第三章空管通信系统

第三章空管通信系统[课程流程]3.1空管通信的特点3.2空管通信的体制及技术3.3空管数据链通信系统3.4ATN3.5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展[内容安排]3.1空管通信的特点3.2空管通信的体制及技术3.3空管数据链通信系统3.4ATN3.5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展3.1空管通信的特点空管通信是新航行系统中的一个必要条件广泛应用的卫星通信、数据通信以及ATN等使系统的地地、空地和空空通信有机地融为一体主要包含以下两个特点：数字化:数据链全球化:ATN()3.1空管通信的特点数据链是空管通信数字化特点的体现，是通信系统的核心，是数据通信的应用实现人－人、机－机和人－机间的数据传递类型包括高频数据链、甚高频数据链、S模式二次雷达数据链和AMSS。基本作用概括为：保证、共享、实时监视与克服3.1空管通信的特点空管通信全球化的特点体现为ATNATN是全球范围内用于航空的数字通信网络和协议，将航空运输界的机载计算机系统与地面计算机系统连接起来，能支持多国和多组织的运行环境。3.1空管通信的特点ATN按照ISO的OSI7层模型构造，协议基于开放式系统互连结构、面向比特。主要由3个子网构成，包括：机载电子设备通信子网（数据链管理系统）空地通信子网地面通信子网（分组交换网、局域网）路由器[内容安排]3.1空管通信的特点3.2空管通信的体制及技术3.3空管数据链通信系统3.4ATN3.5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展3.2空管通信的体制及技术3.2.1空管通信的体制3.2.2空管数据链通信技术3.2.1空管通信的体制航空通信系统的划分从业务上：航空固定业务（平面业务）航空移动业务（空地通信）航空固定业务（AFS）：指在固定地点之间的电信业务，该业务由航空固定电信网（AFTN）来完成，并逐步向ATN过渡3.2.1空管通信的体制航空移动业务（空地通信）：指航空器电台与航空地面对空电台之间或航空器电台之间的无线电通信业务主要包括：甚高频通信，高频通信和航空移动卫星业务3.2.1空管通信的体制航空通信系统从传输信息对象划分：话音通信和数据通信简单介绍各种话音通信1.甚高频话音通信：频率范围是118～136.975MHz，频率间隔25KHz。沿直线视距传播，采用双边带调幅（DSB－AM）工作方式3.2.1空管通信的体制2.高频话音通信：频率范围是2.8～22MHz，频率间隔100Hz；靠电离层反射，可以覆盖几千公里，但通话质量较差3.卫星话音通信：以卫星数据通信为基础，通话质量好，但费用较高总结：随着飞机数目的激增，人员语言表达等问题阻碍了话音通信的使用，催生出新的面向民用的航空数据链。3.2.1空管通信的体制航空数据链系统一般由传感器系统、通信子系统、链路控制子系统和信息处理显示子系统等构成，成为发展的主导克服了航空话音通信系统传输速度慢、占用信道时间长、可靠性差等缺点，并且具有抗干扰能力强、误码率低的特点航空数据链按应用对象不同分为军用航空数据链和民用航空数据链3.2.1空管通信的体制按使用频段不同分为：高频数据链、甚高频数据链、超高频（UHF）数据链、L频段数据链和卫星数据链。航空数据链按信息传输对象的位置分为：空空数据链（又称机间数据链）、空地数据链地和地数据链3.2.1空管通信的体制空空数据链系统：实现飞机间的数据通讯，为实现自由飞行奠定基础空地数据链系统：将飞机位置，飞行状态等各种信息传送给地面设备和人员，实现驾驶员与管制员之间的双向信息交换地地数据链系统：实现管制中心之间，以及管制中心与其他地面仪器及部门之间的信息交换3.2.1空管通信的体制航空数据链应用于民用航空，根据业务类型可以分为四类：（1）空中交通服务（2）航空管理通信（3）航空行政管理通信（AAC）（4）航空旅客通信（APC）在这四类数据通信中，空中交通服务和航空管理通信与飞行安全和效率有关，具有高优先级。