民用航空通信技术的发展范文

一、航空通信系统

民用航空对通信的需求有着非常显著的自身特点。首先，航空通信要求覆盖范围广，可以覆盖飞行的全程，既包括大陆地区，也包括偏远的洋区和极地地区；其次，因为所传输的信息关乎飞行安全，所以航空业对通信的可靠性有着非常高的要求，这种高可靠需要在航空器高速飞行过程中、在机载设备和地面系统所处的相对复杂的电磁环境下得以保持；此外，航空通信系统要既能够提供实时的语音通信，也能够提供传输文本指令、图形等信息的数据通信服务。因此，航空通信系统无法使用单一的技术满足诸多的需求，需要依据的不同应用范围、对传输质量要求、频率资源和电磁环境等多种因素，采用适当的通信技术。经过几十年的发展，民用航空领域逐步形成了由多种通信技术构成的复杂的通信系统。从通信应用的范围来看，航空通信通常被分为地空通信和地面通信，这也是国际民航组织在最新版的《全球空中航行计划》中所采用的分类方法。除了与空中飞行的航空器进行通信，地空通信也包括了机场场面通信的部分，因此也被称为航空移动通信。地面通信过程中的各方通常位于固定的位置，所以也称为航空固定通信。（见图1）地空通信和地面通信采用的通信技术有很大不同。在大陆地区，地空通信主要使用甚高频（VHF）频段(118MHz–137MHz)模拟调制技术(DSB-AM)，实现地面与空中的语音通信。这项技术的使用已经有50多年的历史，目前仍然是主用的地空通信手段。在偏远地区和洋区，则使用高频(HF)或卫星通信完成地空通话。

在我国，甚高频地空语音通信是目前使用的主要地空通信手段，达到了相当的覆盖程度。在机场终端管制范围内，甚高频通信可提供塔台、进近、航站自动情报服务、航务管理等通信服务；在航路对空通信方面，随着在全国大中型机场及主要航路航线上的甚高频共用系统和航路甚高频遥控台的不断建设，使我国东部地区6600米以上空域基本实现了双重覆盖，西部大部分地区，包括主要航路6600米以上空域实现单重覆盖(见图2)。通过与语音通信交换系统（内话系统）的配合，改变了原有甚高频电台与航空器点对点通信模式。通过内话系统的交换和联网能力，实现了对空通信与地面通信的语音综合调度，不仅集中利用了通信资源，而且大大改善了地空管制和地面协调的通信可靠性和服务质量。20世纪90年代，随着飞行量上升带来的无线电频率资源紧张情况不断加剧，与此同时，数字通信技术的发展以及地面设备、机载设备自动化能力的增强，使得引入新的地空数据通信技术各方面条件已经成熟。地空数据通信技术主要代表有面向字符传输的飞机通信寻址与报告系统(ACARS)，该系统可以工作在甚高频、高频和卫星通信信道上，提供低速率的数字通信服务。随后，国际民航组织采纳了更高传输速率、面向比特传输的甚高频数据链模式2(VDLMode2)技术，作为在大陆地区主要使用的地空数据通信手段。

地面通信也分为语音通信和数据通信两类。常见的管制中心之间的管制电话，管制单位内部的内话系统都属于地面语音通信的范畴。地面数据通信应用也非常广泛，在航班运行过程中，空管、航空公司、机场等运行单位之间以及各单位内部有大量的信息需要传递，包括航班计划、飞行动态、流量信息、航行情报、气象信息等等。早在20世纪50年代，基于电传电报技术的航空固定电信网(AFTN)就开始在民航使用，事实上这是第一个全球范围内的电报处理系统，航班准备与飞行过程中的重要信息通过这个系统到各个相关部门。随着通信网络技术的飞速发展，新技术不断被引入航空地面通信。语音传输实现了模拟到数字的转变，AFTN网络也使用X.25网络和计算机处理系统代替了原有的电传方式。许多国家和地区，以及航空企业也利用现代网络通信技术，陆续建成了承载多种业务、覆盖范围不等的综合数据通信网络，提供服务质量更好、成本更低的地面数据通信服务。虽然地空通信和地面通信采用的不同的通信技术体制，但是，机载系统和地面各种自动化系统之间紧密协作的需求非常迫切。因此，信息在空中和地面无缝地传输始终是航空通信系统发展的目标之一。20世纪90年代，国际民航组织开始着手规划新一代空中航行系统，提出了航空电信网(ATN)作为航空通信网络的解决方案。航空电信网利用异构网络互联技术，实现航空器、空管、航空公司、机场等各方的计算机网络的互联，形成一个全球化无缝隙的互联网络。航空电信网具有强大的集成能力、完善的安全机制和可靠的传输方案，可集成多种数据子网，保护原有网络投资，实现统一数据传输服务。

