地空数据链应用及技术

地空数据链应用及技术
在国际民航新的通信、导航、监视和空中交通管理（ＣＮＳ／ＡＴＭ）的技术方案中，运作的基础是建立一个新型的航空电信网（ＡＴＮ）。

其中一项重要的发展重点是开发地空数据链的技术和应用。

本文根据国际民航在这方面的研究，拟从总体上介绍在民用航空领域，今后地空数据链的应用和技术情况。

一、数据链的应用
在新ＣＮＳ／ＡＴＭ的实施中，地空和空空数据链业务将支持通信、导航和监视应用的各个领域。

总的说来，管制员与飞行员的交互通信将由管制员与飞行员直接链路通信（ＣＰＤＬＣ）来支持；地面信息和导航信息的获取由地空广播数据链来支持；地面和机载的监视能力由自动相关监视支持；通信网络的管理由数据链初始能力支持。

１．ＣＰＤＬＣ提供空中交通管制（ＡＴＣ）服务的地空数据通信。

它进行地空之间交换符合空中交通管制程序措词的放行、情报、请求等电报。

这些电报包括有关飞行高度指配、通过限制通知、偏离航路告警、航路改变和放行、速度指配、通信频率指配、飞行员各种请求，以及自由格式电文的发布和接收。

２．Ｄ－ＦＩＳ（数字化飞行信息服务）是一种地空间的数据链广播应用。

它允许飞行员经过数据链路向地面计算机系统请求并接收ＦＩＳ信息。

Ｄ－ＦＩＳ支持多种服务，他们包括：ＡＴＩＳ（终端自动信息广播服务）、机场气象报告服务、终端气象服务、风切变咨询服务、航行通告服务、跑道视程服务、机场预报服务、重要气象信息服务以及临时地图服务（ＰＲＥＣＩＰＩＴＡＴＩＯＮＭＡＰＳＥＲＶＩＣＥ）等。

这种通信从飞机起始，Ｄ－ＦＩＳ可以应用到飞行的全过程。

预期飞机在终端区或进近、起飞阶段交互通信率比较高。

其对传输时延的要求不是太大的问题，而对完整性要求比较高。

３．ＡＤＳ－Ｃ（自动相关监视－约定式）也称为ＡＤＳ－Ａ（寻址式）。

两者都是使用与ＡＴＮ相兼容的子网络的数据链信道支持双向数据链通信服务，其工作方式与ＡＤＳ－Ｂ（广播式）不同。

ＡＤＳ－Ｃ基于使用从飞机获取的四维的位置信息，通过ＡＴＮ数据链，按照ＡＴＳ单位与飞机双方同意的约定来进行通信，从而经过地面计算机系统的处理，在显示系统上显示飞机航迹。

ＡＤＳ－Ｃ可以应用到地面的飞机和飞行的全过程。

ＡＤＳ－Ｃ一般用于无法实施雷达监视的海洋和内陆边远地区，或者作为一个大范围的雷达监视系统的低成本的备用方式。

ＡＤＳ－Ｃ现在定义为在尚不能满足在繁忙空域中使用飞行间隔标准的监视系统。

ＩＣＡＯ认为，ＡＤＳ－Ｃ支持监视业务是通过ＡＴＮ来完成的，所以是通信需求的组成部分。

４．导航应用。

导航系统使用数据链服务的主要应用是通过ＧＮＳＳ（全球卫星导航系统）增强系统对ＧＮＳＳ定位信息的修正来改善机载ＧＮＳＳ接收机提供的飞机位置的精确性。

ＧＮＳＳ增强系统的修正数据将被周期性地通过一个或者多个数据链广播给飞机。

增强系统同时改善ＧＮＳＳ服务的完整性、可用性和连续性。

这个应用将需要非常高质量的数据链服务，特别是在飞机精密进近阶段。

因此，传输时延是一个非常重要的指标。

增强系统可以通过广域（卫星）或本地（已知位置的地面台）组成。

在导航系统应用中一些可能影响运行需求的因素有：增强系统地面台站对精密进近需求的保持能力、有关在海洋空域的最低间隔标准和不同空域对"需要的导航性能（ＲＮＰ）"的不同要求。

