民用航空通信技術的發展范文

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一、航空通信系統

民用航空對通信的需求有著非常顯著的自身特點。首先，航空通信要求覆蓋范圍廣，可以覆蓋飛行的全程，既包括大陸地區，也包括偏遠的洋區和極地地區；其次，因為所傳輸的信息關乎飛行安全，所以航空業對通信的可靠性有著非常高的要求，這種高可靠需要在航空器高速飛行過程中、在機載設備和地面系統所處的相對復雜的電磁環境下得以保持；此外，航空通信系統要既能夠提供實時的語音通信，也能夠提供傳輸文本指令、圖形等信息的數據通信服務。因此，航空通信系統無法使用單一的技術滿足諸多的需求，需要依據的不同應用范圍、對傳輸質量要求、頻率資源和電磁環境等多種因素，采用適當的通信技術。經過幾十年的發展，民用航空領域逐步形成了由多種通信技術構成的復雜的通信系統。從通信應用的范圍來看，航空通信通常被分為地空通信和地面通信，這也是國際民航組織在最新版的《全球空中航行計劃》中所采用的分類方法。除了與空中飛行的航空器進行通信，地空通信也包括了機場場面通信的部分，因此也被稱為航空移動通信。地面通信過程中的各方通常位于固定的位置，所以也稱為航空固定通信。（見圖1）地空通信和地面通信采用的通信技術有很大不同。在大陸地區，地空通信主要使用甚高頻（VHF）頻段(118MHz–137MHz)模擬調制技術(DSB-AM)，實現地面與空中的語音通信。這項技術的使用已經有50多年的歷史，目前仍然是主用的地空通信手段。在偏遠地區和洋區，則使用高頻(HF)或衛星通信完成地空通話。

在我國，甚高頻地空語音通信是目前使用的主要地空通信手段，達到了相當的覆蓋程度。在機場終端管制范圍內，甚高頻通信可提供塔臺、進近、航站自動情報服務、航務管理等通信服務；在航路對空通信方面，隨著在全國大中型機場及主要航路航線上的甚高頻共用系統和航路甚高頻遙控臺的不斷建設，使我國東部地區6600米以上空域基本實現了雙重覆蓋，西部大部分地區，包括主要航路6600米以上空域實現單重覆蓋(見圖2)。通過與語音通信交換系統（內話系統）的配合，改變了原有甚高頻電臺與航空器點對點通信模式。通過內話系統的交換和聯網能力，實現了對空通信與地面通信的語音綜合調度，不僅集中利用了通信資源，而且大大改善了地空管制和地面協調的通信可靠性和服務質量。20世紀90年代，隨著飛行量上升帶來的無線電頻率資源緊張情況不斷加劇，與此同時，數字通信技術的發展以及地面設備、機載設備自動化能力的增強，使得引入新的地空數據通信技術各方面條件已經成熟。地空數據通信技術主要代表有面向字符傳輸的飛機通信尋址與報告系統(ACARS)，該系統可以工作在甚高頻、高頻和衛星通信信道上，提供低速率的數字通信服務。隨后，國際民航組織采納了更高傳輸速率、面向比特傳輸的甚高頻數據鏈模式2(VDLMode2)技術，作為在大陸地區主要使用的地空數據通信手段。

地面通信也分為語音通信和數據通信兩類。常見的管制中心之間的管制電話，管制單位內部的內話系統都屬于地面語音通信的范疇。地面數據通信應用也非常廣泛，在航班運行過程中，空管、航空公司、機場等運行單位之間以及各單位內部有大量的信息需要傳遞，包括航班計劃、飛行動態、流量信息、航行情報、氣象信息等等。早在20世紀50年代，基于電傳電報技術的航空固定電信網(AFTN)就開始在民航使用，事實上這是第一個全球范圍內的電報處理系統，航班準備與飛行過程中的重要信息通過這個系統到各個相關部門。隨著通信網絡技術的飛速發展，新技術不斷被引入航空地面通信。語音傳輸實現了模擬到數字的轉變，AFTN網絡也使用X.25網絡和計算機處理系統代替了原有的電傳方式。許多國家和地區，以及航空企業也利用現代網絡通信技術，陸續建成了承載多種業務、覆蓋范圍不等的綜合數據通信網絡，提供服務質量更好、成本更低的地面數據通信服務。雖然地空通信和地面通信采用的不同的通信技術體制，但是，機載系統和地面各種自動化系統之間緊密協作的需求非常迫切。因此，信息在空中和地面無縫地傳輸始終是航空通信系統發展的目標之一。20世紀90年代，國際民航組織開始著手規劃新一代空中航行系統，提出了航空電信網(ATN)作為航空通信網絡的解決方案。航空電信網利用異構網絡互聯技術，實現航空器、空管、航空公司、機場等各方的計算機網絡的互聯，形成一個全球化無縫隙的互聯網絡。航空電信網具有強大的集成能力、完善的安全機制和可靠的傳輸方案，可集成多種數據子網，保護原有網絡投資，實現統一數據傳輸服務。

