顏 棟， 牟奇鋒

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 機(jī)場(chǎng)工程與運(yùn)輸管理學(xué)院， 四川 廣漢 618307)

廣播式交通信息服務(wù)(Traffic Information Services-Broadcast, TIS-B)能夠?yàn)楹娇掌魈峁?zhǔn)確、高效的實(shí)時(shí)交通信息，TIS-B分為地面發(fā)射和機(jī)載接收兩個(gè)部分，通過(guò)利用監(jiān)視雷達(dá)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)、ADS-B等監(jiān)視系統(tǒng)獲取航空器信息，將獲取的信息融合為與ADS-B報(bào)文類似的報(bào)文，通過(guò)在指定的區(qū)域內(nèi)廣播，裝備有TIS-B接收裝置的航空器能夠接收并獲取交通信息，得知周圍的交通環(huán)境。

目前，國(guó)外對(duì)TIS-B的研究較多，我國(guó)對(duì)TIS-B的研究相對(duì)較少。TIS-B技術(shù)在美國(guó)、歐洲、澳大利亞等國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用[1]。2013年，胡飛分析了利用TIS-B技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)鏈融合的關(guān)鍵作用[2]；林熙提出了一種誤差校準(zhǔn)算法對(duì)TIS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并驗(yàn)證了算法的合理性[3]。2014年，蒲朝飛研究了基于1 090 MHz ES數(shù)據(jù)鏈下的TIS-B數(shù)字處理系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證[4]。2017年，黃裕文等在基于UAT數(shù)據(jù)鏈的TIS-B報(bào)文上合理利用時(shí)間資源，避免報(bào)文出現(xiàn)問(wèn)題[5]。2018年，趙澤榮提出基于TIS-B的無(wú)人機(jī)監(jiān)視方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)與載人機(jī)之間的沖突避讓[6]。

近年來(lái)，隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，機(jī)場(chǎng)的起降架次不斷增加，管制員的工作負(fù)荷也隨之增加，若遇到惡劣天氣狀況，如能見度低等情況，則會(huì)出現(xiàn)機(jī)場(chǎng)大面積延誤，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率降低。機(jī)場(chǎng)通過(guò)使用TIS-B對(duì)航空器發(fā)布路由計(jì)劃，使航空器按照指定的滑行路徑滑行，取代以往通過(guò)管制員人工管理機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面航空器和車輛運(yùn)行的現(xiàn)狀，提高了機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全和運(yùn)行效率，降低了管制員工作負(fù)荷。

1 TIS-B報(bào)文結(jié)構(gòu)

一條標(biāo)準(zhǔn)的TIS-B報(bào)文結(jié)構(gòu)分為報(bào)頭和數(shù)據(jù)塊部分，共120 us，其中，報(bào)頭部分占8 us，數(shù)據(jù)塊部分占112 us。如圖1所示。

圖1 TIS-B標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式

1.1 TIS-B信號(hào)報(bào)頭

TIS-B信號(hào)報(bào)頭由四個(gè)脈沖組成，每一個(gè)脈沖的脈沖寬度為0.5 us，分別位于第0 us、1 us、3.5 us、4.5 us，如圖2所示。

圖2 TIS-B信號(hào)報(bào)頭

1.2 TIS-B數(shù)據(jù)位

TIS-B數(shù)據(jù)位由112個(gè)bit組成，分為五個(gè)字段，分別為DF字段、CF字段、AA字段、ME字段、PI字段。其中，DF字段由5 bit組成，占TIS-B報(bào)文數(shù)據(jù)位的第1-5位；CF字段由3 bit組成，占TIS-B報(bào)文數(shù)據(jù)位的第6-8位；AA字段由24 bit組成，占TIS-B報(bào)文數(shù)據(jù)位的第9-32位；ME字段由56 bit組成，占TIS-B數(shù)據(jù)位的第33-88位；PI字段由24 bit組成，占TIS-B數(shù)據(jù)位的第89-112位。如表1所示為TIS-B報(bào)文數(shù)據(jù)位的構(gòu)成。

DF字段表示報(bào)文的傳輸類型， DF=18表示傳輸?shù)臑門IS-B報(bào)文。DF字段是區(qū)分TIS-B報(bào)文和ADS-B報(bào)文的關(guān)鍵字段。

CF字段表示AA字段的地址類型或消息的內(nèi)容類型。

表1 TIS-B報(bào)文數(shù)據(jù)位結(jié)構(gòu)

