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空间卫星系统对ATM的改善

作者 :杨树林更新时间:2012-10-12

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摘  要:ATM是当前国际民航着力研究开发并逐步投入应用的星基通信(C)、导航(N)、监视)(S)等空中交通管理(ATM)系统。应用INMARSAT、GPS、GLONASS等空间卫星系统的有关特性,探讨改善空中交通管理(ATM)的途径。

关键词: ATM;卫星通信;GPS;卫星导航;ADS。


无论是通用航空飞行,还是航线运输飞行,几乎所有飞行员操纵飞机都须依赖于空中交通管制(ATC)系统的管理。随着航空运输业的迅猛发展和其他专业飞行的增多,在航线密集区或飞机流量较大等情况下,空中的飞机就象高峰时期的快车道一样,再使用这种系统就显得有些无能为力了。因此,探求其他更为高效可靠的空中交通管理的途径,就显得更加重要了。

幸好形势在发生变化,由于星基通信和数据网络联结,一场开辟空中交通管理(ATM)的革命已经来临。这些ATM方面的改革基于在空间开发的国际海事卫星(INMARSAT)、全球定位系统(GPS)和全球导航卫星系统(GLONASS)等三个不同卫星网络的使用上。这些以前用于海上航行及空军飞机导航的系统,目前都先后成功地用于世界民航领域,并发挥着极大的效能。

一. 卫星通信对ATM的改善

国际海事卫星组织于1976年成立,至今已稳定运行20余年。它所使用的12颗同步高轨道卫星为数十万个陆上和海上的用户提供服务。M4使用海事卫星组织的卫星进行语音和数据传输的。海事卫星组织共有12颗地球同步高轨道卫星,其中4颗主用,每颗主用都有2颗备用卫星,确保卫星信道在任何情况下畅通。

海事组织的4颗主用卫星分别覆盖太平洋、印度洋、大西洋东和大西洋西4大洋区(在中国地区可以使用太平洋和印度洋2颗卫星)。这四大洋区覆盖了全球98%的地方(南极点和北极点500公里以内卫星无法覆盖)。

利用国际海事卫星开发的低速数据卫星通信系统(SAT9O0,由Collins商用航空电子公司开发)为水上空中交通管制提供了一种崭新的模式。通过运行试验表明,低速数据卫星通信系统能在每秒钟内接收或发射300~600 bit的数据信息,用于飞机通信定位和报告系统(ACARS)服务,并能通过机载传感器来传输其他信息,如请求航路或着陆航站的天气信息和其他导航、性能和通信数据,可以直接地进行飞行员和管制员的联络,并改变了以前ACARS必须在飞机处于地面VHF台的作用范围时才有效的局面。SAT9O0由卫星传送信号,不断地向VHF台发射并送到航路上的飞机计算机系统,克服了作用范围存在的不足。而且由于SAT9O0较大的容量,还可用于自动相关监视(ADS)模式,从而允许飞机自动向管制部门报告其位置信息,减少了飞行员的干预。同时,与AF无线电话音广播形式相比,SAT9O0还允许飞机用多种时间方式进行位置报告,而周期却大大缩短了(可以在5min内做到以经纬度形式报告一次飞机位置)。

低速数据卫星系统还能用于自动相关监视(ADS).由于启用了ADS信息的不定时性,因此对减轻飞行员和管制员的工作负荷将具有积极的效力。由于卫星通信,飞行员所要干的事情只是在飞机上启动系统,其位置信息通过卫星数字式地发送,甚至还可以自动地搜索一个清晰的频率来进行发送,从而避免了使用HF话音系统而出现频率混乱致使飞行员无法报告实时位置的局面。这样就会产生一种特别适用于跨洋航路飞行的更高效率的ATM系统,这种ATM系统可望在不久的将来运用于世界范围内大量的商用机群并逐渐形成规模。

对ADS功能应用的试验在飞机数量、机型以及空域等方面都进行了很多并已获成功,以此来寻求飞机的最佳巡航战略模式,而且能改善现行的拥挤空间;同时还能改变现行的飞行员与管制员间的间接话音通信,允许他们之间直接、自动通信.明显地缓解了位置报告/应答、航路改变请求/许可的紧张局面。ADS品质因素好、误差又小的特点正好满足了这些愿望。目前,有关部门正寻求其理论上的依据,以期全部系统都取得合格证。