二、面臨的挑戰

多年以來，航空通信系統雖然通過引入新的技術不斷進行自身的改進，但是，系統仍然面臨著非常大的挑戰。特別是地空甚高頻通信，由于通信頻率資源緊張、原有模擬調制技術的限制，在一些飛行繁忙地區，地空通信系統處理能力逐漸接近飽和。以歐洲地區為例，據預測，自2011年以后歐洲地區的飛行量將以每年3%的速度增長。雖然歐洲地區已經在2007年將FL195高度層以上的VHF通信頻率間隔從25KHz縮小到8.33KHz，但以這種增長速度，VHF地空通信系統仍將面臨非常大的壓力。在地面通信領域，隨著計算機的發展，各種業務系統自動化處理能力不斷增強，更多的數據類型、更大的數據量需要經過地面網絡傳輸，同時地面網絡也承擔起了連接不同的業務處理系統的職能，原有的以面向字符傳輸的技術。作為基礎設施之一，通信系統服務于航空系統的運行需求。目前航空通信系統面臨的壓力，主要是系統運行需求變化與現有通信技術體制之間的矛盾造成的。航空系統運行需求變化一方面體現為業務量的快速增長，飛行量的增長直接帶來了通信量的增長；另一方面，航空系統運行方式的改變，也對航空通信提出了新的需求。國際民航組織通過《全球空中交通管理運行概念》(Doc9854)描述了新一代航行系統的愿景，提出了由靈活空域管理、4D航跡、流量與容量管理、信息服務等一系列新的元素組成的運行概念。通過信息服務，運行概念中的各部分整合為一個有機的整體。毫無疑問，航空通信系統是信息服務這一概念實現的主要承載者。通信技術是當今最為活躍的技術領域之一，這為航空通信系統的改進提供了更多可用的技術資源，但也為新的設計和改進帶來了挑戰，需要在規劃設計過程中特別注意技術的選擇以及技術變化的影響。

三、航空通信服務

為了更好地規劃航空通信系統的發展，目前，航空通信系統改進的規劃和實施工作通常采用通信服務和通信技術分離的方法。航空通信服務面向空中交通服務、航空運行控制服務等業務需求，將其中的關鍵業務環節抽象為一系列服務。根據航空系統運行概念和運行方式的變化而調整，是相對比較穩定的；航空通信技術是基于航空通信服務的需求，所選擇的適當的通信技術方案，相對來說變化更加頻繁一些。目前，航空通信服務的定義和研究工作主要關注與飛行安全和航班正常運行的通信部分，圍繞著空中交通服務通信和航空運行控制通信服務展開。在空中交通服務通信方面，以飛行各階段飛行員與管制員的通信為主，輔助以航行通告和氣象信息，規定了一系列服務；航空運行控制通信服務的定義則關注航班的執行情況和航空器機務狀態。比較有代表性的通信服務定義工作是美國標準化組織RTCA和歐洲標準化組織EUROCAE聯合開展的一系列標準開發項目，通過這些項目開發了空中交通服務通信領域的地空數據通信服務的安全、性能和互操作性方面的需求。在被稱為ATN基線(ATNBaseline1)的標準中，主要定義的服務包括：數據鏈能力（DLIC）、ATC通信管理（ACM）、ATC管制指令（ACL）、數字放行（DCL）、ATC話筒檢查（AMC）。目前，ATN基線1中的基本服務已經在歐洲核心地區投入運行。正在開發中的ATN基線2(ATNBaseline2)標準在此基礎上對現有服務進行了增強，并增加了新的數據通信服務，包括支持4D航跡的4DTRAD、支持場面運行的D-TAXI、支持間隔管理的ITP、支持飛行信息服務的終端區信息服務D-OTIS、數字化跑道視程D-RVR、危險天氣信息D-HZWX等。