二、面临的挑战

多年以来，航空通信系统虽然通过引入新的技术不断进行自身的改进，但是，系统仍然面临着非常大的挑战。特别是地空甚高频通信，由于通信频率资源紧张、原有模拟调制技术的限制，在一些飞行繁忙地区，地空通信系统处理能力逐渐接近饱和。以欧洲地区为例，据预测，自2011年以后欧洲地区的飞行量将以每年3%的速度增长。虽然欧洲地区已经在2007年将FL195高度层以上的VHF通信频率间隔从25KHz缩小到8.33KHz，但以这种增长速度，VHF地空通信系统仍将面临非常大的压力。在地面通信领域，随着计算机的发展，各种业务系统自动化处理能力不断增强，更多的数据类型、更大的数据量需要经过地面网络传输，同时地面网络也承担起了连接不同的业务处理系统的职能，原有的以面向字符传输的技术。作为基础设施之一，通信系统服务于航空系统的运行需求。目前航空通信系统面临的压力，主要是系统运行需求变化与现有通信技术体制之间的矛盾造成的。航空系统运行需求变化一方面体现为业务量的快速增长，飞行量的增长直接带来了通信量的增长；另一方面，航空系统运行方式的改变，也对航空通信提出了新的需求。国际民航组织通过《全球空中交通管理运行概念》(Doc9854)描述了新一代航行系统的愿景，提出了由灵活空域管理、4D航迹、流量与容量管理、信息服务等一系列新的元素组成的运行概念。通过信息服务，运行概念中的各部分整合为一个有机的整体。毫无疑问，航空通信系统是信息服务这一概念实现的主要承载者。通信技术是当今最为活跃的技术领域之一，这为航空通信系统的改进提供了更多可用的技术资源，但也为新的设计和改进带来了挑战，需要在规划设计过程中特别注意技术的选择以及技术变化的影响。

三、航空通信服务

为了更好地规划航空通信系统的发展，目前，航空通信系统改进的规划和实施工作通常采用通信服务和通信技术分离的方法。航空通信服务面向空中交通服务、航空运行控制服务等业务需求，将其中的关键业务环节抽象为一系列服务。根据航空系统运行概念和运行方式的变化而调整，是相对比较稳定的；航空通信技术是基于航空通信服务的需求，所选择的适当的通信技术方案，相对来说变化更加频繁一些。目前，航空通信服务的定义和研究工作主要关注与飞行安全和航班正常运行的通信部分，围绕着空中交通服务通信和航空运行控制通信服务展开。在空中交通服务通信方面，以飞行各阶段飞行员与管制员的通信为主，辅助以航行通告和气象信息，规定了一系列服务；航空运行控制通信服务的定义则关注航班的执行情况和航空器机务状态。比较有代表性的通信服务定义工作是美国标准化组织RTCA和欧洲标准化组织EUROCAE联合开展的一系列标准开发项目，通过这些项目开发了空中交通服务通信领域的地空数据通信服务的安全、性能和互操作性方面的需求。在被称为ATN基线(ATNBaseline1)的标准中，主要定义的服务包括：数据链能力（DLIC）、ATC通信管理（ACM）、ATC管制指令（ACL）、数字放行（DCL）、ATC话筒检查（AMC）。目前，ATN基线1中的基本服务已经在欧洲核心地区投入运行。正在开发中的ATN基线2(ATNBaseline2)标准在此基础上对现有服务进行了增强，并增加了新的数据通信服务，包括支持4D航迹的4DTRAD、支持场面运行的D-TAXI、支持间隔管理的ITP、支持飞行信息服务的终端区信息服务D-OTIS、数字化跑道视程D-RVR、危险天气信息D-HZWX等。