3.2.1空管通信的体制利用航空数据链技术产生了一种新的监视手段——自动相关监视（ADS）自动相关监视（ADS）的定义：自动相关监视是用于空中交通服务（ATS）的一种技术，即飞机通过数据链自动提供机载导航和定位系统导出的各种数据。释义：Automatic（自动）：无需机组人员人工发送信息。Dependent（相关）：地面依据飞机的报告得知飞机的位置，信息来自飞机本身而不是地面站。Surveillance(监视)：飞机的位置得到监视。ATNATS网及各种地面专用网络IMMRSSATGNSS显示数据链Ground信源数据链（B模式）ADS技术原理简介3.2空管通信的体制及技术3.2.1空管通信的体制3.2.2空管数据链通信技术3.2.2空管数据链通信技术已使用和即将使用的数据链技术包括：1.S模式二次雷达数据链它是下一代地基雷达监视系统，与A、C模式数据链交互通信，同时提供独立的监视能力，并且完全与ATN兼容使用选择询问的技术，排除了A、C模式现存的问题。并与之完全兼容支持现在使用1030MHz/1090MHz的飞机通信选址报告系统（ACARS）3.2.2空管数据链通信技术2、VDL模式1低速的、面向比特的数据传输系统在甚高频频段，调制方式为AM－MSK使用载波侦听多路访问（CSMA）的媒质访问方式物理层与现有ACARS系统一致，速率为2400bit/s采用地面网管集中处理的方式。3.2.2空管数据链通信技术3.VDL模式2类似VDL模式1，使用差分8相相移键控（D8PSK）调制速率31.5Kbit/s。在欧、美广泛应用。4.VDL模式3是目前ICAO建议未来的系统，调制方式为D8PSK，速率为31.5Kbit/s。使用TDMA方式，每120ms为一帧，每帧4个30ms的时隙，每个时隙形成独立的双向地空链路，上、下行链路使用同一频率，可以传输模拟话音，也可传输数据。3.2.2空管数据链通信技术5.VDL模式4VDL模式4是瑞典推出的一种甚高频数据链，它以标准的25KHz带宽进行数据通信。媒质访问方式是S－TDMA，基于OSI参考模型，支持19.2Kbit/sGFSK调制速率和31.5Kbit/sD8PSK调制速率。信道被划分为固定时间长度的时隙。与VDL模式3不同的是它不需要地面处理和管理设施，但目前不支持话音通信，只支持各种地空、空空数据链通信应用。3.2.2空管数据链通信技术6.高频数据链支持飞机使用短波完成数据通信，面向比特，符合OSI模型。7.AMSS支持地空数据链通信的实施。以三种主要方式运行：静止轨道卫星（GEOS）、中轨道卫星（MEOS）、低轨道卫星（LEOS）。航空移动卫星（航路）业务（AMS（R）S）是AMSS中的特殊部分，提供独立的ATC服务，移动地球站安装在飞机上。3.2.2空管数据链通信技术8.MLS是满足所有各型飞机、各类精密进近着陆引导、所有运行需求的系统。使用差分相移键控（DPSK）调制、反复发送、周期冗余检查和低比特误码率来确保其完整性和性能。该链路支持导航地基增强系统（GBAS）。MLS运行在5030－5091MHz，以300kHz的频道间隔提供200个通道。MLS提供对空数据广播能力来支持执行精密进近所必要的数据，包括基本的MLS数据、MLS区域导航数据和地面风数据。3.2.2空管数据链通信技术9.导航数据链第一代GNSS基于GPS和GLONASS导航卫星星座，一般通过其增强系统来改善精度、完整性、连续性和可用性，包括星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）SBAS服务的覆盖面与同步卫星的相同GBAS使用的频段可从C波段或者甚高频波段选择。在甚高频波段上其调制方式为D8PSK或者GFSK。D8PSK工作在108－117.975MHz，选用ILS和全向信标台（VOR）使用的导航频段的信道间隔。GFSK将使用相同频段，TDMA调制方式，不具备运行在25kHz频道间隔的能力。