另外一項由美國和歐洲聯合發起的未來通信系統研究(FCS)項目，針對中長期的航空通信服務和技術進行研究,提出了《未來無線通信系統運行概念和需求》。這項研究關注2030年時間框架內的空中交通服務通信和航空運行控制通信服務，研究并定義了機場、終端區、大陸地區航路、偏遠地區和洋區的所需的通信服務，包括數據通信和語音通信，同時提出了通信服務質量方面的需求，比如傳輸性能、安全性等。這項研究已經得到了國際民航組織通信專家組(ACP)的支持，納入了國際民航組織的工作范圍。在地面通信服務方面，國際民航組織將管制移交(AIDC)和空管服務信息處理系統(AMHS)作為近期推廣實施的通信服務。其中，AMHS將逐步代替現有的AFTN系統，傳輸航班計劃、航行情報和氣象信息。在中遠期，這些服務融合到新的全系統系統管理(SWIM)中的各種業務服務中，包括數字化的航空情報信息(AIM)，先進的氣象信息(AdvancedMET)和協同環境下的航班和流量信息(FF-ICE)等。

四、航空通信新技術

目前的空中交通服務通信和航空運行控制通信服務仍以話音為主，支持大部分服務。

根據預測，2020年后數據通信在地空中的應用將持續增長，并在未來成為地空通信的主要手段，地空之間交換的信息也更加豐富。語音通信作為輔助和應急通信使用，并完成數據化的轉變。因此，在地空通信領域值得關注的通信技術包括：1）VDL模式2——是國際民航組織推薦的航空電信網主要的數據鏈技術，該技術的應用已經非常成熟，是ATN標準的一部分。它使用了數字電臺，采用了D8PSK調制方式，信息傳輸率可達31.5Kbps，相比目前使用的數據鏈有了大幅度的提高。根據國際民航組織的通信技術路線圖，VDL模式2技術是近期和中期(當前～2028年)在大陸區域使用的主要數據鏈，支持ATN基線1和基線2中所定義的通信服務。2）L-DCAS——是正在研究中的未來用于終端區和大陸區域航路上的地空數據鏈技術。L-DACS使用L波段，將能夠提供更高的通信速率，覆蓋范圍大(約400km)，支持航空器高速移動(1080km/h)通信。目前，L-DCAS技術仍在研究中，沒有確定最終的方案。相關的機構正在對兩種候選方案進行最后的評估：一種被稱為L-DCAS1，源于IEEE802.16；另一種被稱為L-DCAS2，參考了廣泛應用的GSM移動通信技術。3）IEEE802.16e——是未來機場場面通信的首選無線通信技術，可在機場范圍內提供高速數據通信，使用C波段。IEEE802.16e是移動寬帶無線接入的標準，支持較高速度的移動目標(通常認為可以達到120km/h)；支持寬帶接入，系統在不同的載波帶寬和調制方式下可以獲得不同的接入速率，其帶寬可達20-70Mbps，覆蓋范圍單基站在1-3km。基于IEEE802.16e的機場場面通信系統被稱為航空移動機場通信系統(AeroMACS)，目前技術工作已經取得了顯著的進展。4）IPv6——是IP協議的第6版本。IPv6在地址空間、安全性和移動通信支持方面對原有協議進行了增強和改進。國際民航組織將IP技術作為地面網絡通信的主用技術，IPv6在中遠期將得到廣泛的應用。目前，IPv6已經被國際民航組織納入ATN技術標準中，作為網絡層協議在ATN中使用。除地面網絡之外，IP技術將來也有望應用到地空網絡，并作為地面網絡和地空網絡的互聯技術使用。5）VoIP——是將語音信號數字化，以數據包的形式在IP網絡上做實時傳遞。VoIP最大的優勢是能利用IP互連的環境，提供成本較低、類型更豐富的服務。在航空通信環境中，在傳輸能力較好的地面廣域網絡和局域網中使用VoIP技術傳輸語音的相關的研究和實驗工作正在進行。6）其他——在偏遠地區和洋區，數據通信也將逐步取代HF語音通信和基于衛星的語音通信。ATN將支持HF數據鏈。面向中遠期應用，下一代衛星通信技術及相關的數據鏈也在研究之中。國際民航組織希望用衛星技術作為未來偏遠地區和洋區的主要通信手段，但衛星通信的高成本和下一代衛星通信技術的不確定性，使得此方案需要更加深入的研究和綜合考量。此外，地空數字化語音通信技術，也值得關注。雖然地空數據通信的比重將不斷增加，但語音通信還會在很長一段時期內保留。一些數據化的語音傳輸有關的前期研究工作已經啟動。綜上所述，在民用航空業務飛速增長的環境下，由傳統技術組成的航空通信系統的運行能力已經趨于飽和。當今在空中航行系統運行方式正面臨轉變的形勢下，航空通信系統將利用新技術，為新航行系統提供更可靠和更豐富的通信服務。

作者：郭靜單位：民航局空管辦