空間衛(wèi)星系統(tǒng)對ATM的改善

　　空間衛(wèi)星系統(tǒng)對ATM的改善

　　摘要：ATM是當(dāng)前國際民航著力研究開發(fā)并逐步投入應(yīng)用的星基通信(C)、導(dǎo)航(N)、監(jiān)視)(S)等空中交通管理(ATM)系統(tǒng)。

　　應(yīng)用INMARSAT、GPS、GLONASS等空間衛(wèi)星系統(tǒng)的有關(guān)特性，探討改善空中交通管理(ATM)的途徑。

　　關(guān)鍵詞：ATM 衛(wèi)星通信 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航 ADS

　　無論是通用航空飛行，還是航線運(yùn)輸飛行，幾乎所有飛行員操縱飛機(jī)都須依賴于空中交通管制(ATC)系統(tǒng)的管理。

　　隨著航空運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展和其他專業(yè)飛行的增多，在航線密集區(qū)或飛機(jī)流量較大等情況下，空中的飛機(jī)就象高峰時(shí)期的快車道一樣，再使用這種系統(tǒng)就顯得有些無能為力了。

　　因此，探求其他更為高效可靠的空中交通管理的途徑，就顯得更加重要了。

　　幸好形勢在發(fā)生變化，由于星基通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)，一場開辟空中交通管理(ATM)的革命已經(jīng)來臨。

　　這些ATM方面的改革基于在空間開發(fā)的國際海事衛(wèi)星(INMARSAT)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)等三個(gè)不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的使用上。

　　這些以前用于海上航行及空軍飛機(jī)導(dǎo)航的系統(tǒng)，目前都先后成功地用于世界民航領(lǐng)域，并發(fā)揮著極大的效能。

　　一、衛(wèi)星通信對ATM的改善

　　國際海事衛(wèi)星組織于1976年成立，至今已穩(wěn)定運(yùn)行20余年。

　　它所使用的12顆同步高軌道衛(wèi)星為數(shù)十萬個(gè)陸上和海上的用戶提供服務(wù)。

　　M4使用海事衛(wèi)星組織的衛(wèi)星進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

　　海事衛(wèi)星組織共有12顆地球同步高軌道衛(wèi)星，其中4顆主用，每顆主用都有2顆備用衛(wèi)星，確保衛(wèi)星信道在任何情況下暢通。

　　海事組織的4顆主用衛(wèi)星分別覆蓋太平洋、印度洋、大西洋東和大西洋西4大洋區(qū)(在中國地區(qū)可以使用太平洋和印度洋2顆衛(wèi)星)。

　　這四大洋區(qū)覆蓋了全球98%的地方(南極點(diǎn)和北極點(diǎn)500公里以內(nèi)衛(wèi)星無法覆蓋)。

　　利用國際海事衛(wèi)星開發(fā)的低速數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)(SAT9O0，由Collins商用航空電子公司開發(fā))為水上空中交通管制提供了一種嶄新的模式。

　　通過運(yùn)行試驗(yàn)表明，低速數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)能在每秒鐘內(nèi)接收或發(fā)射300～600 bit的數(shù)據(jù)信息，用于飛機(jī)通信定位和報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)服務(wù)，并能通過機(jī)載傳感器來傳輸其他信息，如請求航路或著陸航站的天氣信息和其他導(dǎo)航、性能和通信數(shù)據(jù)，可以直接地進(jìn)行飛行員和管制員的聯(lián)絡(luò)，并改變了以前ACARS必須在飛機(jī)處于地面VHF臺(tái)的作用范圍時(shí)才有效的局面。

　　SAT9O0由衛(wèi)星傳送信號(hào)，不斷地向VHF臺(tái)發(fā)射并送到航路上的飛機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，克服了作用范圍存在的不足。

　　而且由于SAT9O0較大的容量，還可用于自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS)模式，從而允許飛機(jī)自動(dòng)向管制部門報(bào)告其位置信息，減少了飛行員的干預(yù)。

　　同時(shí)，與AF無線電話音廣播形式相比，SAT9O0還允許飛機(jī)用多種時(shí)間方式進(jìn)行位置報(bào)告，而周期卻大大縮短了(可以在5min內(nèi)做到以經(jīng)緯度形式報(bào)告一次飛機(jī)位置)。

