基于TIS-B的中小型机场路由传输方法

颜 栋， 牟奇锋

(中国民用航空飞行学院 机场工程与运输管理学院， 四川 广汉 618307)

广播式交通信息服务(Traffic Information Services-Broadcast, TIS-B)能够为航空器提供准确、高效的实时交通信息，TIS-B分为地面发射和机载接收两个部分，通过利用监视雷达、多点定位系统、ADS-B等监视系统获取航空器信息，将获取的信息融合为与ADS-B报文类似的报文，通过在指定的区域内广播，装备有TIS-B接收装置的航空器能够接收并获取交通信息，得知周围的交通环境。

目前，国外对TIS-B的研究较多，我国对TIS-B的研究相对较少。TIS-B技术在美国、欧洲、澳大利亚等国家得到了广泛应用[1]。2013年，胡飞分析了利用TIS-B技术实现不同数据链融合的关键作用[2]；林熙提出了一种误差校准算法对TIS-B监视数据进行校准，并验证了算法的合理性[3]。2014年，蒲朝飞研究了基于1 090 MHz ES数据链下的TIS-B数字处理系统，并对系统进行了仿真验证[4]。2017年，黄裕文等在基于UAT数据链的TIS-B报文上合理利用时间资源，避免报文出现问题[5]。2018年，赵泽荣提出基于TIS-B的无人机监视方法，实现了无人机与载人机之间的冲突避让[6]。

近年来，随着民航业的快速发展，机场的规模在不断扩大，机场的起降架次不断增加，管制员的工作负荷也随之增加，若遇到恶劣天气状况，如能见度低等情况，则会出现机场大面积延误，机场运行效率降低。机场通过使用TIS-B对航空器发布路由计划，使航空器按照指定的滑行路径滑行，取代以往通过管制员人工管理机场场面航空器和车辆运行的现状，提高了机场运行安全和运行效率，降低了管制员工作负荷。

1 TIS-B报文结构

一条标准的TIS-B报文结构分为报头和数据块部分，共120 us，其中，报头部分占8 us，数据块部分占112 us。如图1所示。

图1 TIS-B标准报文格式

1.1 TIS-B信号报头

TIS-B信号报头由四个脉冲组成，每一个脉冲的脉冲宽度为0.5 us，分别位于第0 us、1 us、3.5 us、4.5 us，如图2所示。

图2 TIS-B信号报头

1.2 TIS-B数据位

TIS-B数据位由112个bit组成，分为五个字段，分别为DF字段、CF字段、AA字段、ME字段、PI字段。其中，DF字段由5 bit组成，占TIS-B报文数据位的第1-5位；CF字段由3 bit组成，占TIS-B报文数据位的第6-8位；AA字段由24 bit组成，占TIS-B报文数据位的第9-32位；ME字段由56 bit组成，占TIS-B数据位的第33-88位；PI字段由24 bit组成，占TIS-B数据位的第89-112位。如表1所示为TIS-B报文数据位的构成。

DF字段表示报文的传输类型， DF=18表示传输的为TIS-B报文。DF字段是区分TIS-B报文和ADS-B报文的关键字段。

CF字段表示AA字段的地址类型或消息的内容类型。

表1 TIS-B报文数据位结构

AA字段表示当前信息的地地址类型。

ME字段表示TIS-B的业务报文，携带了大量的TIS-B报文信息。

PI字段用于差错控制，保证前88位数据准确无误的接收。

1.3 TIS-B业务报文

TIS-B业务报文与ADS-B业务报文相似，分为空中位置报文、地面位置报文、飞机标志和类型报文、速度报文、飞机运行状况报文、地面系统状况报文等[7]。

1.3.1 地面位置报文

地面位置信息包括编码后的经纬度信息、飞机/车辆运动状况信息、朝向/地面航迹信息，表2所示为TIS-B地面位置报文字段含义。

表2 TIS-B地面位置报文字段含义

1.3.2 飞机识别和类型报文

飞机识别和类型报文包括航空器类别识别和身份类别识别，表3所示为飞机识别和类型报文字段含义。

表3 飞机识别和类型报文字段含义

1.3.3 速度报文

速度报文有两种格式，一种用于飞机能够知道自身水平运动速度，用子类型1和2表示；另一种用于飞机不能获得自身水平速度，用子类型3和4表示。表4所示为速度报文子类1和2字段含义，表5为速度报文子类3和4字段含义。

