3.1.1衛(wèi)星導航的基本應用

GPS的基本應用是利用空間24顆衛(wèi)星星座中的至少4顆衛(wèi)星來進行定位和授時。對航空用戶而言，僅靠GPS接收機完成定位和導航。由于存在衛(wèi)星星歷誤差、電離層和對流層的影響，再加上美國政府人為施加的選擇可用性(SA)的干擾，GPS的標準定位服務提供的精度在民用航空中只能使用于從航路到非精密進近飛行階段內，無法滿足精密導航和著陸飛行階段的精度要求。為在使用衛(wèi)星導航過程中確保飛行安全，改善GPS信號的精度、完好性和可用性必須對GPS基本應用方式采用增強措施。

目前可利用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的基本應用精度：

3.1.2衛(wèi)星導航的增強應用

(1)差分衛(wèi)星導航

在一定范圍內用導航衛(wèi)星定位時，當兩點間的距離和它們相對衛(wèi)星的距離相比可以忽略時，在兩點的誤差就具有共同性的特點，利用差分技術可以有效地消除兩點的共同性誤差。這是差分技術應用的基本原理。這兩點被稱為基準站和用戶站。

基準站(已經過精密位置測定)接收GPS信號后，解算基準站位置，將解算值與標定值進行比較，求出衛(wèi)星定位誤差。再利用數據鏈向附近用戶發(fā)播誤差修正值。在附近的用戶站接收到誤差修正信號后，精確解算用戶站的精密位置解。無論是理論計算，還是實地試驗都證明了差分是解決衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的精度問題的有效可用技術。(差分衛(wèi)星導航應用幻燈膠片，此處略)

為提高衛(wèi)星導航精度、完好性、可用性和連續(xù)服務性，通過一些地面設施，選擇使用差分技術和偽衛(wèi)星技術等，使衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能得以提高。由此形成了GPS地面增強系統(tǒng)。按地面設施布放區(qū)域和范圍，GPS地面增強系統(tǒng)分為：本地差分GPS(LADGPS)、廣域差分GPS(WADGPS)、本地增強系統(tǒng)(LAAS)和廣域增強系統(tǒng)(WAAS)等。

LADGPS是在DGPS基礎上，布設多個基準站，構成基準站網，提高在基準站網覆蓋范圍內的用戶站的定位和導航精度。

(2)廣域增強系統(tǒng)(WAAS)

WAAS是一個陸基基準系統(tǒng)網絡，利用差分解算技術改善基本GPS信號的精度、完好性和可用性。WAAS主要的目的是改善GPS信號的可用性，以滿足全飛行階段的RNP要求。WAAS能將精度提高至7米。

WAAS由廣域基準站(若干個)、廣域主控站組成，利用數據鏈發(fā)播定位修正信息。其特點是對空間相關的誤差(大氣中的傳播延遲誤差)和對空間不相關的誤差(衛(wèi)星的星歷誤差、星鐘誤差)分別解算出來，分別修正。這樣，不僅使得只需設置較少的基準站就能覆蓋大范圍地區(qū)，還能利用衛(wèi)星廣播修正電文，在海洋和偏遠荒漠地區(qū)不需設臺，用戶也能獲得修正信息。(廣域增強系統(tǒng)示意圖，此處略)

(3)本地增強系統(tǒng)(LAAS)

LAAS的目的是改善GPS信號，以滿足精密RNP所需的導航性能要求。向視線范圍內的飛機提供差分修正信號。LAAS能將精度提高至1米。

LAAS是對WAAS服務的完善。LAAS使用的差分技術是基于產生一個本地基準站和用戶站之間所有預計的共同性誤差的修正值。所以，LAAS只能在約20海里的'本地'范圍內發(fā)播導航修正信息，其服務空間只包括在本區(qū)域內的機場。雖然LAAS提供的服務空間小于WAAS，但是，LAAS所能提供的精度要遠高于WAAS。因而，LAAS能提供比WAAS更多的精密進近服務，并能有效縮短系統(tǒng)完好性告警時間。

LAAS主要由地面基準站、機載差分GPS接收設備、數據鏈組成。LAAS可供I類精密進近(可用性指標遠高于WAAS)、II類乃至III類精密進近和著陸。此外，LAAS的空間信號還能提供機場場面活動監(jiān)視服務。(本地增強系統(tǒng)示意圖，此處略)

