新航行系统

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第一章概论

第二章新概念在空中交通管理中的应用

第三章新航行系统依赖的技术

3.1卫星导航

3.2 通信技术

3.3 监视技术

3.4全球一体化的空中交通管理

参考文献

第三章新航行系统依赖的技术

3.1卫星导航

在过去的几年，使全球航行系统和空中交通管制系统发生深刻变革的根源是卫星导航。ICAO将其命名为GNSS，其中可能包括各国或组织的空间卫星系统。GNSS = GPS + GLONASS + INMARSAT-III + MTSAT + GIT……。目前，已经达到完全运行状态的卫星导航系统只有美国研制的全球定位系统（GPS）。

3.1.1卫星导航的基本应用

GPS的基本应用是利用空间24颗卫星星座中的至少4颗卫星来进行定位和授时。对航空用户而言，仅靠GPS接收机完成定位和导航。由于存在卫星星历误差、电离层和对流层的影响，再加上美国政府人为施加的选择可用性(SA)的干扰，GPS的标准定位服务提供的精度在民用航空中只能使用于从航路到非精密进近飞行阶段内，无法满足精密导航和着陆飞行阶段的精度要求。为在使用卫星导航过程中确保飞行安全，改善GPS信号的精度、完好性和可用性必须对GPS基本应用方式采用增强措施。

目前可利用的卫星导航系统提供的基本应用精度：

导航星座	水平定位精度		垂直定位精度
导航星座	95％	99.99%	95%	99.99%
GPS	100米	300米	156米	500米
GLONASS	24米	140米	48米	585米

3.1.2卫星导航的增强应用

(1)差分卫星导航

在一定范围内用导航卫星定位时，当两点间的距离和它们相对卫星的距离相比可以忽略时，在两点的误差就具有共同性的特点，利用差分技术可以有效地消除两点的共同性误差。这是差分技术应用的基本原理。这两点被称为基准站和用户站。

基准站(已经过精密位置测定)接收GPS信号后，解算基准站位置，将解算值与标定值进行比较，求出卫星定位误差。再利用数据链向附近用户发播误差修正值。在附近的用户站接收到误差修正信号后，精确解算用户站的精密位置解。无论是理论计算，还是实地试验都证明了差分是解决卫星定位系统中的精度问题的有效可用技术。(差分卫星导航应用幻灯胶片，此处略)

为提高卫星导航精度、完好性、可用性和连续服务性，通过一些地面设施，选择使用差分技术和伪卫星技术等，使卫星导航系统性能得以提高。由此形成了GPS地面增强系统。按地面设施布放区域和范围，GPS地面增强系统分为：本地差分GPS(LADGPS)、广域差分GPS(WADGPS)、本地增强系统(LAAS)和广域增强系统(WAAS)等。

LADGPS是在DGPS基础上，布设多个基准站，构成基准站网，提高在基准站网覆盖范围内的用户站的定位和导航精度。

(2)广域增强系统(WAAS)

WAAS是一个陆基基准系统网络，利用差分解算技术改善基本GPS信号的精度、完好性和可用性。WAAS主要的目的是改善GPS信号的可用性，以满足全飞行阶段的RNP要求。WAAS能将精度提高至7米。

WAAS由广域基准站(若干个)、广域主控站组成，利用数据链发播定位修正信息。其特点是对空间相关的误差(大气中的传播延迟误差)和对空间不相关的误差(卫星的星历误差、星钟误差)分别解算出来，分别修正。这样，不仅使得只需设置较少的基准站就能覆盖大范围地区，还能利用卫星广播修正电文，在海洋和偏远荒漠地区不需设台，用户也能获得修正信息。(广域增强系统示意图，此处略)

(3)本地增强系统(LAAS)

LAAS的目的是改善GPS信号，以满足精密RNP所需的导航性能要求。向视线范围内的飞机提供差分修正信号。LAAS能将精度提高至1米。

LAAS是对WAAS服务的完善。LAAS使用的差分技术是基于产生一个本地基准站和用户站之间所有预计的共同性误差的修正值。所以，LAAS只能在约20海里的"本地"范围内发播导航修正信息，其服务空间只包括在本区域内的机场。虽然LAAS提供的服务空间小于WAAS，但是，LAAS所能提供的精度要远高于WAAS。因而，LAAS能提供比WAAS更多的精密进近服务，并能有效缩短系统完好性告警时间。

LAAS主要由地面基准站、机载差分GPS接收设备、数据链组成。LAAS可供I类精密进近(可用性指标远高于WAAS)、II类乃至III类精密进近和着陆。此外，LAAS的空间信号还能提供机场场面活动监视服务。(本地增强系统示意图，此处略)