2 滑行路径传输报文

通过TIS-B传输路由方案除传输地面位置、飞机识别标志、速度外，还需要传输航空器滑行路径，对于中小型机场航空器滑行路径的传输，本文做如下分析：

定义一条滑行指令中连续两点之间的有向线段为一个滑行目标，一条滑行指令由若干个滑行目标组成。经调查，中小型机场的滑行道组成基本为一个字母和一个数字的组合，一个字母占一个字节，即一个字母占8 bit，一个数字占4 bit，通过TIS-B传输一条滑行道指令需要12 bit。停机位通常是由3位数字组合而成，即通过TIS-B传输一个停机位指令同样需要12 bit。对于TIS-B传输报文的ME字段，当CF=100(4)时，为其预留的空间为56 bit，一共可以传输航空器的4个滑行目标，对于规模稍复杂的中小型机场而言，4个滑行目标可能不足以传输完航空器的整个滑行路径，本文提出一种新的编码来传输滑行路径。

表4 速度报文子类1和2字段含义

表5 为速度报文子类3和4字段含义

对于中小型机场，其停机位数目一般均小于26=64个，跑道与滑行道、滑行道与滑行道、滑行道与停机位之间的交点数目均小于26=64个，将停机位和跑道与滑行道、滑行道与滑行道、滑行道与停机位之间的交点数目看作是点，每两点之间构成一条线段，看作是一个滑行目标，所有点的总数之和小于27=128个，即传输一个滑行目标需要7 bit，TIS-B报文中ME字段共56 bit，可用于传输8个滑行目标。对于中小型机场而言，一架航空器的滑行路径一般在8个滑行目标之内，故可用TIS-B报文预留的ME字段传输航空器滑行路径，滑行路径传输报文如表6所示。

表6 航空器滑行路径报文字段含义

3 路由传输方案

通过TIS-B进行航空器路由传输，航空器驾驶舱内需要安装TIS-B机载接收机，此外还需要具备地面发射机。接收机与发射机需要使用统一的机场地图，使用的机场图中停机位、跑道与滑行道、滑行道与滑行道、滑行道与停机位的交点处使用统一的编号，以便于发射机发送的滑行路径与机载接收机接收的滑行路径一致。

3.1 地面发射机

TIS-B地面发射机是把监视到的地面交通服务信息形成如第二章所描述的TIS-B报文，此外，还需要对离港航空器从停机位到跑到外等待点的滑行路径和进港航空器从跑道脱离点至停机位的滑行路径形成滑行路径报文。地面发射机将航空器的上述报文信息发送到机载接收机，经服务器端对报文进行解码后，机载接收机上现实航空器的位置、速度、滑行路径等信息。

假设图3为某一中小型机场图，其停机位跑道与滑行道、滑行道与滑行道、滑行道与停机位之间的交点均已重新编号，某架进港航空器的滑行路径为47-46-42-26-25-9，则其在TIS-B滑行路径传输报文中的ME字段报文如表7所示。

3.2 机载接收机

机载接收机接收到服务器端发送的航空器实时位置、速度、滑行路径等信息，机载接收机将收到的这些信息在电子地图上显示出航空器的具体滑行路径。对离港航空器而言，机载接收机将航空器从停机位至跑道外等待点的滑行路径信息在电子地图上显示出来，引导航空器按照管制员指定的滑行路径指令滑行至跑道外等待点；对进港航空器而言，机载接收机将航空器从跑道脱离点至停机位的滑行路径信息在电子地图上显示出来，引导航空器按照管制员指定的滑行路径指令滑行至其停机位。

图3 某机场TIS-B滑行路径编码图

表7 某航空器滑行路径报文ME字段内容

根据前文3.1中发射机传输的内容，机载接收机显示其滑行路径如图4所示，航空器根据机载接收机显示的滑行路径及其实时位置进行滑行。

4 结论

本文通过对TIS-B报文结构的分析，将中小型机场中停机位、跑道与滑行道、滑行道与滑行道、滑行道与停机位之间的交点数目看作是点，并对其进行重新编号，不采用中小型机场中传统的对停机位的编号使用3位数字，对滑行道的编号使用一个字母和一个数字。采用新的编号可以通过TIS-B报文中ME字段对航空器的滑行路径进行传输，解决的TIS-B传输滑行路径使用传统编号传输不完滑行指令的问题。通过使用TIS-B传输航空器滑行路径，可以减轻管制员工作负荷，在遭遇恶劣天气状况时提高机场的运行效率，提高机场运行安全。

图4 某航空器滑行路径