無線電通信導(dǎo)航技術(shù)及系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用研究

［摘 要］全球民航業(yè)的快速發(fā)展離不開多個(gè)行業(yè)的支持，而作為航空體飛行安全的基礎(chǔ)，無線電通信導(dǎo)航技術(shù)在民航業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，從最早的電報(bào)通信，到后面的高頻、甚高頻通信和衛(wèi)星通信，加上導(dǎo)航系統(tǒng)的成熟，從飛機(jī)起飛到經(jīng)度、緯度和高度追蹤，以及最終的衛(wèi)星導(dǎo)航和著陸，讓飛行越來越安全，有力推動(dòng)了全球民航業(yè)的發(fā)展。在保證安全飛行的基礎(chǔ)上，新一代無線電通信導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，已成為民航領(lǐng)域的重要研究方向。

［關(guān)鍵詞］無線電通信；導(dǎo)航技術(shù)；民航

［中圖分類號(hào)］V355 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0107–03

1 無線電通信導(dǎo)航系統(tǒng)概念

20 世紀(jì)80 年代開始，ICAO（國(guó)際民用航空組織）提出了空中交通管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在建立全球化的天、地、空一體化應(yīng)用系統(tǒng)。其中，“天”是指運(yùn)行在離地球表面20 000 多km 高空中的各種通信和導(dǎo)航衛(wèi)星；“地”是指地面一些空管局和航空公司等組成的地面通信系統(tǒng)；“空”則是指通過衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)飛行在空中的各種飛機(jī)系統(tǒng)。

無線電通信技術(shù)讓衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，其中，無線電通信系統(tǒng)在民航中主要包括高頻通信、甚高頻通信及衛(wèi)星通信。而無線電導(dǎo)航系統(tǒng)在民航中則由全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電高度表、測(cè)距設(shè)備、甚高頻全向信標(biāo)、自動(dòng)定向儀、指點(diǎn)信標(biāo)、著陸系統(tǒng)等組成。

2 無線電通信技術(shù)應(yīng)用

無線電通信技術(shù)是指通過無線電波等物理媒介實(shí)現(xiàn)信息交換的技術(shù)。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在無人機(jī)、民用航空、物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)通信等領(lǐng)域，并成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。民航無線電通信技術(shù)作為一個(gè)單獨(dú)分支，主要應(yīng)用于民航機(jī)載通信系統(tǒng)。在早期的民航業(yè)中，無線電通信僅用于語音通信，隨著ICAO 的大力推進(jìn)，開始從語音通信向數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)變。

2.1 高頻通信應(yīng)用

高頻通信主要應(yīng)用于可視距離的飛機(jī)間、飛機(jī)與地面間的語音和數(shù)據(jù)通信，工作頻率一般為2～29.999 MHz。在民用飛機(jī)上，一般會(huì)安裝兩套高頻通信系統(tǒng)，相互備份，且兩套系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，均配備了獨(dú)立的收發(fā)機(jī)、控制面板及天線。

2.2 甚高頻通信應(yīng)用

甚高頻通信系統(tǒng)比高頻通信系統(tǒng)的工作頻率更高，一般為118～136.975 MHz，是目前民航中應(yīng)用最廣泛的無線電通信系統(tǒng)。與高頻通信系統(tǒng)不同，甚高頻通信系統(tǒng)在民用客機(jī)上配備了3 套，以保證通信系統(tǒng)的可靠性，且3 套系統(tǒng)相互獨(dú)立，分別有自己的收發(fā)機(jī)、天線及調(diào)諧控制面板。