另外一项由美国和欧洲联合发起的未来通信系统研究(FCS)项目，针对中长期的航空通信服务和技术进行研究,提出了《未来无线通信系统运行概念和需求》。这项研究关注2030年时间框架内的空中交通服务通信和航空运行控制通信服务，研究并定义了机场、终端区、大陆地区航路、偏远地区和洋区的所需的通信服务，包括数据通信和语音通信，同时提出了通信服务质量方面的需求，比如传输性能、安全性等。这项研究已经得到了国际民航组织通信专家组(ACP)的支持，纳入了国际民航组织的工作范围。在地面通信服务方面，国际民航组织将管制移交(AIDC)和空管服务信息处理系统(AMHS)作为近期推广实施的通信服务。其中，AMHS将逐步代替现有的AFTN系统，传输航班计划、航行情报和气象信息。在中远期，这些服务融合到新的全系统系统管理(SWIM)中的各种业务服务中，包括数字化的航空情报信息(AIM)，先进的气象信息(AdvancedMET)和协同环境下的航班和流量信息(FF-ICE)等。

四、航空通信新技术

目前的空中交通服务通信和航空运行控制通信服务仍以话音为主，支持大部分服务。

根据预测，2020年后数据通信在地空中的应用将持续增长，并在未来成为地空通信的主要手段，地空之间交换的信息也更加丰富。语音通信作为辅助和应急通信使用，并完成数据化的转变。因此，在地空通信领域值得关注的通信技术包括：1）VDL模式2——是国际民航组织推荐的航空电信网主要的数据链技术，该技术的应用已经非常成熟，是ATN标准的一部分。它使用了数字电台，采用了D8PSK调制方式，信息传输率可达31.5Kbps，相比目前使用的数据链有了大幅度的提高。根据国际民航组织的通信技术路线图，VDL模式2技术是近期和中期(当前～2028年)在大陆区域使用的主要数据链，支持ATN基线1和基线2中所定义的通信服务。2）L-DCAS——是正在研究中的未来用于终端区和大陆区域航路上的地空数据链技术。L-DACS使用L波段，将能够提供更高的通信速率，覆盖范围大(约400km)，支持航空器高速移动(1080km/h)通信。目前，L-DCAS技术仍在研究中，没有确定最终的方案。相关的机构正在对两种候选方案进行最后的评估：一种被称为L-DCAS1，源于IEEE802.16；另一种被称为L-DCAS2，参考了广泛应用的GSM移动通信技术。3）IEEE802.16e——是未来机场场面通信的首选无线通信技术，可在机场范围内提供高速数据通信，使用C波段。IEEE802.16e是移动宽带无线接入的标准，支持较高速度的移动目标(通常认为可以达到120km/h)；支持宽带接入，系统在不同的载波带宽和调制方式下可以获得不同的接入速率，其带宽可达20-70Mbps，覆盖范围单基站在1-3km。基于IEEE802.16e的机场场面通信系统被称为航空移动机场通信系统(AeroMACS)，目前技术工作已经取得了显著的进展。4）IPv6——是IP协议的第6版本。IPv6在地址空间、安全性和移动通信支持方面对原有协议进行了增强和改进。国际民航组织将IP技术作为地面网络通信的主用技术，IPv6在中远期将得到广泛的应用。目前，IPv6已经被国际民航组织纳入ATN技术标准中，作为网络层协议在ATN中使用。除地面网络之外，IP技术将来也有望应用到地空网络，并作为地面网络和地空网络的互联技术使用。5）VoIP——是将语音信号数字化，以数据包的形式在IP网络上做实时传递。VoIP最大的优势是能利用IP互连的环境，提供成本较低、类型更丰富的服务。在航空通信环境中，在传输能力较好的地面广域网络和局域网中使用VoIP技术传输语音的相关的研究和实验工作正在进行。6）其他——在偏远地区和洋区，数据通信也将逐步取代HF语音通信和基于卫星的语音通信。ATN将支持HF数据链。面向中远期应用，下一代卫星通信技术及相关的数据链也在研究之中。国际民航组织希望用卫星技术作为未来偏远地区和洋区的主要通信手段，但卫星通信的高成本和下一代卫星通信技术的不确定性，使得此方案需要更加深入的研究和综合考量。此外，地空数字化语音通信技术，也值得关注。虽然地空数据通信的比重将不断增加，但语音通信还会在很长一段时期内保留。一些数据化的语音传输有关的前期研究工作已经启动。综上所述，在民用航空业务飞速增长的环境下，由传统技术组成的航空通信系统的运行能力已经趋于饱和。当今在空中航行系统运行方式正面临转变的形势下，航空通信系统将利用新技术，为新航行系统提供更可靠和更丰富的通信服务。

作者：郭静单位：民航局空管办