二.GPS/GLONASS(GNSS)组合对ATM的改善

1.全球定位系统简介

全球定位系统(Global Positioning System,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统,GPS是由空间段(空间卫星)、控制段(地面监控系统)、用户段(用户设备)三个部分组成。 GPS计划是由美国国防部发起研制,这是一项规模宏大的战略计划,是一种可向民用开放的军事系统。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点,是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓, 目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。

2.GPS系统在飞行中的应用

GPS采用无源工作方式,只要具有接收装置的用户,都可以进行导航定位。用户设备包括天线、接收机、微处理机、控制显示设备等;接收天线单元(目前采用的天线有定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线)和前置放大器;用户接收机用来接收卫星导航信号,从中提取卫星星历.测距后结台其它数据解算用户位置,速度,时间,完成导航定位;其中信号通道单元接收来自天线单元的信号经处理对信号的跟踪、锁定、测量,提供计算位置的数据信息,根据需要设计1—12个通道储单元将实时定位的各种数据、原始观测值以及计算结果存储起来;控制显示单元用于完成自检;根据采集到的卫星星历和伪距观测值,计算用户的三维坐标和速度:实现人机对话,进行自动导航和更新位置。

3.GPS在航空导航中的应用

GPS接收机在航空中的应用极其广泛,其使用方式有:作为独立导航设备和作为传感器使用。


图1 用户设备简化图

(1)GPS系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S,测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初,设计GPS系统的主要目的是用于导航,收集情报等军事目的。但是,后来的应用开发表明,GPS系统不仅能够达到上述目的,而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此,GPS系统展现了极其广阔的应用前景

(2)GPS/GLONASS(GNSS)导航卫星承担着改善陆上大部分地区的空中交通管理,并可扩展到航站区域环境。导航卫星给民用航空提供了许多潜在的利益:卫星提供的足够精度以确认飞机位置,就会产生一种高度的安全感,能在有限的空间容纳足够的飞机,从而增大了飞机容量而不致延误。同时,还能通过国际海事卫星来提高GPS的导航精度,可以完全实现一种最优化的全天候、全球飞行状态。卫星系统的完整性、有效性、可靠性和高精度为形成CNS/ATM一体化、安全效益和飞机运行目标起到了良好作用。

(3)GPS/GLONASS组合导航的实施,使飞机的导航精度大大提高,并且,通过GPS/GLONASS的组合使卫星数量加倍,从而使任何地区在24 h内至少可以利用7颗卫星,使得航空电子系统结合卫星信号产生最精确的导航结果,并且可以利用机载设备辨别故障卫星,提供自恃的后备能力。

不依赖地面管制种类而使飞机安全到达目的地着陆,是大多数航空公司追求的目标,如果经常飞到那些地面管制系统失效的地区,所花费的时间和油量代价是很不划算的,GPS/CLONASS组合则不存在这些不足,人们对整个飞行中卫星的全部信赖程度的期高值越来越高,能获取100%完整的终端区域形势、不依赖地面控制、覆盖面的扩大等特性得到越来越有效的解决,而达到这一步所需做的工作只是将地面管制职能由一个地面台转向空中的卫星。所以,用GPS/GLONASS组织对未来飞行、空中交通容量、空中交通管制的精确程度,将有很大的改善。ICAO未来的目标也将转向以卫星为基础(星基)的未来航行系统(FANS)的规划与研究方面。

三.终端区域应用卫星系统的研究

关于使用卫星把飞机引导到终端区域并安全着陆的预想还未实现,许多研究开发机构进行了能有效的运用GPS与惯性基准系统(IRS)组合,以实现在终端区域导航并实施着陆的试验,如在B-737上装备了特别用于飞行研究的IRS系统,以期获得GPS/IRS组合而产生的综合性能数据,然后判明哪种数据与雷达和高度表的数据接近.从结论来看,以GPS为基准的自动着陆系统的目标确是可行的,这些试验也表明星基自动着陆是现实的,Honey-well公司有关专家指出,在B-737上进行了120次进近着陆的练习,用GPS/IRS组合系统进行了36次全然无需飞行员干预的完全自动着陆,试验运用激光跟踪系统密切监测全过程。

GPS接收机同样可用作象着陆那样进行进近,而不再需要ILS或VOR/DME进行了。甚至也可以用来实施飞机起飞离场和到达机场终端区域。这样,在整个飞行过程的多个工作阶段,GPS完全可作为从起飞到着陆都使用的导航、助航、通信、管制设备,这大大地减少了设备的种类,更有利于飞行员的操作。虽然如此,对于GPS所实现的新功能,我们还…… 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com


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