3.2.2空管数据链通信技术10.ACARSACARS是基于甚高频的数据通信系统，通过发送一套预先编码的电报交换各种信息面向字符，不满足ISO的OSI/RM7层体系结构。采用MSK调制的模拟电台，信息传输率最高只能达到2.4Kbit/s采用的ARINC618协议和ARINC620协议是典型的文本电报字符格式3.2.2空管数据链通信技术CNS/ATM数据链一览表CNS/ATM数据链一览表[内容安排]3.1空管通信的特点3.2空管通信的体制及技术3.3空管数据链通信系统3.4ATN3.5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展3.3空管数据链通信系统本节主要介绍数据链通信系统包括甚高频数据链、卫星数据链、高频数据链和S模式二次雷达数据链3.3.1甚高频数据链系统3.3.2卫星数据链系统3.3.3高频数据链系统3.3.4S模式二次雷达数据链系统3.3.1甚高频数据链系统由于甚高频数据链系统传输延时小、机载设备和地面设备简单、经济等优点得到广泛使用再过内建立约80个远端地面站（RGS）和网络管理与数据处理系统，具备提供除西部部分航路之外干线航路的地空甚高频覆盖能力3.3.1甚高频数据链系统甚高频数据链系统主要有以下特点：（1）甚高频电波传播特性是直线传播，电离层不能反射，故而是在视线范围内传播，覆盖范围一般只限于以地面为中心的一定半径范围内。（2）对于地面站和机载设备频率范围，甚高频信道均匀分布于118MHz至136.975MHz之间，信道间隔为25kHz，共760个信道。（3）公共信令信道（CSC）设定为136.975MHz。（4）提供独立代码和独立字节的数据传输。（5）提供链路层广播服务。3.3.1甚高频数据链系统甚高频地空数据链网络组成示意图3.3.1甚高频数据链系统典型应用如下：（1）ADS系统（2）CPDLC（3）飞机放行许可（PDC）（4）海洋放行许可（OC）（5）数字自动终端信息服务应用（D－ATIS）（6）ADS－B（7）CNS/ATM航路3.3.1甚高频数据链系统3.3.1.1甚高频数据链的发展3.3.1.2甚高频数据链的分层结构ICAO对甚高频数据链系统的网络体系结构进行了标准化，按照OSI参考模型的7层体系结构，定义了甚高频数字链设计标准3.3.1.2甚高频数据链的分层结构VDL7层体系结构的定义和功能3.3.1.2甚高频数据链的分层结构7层体系结构分析：最低3层（物理层、数据链路层、网络层）实现通信子网的功能，最高3层（会话层、表示层、应用层）实现用户的应用要求，传输层则在最低3层通信子网的基础上为最高3层协议提供源端系统到目的端系统之间可靠的数据通信，是低层子网通信和高层用户应用之间的隔离层。3.3.1.2甚高频数据链的分层结构数据链的分层结构比较3.3.1.3ACARS系统70年代末期，美国ARINC公司研制典型甚高频空地的数据链ACARSACARS系统主要由机载设备、地面设备和网络控制中心（中央交换系统）组成。ACARS的频率间隔为25KHz，数据传输速率为2.4Kbit/s，采用单信道半双工的工作方式。甚高频通信是视距通信，覆盖范围与飞行高度有关3.3.1.3ACARS系统ACARS系统组成框图3.3.1.3ACARS系统ACARS系统组成分析1.机载设备：增加了一个ACARS通信管理单元CMU。一方面与标准机载收发信机相连，另一方面与其他机载数据终端设备相连。完成数据处理等功能2.地面设备：在地面布置甚高频RGS网络，增加了一个数据控制与接口单元（DCIU）3.中央交换系统：实现多个飞机和多个RGS机站的多用户通信。实现航空公司和ATS用户间的资源的共享，实现空地终端间的自动数据通信3.3.1.3ACARS系统为了消除由于信道过分拥挤造成延迟，ARINC采用了广播调频或多基频技术，提高了ACARS在重要机场的可靠性。新的ACARS系统采用甚高频数字链路技术，即VDL模式2，它采用面向比特协议调制方式为D8PSK，速率可达31.5Kbit/s下面继续