(4)新一代增強系統(tǒng)劃分

1998年4月，在新西蘭惠靈頓召開的衛(wèi)星導航專家組會議報告中，對提高能GNSS性能'的各種增強措施進行了系統(tǒng)描述，按組成衛(wèi)星導航系統(tǒng)的各成分將增強系統(tǒng)劃分為：陸基增強系統(tǒng)(GBAS-Ground Based Augmentation System)、星基增強系統(tǒng)(SBAS-Satellite Based Augmentation System)和飛機增強系統(tǒng)(ABAS-Aircraft Based Augmentation System)。

GBAS將為GNSS測距信號提供本地信息和修正信息。修正信息的精度、完好性、連續(xù)性滿足所需服務等級的要求。這些信息通過VHF數據鏈以數字格式發(fā)播。GBAS的應用包括WAAS、LAAS等。SBAS利用衛(wèi)星向GNSS用戶廣播GNSS完好性和修正信息，提供測距信號來增強GNSS。ABAS將GNSS組件信息和機載設備信息增強和/或綜合，從而確保系統(tǒng)符合空間信號的要求。ABAS的應用包括RAIM、AAIM、GPS/INS等。

返回頁首

3.2.1 數據鏈

數字通信的優(yōu)點：抗噪聲、錯碼率低、可加密、便于處理運算變換和與計算機連接等。

鏈路（Link）：指一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有熱和任何變換的節(jié)點。又稱物理鏈路。

數據鏈（Data Link）：在一條線路上傳輸數據時，除必須具備的物理線路外，還必須有一些必要的規(guī)程來控制這些數據的傳輸。把實現這些規(guī)程的硬件和軟件加到鏈路上，就構成數據鏈。數據鏈就像一個數字管道，可以在它上面進行數據通信。當采用了復用技術，一條鏈路可以等效有多條數據鏈路。數據鏈又被稱為邏輯鏈路。

數據鏈示意圖：

在空地通信網絡系統(tǒng)應用數據鏈。能夠實現人－人(管制員和飛行員)、機－機(ADS和ATM，無人工干涉)和人－機(機上信息注入數據庫)間的數據傳遞。數據鏈是數據通信的應用，數據通信比模擬通信有許多不可比擬的優(yōu)點(自適應選頻技術、跳頻、自動糾錯等)。在空地通信系統(tǒng)中，占主要服務內容的空中交通服務ATS和航務管理通信AOC將以數據通信為主，逐漸減少話音通信，最終達到只在必要時或緊急情況下使用話音通信。數據鏈類型：HF、VHF、SSRS模式和AMSS。(數據鏈類型示意圖)我國應考慮技術投資的可行性和運行保證能力，采用以VHF數據鏈為主，在建設VHF數據鏈有困難的地方選用AMSS或HF數據鏈，視SSRS模式的發(fā)展進程考慮S模式數據鏈應用的策略。

媒體訪問方式(數字調制載波的形式)：時分/頻分/碼分多址(面向比特);調幅－相移鍵控/差分相移鍵控(面向字符)。

數據傳播的速率：根據工作頻率確定。

3.2.2航空電信網(ATN)

ATN是全球范圍內，用于航空的數字通信網絡和協(xié)議。

ATN將航空界的機載計算機系統(tǒng)與地面計算機系統(tǒng)連接起來，ATN能支持多國和多組織的運行環(huán)境，使之隨時互通信息。

ATN將按照國際標準化組織(ISO)的開放互連(OSI)7層模型來構造。主要由3個子網構成：機載電子設備通信子網(數據鏈管理系統(tǒng))；空地通信子網；地面通信子網(分組交換、局域網)。各類子網之間利用路由連接器連接，用戶經路由器通過網關進入ATN，再按照網間協(xié)議和標準進行信息交換。地面路由器確保將信息傳送到要求的終端和飛機，并保存每架飛機的位置信息；跟蹤系統(tǒng)配合地面網絡，分析媒體的可用性，向飛機發(fā)送信息數據。飛機路由器確保飛機信息通過要求的媒體發(fā)送。

在現階段，通信方式和格式繁多，缺乏一致性和兼容性。但是，所需通信性能(RCP)將是今后通信技術發(fā)展和應用時共同遵守的標準，如同RNP。

飛機通信選址報告系統(tǒng)(ACARS)是目前向ATN過渡的一種數據鏈類型。

ATN早期應用－ACARS的應用(OOOI過程)

3.2.3 航空移動衛(wèi)星服務/業(yè)務(AMSS)

