新航行技术系统

第五节　新航行技术系统

早在20世纪70年代末，由于航空运输量的急剧增加，使已有的空中交通管制系统不堪重负。在原有技术条件下，仅仅增加人力和设备数量已经满足不了这些需要，例如随着某一个空域飞机数量的增加，为使管制员负荷降低可以把空域分成很多扇面，每一个管制员仅负责一个较小的空域，但当飞机数量进一步增加时，就不可能把扇面无限制地分小，因为分得越小，扇面数量越多，这样会增加扇面间的协调和管制移交，反而会增加工作负荷和复杂性，并不能提高空域的容量。再如仪表着陆系统限定了飞机进近的程度和路线，从而也限定了跑道可能着陆的飞机数量。而且进一步增加流量只能增加跑道和机场，同时机场的大量增加受到环境和资源的严重限制，因而必须在技术上找到新的突破。与此同时，新的导航技术和计算机在空中交通管制的应用为这种突破做了技术储备，1985年国际民航组织，提出了未来航行系统（Future Air Navigation System，FANS），这个系统称为新航行系统，并组织了FANS委员会，提出了在2005～2010年间实现航行管制系统的全面更新换代。目前其中的许多技术和设施在一些发达国家已经付诸使用。

一、卫星导航技术

1．历史

自1960年美国发射了世界上第一颗导航卫星之后，全世界发射了上百颗导航卫星，并组成了导航卫星网。最初这些导航卫星主要用于军事目的，为军用的飞机、船只、车辆进行定位或导航。到了20世纪80年代末美国和苏联相继建成了全球导航卫星网，使卫星导航覆盖了全球的近地空间，可以进行高精度三维定位、测速，而且抗干扰能力强，基本不受天气影响，如图6-6所示。卫星导航综合了传统导航的优点，突出了全球、全天候、高精度的导航定位。同时，卫星导航在性能、精度、费用上都显示出了压倒的优势，从而在未来航行系统中卫星导航已经成为主导技术方向，美国的全球定位系统已在民航运输中普遍使用。

图6-6　卫星导航技术

2．全球定位系统（Global Positioning System，GPS）

GPS系统是美国的国防导航卫星系统，1995年4月27日正式投入使用，其空间部分为24颗导航卫星组成的一个覆盖全球的卫星网。它在地面部分由1个主控制站和5个监控站组成，用以对卫星进行跟踪、遥测、控制管理。卫星的圆形轨道高度为20 180公里，24颗导航卫星分布在倾角为55度的6个近圆形轨道面上，每12小时绕地球1周，标准定位精度为：水平100米，垂直156米。

3．卫星导航的原理

在用户手中的接收机同时精确测出由4个卫星发来信号的传播时间，由这些时间和卫星的轨道参数，就可以建立起4个数学方程，通过解算这个方程就可获得高精度的三维定位数据。

4．GPS在航行管制中的应用

GPS分为精确码和粗码，由美国政府控制。精确码的定位精度为16米，粗码为100米以内，测速精度在0．1米/秒之内。目前对民用部门只开放使用粗码，对于航路上的飞行，粗码的精度已经基本满足要求，但对于精密进近来说，这个精度是不够的。目前在美国已经有一半机场上装有GPS导航设施，和VOR/DME、NDB等无线电导航设施同时使用，民用飞机可以用GPS系统作非精密进近。目前正在研究的一些新的技术，如差分GPS来提高精度，使卫星导航系统最终能取代仪表着陆系统（ILS）实现精密进近。

5．我国的北斗星卫星导航系统

北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（Compass Navigation Satellite System，CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（Global Navigation Satellite System，GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。至2012年4月，我国已成功地将第13颗北斗导航卫星送入太空预定轨道，2020年左右，我国将建成由30余颗卫星组成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

二、卫星通讯技术

1．原理

卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站并转发无线电波而进行两个或多个地球站之间的通信。

机载卫星通信系统（Satellite Communication Systen，SATCOM）。机载卫星通信系统是20世纪90年代初出现的，其工作原理是把经处理的数字信号发往通信卫星网中的一颗卫星，卫星再把信号转发给地面站，地面站接通航空通信寻址报告系统（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）和地面公共电话网络，如图6-7所示。

图6-7　卫星通信系统

通信卫星承担着地面站和飞机之间的通信中继作用，它把接收到的信号放大后转发，使飞机和地面的通信联通。通信卫星要覆盖全球，就要组成一个全球的网络。对于地球静止轨道卫星，悬在静止轨道上，等间隔地放置三颗通信卫星，轨道高度为35 860公里，卫星运转方向与地球一致，卫星运转周期与地球自转一周时间相同，为24小时，保持与地球同步运行，实现全球范围的通信。中、低轨道的通信卫星网需要更多的卫星来组成全球通信卫星系统。通信卫星都有较大的供电能力来完成中继任务。

卫星通信使用2 000MHz左右的频率作为载波，可以多频道传递射频或音频的通信，例如波音飞机的卫星通信SATCOM系统就有6个频道。

2．设备

机载设备由卫星数据组件、射频组件、高功率放大器、两个波束定向装置、两个高增益天线组成。卫星数据组件是全机的控制核心，它把从卫星来的信号转变为射频信号，送入射频组件，或把射频组件来的信号转变为发射信号送往天线。射频组件则进行射频和音频的转换。波束定向装置控制信号移相，使发射的狭窄波束改变角度，对准卫星。高增益天线在波束控制组件的控制下对准卫星，接收或发送信号。高功率放大器和高功率继电器的目的是把发出的信号增强使通信得以完成。