　　低速數(shù)據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)還能用于自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS)，由于啟用了ADS信息的不定時(shí)性，因此對減輕飛行員和管制員的工作負(fù)荷將具有積極的效力。

　　由于衛(wèi)星通信，飛行員所要干的事情只是在飛機(jī)上啟動(dòng)系統(tǒng)，其位置信息通過衛(wèi)星數(shù)字式地發(fā)送，甚至還可以自動(dòng)地搜索一個(gè)清晰的頻率來進(jìn)行發(fā)送，從而避免了使用HF話音系統(tǒng)而出現(xiàn)頻率混亂致使飛行員無法報(bào)告實(shí)時(shí)位置的局面。

　　這樣就會(huì)產(chǎn)生一種特別適用于跨洋航路飛行的更高效率的ATM系統(tǒng)，這種ATM系統(tǒng)可望在不久的將來運(yùn)用于世界范圍內(nèi)大量的商用機(jī)群并逐漸形成規(guī)模。

　　對ADS功能應(yīng)用的試驗(yàn)在飛機(jī)數(shù)量、機(jī)型以及空域等方面都進(jìn)行了很多并已獲成功，以此來尋求飛機(jī)的最佳巡航戰(zhàn)略模式，而且能改善現(xiàn)行的擁擠空間;同時(shí)還能改變現(xiàn)行的飛行員與管制員間的間接話音通信，允許他們之間直接、自動(dòng)通信.明顯地緩解了位置報(bào)告/應(yīng)答、航路改變請求/許可的緊張局面。

　　ADS品質(zhì)因素好、誤差又小的特點(diǎn)正好滿足了這些愿望。

　　目前，有關(guān)部門正尋求其理論上的依據(jù)，以期全部系統(tǒng)都取得合格證。

　　二、GPS/GLONASS(GNSS)組合對ATM的改善

　　1.全球定位系統(tǒng)簡介

　　全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,縮寫GPS)是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS是由空間段(空間衛(wèi)星)、控制段(地面監(jiān)控系統(tǒng))、用戶段(用戶設(shè)備)三個(gè)部分組成。

　　GPS計(jì)劃是由美國國防部發(fā)起研制，這是一項(xiàng)規(guī)模宏大的戰(zhàn)略計(jì)劃，是一種可向民用開放的軍事系統(tǒng)。

　　全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

　　隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓， 目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

　　2.GPS系統(tǒng)在飛行中的應(yīng)用

　　GPS采用無源工作方式，只要具有接收裝置的用戶，都可以進(jìn)行導(dǎo)航定位。

　　用戶設(shè)備包括天線、接收機(jī)、微處理機(jī)、控制顯示設(shè)備等;接收天線單元(目前采用的天線有定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線)和前置放大器;用戶接收機(jī)用來接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，從中提取衛(wèi)星星歷.測距后結(jié)臺(tái)其它數(shù)據(jù)解算用戶位置，速度，時(shí)間，完成導(dǎo)航定位。

　　其中信號(hào)通道單元接收來自天線單元的信號(hào)經(jīng)處理對信號(hào)的跟蹤、鎖定、測量，提供計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)需要設(shè)計(jì)1—12個(gè)通道儲(chǔ)單元將實(shí)時(shí)定位的各種數(shù)據(jù)、原始觀測值以及計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)起來;控制顯示單元用于完成自檢;根據(jù)采集到的衛(wèi)星星歷和偽距觀測值，計(jì)算用戶的三維坐標(biāo)和速度：實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航和更新位置。

　　3.GPS在航空導(dǎo)航中的應(yīng)用

　　GPS接收機(jī)在航空中的應(yīng)用極其廣泛，其使用方式有：作為獨(dú)立導(dǎo)航設(shè)備和作為傳感器使用。

　　圖1 用戶設(shè)備簡化圖

　　(1)GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導(dǎo)航，還可用于測速、測時(shí)。

　　測速的精度可達(dá)0.1M/S，測時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。

　　其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

　　GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景當(dāng)初，設(shè)計(jì)GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航，收集情報(bào)等軍事目的。

　　但是，后來的應(yīng)用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的，而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對定位，米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位，亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測量。

　　因此，GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。

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