５．监视应用。

今后在繁忙空域监视的应用主要有：机载防撞系统（ＡＣＡＳ）、监视增强系统、ＡＤＳ－Ｂ、飞行信息服务（ＴＩＳ）或飞行信息广播服务（ＴＩＳ－Ｂ）。

ＡＣＡＳ是机载防撞系统。

它现在由二次雷达应答机来支持。

目前ＩＣＡＯ附件十规定，有能力的应答机支持空对空的监视和在Ａ、Ｃ、Ｓ模式应答机混用的情况下的电报协调。

空对空，以及空对地的咨询电报同样用于探测告警。

现用的ＡＣＡＳ与Ｓ模式二次雷达的扩展
应答机（ＥＸＴＥＮＤＥＤＳＱＵＩＴＴＥＲ）合并使用，可以增强ＡＣＡＳ的功能。

监视增强系统，是作为Ｓ模式二次雷达的特别应用而定义的。

它不仅涉及Ｓ模式二次雷达本身监视功能的实施（这种实施改善了现有的二次雷达设施的监视能力），而且可以由地面台通过Ｓ模式二次雷达的地空数据链从飞机上下载的机载参数（ＤＡＰｓ）。

监视增强系统中，有２５６个数据缓存区可供地面系统用来定期地从机载设备中下载数据，用来改善航迹计算和用作为其他地面系统或工具使用。

从机上采集的参数主要有：磁航向、速度、（ＩＡＳ／ＴＡＳ／马赫数）、转动角度、航迹三角率、垂直率、真航迹角地速、机上选发值等。

根据现在的规定，监视增强系统与Ｓ模式监视单元获取的机上下载特别参数组合在一起来改进监视服务，这意味着监视增强系统很大程度上是Ｓ模式的特别应用。

但是，除此之外还有一种单独的应用，即仅仅从下载的参数中抽取一个固定范围的ＤＡＰ值，供专门应用（非监视功能），我们称为ＤＡＰ应用。

ＳＭＧＣＳ（场面活动控制系统）的应用提供对机场地面飞机和车辆活动的监视。

也可以为管制员提供航路监视和管制指导。

这些监视应用是通过本地范围的地空数据链来进行的。

ＧＡＴＥＬＩＮＫ（停机位数据链）这个预期的应用可能需要很宽的带宽和近距离的通信链路，实现地面计算机系统与停在登机门（停机坪）的飞机计算机系统有关数据的自动传输。

６．ＤＬＩＣ（数据链起始通信）。

ＤＬＩＣ应用提供在飞机与地面系统之间建立通信的能力。

一但通信建立，数据链应用就自动提供。

这个能力支持飞机向其他系统的登录和登录信息的自动更新。

ＤＬＩＣ作为支持所有数据链应用的基础。

二、地空数据链的技术
随着技术开发和试验的成功，今后有可能作为与ＡＴＮ完全兼容的子网络而实施的数据链技术为：ＳＳＲＭＯＤＥＳ（Ｓ模式二次雷达数据链）、ＶＤＬＭＯＤＥ－１（甚高频数字数据链模式１）、ＶＤＬＭＯＤＥ－２、ＶＤＬＭＯＤＥ－３、ＶＤＬＭＯＤＥ－４、ＨＦＤＡＴＡＬＩＮＫ（高频数据链）、ＧＥＯＳ（卫星数据链）、ＭＬＳ（微波着陆系统数据链）和ＮＡＶＡＩＤＳＤＡＴＡＬＩＮＫ（导航数据链）。