AA字段表示當(dāng)前信息的地地址類型。

ME字段表示TIS-B的業(yè)務(wù)報(bào)文，攜帶了大量的TIS-B報(bào)文信息。

PI字段用于差錯(cuò)控制，保證前88位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤的接收。

1.3 TIS-B業(yè)務(wù)報(bào)文

TIS-B業(yè)務(wù)報(bào)文與ADS-B業(yè)務(wù)報(bào)文相似，分為空中位置報(bào)文、地面位置報(bào)文、飛機(jī)標(biāo)志和類型報(bào)文、速度報(bào)文、飛機(jī)運(yùn)行狀況報(bào)文、地面系統(tǒng)狀況報(bào)文等[7]。

1.3.1 地面位置報(bào)文

地面位置信息包括編碼后的經(jīng)緯度信息、飛機(jī)/車輛運(yùn)動(dòng)狀況信息、朝向/地面航跡信息，表2所示為TIS-B地面位置報(bào)文字段含義。

表2 TIS-B地面位置報(bào)文字段含義

1.3.2 飛機(jī)識(shí)別和類型報(bào)文

飛機(jī)識(shí)別和類型報(bào)文包括航空器類別識(shí)別和身份類別識(shí)別，表3所示為飛機(jī)識(shí)別和類型報(bào)文字段含義。

表3 飛機(jī)識(shí)別和類型報(bào)文字段含義

1.3.3 速度報(bào)文

速度報(bào)文有兩種格式，一種用于飛機(jī)能夠知道自身水平運(yùn)動(dòng)速度，用子類型1和2表示；另一種用于飛機(jī)不能獲得自身水平速度，用子類型3和4表示。表4所示為速度報(bào)文子類1和2字段含義，表5為速度報(bào)文子類3和4字段含義。

2 滑行路徑傳輸報(bào)文

通過(guò)TIS-B傳輸路由方案除傳輸?shù)孛嫖恢?、飛機(jī)識(shí)別標(biāo)志、速度外，還需要傳輸航空器滑行路徑，對(duì)于中小型機(jī)場(chǎng)航空器滑行路徑的傳輸，本文做如下分析：

定義一條滑行指令中連續(xù)兩點(diǎn)之間的有向線段為一個(gè)滑行目標(biāo)，一條滑行指令由若干個(gè)滑行目標(biāo)組成。經(jīng)調(diào)查，中小型機(jī)場(chǎng)的滑行道組成基本為一個(gè)字母和一個(gè)數(shù)字的組合，一個(gè)字母占一個(gè)字節(jié)，即一個(gè)字母占8 bit，一個(gè)數(shù)字占4 bit，通過(guò)TIS-B傳輸一條滑行道指令需要12 bit。停機(jī)位通常是由3位數(shù)字組合而成，即通過(guò)TIS-B傳輸一個(gè)停機(jī)位指令同樣需要12 bit。對(duì)于TIS-B傳輸報(bào)文的ME字段，當(dāng)CF=100(4)時(shí)，為其預(yù)留的空間為56 bit，一共可以傳輸航空器的4個(gè)滑行目標(biāo)，對(duì)于規(guī)模稍復(fù)雜的中小型機(jī)場(chǎng)而言，4個(gè)滑行目標(biāo)可能不足以傳輸完航空器的整個(gè)滑行路徑，本文提出一種新的編碼來(lái)傳輸滑行路徑。

表4 速度報(bào)文子類1和2字段含義

表5 為速度報(bào)文子類3和4字段含義

對(duì)于中小型機(jī)場(chǎng)，其停機(jī)位數(shù)目一般均小于26=64個(gè)，跑道與滑行道、滑行道與滑行道、滑行道與停機(jī)位之間的交點(diǎn)數(shù)目均小于26=64個(gè)，將停機(jī)位和跑道與滑行道、滑行道與滑行道、滑行道與停機(jī)位之間的交點(diǎn)數(shù)目看作是點(diǎn)，每?jī)牲c(diǎn)之間構(gòu)成一條線段，看作是一個(gè)滑行目標(biāo)，所有點(diǎn)的總數(shù)之和小于27=128個(gè)，即傳輸一個(gè)滑行目標(biāo)需要7 bit，TIS-B報(bào)文中ME字段共56 bit，可用于傳輸8個(gè)滑行目標(biāo)。對(duì)于中小型機(jī)場(chǎng)而言，一架航空器的滑行路徑一般在8個(gè)滑行目標(biāo)之內(nèi)，故可用TIS-B報(bào)文預(yù)留的ME字段傳輸航空器滑行路徑，滑行路徑傳輸報(bào)文如表6所示。

