航空電信網(wǎng)應(yīng)用與現(xiàn)狀分析

韓丹

（民航天津空管分局，天津 300300）

為了緩解日益增長的空中交通流量對管制造成的壓力，讓新概念、新技術(shù)在民航空管中的應(yīng)用更加標(biāo)準(zhǔn)，1983年，國際民航組織（ICAO）開始著手研究新航行系統(tǒng)（FANS）。作為FANS的重要基礎(chǔ)設(shè)施，航空電信網(wǎng)（ATN）基于國際標(biāo)準(zhǔn)組織/開放系統(tǒng)互聯(lián)（ISO/OSI）參考模型的協(xié)議體系，實現(xiàn)地面系統(tǒng)之間以及地面系統(tǒng)與機(jī)載系統(tǒng)之間的通信服務(wù)，它是一個全球一體化、地空一體化的基礎(chǔ)航空電信網(wǎng)絡(luò)。我國民航在“十三五規(guī)劃”中提出，建設(shè)覆蓋民航各級單位、機(jī)場、航空公司的民航數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，完成國內(nèi)航空電信網(wǎng)地面骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。在此背景下，對航空電信網(wǎng)技術(shù)及其在航空中的應(yīng)用進(jìn)行探討是十分必要的。

1 背景闡述

傳統(tǒng)的空中交通管制（ATC）系統(tǒng)的使用是基于模擬無線電的通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行的，它無法滿足日益增長的空中交通流量。得益于計算機(jī)技術(shù)和星基導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，ICAO認(rèn)識到綜合利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和星基技術(shù)可以高效安全利用有限空域容量，減輕管制壓力，在1983年成立了新航行系統(tǒng)（FANS）運行概念的特別委員會，并在1988年出版《FANS報告》，形成了基于衛(wèi)星和數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)字通信導(dǎo)航監(jiān)視/空中交通管理系統(tǒng)概念。在1991年的第10次航行會議上，新航行系統(tǒng)概念得到各成員國的認(rèn)可。1993年，F(xiàn)ANS特別委員會的第二階段工作結(jié)束，制定了全球行動計劃，新航行系統(tǒng)概念得到了進(jìn)一步發(fā)展和細(xì)化。其中，新一代ATN是新航行系統(tǒng)的重要組成部分，是國際民航組織對全球民航通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計。在ICAO的推動下，ATN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)入全面部署實施階段。

按照ICAO附件3定義，ATN是一種基于國際標(biāo)準(zhǔn)組織/開放系統(tǒng)互聯(lián)（ISO/OSI）的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，允許地面、地空、機(jī)載數(shù)據(jù)子網(wǎng)進(jìn)行互操作的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。ATN并非一種全新的底層通信網(wǎng)絡(luò)，而是通過集成多種子網(wǎng)來實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是全球地空一體化的航空專用網(wǎng)絡(luò)，可提供安全、可靠、高效的航空通信服務(wù)。

2 航空電信網(wǎng)概念

2003年，ICAO責(zé)成新成立的航空通信專家組（ACP）主要負(fù)責(zé)研究現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，制定ATN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及為全球各地區(qū)ATN過渡與實施工作提供技術(shù)指導(dǎo)。2007年，考慮到IP協(xié)議族的應(yīng)用，ACP出版了2份指導(dǎo)性文檔，即Doc 9880和Doc 9896。

2.1 業(yè)務(wù)類型

如今，航空界的普遍認(rèn)可的觀點是：作為全球性的航空基礎(chǔ)設(shè)施，航空電信網(wǎng)（ATN）是“將信息高速公路延伸到航空領(lǐng)域”的決定因素，只要技術(shù)上和制度上可行，支持空中交通服務(wù)通信的ATN也應(yīng)該能夠支持非空中交通服務(wù)通信，并且不會導(dǎo)致空中交通服務(wù)通信的服務(wù)質(zhì)量退化，還可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。簡而言之，ATN應(yīng)能提供廣泛的通信服務(wù)。

概括來說，ATN主要用于傳輸與空中交通管制和飛機(jī)運行相關(guān)的安全通信業(yè)務(wù)，可以歸結(jié)為2種不同類別的通信業(yè)務(wù)，即空中交通服務(wù)（ATS）通信和航務(wù)管理（AOC）通信。ATS通信包括為空中交通管制、飛行情報和告警而提供的通信服務(wù)，會涉及一個或多個空中交通管理部門。AOC通信發(fā)生在飛機(jī)與航空公司運控中心或機(jī)場之間，出于安全以及運行效率的原因，對航班的啟動、延續(xù)、轉(zhuǎn)移或終止進(jìn)行管理。當(dāng)然，ATN不限于提供安全通信業(yè)務(wù)，還提供非安全通信業(yè)務(wù)，航空行政管理通信（AAC）和航空旅客通信（APC）用于乘客個人通信和機(jī)組人員的非安全語音、數(shù)據(jù)服務(wù)有關(guān)的通信。