3．应用

机载卫星通信的实现，使机上的通信基本不受天气、距离的影响，有非常高质量的数据和语音通信能力。通信的频道和数据量比用HF和VHF通信也有了成倍的增加，这就为建立全球航空通信系统（包括空中交通管制、航务、机务系统）铺平了道路。

同时对乘客来说也可以在飞机上使用SATCOM实行全球通话。

三、空中交通管制服务自动化

1．数据处理技术

空中交通管制和服务依靠着大量的实时信息和决定的传递，计算机技术的进步使得数据处理能够实现数字化和程序化，并可以把数据随时存储、传递和按情况进行处理。在空中交通管制和服务中主要需精确处理的数据是飞行情报数据、气象情报和飞行计划。在这些数据输入到计算机系统后，经过处理就可以自动地通过通信网络向需要的终端发送，在计算机网络上首先试行的是气象情报的处理和自动播发，在一些大的航路气象站上测到气象数据直接进入数据处理系统，自动为所需要的单位提供文字或图像气象报告，这大大减轻了气象工作人员的负荷，同时增加了准确性和实时性。

飞行计划输入网络要比气象情报复杂得多，因为飞行计划的准确性、有效性和完整性要不断验证，以避免出现任何差错。如果许多飞行计划同时在一起，则需要协调，否则就会出现空域的混乱，协调由管制员进行。

把雷达（一次雷达或二次雷达）的信息输入计算机网络，使得计算机可以把飞机的实时位置、速度、高度等参数，经过处理显示到使用者屏幕上并和飞行计划进行比较，就可以看出与飞行计划的偏差。数据处理技术使空中交通管制数据的准确性、实时性增加，减轻了工作人员的工作负荷，但它也带来了人和机器（计算机）之间如何分工的人机界面问题，因为在空中交通管制服务中人应该是主体，一旦机器出现故障或不能正确处理一些复杂情况时，加强人的干预仍是一个有待解决的问题。

2．通信技术的改进

由于自动化的使用，要传递大量的文字和图像数据，但以前使用的低速度的航空固定电讯网已经不能满足需要。现在已经在开始建立中速和高速的国际民航组织通过数据交换网来使地面信息的传递速度和自动化的要求相匹配。另一方面借助于卫星通信和数据链，把整个空管系统联结成一个网络，这样使得陆空通话、雷达信息和陆地上的语言和数字数据纳入一个统一的网络之中。有了这样一个网络后，有关的航行信息、气象信息、各种文件、指令报告都可以按照程序和存储的地址，适时地在地面和空中进行提取、处理和传送，整个的空中交通管制将在21世纪初出现巨大改变。

3．通信、导航、监控一体的空中交通管理（CSN/ATM）

在自动化和高速的三维计算机通信网络建立之后，未来的发展就是建立起一个通信、导航、控制合为一体的管理体系，把整个的空域统一管理起来，目前国际民航组织和许多国家一起致力于发展这样一种系统，这就是CNS/ATM系统。

空中交通管理的任务是要合理有效地在所辖的空域内尽最大可能利用空域和增加空中交通流量，与此同时也要保证在空域的任何一点上空中交通管制的顺利进行，从而保证飞行安全。在空中交通管制未实行自动化和只有低速通信网络的情况下，空中交通管理只能是研究空中流量的波动情况和搜集空中交通服务的各种信息，从而确定空中交通的流量，用发布文件、电报、指令的办法使有关单位（航空公司）和个人（机组）执行这些控制指令。由于作出决定需要在搜集研究情报之后，在通知执行时就要延误一段时间。这种管理往往是压缩了飞行架次以保证飞行安全，并没有达到提高空域利用率的目的。在CNS/ATM系统中，通信、导航的各种数据，监视雷达的数据及飞行计划的数据都实时汇聚到空中交通管制部门，在计算机高速处理下作出决定后又能通过卫星通信网和数据链迅速传送给指定的地面或空中的人员或单位。这样就使得覆盖整个空域的空中交通管理网络对总体的交通流量和具体的飞行任务进行控制，使空域得到充分利用，因航管而产生的延误将减少到最低限度，使航空运输的运量和效益及安全性大为增加。

4．自由飞行的设想

由于通信系统和避撞系统的迅速发展，在20世纪90年代中有人提出在各种航空器上都装上精密的TCAS系统，每个航空器都可以“看见”并计算出周围的航空器以及它们的动向，因而空中交通就可以像地面交通一样，按照一定的规则运行，只需引导而无需实行管制，这种设想称为自由飞行。

习题：

1．简述空中交通管理的任务及内容。

2．我国高度层是怎样配备的？

3．真航线角在0～179度、180～359度高度层间隔又有哪些规定？

4．仪表飞行规则的内容有哪些？

5．简述空中交通管制的任务及内容。

6．简述空管许可和飞行计划的内容。

7．简述航管雷达的类型及二次雷达的工作原理。

8．空域管理的类型划分是怎样规定的？

9．简述卫星导航的基本工作原理。