(4)新一代增强系统划分

1998年4月，在新西兰惠灵顿召开的卫星导航专家组会议报告中，对提高能GNSS性能'的各种增强措施进行了系统描述，按组成卫星导航系统的各成分将增强系统划分为：陆基增强系统(GBAS-Ground Based Augmentation System)、星基增强系统(SBAS-Satellite Based Augmentation System)和飞机增强系统(ABAS-Aircraft Based Augmentation System)。

GBAS将为GNSS测距信号提供本地信息和修正信息。修正信息的精度、完好性、连续性满足所需服务等级的要求。这些信息通过VHF数据链以数字格式发播。GBAS的应用包括WAAS、LAAS等。SBAS利用卫星向GNSS用户广播GNSS完好性和修正信息，提供测距信号来增强GNSS。ABAS将GNSS组件信息和机载设备信息增强和/或综合，从而确保系统符合空间信号的要求。ABAS的应用包括RAIM、AAIM、GPS/INS等。

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3.2 通信技术

3.2.1 数据链

数字通信的优点：抗噪声、错码率低、可加密、便于处理运算变换和与计算机连接等。

链路（Link）：指一条无源的点到点的物理线路段，中间没有热和任何变换的节点。又称物理链路。

数据链（Data Link）：在一条线路上传输数据时，除必须具备的物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成数据链。数据链就像一个数字管道，可以在它上面进行数据通信。当采用了复用技术，一条链路可以等效有多条数据链路。数据链又被称为逻辑链路。

数据链示意图：

在空地通信网络系统应用数据链。能够实现人－人(管制员和飞行员)、机－机(ADS和ATM，无人工干涉)和人－机(机上信息注入数据库)间的数据传递。数据链是数据通信的应用，数据通信比模拟通信有许多不可比拟的优点(自适应选频技术、跳频、自动纠错等)。在空地通信系统中，占主要服务内容的空中交通服务ATS和航务管理通信AOC将以数据通信为主，逐渐减少话音通信，最终达到只在必要时或紧急情况下使用话音通信。数据链类型：HF、VHF、SSRS模式和AMSS。(数据链类型示意图)我国应考虑技术投资的可行性和运行保证能力，采用以VHF数据链为主，在建设VHF数据链有困难的地方选用AMSS或HF数据链，视SSRS模式的发展进程考虑S模式数据链应用的策略。

媒体访问方式(数字调制载波的形式)：时分/频分/码分多址(面向比特);调幅－相移键控/差分相移键控(面向字符)。

数据传播的速率：根据工作频率确定。

3.2.2航空电信网(ATN)

ATN是全球范围内，用于航空的数字通信网络和协议。

ATN将航空界的机载计算机系统与地面计算机系统连接起来，ATN能支持多国和多组织的运行环境，使之随时互通信息。

ATN将按照国际标准化组织(ISO)的开放互连(OSI)7层模型来构造。主要由3个子网构成：机载电子设备通信子网(数据链管理系统)；空地通信子网；地面通信子网(分组交换、局域网)。各类子网之间利用路由连接器连接，用户经路由器通过网关进入ATN，再按照网间协议和标准进行信息交换。地面路由器确保将信息传送到要求的终端和飞机，并保存每架飞机的位置信息；跟踪系统配合地面网络，分析媒体的可用性，向飞机发送信息数据。飞机路由器确保飞机信息通过要求的媒体发送。

在现阶段，通信方式和格式繁多，缺乏一致性和兼容性。但是，所需通信性能(RCP)将是今后通信技术发展和应用时共同遵守的标准，如同RNP。

飞机通信选址报告系统(ACARS)是目前向ATN过渡的一种数据链类型。

ATN早期应用－ACARS的应用(OOOI过程)

飞行阶段	来自飞机	到飞机
滑行	链路测试/时钟更新；燃油/机组信息；延误报告；滑行； (OUT)	离港前许可(PDC)；自动终端情报服务；载重和配平；机场分析；垂直速度；飞行计划硬拷贝，注入FMS；
起飞	飞机脱离跑道信息；(OFF)
离港	发动机数据；	飞行计划更新；气象报告；
航路	位置报告；气象报告；预计到达时间；话音请求；发动机信息；维修报告；	ATC许可；气象报告；再许可；地面话音请求(选择呼叫)；
进近	准备；廊桥请求；预计到达时间；特殊请求；发动机信息；维修报告；	廊桥确认；廊桥联系；旅客和机组信息；自动终端情报服务；
着陆	着陆信息；(OFF)
滑行	滑行到停机坪；燃油信息；机组信息；取自中央维修计算机的故障信息；(IN)

3.2.3 航空移动卫星服务/业务(AMSS)

