基于星基的民用航空無線電通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

● 文 | 中電科航空電子有限公司 王洪全 劉天華 崔凱 羅斌 歐陽承曦

基于星基的民用航空無線電通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

● 文 | 中電科航空電子有限公司 王洪全 劉天華 崔凱 羅斌 歐陽承曦

航空電子系統(tǒng)是飛機(jī)上所有電子系統(tǒng)的總稱，關(guān)系到飛機(jī)的可用性、飛行安全性、先進(jìn)性和可擴(kuò)展性，是飛機(jī)的重要組成部分，已成為現(xiàn)代航空工業(yè)中發(fā)展速度最快、影響最廣的技術(shù)領(lǐng)域。無線電通信、導(dǎo)航、監(jiān)視（CNS）系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于飛機(jī)滑行、起飛、巡航和著陸等階段；通過機(jī)載話音/數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)、監(jiān)視系統(tǒng)等完成信息獲取、信息交換及信息處理，引導(dǎo)飛機(jī)按預(yù)定航路安全飛行，監(jiān)視飛機(jī)實時狀態(tài)信息，保障飛機(jī)飛行安全。

一、民用航空通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代，航空通信普遍采用甚高頻（VHF）模擬語音通信系統(tǒng)，1947年國際民航組織將VHF頻段（118～132MHz）劃為航空移動服務(wù)使用；20世紀(jì)70年代，飛機(jī)通信尋址與報告系統(tǒng)（ACARS）的出現(xiàn)，標(biāo)志著航空甚高頻數(shù)據(jù)鏈的標(biāo)準(zhǔn)形成。隨后，甚高頻數(shù)據(jù)鏈（VHF Data Link 1/2/3/4）依次被提出。1979年世界無線電大會將航空移動服務(wù)頻段擴(kuò)展至117.975～137.000 MHz，并不斷減小信道間隔，到目前為止，信道間隔已經(jīng)達(dá)到了最小值8.33 kHz。2003年，國際民航組織空中導(dǎo)航第11次會議做出了為滿足不斷發(fā)展的空中交通管理需求，航空移動通信基礎(chǔ)架構(gòu)必須演進(jìn)以提供足夠的容量和服務(wù)質(zhì)量及新功能的決議[1]。隨之，歐洲航空安全組織和美國聯(lián)邦航空管理局啟動了Action Plan 17 （AP17）計劃，從2004—2007年，在調(diào)研評估現(xiàn)有航空通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，建議機(jī)場采用基于802.16e標(biāo)準(zhǔn)的AEROMACS方案，跨洋/偏遠(yuǎn)空域采用衛(wèi)星通信，陸地空域采用L頻段航空數(shù)字通信系統(tǒng)（L-DACS）。這些建議方案被用于歐洲單一天空和美國新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)計劃項目的部署中[2]。

20世紀(jì)70年代以前，民航飛機(jī)在跨洋和偏遠(yuǎn)地區(qū)只能通過航空短波、超短波通信實現(xiàn)空地通信、空中交通管理，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)的引入，可實現(xiàn)整個航路，甚至全球范圍內(nèi)的空地通信及航空交通管理服務(wù)。航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)可分為駕駛艙衛(wèi)星通信和客艙衛(wèi)星通信，目前駕駛艙衛(wèi)星通信主要使用L頻段，客艙衛(wèi)星通信主要使用Ka、Ku頻段。

1. 駕駛艙衛(wèi)星通信

為滿足民航規(guī)章，保障飛機(jī)全球范圍內(nèi)的安全運(yùn)行，基于衛(wèi)星通信的駕駛艙話音及數(shù)據(jù)通信得到廣泛應(yīng)用，目前用于駕駛艙的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有海事衛(wèi)星（Inmarsat）和銥星（Iridium）。

（1）Inmarsat航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)

Inmarsat航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為空間段、地面段和用戶段[3]?？臻g段由多顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星組成，地面段包括衛(wèi)星測控中心、衛(wèi)星接入站和其他地面網(wǎng)絡(luò)等，用戶段由各種用戶終端組成，具體見圖1。

如圖1所示，航空地面站是衛(wèi)星與地面公眾通信網(wǎng)的接口，是Inmarsat地面站的改裝型；機(jī)載站是設(shè)在飛機(jī)上的信號收發(fā)站。Inmarsat航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分為P、R、T和C信道，P、R和T信道主要用于數(shù)據(jù)傳輸，C信道可傳輸話音、數(shù)據(jù)、傳真等。同時，Inmarsat支持4種不同類型的航空服務(wù)，分別為Classic Aero、Swift-64、SBB（Swift-Broadband）和GX（Global-Xpress），前三種服務(wù)支持到/從飛機(jī)的不同類型的話音、傳真和數(shù)據(jù)通信[4]，GX支持到/從飛機(jī)的Ka頻段寬帶數(shù)據(jù)通信。