AMSS為航空用戶提供遠距數據鏈和話音通信。

組成：衛(wèi)星轉發(fā)器；飛機地球站(AES)；地面地球站(GES)。其中，

衛(wèi)星轉發(fā)器：由同步軌道衛(wèi)星完成饋送鏈路和服務鏈路間的頻率轉換。目前有INMARSAT衛(wèi)星。

飛機地球站(AES)：飛機上用來進行AMSS通信的設備，包括天線、衛(wèi)星數據單元和高功率放大器等機載電子設備。

地面地球站(GES)：地面用來進行AMSS通信的設備，完成飛機和ATM、航空公司間的通信中繼。包括天線、收發(fā)信機、信道單元和網絡管理設備。

AMSS的鏈路示意：

AMSS的通道示意：

AMSS采用面向比特協(xié)議，與ATN完全兼容。與VHF通信相比，AMSS通信延遲時間較長(高軌道同步衛(wèi)星)。將利用低軌或中軌衛(wèi)星，進一步降低AES的設備費和使用費，減小延遲時間，消除南北極附近的通信盲區(qū)，真正實現全球、全天候的航空衛(wèi)星通信。

返回頁首

3.3.1 S 模式

S＝Selective ，S 模式即選擇模式。S模式是SSR的一種增強模式。允許地面管制單位有選擇地詢問，在地面詢問和機載應答裝置之間具備雙向交換數據功能。

(1) 問題的提出

SSR監(jiān)視雷達的A/C模式編碼數量有限、可交換信息少(識別、高度)；在詢問信號工作范圍內的全部飛機，會同時獲得詢問信號，可能產生同時應答，造成混迭；管制員的工作負荷大；目標容易丟失或信號中斷，飛機的機動飛行將會遮蔽機載天線；地面反射產生盲區(qū)；固定目標的反射會引起虛假目標的顯示；目標的方位、距離等參數的分辨率低，等。

(2) S模式簡介

S 模式的詢問信號(上行)示意：

S模式的應答信號(下行)示意：

一個15或29微秒的數據塊可容納56比特或112比特的數據，數據的前24比特規(guī)定用于飛機的地址編碼，這樣飛機的識別碼的數量可達224＝16777216(1677萬個)，是現行的A模式的4千余倍，足以實現全球飛機一機一碼。
其他比特用于傳送所需飛機參數。

(3) S 模式的應用

有選擇地詢問，防止信號范圍內的所有飛機同時應答引起的系統(tǒng)飽和、混迭發(fā)生；一機一碼，防止詢問信號串擾其他飛機；為ATC服務提供數據鏈能力，為VHF話音通信提供備份；實現對飛機狀態(tài)的跟蹤監(jiān)視；使用單脈沖技術有效地改善了角度分辨率，提高了方位數據的精度；是防撞的可靠手段，TCAS是利用SSR應答器的信號來確定鄰近飛機的距離和高度，利用S模式數據鏈功能，可確切知道對方的坐標位置，有利于選擇正確的回避措施。

(4) S 模式的缺陷

對通信功能而言，因為S 模式的數據鏈仍沿用了SSR的工作方式，勢必受到天線掃掠間歇的限制，使依賴于S 模式的通信次數、速率和實時性差于VHF數據鏈。但對雷達功能而言，代表了發(fā)展的一個方向。

3.3.2自動相關監(jiān)視(ADS)

ADS向ATS提供與SSR等效的飛機位置數據。

(1)釋義

自動的：無需機組人工發(fā)送飛機位置。

相關的：地面依賴于飛機的報告得知飛機的位置。信息來自飛機，不是地面站。

監(jiān)視：飛機的位置得到監(jiān)視。

(2)ADS信息類型

定期報告(位置、時間、性能因數、識別碼、機型、氣象、預計航線，等)；

請求報告(內容同定期報告，根據要求立即發(fā)送)；

事件報告(航路點變更、側向偏離超限、高度偏離超限，等)。

ADS信息通過數據鏈(VHF、HF、S模式或衛(wèi)星)發(fā)送給ATM。ATM借助自動的沖突檢測和解算工具處理ADS信息，并將結果數據顯示在管制員的熒光屏上。

ADS－B指飛機周期性地廣播有關信息，供地面和其他飛機作保證安全間隔參考。(目前類似系統(tǒng)是TCAS)

(3)ADS的局限性

機上信息處理需要時間(FANS-1至少64秒)；通信滯后(飛機到地面需用時45－60秒)；要求使用相同的基準(基于GNSS的時間，WGS－84坐標系統(tǒng))，否則精度變差；設備安裝的過渡期內，機載設備混亂。