AMSS为航空用户提供远距数据链和话音通信。

组成：卫星转发器；飞机地球站(AES)；地面地球站(GES)。其中，

卫星转发器：由同步轨道卫星完成馈送链路和服务链路间的频率转换。目前有INMARSAT卫星。

飞机地球站(AES)：飞机上用来进行AMSS通信的设备，包括天线、卫星数据单元和高功率放大器等机载电子设备。

地面地球站(GES)：地面用来进行AMSS通信的设备，完成飞机和ATM、航空公司间的通信中继。包括天线、收发信机、信道单元和网络管理设备。

AMSS的链路示意：

AMSS的通道示意：

AMSS采用面向比特协议，与ATN完全兼容。与VHF通信相比，AMSS通信延迟时间较长(高轨道同步卫星)。将利用低轨或中轨卫星，进一步降低AES的设备费和使用费，减小延迟时间，消除南北极附近的通信盲区，真正实现全球、全天候的航空卫星通信。

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3.3 监视技术

3.3.1 S 模式

S＝Selective ，S 模式即选择模式。S模式是SSR的一种增强模式。允许地面管制单位有选择地询问，在地面询问和机载应答装置之间具备双向交换数据功能。

(1) 问题的提出

SSR监视雷达的A/C模式编码数量有限、可交换信息少(识别、高度)；在询问信号工作范围内的全部飞机，会同时获得询问信号，可能产生同时应答，造成混迭；管制员的工作负荷大；目标容易丢失或信号中断，飞机的机动飞行将会遮蔽机载天线；地面反射产生盲区；固定目标的反射会引起虚假目标的显示；目标的方位、距离等参数的分辨率低，等。

(2) S模式简介

S 模式的询问信号(上行)示意：

S模式的应答信号(下行)示意：

一个15或29微秒的数据块可容纳56比特或112比特的数据，数据的前24比特规定用于飞机的地址编码，这样飞机的识别码的数量可达224＝16777216(1677万个)，是现行的A模式的4千余倍，足以实现全球飞机一机一码。
其他比特用于传送所需飞机参数。

(3) S 模式的应用

有选择地询问，防止信号范围内的所有飞机同时应答引起的系统饱和、混迭发生；一机一码，防止询问信号串扰其他飞机；为ATC服务提供数据链能力，为VHF话音通信提供备份；实现对飞机状态的跟踪监视；使用单脉冲技术有效地改善了角度分辨率，提高了方位数据的精度；是防撞的可靠手段，TCAS是利用SSR应答器的信号来确定邻近飞机的距离和高度，利用S模式数据链功能，可确切知道对方的坐标位置，有利于选择正确的回避措施。

(4) S 模式的缺陷

对通信功能而言，因为S 模式的数据链仍沿用了SSR的工作方式，势必受到天线扫掠间歇的限制，使依赖于S 模式的通信次数、速率和实时性差于VHF数据链。但对雷达功能而言，代表了发展的一个方向。

3.3.2自动相关监视(ADS)

ADS向ATS提供与SSR等效的飞机位置数据。

(1)释义

自动的：无需机组人工发送飞机位置。

相关的：地面依赖于飞机的报告得知飞机的位置。信息来自飞机，不是地面站。

监视：飞机的位置得到监视。

(2)ADS信息类型

定期报告(位置、时间、性能因数、识别码、机型、气象、预计航线，等)；

请求报告(内容同定期报告，根据要求立即发送)；

事件报告(航路点变更、侧向偏离超限、高度偏离超限，等)。

ADS信息通过数据链(VHF、HF、S模式或卫星)发送给ATM。ATM借助自动的冲突检测和解算工具处理ADS信息，并将结果数据显示在管制员的荧光屏上。

ADS－B指飞机周期性地广播有关信息，供地面和其他飞机作保证安全间隔参考。(目前类似系统是TCAS)

(3)ADS的局限性

机上信息处理需要时间(FANS-1至少64秒)；通信滞后(飞机到地面需用时45－60秒)；要求使用相同的基准(基于GNSS的时间，WGS－84坐标系统)，否则精度变差；设备安装的过渡期内，机载设备混乱。

(4)ADS效益

与话音通信相比，减小间隔，增加空域容量；地面设施投资大大低于SSR、VOR、DME，可用于无SSR信号覆盖的区域；能提供ATM所需的数据，如：预计航路、性能因数、事件报告等；机组不再依靠话音通信报告飞机位置。

5)监视系统现状与发展

交通量	现状	发展
高密度	PSR、SSR A/C	SSR A/C/S
低密度/洋区	HF话音/电报	ADS

(6)结论

ADS能有效地改善空域容量，不能取代SSR；可用于战略冲突检测；在洋区可取代飞行员的话音位置报告；ADS管制不能用于终端和进近阶段(不满足快速位置更新，实时通信技术的要求)。