2.3 衛(wèi)星通信應(yīng)用

衛(wèi)星通信系統(tǒng)以太空中人類發(fā)射的衛(wèi)星為中轉(zhuǎn)站，將收到的無線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。衛(wèi)星通信系統(tǒng)除了天上的衛(wèi)星外，還包含地面地球站、控制站、數(shù)據(jù)中心及地面通信網(wǎng)絡(luò)。在民航中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的具體應(yīng)用產(chǎn)品為SDU（衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元），通過天線直接與衛(wèi)星通信，并將接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過調(diào)制和解調(diào)，解析出有效數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)發(fā)給其他機(jī)載設(shè)備。某公司公開的SDU 產(chǎn)品如圖1 所示。

3 無線電頻譜

作為無線電通信數(shù)據(jù)的載體，無線電波每時(shí)每刻都在以各種頻率傳送著各種信息和數(shù)據(jù)。無線電波信號(hào)通過射頻波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一般來說，射頻信號(hào)為3 Hz～300 GHz 的射頻波，射頻波傳輸速度一般理解為等于光速c，假設(shè)射頻波的頻率為?，則頻率? 與波長(zhǎng)λ 為反比關(guān)系，即：

c= λ f

不同頻率的無線電波信號(hào)對(duì)應(yīng)不同長(zhǎng)度的波長(zhǎng)，同時(shí)需要的天線長(zhǎng)度和體積也不同。目前民航業(yè)中，一般將無線電波信號(hào)按頻率范圍進(jìn)行分類，具體分類名稱、應(yīng)用見表1。

從表1 可以看出，民航無線電通信主要集中在中頻段到超高頻段之間，其中Ka、Ku 頻段衛(wèi)星工作在超高頻段，TCAS、GPS 工作在特高頻段，工作頻率已經(jīng)達(dá)到1 GHz 以上。

4 民航無線電通信技術(shù)的前景

從20 世紀(jì)80 年代開始，全球無線電通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，尤其在民航業(yè)中，民航飛機(jī)與地面之間的各種數(shù)據(jù)交互，都離不開無線電通信技術(shù)。近年來，蜂窩類通信中5G 技術(shù)已經(jīng)全面應(yīng)用，空地寬帶通信系統(tǒng)ATG 的概念逐漸明確，在我國(guó)民航局和工信部的有力支持和推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)的ATG 也開始緊鑼密鼓的進(jìn)行建設(shè)。未來，ATG 的推廣應(yīng)用，對(duì)我國(guó)及全球民航業(yè)和乘客服務(wù)方面將會(huì)產(chǎn)生廣泛和深刻的影響。

作為非蜂窩類通信系統(tǒng)的一部分，北斗衛(wèi)星無線電通信也取得了顯著成就。2019 年底，我國(guó)通過長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭，采用“一箭雙星”的方式成功發(fā)射了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)第52、53 顆衛(wèi)星，成功組建北斗三號(hào)系列全球系統(tǒng)的核心星座，為全球組網(wǎng)和無線電通信打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前，北斗三號(hào)衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)在民航成功進(jìn)行了實(shí)踐，昂際航電公司的工程師們利用其航電系統(tǒng)專業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首次驗(yàn)證了民航飛機(jī)運(yùn)行參數(shù)的獲取和轉(zhuǎn)發(fā)通信能力，北斗三號(hào)系統(tǒng)獨(dú)有的短報(bào)文通訊功能，也推動(dòng)了全球無線電通信技術(shù)的發(fā)展。

由此可見，民航無線電通信技術(shù)逐漸朝著市場(chǎng)化、國(guó)際化、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，多種通信技術(shù)的深度應(yīng)用和實(shí)踐，賦能多個(gè)行業(yè)快速發(fā)展，更好地為全球服務(wù)，最終造福全人類。

5 民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和應(yīng)用

民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是指利用衛(wèi)星通信技術(shù)對(duì)航空體進(jìn)行引導(dǎo)，使航行體能按照提供的航行線路、時(shí)間、精度等數(shù)據(jù)到達(dá)目的地的技術(shù)，而利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的完整系統(tǒng)即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)如下3 類核心信號(hào)的提供，即航空體的中心位置信號(hào)、定向信號(hào)、速度信號(hào)。導(dǎo)航系統(tǒng)也基于該3類信號(hào)對(duì)航空體進(jìn)行方向、位置、速度等調(diào)整，達(dá)到導(dǎo)航目的。