１．ＭＯＤＥＳ数据链。

Ｓ模式二次雷达是下一代地基雷达监视系统，除去ＳＳＲＡ、Ｃ模式的功能外，ＭＯＤＥＳ同时提供独立的监视能力。

ＭＯＤＥＳ支持监视增强系统的功能，以及完全的地空数据链交互通信，并且是完全与ＡＴＮ兼容的子网络。

ＭＯＤＥＳ使用与飞机选择询问的技术进行通信，排除了Ａ、Ｃ监视模式现存的一系列问题。

ＭＯＤＥＳ与Ａ、Ｃ模式完全兼容，通过一套广播电报，这些电报提供飞机的位置、速度、识别等改进ＡＣＡＳ性能。

它支持现在使用１０３０ＭＨｚ／１０９０ＭＨｚ的ＡＣＡＳ系统，使用与ＭＯＤＥＳ相同的波形运行。

２．ＶＤＬＭＯＤＥ－１是低速的、面向比特的数据传输系统，它工作在ＶＨＦ频段，调制方式为ＡＭ－ＭＳＫ，媒体访问使用ＣＳＭＡ（载波监测多址）方式。

其物理层与现用ＡＣＡＲＳ系统一致、速率为２４００ｂｉｔ／ｓ采用地面网管集中处理的方式。

３．ＶＤＬＭＯＤＥ－２类似ＭＯＤＥ－１。

但使用了更有效的差分８相相移键控（Ｄ８ＰＳＫ）调制方式，支持３１．５Ｋｂｉｔ／ｓ速率。

目前欧、美都在准备实施此种ＡＴＣ数据链应用。

４．ＶＤＬＭＯＤＥ－３是目前ＩＣＡＯ建议未来采用的ＶＨＦ地空数据通信系统，调制方式为Ｄ８ＰＳＫ，速率为３１．５ｋｂｉｔ／ｓ。

媒体访问使用时分多址（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电路，上、下行链路使用同一频率。

可以通电话，也可通数据。

每个时隙又分为两个子信道，一个管理子信道，一个通信子信道。

这种模式不采用集中地面网管。

数据通信采用面向比特协议与ＡＴＮ网完全兼容。

５．ＶＤＬＭＯＤＥ－４是欧洲国家（瑞典）推出的一种ＶＨＦ数据链，作为未来ＣＮＳ／ＡＴＭ技术的一个整体解决方案的建议。

它以标准的２５ＫＨｚ带宽进行数字数据通信。

媒体访问方式是自组织的时分多址（ＳＴＤＭＡ），基于ＯＳＩ参考模式，支持ＧＦＳＫ的•８．２ｋｂｉｔ／ｓ的调制速率和Ｄ８ＰＳＫ的３１．５ｋｂｉｔ／ｓ的调制速率。

信道被划分为固定时间长度的时隙。

信道管理的一个重要的定义是″超帧″。

采用ＧＦＳＫ时，超帧包含４５００个时隙，每秒７５个时隙，每个时隙１３．３３ｍｓ。

每个时隙都可由任何在数据链中通信的飞机或地面电台作为接收和发送来占用，根据应用情况还可以同时占用多个时隙。

与ＶＤＬＭＯＤＥ－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，而支持各种地空、空空完全的数据链通信应用。

６．ＨＦＤＡＴＡＬＩＮＫ支持飞机使用短波（航路）业务频率上的数据通信。

使用面向比特的规程。

符合开放式系统互连ＯＳＩ模式。

功能设计作为ＡＴＮ的有关子网络，目前在北大西洋进行试验。

试验显示它比目前短波话音通信有较高的稳定性和可用性。

可以提供实用的数据通信，可能作为备用或者卫星数据链的补充。

７．ＡＭＳＳ（航空移动卫星系统）航空移动卫星的功能之一是支持地空数据链通信的实施。

系统以以下三种主要方式运行：ＧＥＯＳ－静止轨道卫星、ＭＥＯＳ－中轨道卫星、ＬＥＯＳ－低轨道卫星。

ＡＭＳ（Ｒ）Ｓ（航空移动卫星（航路）业务）是ＡＭＳＳ中一个特别的部分，并提供独立ＡＴＣ服务。

在此项业务中，移动地球站安装在飞机上。

ＡＭＳ（Ｒ）Ｓ是保留给有关安全、飞行正常的通信使用的。

现在使用静止轨道卫星系统，提供除极区以外的全球话音和数据链通信，是比现在的模拟话音更可靠、覆盖面更大的服务。

数据链应用包括ＡＤＳ－Ｃ，即飞机定期通过数据链自动报告位置。

ＡＯＣ（航空公司航务运行管理通信）卫星数据链从１９９０年就开始运行，ＡＴＣ应用则从１９９５年１０月在南太平洋开始运行。

８．ＭＬＳ是满足所有各型飞机，包括军民航飞机各类精密进近着陆引导所有运行需求的系统。

ＭＬＳ数据链使用差分相移键控（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。

这个链路被考虑来支持ＧＢＡＳ（导航地基增强系统）。

它的无线电信号可以允许多曲线和分段的进近，以及可选择的下滑角。

ＭＬＳ现运行在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（ＲＮＡＶ）数据、协助以曲线进近和ＲＶＲ数据，以及地面风数据。