(4)ADS效益

與話音通信相比，減小間隔，增加空域容量；地面設施投資大大低于SSR、VOR、DME，可用于無SSR信號覆蓋的區(qū)域；能提供ATM所需的數據，如：預計航路、性能因數、事件報告等；機組不再依靠話音通信報告飛機位置。

5)監(jiān)視系統(tǒng)現狀與發(fā)展

(6)結論

ADS能有效地改善空域容量，不能取代SSR；可用于戰(zhàn)略沖突檢測；在洋區(qū)可取代飛行員的話音位置報告；ADS管制不能用于終端和進近階段(不滿足快速位置更新，實時通信技術的要求)。

話音、雷達和ADS工作時所需間隔比較：

話音報告(程序管制)：每小時每個高度6架飛機

雷達管制：每小時每個高度48架飛機

ADS管制：每小時每個高度16架飛機

3.3.3監(jiān)視系統(tǒng)的比較

3.4.1ATC的局限性

在ATC系統(tǒng)內和系統(tǒng)之間（地-地通信）、ATC系統(tǒng)與所管制的飛機之間（空-地通信）能力不足以支持空域容量和效率的進一步改善；

ATC系統(tǒng)缺乏一致性的數據和程序用于監(jiān)視、預測獲得最佳空中交通流量；

即使是最先進的ATC系統(tǒng)，能在數據的連續(xù)的方式下反映飛機性能和環(huán)境狀態(tài)，但也僅僅反映了近似的真實情況。因而，只能獲得有限最佳飛行剖面；

在計劃和使飛行航路最佳化方面，要求的機場設施的能力已經超出陸基系統(tǒng)所支持的范圍；

航路結構通常是復雜的。

3.4.2 ATM的組成及其功能

空域管理：在既定的空域條件下，實現對空域資源的充分利用。以時分共享空域的方式，按短期需求劃分空域以滿足不同類型用戶的需要?？沼蚬芾硎且韵到y(tǒng)的概念考慮實現空域的利用（系統(tǒng)關系圖）。

空中交通服務：主要目的是防止航空器之間，航空器與障礙物之間發(fā)生碰撞，加速和維持有秩序的空中交通活動。

空中交通流量管理：當某區(qū)域空中交通流量超出或即將超出該區(qū)域空中交通管制系統(tǒng)可用能力時，預先采取適當措施，保證空中交通量最佳地流入或通過相應的區(qū)域?？罩薪煌髁抗芾碛兄趯崿F空中交通管制的目的，能夠達到對機場、空域空域容量的最大利用效率。

3.4.3ATM的功能和目標

3.4.3.1功能

飛機活動的有效性；交通流量的高容量及其影響因素；空域利用的高效率。

3.4.3.2目標

為適應用戶優(yōu)選的飛行剖面，提供更大的靈活性和有效性；

改善現有的安全水平；

適應于各種類型的飛機和機場能力；

改善向用戶提供的信息，包括氣象條件、交通狀態(tài)和設備可用性；

根據ATM的規(guī)定和程序組織空域；

增加用戶參與ATM的決斷，包括空-地之間以計算機對話方式協(xié)商飛行計劃；

盡可能大范圍地增加單一連續(xù)的、邊界對用戶透明的空域；

增加空域容量，滿足空中交通的未來需求。

3.4.4自動化技術在ATM 中的應用

（舉例，此處略）

3.4.5 ATC與ATM的比較

ATC依賴技術的示意：

ATM依賴技術的示意：

3.4.6ATM的效益

新航行系統(tǒng)對空域和航路帶來的潛在變化：

新的ATM能力和更精確的數據將使提高安全、減少延誤、增加空域和機場能力成為可能；

ATM運行將變得更加靈活，導致以更高的能力適應用戶優(yōu)選的航路。新的能力將有可能允許靈活編輯航路，隨著氣象和交通條件動態(tài)地改變飛行航路；

改進的流量管理將防止過度擁擠情況發(fā)生；

數據鏈將在相應裝備的飛機、地面、地面之間發(fā)射各種信息，為駕駛艙提供增強信息。顯著地減輕工作負荷、減少信道擁擠和現行話音方式的字符通信錯誤；

終端和航路ATM功能將被結合起來，為出入終端區(qū)提供平滑的交通流量；

管制員將能夠建立更有效的進近流量。