（2）Iridium航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2007年，二代Iridium系統(tǒng)計劃（即Iridium-Next）啟動。Iridium-Next系統(tǒng)，其建設(shè)目標(biāo)總體包括提高數(shù)據(jù)傳輸速率、更高的話音質(zhì)量、可以靈活分配頻帶、利用IP技術(shù)的優(yōu)勢、提供更強(qiáng)的業(yè)務(wù)和設(shè)備等。Iridium-Next系統(tǒng)支持全球范圍的多種新應(yīng)用和新業(yè)務(wù)，包括星基廣播式自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B應(yīng)用，可以實現(xiàn)全球覆蓋的航空器獨(dú)立監(jiān)視，單星可監(jiān)視3000個目標(biāo)，處理1000個以上目標(biāo)。

2. 客艙衛(wèi)星通信

隨著衛(wèi)星制造技術(shù)和毫米波技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載衛(wèi)星通信已向Ka/Ku頻段發(fā)展，Ka/Ku頻段寬帶衛(wèi)星通信具有高通量、低成本、廣覆蓋、小終端等優(yōu)勢特點(diǎn)，可保障飛機(jī)健康數(shù)據(jù)及客艙寬帶的高速、可靠、實時傳輸，提高飛機(jī)飛行安全、實施飛機(jī)故障分析、提高飛機(jī)派遣率、提高飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控及健康管理、提高旅客乘機(jī)體驗，成為未來的發(fā)展方向和市場制高點(diǎn)，全球各地衛(wèi)星運(yùn)營商均已建設(shè)或正在籌建開展Ka/Ku頻段寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)[5]。目前，美國、加拿大、歐洲等國均發(fā)展了Ka/Ku頻段寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)并已經(jīng)投入使用。

（1）Telesat衛(wèi)星系統(tǒng)

Telesat是全球領(lǐng)先的衛(wèi)星通信運(yùn)營商，提供可靠和安全的衛(wèi)星通信解決方案，服務(wù)于廣播、電信、企業(yè)和政府客戶，總部設(shè)立在加拿大的渥太華，在世界各地建有辦事處及設(shè)施，目前擁有15顆衛(wèi)星，計劃于2017年發(fā)射兩顆小型衛(wèi)星，避免Ka頻段衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)連接相關(guān)技術(shù)風(fēng)險。

（2）Inmarsat-5衛(wèi)星系統(tǒng)

Inmarsat為實現(xiàn)Ka頻段高通量衛(wèi)星應(yīng)用，推出了第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)Global Xpress，Global Xpress采用全I(xiàn)P體制，使用Ka頻段，空間段采用三顆主用（120°間隔）加一顆備用靜止軌道衛(wèi)星的組網(wǎng)方式。第1顆衛(wèi)星于2013年12月發(fā)射，位于62.6°E，覆蓋范圍包括歐洲、中東、非洲和亞洲。第2顆衛(wèi)星于2015年2月發(fā)射，位于55°W，覆蓋范圍為美洲及大西洋地區(qū)。第3顆衛(wèi)星于2015年8月發(fā)射，覆蓋范圍為亞太地區(qū)。第4顆衛(wèi)星于2017年5月發(fā)射，專門覆蓋中國及“一帶一路”沿線。Inmarsat-5衛(wèi)星采用點(diǎn)波束覆蓋方式，分為固定波束和移動波束兩類。每顆衛(wèi)星有72個固定波束，每個固定波束下行速率可達(dá)50Mbit/s；有6個移動波束，可靈活機(jī)動調(diào)整到需要的區(qū)域，每個移動波束下行速率可達(dá)150Mbit/s，Inmarsat-5衛(wèi)星全球覆蓋示意如圖2所示。

（3）ViaSat衛(wèi)星系統(tǒng)

美國衛(wèi)訊公司（ViaSat）的Ka頻段衛(wèi)星可分為三代。ViaSat-1發(fā)射于2011年10月，軌道位置位于115°W，具有72個點(diǎn)波束，覆蓋美國西海岸和德克薩斯州東部狹長地帶以及加拿大部分區(qū)域，采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)，總?cè)萘靠蛇_(dá)140Gbit/s。ViaSat-2發(fā)射于2017年6月，軌道位置位于69.9°W，覆蓋北美、中美洲、加勒比地區(qū)、南美北部地區(qū)、美國東海岸沿海商業(yè)航線以及歐洲與北美洲之間大西洋主要的航空和海上航線，總?cè)萘扛哌_(dá)300Gbit/s。ViaSat-3目前正在由ViaSat公司和波音公司共同開發(fā)中，計劃于2019年發(fā)射。ViaSat-3由3顆衛(wèi)星組成，每一顆都有1000Gbit/s的最大容量，計劃第1顆衛(wèi)星覆蓋美洲，第2顆衛(wèi)星覆蓋歐洲、中東和非洲，第3顆衛(wèi)星覆蓋亞太地區(qū)，從而實現(xiàn)ViaSat-3的全球覆蓋。ViaSat衛(wèi)星示意圖及全球覆蓋如圖3所示。

