空地通信系统在新航行系统中的应用

主页（http://www.pttcn.net）：空地通信系统在新航行系统中的应用

　　随着民用航空业的快速发展，空中交通流量大幅度增长，对航空通信提出了越来越高的要求。作为适应和满足新通信应用需求的解决方案，新的通信、导航、监视和空中交通管理系统（CNS/ATM）及其基础设施航空电信网（ATN），一直以来也在不断的开发、测试和实践当中。甚高频数据链通信是ATN空地通信子网的主要实现方式，是新航行系统中空中交通服务（ATS）和航务管理（AOC）的基本工具。而现行的ACARS（飞机通信寻址报告系统）作为一个过度系统，将在ATN建成之后升级，以适应CNS/ATM的体制。所以，了解不同数据链技术的功能特点和发展状况，将有利于向新航行系统的过渡实施。 
中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-5123260.htm
　　1.现行空地通信网状态及其局限性 
　　现行的空地通信网是由甚高频（VHF）空地通信系统，高频（HF）空地通信系统和VHF数据通信系统即飞机通信选址报告系统（ACARS）组成的。其中甚高频（VHF）空地通信系统和高频（HF）空地通信系统主要用于话音通信。 
　　现行空地通信系统构成如图1所示。 
　　图1 
　　甚高频（VHF）空地通信是一种优秀的通信方式，它是现行ATM中应用的最广泛的空地通信方式。目前民航的VHF通信以话音通信为主，但是存在许多局限和不足。话音传信速度慢，占用信道时间较长，同时，容易出错，口音不一致可能导致听不懂、听错等。另外，还存在多信宿的限制以及业务种类限制。 
　　高频（HF）通信时一种廉价的远距离通信手段，被广泛用于政府、外交、气象和军事等专业部门。高频通信在民航方面也主要用于话音通信。但是高频电台传播信号是利用电离层反射，容易受到干扰，性能较差。 
　　利用空地数据通信可以克服话音通信的缺点。自从20世纪80年代后期，美国开始使用ARINC公司的飞机通信、寻址和报告系统（ACARS）以来，世界各国民用航空普遍利用空地数据链进行通信，但是随着民航业的快速发展，尤其是飞机数量与飞行量的不断增加，空地数据通信量也迅速增加，当前国外部分区域的ACARS系统已达到饱和状态。我国也由民航数据通信公司引进了ARINC的ACARS系统，网络覆盖了国内大部分主要航路。然而与新技术相比，目前的ACARS数据链还存在着缺陷。首先，调幅调制方式决定了频率利用率相对较低，并且容易受射频干扰。其次，ACARS数据链作为面向字符的系统不如面向比特的通信技术灵活，与预定用于航空电信网（ATN）的开放系统互连（OSI）方式不兼容。另外，如果要使话音和数据链同时工作，现行系统需要两套航空电子设备，同时用两个射频载波工作 。 
　　鉴于现行空地通信网的种种限制及缺点，新航行系统中的空地通信系统的具有良好的发展前景。 
　　2.新航行系统中的空地通信系统 
　　ICAO鉴于21世纪全世界所有地区民航客流量和空中交通将有巨大的增长，而现有的民用航空通信、导航、监视和空中交通管理系统存在着明显的缺陷和局限性，为了适应21世纪全球民用航空的需求和满足新的要求，在1983年提出了新航行系统的概念，并且经过论证，得出了新航行系统的具体实施措施。 
　　CNS/ATM对于通信系统实施的关键问题是地面与空中数据的双向传输。其传输途径包括： 
　　（1）保留并发展甚高频（VHF）空地通信系统，用作语音和数据链通信，主要用于高交通密度的陆地和终端区域。 
　　（2）引进航空卫星移动业务通信（AMSS），主要用于海洋和边远陆地飞行使用。 
　　（3）高频（HF）空地通信系统，对于边远陆地，卫星通信不能覆盖的地方，将保留并发展HF通信。 
　　（4）二次雷达S模式（SSR S）数据链通信，在空中交通高密度空域和终端区供空中交通服务（ATS）使用； 
　　（5）建立航空电信网（ATN），将地面数据和空地数据通信融为一体，将上述各种子网交联后，在相应的计算机系统之间进行高速的数据交换。 
　　下面本文主要对VHF空地数据通信系统做详细的介绍。 
　　VHF空地数据通信系统（又称VHF空地数据链）由机载航空电子设备、遥控地面站（RGS）、地面数据通信网、网络管理与数据处理系统（NMDPS）、和各用户子系统构成。 
　　（1）机载航空电子设备（Avionic System）是甚高频（VHF）数据通信系统的空中节点，其主要功能是将机载系统采集的各种飞行参数信息通过空地数据链路发到地面的遥控地面站（RGS）站，并接收地面网中通过RGS站转发来的信息。 
　　（2）遥控地面站（RGS）是甚高频（VHF）数据链系统的地面节点，用于飞机与地面数据通信网的连接，并可实现地面数据通信网节点问数据通信。RGS站通过VHF接收机接收来自飞机的数据，信道间隔25KHz，采用单信道半双工工作方式，数据传输速率为2400bit/s，用MSK调制方式发射或接收数据。RGS站对于下行信息的处理，解调出来的数据将存贮在缓存器中，直到获得网络管理中数据处理系统（NMDPS）取消数据的命令，才释放存储器的数据。 