2.2 網(wǎng)絡(luò)組成

ATN通過中間系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)和路由器）將機(jī)載網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)空地、地地、空空的信息互聯(lián)互通，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。航空電信網(wǎng)由位于機(jī)載端或地面服務(wù)管理部門的端系統(tǒng)、連接不同網(wǎng)絡(luò)的路由器組成的中間系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成。終端系統(tǒng)是ATN的各個用戶計算機(jī)單元，為上層的應(yīng)用提供端到端（即飛機(jī)和各部門之間）的通信服務(wù)，同時，也是人機(jī)交互的操作界面。

數(shù)據(jù)通信子網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的終端空間位置的不同而分為地面通信子網(wǎng)絡(luò)、地空通信子網(wǎng)絡(luò)和機(jī)載通信子網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合不同的通信技術(shù)，用于ATN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間的信息傳輸。為了保證信息傳輸?shù)陌踩?，ATN為同一終端之間提供不同的數(shù)據(jù)通信通道。如圖1所示，機(jī)載終端可以通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈、VHF數(shù)據(jù)鏈或S模式二次雷達(dá)數(shù)據(jù)鏈與地面終端通信。

2.3 協(xié)議結(jié)構(gòu)

由于歷史原因，ATN的協(xié)議體系以開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI七層參考模型為基礎(chǔ)，根據(jù)航空通信的特點開發(fā)的協(xié)議棧。其中，子網(wǎng)絡(luò)層對應(yīng)七層模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，可以采用各種不同的局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層采用CLNP協(xié)議提供無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，采用ES-ES、IS-IS、IDRP等路由協(xié)議完成路由管理。傳輸層主要采用TP4協(xié)議保障端到端的可靠傳輸，提供面向連接的傳輸層服務(wù)。會話層和表示層簡化為“FastByte”，目的是解決在帶寬較窄的地空數(shù)據(jù)鏈上傳輸報文的問題。應(yīng)用層包括應(yīng)用服務(wù)元素（ASE）和聯(lián)合控制服務(wù)元素（ACSE），各個應(yīng)用都公用1個ACSE，由ACSE提供統(tǒng)一的建立釋放連接的處理程序和信息。以參考模型為參照建立的協(xié)議體系保留了七層模型的開放性，同時考慮到了航空業(yè)務(wù)的特殊性，可開發(fā)出不同的航空應(yīng)用。航空電信網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的具體情況如表1所示。

3 ATN應(yīng)用

目前已定義的ATN應(yīng)用是航空通信、監(jiān)視和信息服務(wù)，由空中交通服務(wù)單位（ATSU）應(yīng)用，ATSU可以是空中交通管制單位、飛行情報中心或空中交通服務(wù)報告辦公室。這些服務(wù)的目的是提供如下空中交通管理（ATM）功能，即空中交通服務(wù)ATS（含空中交通管制服務(wù)ATC、飛行情報服務(wù)FIS、告警服務(wù)AL）、空中交通流量管理ATFM、空域管理ASM。按照應(yīng)用終端位置，可以分為地-地應(yīng)用和地-空應(yīng)用。

表1 航空電信網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

3.1 地-地應(yīng)用

空中交通服務(wù)電報處理ATSMHS，簡寫成AMHS。其主要目的是在ATN上以存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式交換ATS電文，提供一般的電文服務(wù)，可傳輸航班飛行動態(tài)、氣象、航行情報等空中交通服務(wù)信息。

AMHS是第一個ATN地-地應(yīng)用，是代替現(xiàn)有自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)AFTN的ATN應(yīng)用，能提供更可靠、更安全、功能更強(qiáng)大的信息傳輸服務(wù)。與AFTN相比，ATSMHS有顯著的優(yōu)勢，即傳輸更安全、傳輸可靠性大大提高、可對信息傳輸進(jìn)行多級別的控制、可以傳輸不止文本的多種類型數(shù)據(jù)、傳輸速率更快、適用于全球。

空中交通服務(wù)設(shè)施間數(shù)據(jù)通信AIDC，是一種專用于ATSU之間的空中交通管制信息交換的ATN應(yīng)用，包括飛行通知、飛行協(xié)調(diào)、管制、通信、監(jiān)視和一般數(shù)據(jù)的移交。它在確保飛行安全前提下，提供了將飛機(jī)從一個ATSU移交給下一個ATSU的方式。AIDC應(yīng)用的優(yōu)勢是改善交通流量，及時移交管制權(quán)。

3.2 地-空應(yīng)用

管制員與飛行員數(shù)據(jù)鏈通信CPDLC是管制員與飛行員之間使用數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行ATC通信的工具，它提供了一種使用地-空和地-地子網(wǎng)在主控、接收或下行ATS單元與飛機(jī)之間進(jìn)行ATC數(shù)據(jù)通信的方法，而且與當(dāng)前ATC語音通信的用語是一致的。它允許管制員與飛行員之間使用數(shù)據(jù)鏈而非語音進(jìn)行通信。其主要進(jìn)行地空之間交換符合空中交通管制的電報，包括飛行高度的報告、偏離航路告警、航路改變和放行、速度報告、通信頻率報告、飛行員各種請求，以及自由格式電文的發(fā)布和接收。CPDLC應(yīng)用可以減少話音通信，減輕管制員的工作負(fù)擔(dān)，增加單位飛行區(qū)域的交通容量，降低管制員與飛行員之間的誤解、語音頻道的擁塞、情報傳輸失敗的風(fēng)險，以此提高飛行安全。