ViaSat系列衛(wèi)星均是采用ViasSat公司自有的SurfBeam網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。SurfBeam網(wǎng)絡(luò)是一個雙模式寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，既可工作在Ka點(diǎn)波束衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上，也可工作于傳統(tǒng)的Ku頻段寬帶衛(wèi)星上。SurfBeam網(wǎng)絡(luò)可為用戶提供高速Internet接入、軟件化服務(wù)、視頻和VOIP、高速文件傳輸、IP組播等應(yīng)用服務(wù)。

二、民用航空導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）作為未來民用航空運(yùn)行的主要導(dǎo)航源，已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展和應(yīng)用階段。GNSS包含了四大核心星座，有美國的GPS、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS和歐洲的GALILEO，以及相應(yīng)的導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。其中，導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)是為提升民航運(yùn)行的完好性，滿足民航應(yīng)用安全需求而產(chǎn)生。未來民用航空運(yùn)行應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)技術(shù)包括地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）技術(shù)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）技術(shù)。

1. 地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）

GBAS對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行差分校正和完好性監(jiān)測，以提供安裝機(jī)場周邊大約23海里半徑范圍內(nèi)的導(dǎo)航和精密進(jìn)近服務(wù)[6]。相對于傳統(tǒng)儀表著陸系統(tǒng)在降雪、因維護(hù)的關(guān)閉、VHF干擾以及多徑等諸多限制，GBAS可提供更高等級的服務(wù)，能夠支持I類和II/III類精密進(jìn)近，并實現(xiàn)在其工作范圍內(nèi)從進(jìn)近、著陸、離場到場面運(yùn)行的全覆蓋。目前，現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的GBAS能夠提供C類GBAS進(jìn)近服務(wù)（GAST-C，對應(yīng)于I類精密進(jìn)近）。滿足II/III類精密進(jìn)近的GAST-D的技術(shù)正在研究驗證過程中，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最早有望在2018年完成。

2. 星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）

星基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS首先由位置已知的地面差分站對導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測，獲得原始偽距、衛(wèi)星播發(fā)的相位信息等定位數(shù)據(jù)并送至中央處理設(shè)施（主控站），主控站通過計算得到各衛(wèi)星的各種定位修正信息，通過上行注入站發(fā)給GEO衛(wèi)星，最后將修正信息播發(fā)給廣大用戶，從而達(dá)到提高定位精度的目的。

目前，全球已經(jīng)建立起了多個SBAS系統(tǒng)，如美國的WAAS、歐洲的EGNOS、日本的MSAS、俄羅斯的SDCM、加拿大的CWAAS以及印度的GAGAN等。

WAAS于2003年投入試運(yùn)行，后在阿拉斯加、加拿大以及墨西哥增設(shè)的參考站，極大提高了WASS系統(tǒng)的健壯性，大范圍地提高了GPS的精度、完好性、連續(xù)性和可用性，主要為美國民用航空服務(wù)。目前美國及加拿大具備WAAS能力的飛機(jī)場已經(jīng)達(dá)1700多個。

2009年9月，歐洲EGNOS系統(tǒng)正式啟用。EGNOS公開服務(wù)的定位精度在歐洲中心地區(qū)其水平和垂直方向分別可達(dá)1m，個別地區(qū)水平為3m，垂直為4m。目前歐洲具備EGNOS能力的飛機(jī)場已經(jīng)超過了130個，以法國（62個）和德國（11個）為主。其中102個機(jī)場頒布了LPV的飛行程序，33個機(jī)場頒布了APV II飛行程序。

三、民用航空監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

監(jiān)視是飛機(jī)安全飛行和空中交通管理的基礎(chǔ)。獨(dú)立監(jiān)視手段主要有一次監(jiān)視雷達(dá)（PSR）、多地基雷、A/C/S模式二次雷達(dá)（SSR）及自動相關(guān)監(jiān)視等。自動相關(guān)監(jiān)視依靠航空器自主定位和報告實現(xiàn)，該監(jiān)視手段主要有約定式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-C）和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），其中ADS-B技術(shù)在民航得到廣泛應(yīng)用，尤其基于星基的ADS-B技術(shù)是未來發(fā)展的重要方向[7]。