民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)主要包括提供甚高頻全向信標(biāo)、測(cè)距儀、儀表著陸系統(tǒng)、自動(dòng)定向儀、無線電高度表、指點(diǎn)信標(biāo)及衛(wèi)星導(dǎo)航，最終組成完整的導(dǎo)航系統(tǒng)?；诤娇阵w的不同飛行階段應(yīng)用功能，可以將航空體的導(dǎo)航系統(tǒng)細(xì)分為如下4 種類型，即定位、測(cè)高、著陸引導(dǎo)及環(huán)境監(jiān)測(cè)，該類導(dǎo)航系統(tǒng)一般稱為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。除了無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，還有一種導(dǎo)航系統(tǒng)稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)先通過衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)獲得初始位置數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，然后斷開與外界的無線電通信，利用自主性的機(jī)載設(shè)備，在牛頓力學(xué)定律的基礎(chǔ)上，通過加速度計(jì)對(duì)航空體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量和推算，分析和推斷航空體位置，最終達(dá)到目的地。該系統(tǒng)對(duì)加速度計(jì)的精度和算法要求極高，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，需要及時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和修正。

6 民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

全球科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展和前進(jìn)，人類對(duì)民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的研究也從未停止。從20 世紀(jì)50 年代，美國(guó)Guier W.H 博士和Weiffenback G.C. 博士發(fā)現(xiàn)多普勒頻移特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星定軌，很快人類便成功發(fā)射了研發(fā)衛(wèi)星，并建立了第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。但此時(shí)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)鑒于衛(wèi)星數(shù)量少，軌道高度低，還無法實(shí)現(xiàn)和獲取三維定位數(shù)據(jù)。隨著無線電通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，美國(guó)海、陸、空三軍在第一代衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過詳細(xì)論證，建立了第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即全球定位系統(tǒng)，標(biāo)志著人類全新的衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)間的來臨。全球定位系統(tǒng)利用24 顆衛(wèi)星實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)向全球提供10 m 級(jí)甚至cm 級(jí)的定位、導(dǎo)航及時(shí)間數(shù)據(jù)，很快應(yīng)用于民航業(yè)。

民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，也推動(dòng)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在民航業(yè)的廣泛應(yīng)用，全球定位系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，尤其該系統(tǒng)在軍事方面的突出表現(xiàn)和價(jià)值，讓更多科學(xué)家們開始著力研究自己國(guó)家的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前全球范圍內(nèi)，可以用于民航領(lǐng)域的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)主要有美國(guó)GPS 系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO 及我國(guó)的北斗系統(tǒng)。其中，北斗系統(tǒng)作為民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要分支和方向，已于2023 年11 月16 日順利成為《國(guó)際民用航空公約》 中標(biāo)準(zhǔn)之一和建議措施的一部分，這也標(biāo)志著北斗系統(tǒng)正式加入ICAO，也是全球民航衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)和里程碑。

7 結(jié)束語

無線電通信和導(dǎo)航技術(shù)一直在不斷地迭代更新，無線電通信技術(shù)讓人類成功實(shí)現(xiàn)與高空中飛行的民航飛機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而無線電衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，讓全球定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球化應(yīng)用，同時(shí)也讓包括俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO 及我國(guó)的北斗系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)成功運(yùn)營(yíng)。在不久的將來，全球?qū)⑦M(jìn)入一個(gè)“群星璀璨”的導(dǎo)航時(shí)代，無線電通信會(huì)更加順暢，定位和導(dǎo)航精度會(huì)更加精確，系統(tǒng)的可用性、完整性會(huì)極大提升，全球民航業(yè)會(huì)進(jìn)入新的發(fā)展階段，飛行也會(huì)更加安全。

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