表6 航空器滑行路徑報(bào)文字段含義

3 路由傳輸方案

通過(guò)TIS-B進(jìn)行航空器路由傳輸，航空器駕駛艙內(nèi)需要安裝TIS-B機(jī)載接收機(jī)，此外還需要具備地面發(fā)射機(jī)。接收機(jī)與發(fā)射機(jī)需要使用統(tǒng)一的機(jī)場(chǎng)地圖，使用的機(jī)場(chǎng)圖中停機(jī)位、跑道與滑行道、滑行道與滑行道、滑行道與停機(jī)位的交點(diǎn)處使用統(tǒng)一的編號(hào)，以便于發(fā)射機(jī)發(fā)送的滑行路徑與機(jī)載接收機(jī)接收的滑行路徑一致。

3.1 地面發(fā)射機(jī)

TIS-B地面發(fā)射機(jī)是把監(jiān)視到的地面交通服務(wù)信息形成如第二章所描述的TIS-B報(bào)文，此外，還需要對(duì)離港航空器從停機(jī)位到跑到外等待點(diǎn)的滑行路徑和進(jìn)港航空器從跑道脫離點(diǎn)至停機(jī)位的滑行路徑形成滑行路徑報(bào)文。地面發(fā)射機(jī)將航空器的上述報(bào)文信息發(fā)送到機(jī)載接收機(jī)，經(jīng)服務(wù)器端對(duì)報(bào)文進(jìn)行解碼后，機(jī)載接收機(jī)上現(xiàn)實(shí)航空器的位置、速度、滑行路徑等信息。

假設(shè)圖3為某一中小型機(jī)場(chǎng)圖，其停機(jī)位跑道與滑行道、滑行道與滑行道、滑行道與停機(jī)位之間的交點(diǎn)均已重新編號(hào)，某架進(jìn)港航空器的滑行路徑為47-46-42-26-25-9，則其在TIS-B滑行路徑傳輸報(bào)文中的ME字段報(bào)文如表7所示。

3.2 機(jī)載接收機(jī)

機(jī)載接收機(jī)接收到服務(wù)器端發(fā)送的航空器實(shí)時(shí)位置、速度、滑行路徑等信息，機(jī)載接收機(jī)將收到的這些信息在電子地圖上顯示出航空器的具體滑行路徑。對(duì)離港航空器而言，機(jī)載接收機(jī)將航空器從停機(jī)位至跑道外等待點(diǎn)的滑行路徑信息在電子地圖上顯示出來(lái)，引導(dǎo)航空器按照管制員指定的滑行路徑指令滑行至跑道外等待點(diǎn)；對(duì)進(jìn)港航空器而言，機(jī)載接收機(jī)將航空器從跑道脫離點(diǎn)至停機(jī)位的滑行路徑信息在電子地圖上顯示出來(lái)，引導(dǎo)航空器按照管制員指定的滑行路徑指令滑行至其停機(jī)位。

圖3 某機(jī)場(chǎng)TIS-B滑行路徑編碼圖

表7 某航空器滑行路徑報(bào)文ME字段內(nèi)容

根據(jù)前文3.1中發(fā)射機(jī)傳輸?shù)膬?nèi)容，機(jī)載接收機(jī)顯示其滑行路徑如圖4所示，航空器根據(jù)機(jī)載接收機(jī)顯示的滑行路徑及其實(shí)時(shí)位置進(jìn)行滑行。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)TIS-B報(bào)文結(jié)構(gòu)的分析，將中小型機(jī)場(chǎng)中停機(jī)位、跑道與滑行道、滑行道與滑行道、滑行道與停機(jī)位之間的交點(diǎn)數(shù)目看作是點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行重新編號(hào)，不采用中小型機(jī)場(chǎng)中傳統(tǒng)的對(duì)停機(jī)位的編號(hào)使用3位數(shù)字，對(duì)滑行道的編號(hào)使用一個(gè)字母和一個(gè)數(shù)字。采用新的編號(hào)可以通過(guò)TIS-B報(bào)文中ME字段對(duì)航空器的滑行路徑進(jìn)行傳輸，解決的TIS-B傳輸滑行路徑使用傳統(tǒng)編號(hào)傳輸不完滑行指令的問(wèn)題。通過(guò)使用TIS-B傳輸航空器滑行路徑，可以減輕管制員工作負(fù)荷，在遭遇惡劣天氣狀況時(shí)提高機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行效率，提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全。

圖4 某航空器滑行路徑