话音、雷达和ADS工作时所需间隔比较：

话音报告(程序管制)：每小时每个高度6架飞机

雷达管制：每小时每个高度48架飞机

ADS管制：每小时每个高度16架飞机

3.3.3监视系统的比较

	话音	雷达	自动相关监视
定位手段	机载设备	地面设备	机载设备
参与者	管制员、飞行员	管制员	管制员
功能	固定航路、利用飞行进程单跟踪	监视CRT显示的位置	监视数据终端显示的数据
通信	VHF/HF/SATC OM 话音		VHF/HF/SATC OM 数据链

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3.4全球一体化的空中交通管理

3.4.1ATC的局限性

在ATC系统内和系统之间（地-地通信）、ATC系统与所管制的飞机之间（空-地通信）能力不足以支持空域容量和效率的进一步改善；

ATC系统缺乏一致性的数据和程序用于监视、预测获得最佳空中交通流量；

即使是最先进的ATC系统，能在数据的连续的方式下反映飞机性能和环境状态，但也仅仅反映了近似的真实情况。因而，只能获得有限最佳飞行剖面；

在计划和使飞行航路最佳化方面，要求的机场设施的能力已经超出陆基系统所支持的范围；

航路结构通常是复杂的。

3.4.2 ATM的组成及其功能

空域管理：在既定的空域条件下，实现对空域资源的充分利用。以时分共享空域的方式，按短期需求划分空域以满足不同类型用户的需要。空域管理是以系统的概念考虑实现空域的利用（系统关系图）。

空中交通服务：主要目的是防止航空器之间，航空器与障碍物之间发生碰撞，加速和维持有秩序的空中交通活动。

空中交通流量管理：当某区域空中交通流量超出或即将超出该区域空中交通管制系统可用能力时，预先采取适当措施，保证空中交通量最佳地流入或通过相应的区域。空中交通流量管理有助于实现空中交通管制的目的，能够达到对机场、空域空域容量的最大利用效率。

3.4.3ATM的功能和目标

3.4.3.1功能

飞机活动的有效性；交通流量的高容量及其影响因素；空域利用的高效率。

3.4.3.2目标

为适应用户优选的飞行剖面，提供更大的灵活性和有效性；

改善现有的安全水平；

适应于各种类型的飞机和机场能力；

改善向用户提供的信息，包括气象条件、交通状态和设备可用性；

根据ATM的规定和程序组织空域；

增加用户参与ATM的决断，包括空-地之间以计算机对话方式协商飞行计划；

尽可能大范围地增加单一连续的、边界对用户透明的空域；

增加空域容量，满足空中交通的未来需求。

3.4.4自动化技术在ATM 中的应用

（举例，此处略）

3.4.5 ATC与ATM的比较

	ATC	ATM
名称	空中交通管制	空中交通管理
功能	空中交通管制服务飞行情报服务告警服务	空域管理空中交通服务空中交通流量管理
方法	战略管制	战术管理
飞行活动	受限于管制员的许可和指挥	较大选择余地
通信手段	话音为主	数据为主
监视手段	PSR、SSR	ADS和SSR
导航手段	陆基为主	星基为主
飞行计划登记和处理	根据申报的飞行计划打印飞行窄条；机组通过话音请求偏航；管制员人工记录飞行计划的变更；	电存储飞行计划，拷贝作图；机组通过CPDLC请求偏航；管制员通过CPDLC实时更新飞行计划；
一致性监视	管制员将雷达和话音报告的内容与飞行窄条比较飞行过程；管制员人工识别与飞行计划的偏离；	显示ADS周期位置报告；依据ADS意图数据显示中间位置；飞机自动发送有关偏离、超障高度的事件报告；为管制员提供显示；
间隔保证	管制员通过话音报告，监控飞机位置，保证间隔；管制员根据雷达显示，保证间隔；管制员通过话音通信指挥飞机调动；	管制员根据监控显示，保证间隔；软件评估飞行计划和ADS意图数据；飞机用FOM表示导航性能，允许变化的间隔限制；管制员通过CPDLC指挥飞机；
飞机管制移交	管制员保持与飞机的话音联系，直至飞机移交到下一管区；	管制员通过CPDLC确认将移交的飞机；飞机通过CPDLC显示要求联络的管区；管制员通过CPDLC发送服务的限度；
冲突检测和解决	管制员人工识别冲突隐患；当飞机相互靠近时，雷达提供告警；管制员通过话音通信指挥飞机的调动；	比较飞行计划，显示可能的冲突隐患；变更飞行计划时，自动检查与其他飞机可能的冲突；管制员有足够的时间处理冲突隐患，无需逃避性调动；软件提供解决冲突的选择；
险情监控	(同上)	(同上)