　　（3）网络管理与数据处理系统（NMDPS）是VHF空地数据网的中心，它采用以太网的拓扑结构，使用工业标准的TCP / IP网络协议。NMDPS作为VHF空地数据通信网的核心，它的功能主要是： 
　　对航空公司地面用户经过RGS到达飞行器上的信息进行交换，完成数据信息的寻址、路由选择及一系列的处理； 
　　对飞行器发射的报文，经过RGS到达航空公司地面用户所在地的信息进行交换寻址和传输； 
　　记录发送和接收的信息，此信息可实时查阅，同时可下载到公告栏里，以供分析等； 
　　提供系统管理功能，包括状态对RGS的控制和监测，整个子系统状态的监控、配置、管理，实施对射频（RF）信道的分配，以及NMDPS组件和BGS运行时间的控制； 
　　另外，还可以灵活地根据管理者的需求增加许多功能，包括航空公司的各种管理应用、空中交通管理的应用。民航运行保障管理的应用和该子系统自身管理的完善。 　　（4）用户子系统可按应用对象分为面向航空公司的飞行管理系统，面向空管部门的空管信息系统和面向管理部门的管理信息系统。通过用户子系统的终端，空管中心的地面管制员。航空公司的签派员可以直接看到与之相关的飞机数据报文，包括飞机识别信息、航班号、飞机四维信息（经度、纬度、高度和时间）以及起飞和降落报告等。 
　　目前已有四种甚高频（VHF）数据链方案写入了附件10，他们分别命名为：方式1（ VDL 1），方式2（VDL 2}，方式3 （VDL 3），方式4（VDL 4）。 
　　（1）VDL 1是从现有ACARS 和其他VHF数据通信方式向VHF数据链方式过渡的中间步骤。 
　　（2）VDL 2是ICAO航空移动通信专家组（AMCP）在1997年指定的空地数据链方式，有许多国家参与了开发和建设。目前，欧洲各国是VDL2的主要支持者和实施者。他们从2001年开始对使用VDL2数据链的可行性进行试验，一个基于VDL2的ATN网络项目Link2000+正在建设当中。日本也在实施VDL2数据链建设，已建了2个地面站，并计划在2004年再建8个。 
　　（3）VDL 3是美国FAA大力推行的数据链方案。FAA计划逐步替换美国现有的46000个地面VHF电台和UHF电台。 
　　（4）VDL 4是由瑞典提出的方案。其利用GNSS系统信息定时，采用面向比特协议，与ATN网完全兼容，还可提供超过ATN网性能的服务，如广播和空空通信。 
　　在4种优选甚高频（VHF）数据链手段中，VDL1由于传输速率低，频谱利用率差而没有得到进一步发展，VDL mode 2，3 ，4成为更受关注的实现方案。 
　　3.新航行系统中的空地通信系统在我国的应用前景 
　　预计到2020年，我国商用运输飞机保有盘将达到2000架，而且通用飞机也会有很大发展。随着飞机数量和飞行数量的增加，以及空地之间大量信息交换的需要，今后民航空地通信的信道需求将不断增长，并将越来越多地使用空地数据链。 
　　对我国而言，如果采用多种数据链方式共存、逐步过渡的方案，将需要引进不同的地面和机载系统。由于不同数据链技术彼此互不兼容，设备和软件不能通用，因此只选用一种数据链方式，逐步过渡是一种经济的和易于操作的方案。中国目前航路话音通信多依赖HF电台。传统的单边带通信的话音效果较差，易受干扰。考虑到既能改善话音通信的质量，同时满足所有ATN数据传输需求，并且飞机设备配备方面成本相对较低，VDL3应该是一个具有吸引力的方式。对于过渡的具体实施，可以考虑分区域逐步部署地而设施，使用多模式电台，允许在一段时间内与传统通信方式共存，分阶段实现数据链对所有航路和航站的覆盖，直至完成向ATN的最终过渡。 
　　4.总结 
　　随着数据链技术的不断完善及其在地-地、地-空系统的广泛应用；随着卫星通信技术的不断应用，新航行系统将逐步趋于完善，通信、导航、监视将成为一个不可分割的整体。新航行系统将各种有效的手段融合在一起，对各个方面的信息进行及时、有效的处理，为各用户提供实时、可靠、全天候的服务，并最终实现全球一致的、连续的、无缝的空中交通管理。数据链在飞机、地面、地面之间传输各种实时、有效的信息，可以显著地减轻飞行人员的工作负担、减少信道拥挤和现行话音方式的字符通信错误。更为精确的数据将使提高安全、减少延误、增加空域和机场能力成为可能，适应用户优选航路的能力将进一步提高。 
　　总之，新航行系统的空地通信系统特别是甚高频（VHF）空地通信系统将作为一种有效的通信手段越来越被人们所重视，它所起的作用也日益显著，它必将为我国以及世界的空中交通管理事业发展起到极为积极的作用。 
　　参考文献 
　　[1] 邓曙康.新航行系统中的甚高频空地数据链，中国民航学院学报，2005，06. 
　　[2] 田八林，叶正寅.新航行系统中VHF数据链通信技术，信息安全与通信保密， 2004，12. 
　　[3] 张晓瑜，李艳，董健康.甚高频空地数据链通信协议架构及转换流程研究，航空维修与工程，2007，05. 
　　[4] 毕心安.新航行系统的关键技术，空中交通管理，2003，06. 
　　[5] 程擎.新航行系统与飞行安全研究，西南交通大学硕士研究生学位论文，2003，06. 
　　[6] 王欣.基于VHF的数据通信系统的研究与实现，大连海事大学硕士研究生学位论文，2006，03.