jīng)緯度以及高度、航向角、速度、時間信息；步驟2::信息管理單元中的ADS-B信息提取模塊提取解析后的24位地址碼、經(jīng)度、諱度、 高度、速度；信息管理單元中的GNSS信息提取模塊提取解析后的經(jīng)度、緯度、高度和速度 信息；ADS-B信息提取模塊和GNSS信息提取模塊將提取后的ADS-B信息和GNSS導(dǎo)航信息分別分兩路發(fā)送到信息管理單元中的交通信息表更新模塊；步驟3:信息管理單元中的交通信息表更新模塊根據(jù)GNSS信息更新本機(jī)的位置信息；如 果飛機(jī)當(dāng)前收到其他飛機(jī)的ADS-B信息，交通信息表更新模塊則從收到的其他飛機(jī)的ADS-B 信息中，提取排在最前的飛機(jī)的24位地址碼，判斷該機(jī)是否已在交通信息表中；若在，則更 新此飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度；若不在，則將此飛機(jī)的24位地址碼、經(jīng)度、緯度、高度寫入 新添加的表項中；逐架處理各個飛機(jī)的ADS-B信息，直至全部待處理飛機(jī)處理完畢；步驟4:交通信息表更新模塊將該飛機(jī)當(dāng)前通信覆蓋范圍內(nèi)的所有飛機(jī)的位置信息發(fā)送到 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊中，根據(jù)經(jīng)度、緯度、高度計算出兩架飛機(jī)的通信覆蓋范圍；以組合的計 算方式成對判斷所有飛機(jī)間的通信覆蓋范圍，根據(jù)得到的通信覆蓋情況生成狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息；步驟5: ADS-B信息解析模塊解析出的ADS-B信息從信息管理單元傳送到通信管理單元；狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息傳送接口傳送；通信管理單元的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊從 數(shù)據(jù)隊列的其他飛機(jī)的ADS-B信息中提取時隙預(yù)約信息和相應(yīng)飛機(jī)的24位地址碼更新轉(zhuǎn)發(fā)時隙表；步驟6:通信管理單元的時隙預(yù)約信息生成模塊根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息判斷本飛機(jī)所屬狀態(tài); 若本飛機(jī)需要預(yù)約時隙，則時隙預(yù)約信息生成模塊提取轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中時隙號碼最小且未被預(yù) 約的時隙，在飛機(jī)本身的ADS-B信息中將此時隙號碼添加為飛機(jī)本身的預(yù)約時隙號碼，并添 加預(yù)約時隙標(biāo)志；若本飛機(jī)需要釋放時隙，則將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中本飛機(jī)24位地址碼清除，時隙 預(yù)約信息生成模塊從轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中提取本飛機(jī)所占用時隙的時隙號碼；在飛機(jī)本身ADS-B信 息中將此時隙號碼添加為飛機(jī)本身的釋放時隙號碼，并添加釋放時隙標(biāo)志；將添加完時隙預(yù) 約/釋放信息的飛機(jī)本身的ADS-B信息發(fā)送到ADS-B信號發(fā)射器；如果不需要預(yù)約時隙或釋 放時隙，則本方法結(jié)束。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法，其特征在于所述步驟 5中，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊更新包括如下步驟1) .轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊提取其他飛機(jī)的時隙預(yù)約信息和相應(yīng)24位地址碼，判斷本飛機(jī) 是否在上一秒發(fā)送了時隙預(yù)約信息；若是，則本飛機(jī)的時隙預(yù)約信息也要參加當(dāng)前秒的轉(zhuǎn)發(fā) 時隙表的更新；否則本飛機(jī)的時隙預(yù)約信息不參加轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新，只有其他飛機(jī)參加當(dāng) 前的轉(zhuǎn)發(fā)時隙表的更新；2) .轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊判斷時隙預(yù)約請求飛機(jī)的時隙預(yù)約信息類型；若為釋放相應(yīng)的時 隙狀態(tài)，則轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊將轉(zhuǎn)發(fā)時隙表中某個時隙的占用信息清空；若為預(yù)約時隙信 息狀態(tài)，轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更模塊將飛機(jī)的24位地址碼從小到大進(jìn)行排序；3) .轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊按24位地址碼由小到大的順序為飛機(jī)分配時隙；當(dāng)某架飛機(jī)所 預(yù)約的時隙已被其他飛機(jī)預(yù)約時，則在所有飛機(jī)時隙預(yù)約完成后再為其分配時隙；4) .轉(zhuǎn)發(fā)時隙表更新模塊按24位地址碼從小到大的順序從當(dāng)前未被預(yù)約或占用的時隙 中，選取時隙數(shù)最小的時隙分配給未分配時隙^f飛機(jī)，直至所有飛機(jī)的時隙分配完成；5) .當(dāng)32個時隙已經(jīng)完全被預(yù)約或占用，而仍有飛機(jī)的時隙分配未完成時，則這些時隙 分配未完成的飛機(jī)延遲5秒再次發(fā)送時隙預(yù)約信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于ADS-B的擴(kuò)展飛機(jī)監(jiān)視范圍的方法和裝置，提供了一種基于ADS-B信息的擴(kuò)展飛機(jī)動態(tài)監(jiān)視范圍的信息處理方法和裝置，該方法通過解析飛機(jī)所接收的ADS-B信息及GNSS信息，獲取各個飛機(jī)的空中交通信息，并及時更新飛機(jī)的標(biāo)識和位置信息，計算并判決飛機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)，當(dāng)飛機(jī)監(jiān)視范圍內(nèi)存在互不通信的飛機(jī)時，則飛機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，此時飛機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)時隙中選擇一個時隙用于轉(zhuǎn)發(fā)其他飛機(jī)的ADS-B信息，達(dá)到擴(kuò)展飛機(jī)動態(tài)監(jiān)視范圍的目的。本發(fā)明完全依靠飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，為一種具有自組織性和協(xié)作式的飛行動態(tài)監(jiān)視方案。尤其適合于飛機(jī)跨海洋或者惡劣環(huán)境條件下的飛行。
文檔編號G08G5/00GK101334936SQ20081011806
公開日2008年12月31日 申請日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
發(fā)明者偉 劉, 軍 張, 朱衍波, 熙 林, 飛 黃 申請人:民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司;北京航空航天大學(xué)