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)（ADS-B）是一種基于衛(wèi)星定位、實現(xiàn)對空飛行器監(jiān)視和追蹤的技術(shù)。目前，歐洲、美國、亞洲均開展了基于星基的廣播自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B方面的研究工作，目前較為成熟的有“銥星二代”系統(tǒng)和“全球星二代”系統(tǒng)。

1.“銥星二代”ADS-B系統(tǒng)

美國銥星公司與NAV CANADA公司的合資公司Aireon通過與Harris公司合作，開展基于“銥星二代”的星載ADS-B技術(shù)，目標(biāo)用戶是空管、搜救和軍方。如圖4所示，“銥星二代”星座攜帶Harris公司研制的1090ES型ADS-B接收機(jī)，可實現(xiàn)單星監(jiān)視3000個目標(biāo)，處理1000個以上目標(biāo)，并實現(xiàn)全球覆蓋?！般炐嵌庇?015年開始發(fā)射，2017年部署結(jié)束。計劃2018年開始用于全球民用客機(jī)監(jiān)視服務(wù)。

基于星基的ADS-B系統(tǒng)通過在“銥星二代”衛(wèi)星上搭載ADS-B接收機(jī)來實現(xiàn)在地球海洋上空、偏遠(yuǎn)地區(qū)上空以及其他無雷達(dá)覆蓋區(qū)域上空提供飛機(jī)位置報告服務(wù)，目前該系統(tǒng)僅在衛(wèi)星上安裝1090-ES ADS-B接收機(jī)，沒有安裝ADS-B發(fā)射機(jī)。因此，該系統(tǒng)主要用于飛行監(jiān)視和追蹤，沒有空中交通情報服務(wù)TIS廣播能力。

2. “全球星二代”ADS-B系統(tǒng)

美國全球星公司和ADS-B技術(shù)公司聯(lián)合推出了基于“全球星”衛(wèi)星的ADS-B鏈路增強(qiáng)系統(tǒng)ALAS（ADS-B Link Augmentation System）。 該 系統(tǒng)采用“全球星”衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星地面站，提供ADS-B監(jiān)視及通信服務(wù)[8]。如圖5所示，“全球星二代”系統(tǒng)共有8個軌道面，共48顆星，軌道高度為1414 km，覆蓋南北緯70°之間。2012年在阿拉斯加州的一座高度1200多米的深山中利用兩架飛機(jī)完成了ALAS的試驗。2014年9月再次進(jìn)行了為期4天7000英里的雙鏈ADS-B系統(tǒng)的測試飛行。2016年9月，基于全球星的ADS-B系統(tǒng)與Cirrus SR22無人機(jī)進(jìn)行了飛行測試，飛行中采用兩種極端飛行情況以測試鏈接穩(wěn)定性，測試結(jié)果表明，可以通過星基鏈路完成良好的監(jiān)視和實時控制能力。

ALAS系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)就是強(qiáng)化現(xiàn)有ADS-B網(wǎng)絡(luò)，以便在傳統(tǒng)地基ADS-B網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之外建立良好的越洋及偏遠(yuǎn)區(qū)域位置跟蹤服務(wù)。系統(tǒng)支持實時回傳飛行數(shù)據(jù)記錄器信息、無人飛機(jī)系統(tǒng)（UAS）傳感器數(shù)據(jù)、雙向氣象和話音等數(shù)據(jù)。ALAS系統(tǒng)采用全球星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星地面站，兼容任何978MHz UAT ADS-B以及1090-ES ADS-B，衛(wèi)星上的ADS-B設(shè)備具備發(fā)射和接收功能，可支持TIS/FIS信息的傳遞。

四、結(jié)語

綜上所述，無線電通信導(dǎo)航監(jiān)視（CNS）系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，并逐步由地基向星基方向發(fā)展?；谛l(wèi)星的駕駛艙衛(wèi)星通信可提供高安全的數(shù)據(jù)鏈及話音通信服務(wù)，保證飛機(jī)與簽派室、空中交通管制單位之間，進(jìn)行迅速可靠的通信聯(lián)系；基于衛(wèi)星的導(dǎo)航增強(qiáng)可提供高精度、高可靠的導(dǎo)航服務(wù)，保證飛機(jī)全行程的精密導(dǎo)航和精密進(jìn)近引導(dǎo)服務(wù)；基于衛(wèi)星的ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)可提供全球范圍內(nèi)的自動相關(guān)監(jiān)視服務(wù)，保證及時獲取航空器的位置報告與身份信息，實現(xiàn)對航空器的全球范圍內(nèi)的追蹤監(jiān)控。因此，大力發(fā)展基于星基的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)是未來發(fā)展的方向。

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