ＩＣＡＯ附件十中规定了标准的ＭＬＳ数据格式。

这个格式中加载其他数据的能力是有限的，目前尚无使用ＭＬＳ数据报中的空余能力执行支持非精密进近运行的计划。

ＵＡＴ项目是美国ＭＩＴＲＥ／ＣＡＡＳＤ工程项目的一部分。

目标是开发一个收发信机支持ＡＤＳ－Ｂ的应用。

该设备要简单、实用、强有力，能够以相容的方式运行在任何空域或机场。

为满足此目的，该设备原型设计运行在一个单一的信道，使用２－３ＭＨｚ带宽。

收发运行在相同的频率，允许以最小的新硬件实现全部空对空的连接。

所有飞机随机的、自动地访问这个信道，不需要中央地面控制，而由机上逻辑的"自行组织"，系统运行在９６６ＭＨｚ。

除去支持ＡＤＳ－Ｂ外，ＵＡＴ系统结构可以在一个协调好的时间，以很小的带宽支持上行数据广播。

９．导航数据链。

ＧＮＳＳ比现用的传统的导航系统能够提供更为精确的导航引导。

第一代的ＧＮＳＳ是基于ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ导航卫星星座。

增强系统现在用来改善其精度、完整性、连续性和可用性。

他们使用ＳＢＡＳ（星基增强系统）或者ＧＢＡＳ（地基增强系统）提供经数据链发给用户的改进了的导航性能信息。

ＳＢＡＳ服务的覆盖面与同步卫星的相同，导航信号在ＧＰＳＬ１频率１５７５．４２ＭＨｚ发送，使用ＣＤＭＡ编码，
ＣＨＩＰＰＩＮＧ率１．０２３ｋｂｉｔ／ｓ，带宽２．０４８ＭＨｚ，信号强度负１６０ｄｂｗ链路的终结数据率是ＦＥＣ后２５０ｂｉｔ／ｓ。

系统使用ＰＲＮ黄金编码，以便下行链路不造成干扰。

现在的ＩＮＭＡＲＳＡＴＩＩＩ卫星载有导航载荷，支持ＳＢＡＳ，但尚未投入使用。

ＧＢＡＳ使用频段可从Ｃ波段或者ＶＨＦ波段选择。

其调制方式为Ｄ８ＰＳＫ或者ＧＦＳＫ。

ＩＣＡＯ考虑先在ＶＨＦ频段使用Ｄ８ＰＳＫ。

如果评估有问题再选用ＧＦＳＫ。

ＧＢＡＳＶＨＦＤ８ＰＳＫ目前选用（１０８－１１７．９７５ＭＨｚ）ＩＬＳ（仪表着陆系统）和ＶＯＲ（全向信标台）使用的导航频段，２５ＫＨｚ的信道间隔。

使用与ＶＤＬＭＯＤＥ－２和ＭＯＤＥ－３相同的调制方式，运行在地面数据广播方式。

ＶＨＦＧＦＳＫ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。

Ｃ波段数据链使用５ＧＨｚ－５．２５ＧＨｚＭＬＳ频段。

发射信号使用与ＭＬＳ的Ｄ８ＰＳＫ调制载波相同的物理层，但因有较长的数据报发送，故链路层不同。

机载多模接收机只需作小小的改动就可以接收。

ＵＨＦ数据链利用ＤＭＥ（测距仪系统）脉冲对的脉冲位置调制（同时增加一个第三脉冲，作为一个组合，有效地增加数据的容量）。

由于这个方法使用现用的地面和机上设备，ＵＨＦ数据链很容易搭载现用ＤＭＥ信号。

业界正在研究支持ＧＮＳＳ数据链部分的技术，包括：ＧＢＡＳ－ＴＤＭＡＶＨＦ发信机、Ｃ－波段发信机、ＵＨＦ发信机；ＳＢＡＳ－Ｌ波段ＣＤＭＡ静止轨道卫星下行链路。

１０．飞机通信和寻址报告系统（ＡＣＡＲＳ）。

ＡＣＡＲＳ是基于ＶＨＦ的数据通信系统（２４００ｂｉｔ／ｓ），目前全球有几千架飞机装有此设备。

ＡＣＡＲＳ通过发送一套预先编码的电报，交换各种信息。

在其链路上加上ＡＲＩＮＣ－６２２规程，可改善数据传输的完整性和支持ＡＴＣ对数据链的应用（ＩＣＡＯ已批准）。

不严格地说，ＧＡＴＥＬＩＮＫ属于地空数据链，事实上一些数据传输机制都可能具有支持这种应用的能力。

ＧＡＴＥＬＩＮＫ支持与停在机场的飞机的静态数据通信，不论是物理的连接，或者近距离的直接传输链路（光缆、红外线、微波），进行高带宽的数据传输和各种级别的通信。

它不与ＡＴＮ兼容，但可以联网。

三、今后的卫星系统
现用的卫星系统为ＩＮＭＡＲＳＡＴ－ＩＩ和ＩＩＩ，支持ＡＴＳ通信和其他地空通信，它是静止轨道卫星。

还有一些其他的移动卫星系统将来可能支持航空移动通信业务。

它们包括低轨道卫星（ＬＥＯＳ）、中轨道卫星（ＭＥＯＳ）、高椭圆轨道卫星（ＨＥＯＳ）。

我国民航正在积极地研究利用这些新的数据链技术。

中国民航的ＡＣＡＲＳ系统已经运行了近三年，而且在第二期建设中采用了数字化的ＶＨＦ电台，为将来向新的模式过渡打下了基础。

今年六月，我们成功地进行了西部航路的ＡＤＳ－Ｃ和ＣＰＤＬＣ飞行试验，最近即将正式开放使用。

鉴于地空和空空数据链在今后新技术应用中的重要作用，我们应该密切注意这方面技术的发展，加强研究和应用组织，建设好中国民航的新航空电信网络。