自動相關(guān)監(jiān)視ADS是一種將飛機(jī)的ADS數(shù)據(jù)提供給ATSU用于監(jiān)視的ATN應(yīng)用，即飛機(jī)通過數(shù)據(jù)鏈路自動提供給ATSU從機(jī)載導(dǎo)航和定位系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，包括航空器識別標(biāo)志、四維位置和一些適當(dāng)?shù)母郊訑?shù)據(jù)。從實現(xiàn)技術(shù)上講，ADS屬于非獨立協(xié)同式監(jiān)視，包括合約式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-C）和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）。

ADS的應(yīng)用可以提供更多的監(jiān)視目標(biāo)信息，提供更高精度的監(jiān)視手段，增強(qiáng)交通態(tài)勢感知。

飛行情報服務(wù)FIS是一種為飛機(jī)提供對保證安全和高效航行有用的情報和咨詢的ATN應(yīng)用，它又分為數(shù)字式自動航站情報服務(wù)（又稱“情報通播”）D-ATIS應(yīng)用和數(shù)字式航空氣象定期觀測報告D-METAR應(yīng)用。其中，D-ATIS指通過數(shù)據(jù)鏈路24 h或在指定時間段自動將當(dāng)前的、例行的機(jī)場及氣象情報提供給到港或離港飛機(jī)（例如飛行員警示服務(wù)NOTAM、風(fēng)切變警示服務(wù)WSAS、跑道能見度報告服務(wù)RVR、機(jī)場氣象趨勢預(yù)報TAF）；D-METAR指通過數(shù)據(jù)鏈路給正常飛行的飛機(jī)發(fā)送氣象信息。

FIS應(yīng)用是現(xiàn)存的語音通播方式的補(bǔ)充，其優(yōu)點是減輕飛行員和管制員的工作量，提高飛行效率和飛行安全，飛行員能夠獲取沒有時間和覆蓋范圍局限的FIS情報，減少無線電頻道的擁堵。

內(nèi)容管理CM是飛機(jī)進(jìn)入ATN的服務(wù)范圍后，CM會提供登陸ATN系統(tǒng)的服務(wù)，登錄成功后CM提供一個飛機(jī)上所有數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)用的目錄，同時，也提供在ATS單元中轉(zhuǎn)發(fā)地址的功能。

4 應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在ICAO的推動下，世界各國都在積極從事ATN領(lǐng)域的技術(shù)研究、線路測試和部署工作。

4.1 地-地應(yīng)用

與AIDC相比，AMHS在實際中得到了廣泛應(yīng)用。2005-02，歐洲的第一條AMHS線路投入運行，其位于德國與西班牙之間。美日也于2005年投入運行了AMHS線路，中東的第一條位于阿聯(lián)酋和阿曼之間的AMHS線路已于2009年完工，之后中東國家紛紛引入了AMHS系統(tǒng)。2012年，南美國家秘魯和哥倫比亞也成為AMHS的使用者。在亞洲，2009年，香港與澳門之間的AMHS線路投入運行，新加坡與印度之間的AMHS線路在2011年投入運行。均為亞太地區(qū)主干站點的北京與香港之間的AMHS線路互操作性測試也已按照計劃在2017年年中進(jìn)行。因此，目前已經(jīng)有多個國家和地區(qū)部署了ATN/AMHS系統(tǒng)。

4.2 地-空應(yīng)用

2009年，澳大利亞成為全球首個ADS-B覆蓋全國的國家，ADS-B覆蓋全國FL300（9 144 m）以上的空域。美國聯(lián)邦航空局FAA將ADS-B確定為下一代空中交通運輸系統(tǒng)NGATS的基石之一，2010年已在部分地區(qū)使用ADS-B，在2016年實現(xiàn)全美覆蓋。加拿大從2009-01開始便在其北部哈德遜灣（Hudson Bay）上空提供ADS-B服務(wù)。歐洲早在2006年啟動了ADS-B應(yīng)用項目，其與廣域定位多點定位系統(tǒng)一起在歐洲部署。

從2000年開始，我國在L888、Y1、Y2航路上應(yīng)用了ADS技術(shù)，并且北京、上海、廣州三大區(qū)管中心配套的空管自動化系統(tǒng)都具備了ADS航跡處理能力和CPDLC能力。

5 結(jié)束語

本文重點闡述了航空電信網(wǎng)的應(yīng)用情況，并分析了其發(fā)展現(xiàn)狀。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和現(xiàn)實應(yīng)用中問題的出現(xiàn)，相信航空電信網(wǎng)在全球會越來越廣，也會有不少新的應(yīng)用出現(xiàn)。

［1］空管行業(yè)管理辦公室，AC-115-TM-2015-01.中國民航航空電信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用政策［S］.2015-07-02.

［2］李琦.航空電信網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)初探［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（16）：25.