基于星基的民用航空无线电通信、导航、监视系统发展现状

● 文 | 中电科航空电子有限公司 王洪全 刘天华 崔凯 罗斌 欧阳承曦

基于星基的民用航空无线电通信、导航、监视系统发展现状

● 文 | 中电科航空电子有限公司 王洪全 刘天华 崔凯 罗斌 欧阳承曦

航空电子系统是飞机上所有电子系统的总称，关系到飞机的可用性、飞行安全性、先进性和可扩展性，是飞机的重要组成部分，已成为现代航空工业中发展速度最快、影响最广的技术领域。无线电通信、导航、监视（CNS）系统是航空电子系统的重要组成部分，主要用于飞机滑行、起飞、巡航和着陆等阶段；通过机载话音/数据通信系统、卫星导航增强、监视系统等完成信息获取、信息交换及信息处理，引导飞机按预定航路安全飞行，监视飞机实时状态信息，保障飞机飞行安全。

一、民用航空通信系统发展现状

20世纪40年代，航空通信普遍采用甚高频（VHF）模拟语音通信系统，1947年国际民航组织将VHF频段（118～132MHz）划为航空移动服务使用；20世纪70年代，飞机通信寻址与报告系统（ACARS）的出现，标志着航空甚高频数据链的标准形成。随后，甚高频数据链（VHF Data Link 1/2/3/4）依次被提出。1979年世界无线电大会将航空移动服务频段扩展至117.975～137.000 MHz，并不断减小信道间隔，到目前为止，信道间隔已经达到了最小值8.33 kHz。2003年，国际民航组织空中导航第11次会议做出了为满足不断发展的空中交通管理需求，航空移动通信基础架构必须演进以提供足够的容量和服务质量及新功能的决议[1]。随之，欧洲航空安全组织和美国联邦航空管理局启动了Action Plan 17 （AP17）计划，从2004—2007年，在调研评估现有航空通信技术的基础上，建议机场采用基于802.16e标准的AEROMACS方案，跨洋/偏远空域采用卫星通信，陆地空域采用L频段航空数字通信系统（L-DACS）。这些建议方案被用于欧洲单一天空和美国新一代航空运输系统计划项目的部署中[2]。

20世纪70年代以前，民航飞机在跨洋和偏远地区只能通过航空短波、超短波通信实现空地通信、空中交通管理，随着卫星导航通信系统的引入，可实现整个航路，甚至全球范围内的空地通信及航空交通管理服务。航空卫星通信系统可分为驾驶舱卫星通信和客舱卫星通信，目前驾驶舱卫星通信主要使用L频段，客舱卫星通信主要使用Ka、Ku频段。

1. 驾驶舱卫星通信

为满足民航规章，保障飞机全球范围内的安全运行，基于卫星通信的驾驶舱话音及数据通信得到广泛应用，目前用于驾驶舱的卫星通信系统主要有海事卫星（Inmarsat）和铱星（Iridium）。

（1）Inmarsat航空卫星通信系统

Inmarsat航空卫星通信系统可以分为空间段、地面段和用户段[3]。空间段由多颗地球静止轨道（GEO）卫星组成，地面段包括卫星测控中心、卫星接入站和其他地面网络等，用户段由各种用户终端组成，具体见图1。

如图1所示，航空地面站是卫星与地面公众通信网的接口，是Inmarsat地面站的改装型；机载站是设在飞机上的信号收发站。Inmarsat航空卫星通信系统的信道分为P、R、T和C信道，P、R和T信道主要用于数据传输，C信道可传输话音、数据、传真等。同时，Inmarsat支持4种不同类型的航空服务，分别为Classic Aero、Swift-64、SBB（Swift-Broadband）和GX（Global-Xpress），前三种服务支持到/从飞机的不同类型的话音、传真和数据通信[4]，GX支持到/从飞机的Ka频段宽带数据通信。

（2）Iridium航空卫星通信系统

2007年，二代Iridium系统计划（即Iridium-Next）启动。Iridium-Next系统，其建设目标总体包括提高数据传输速率、更高的话音质量、可以灵活分配频带、利用IP技术的优势、提供更强的业务和设备等。Iridium-Next系统支持全球范围的多种新应用和新业务，包括星基广播式自动相关监视ADS-B应用，可以实现全球覆盖的航空器独立监视，单星可监视3000个目标，处理1000个以上目标。

2. 客舱卫星通信

随着卫星制造技术和毫米波技术的发展，机载卫星通信已向Ka/Ku频段发展，Ka/Ku频段宽带卫星通信具有高通量、低成本、广覆盖、小终端等优势特点，可保障飞机健康数据及客舱宽带的高速、可靠、实时传输，提高飞机飞行安全、实施飞机故障分析、提高飞机派遣率、提高飞机状态监控及健康管理、提高旅客乘机体验，成为未来的发展方向和市场制高点，全球各地卫星运营商均已建设或正在筹建开展Ka/Ku频段宽带卫星通信服务[5]。目前，美国、加拿大、欧洲等国均发展了Ka/Ku频段宽带卫星系统并已经投入使用。

（1）Telesat卫星系统

Telesat是全球领先的卫星通信运营商，提供可靠和安全的卫星通信解决方案，服务于广播、电信、企业和政府客户，总部设立在加拿大的渥太华，在世界各地建有办事处及设施，目前拥有15颗卫星，计划于2017年发射两颗小型卫星，避免Ka频段卫星互联网连接相关技术风险。

（2）Inmarsat-5卫星系统

Inmarsat为实现Ka频段高通量卫星应用，推出了第五代海事卫星系统Global Xpress，Global Xpress采用全IP体制，使用Ka频段，空间段采用三颗主用（120°间隔）加一颗备用静止轨道卫星的组网方式。第1颗卫星于2013年12月发射，位于62.6°E，覆盖范围包括欧洲、中东、非洲和亚洲。第2颗卫星于2015年2月发射，位于55°W，覆盖范围为美洲及大西洋地区。第3颗卫星于2015年8月发射，覆盖范围为亚太地区。第4颗卫星于2017年5月发射，专门覆盖中国及“一带一路”沿线。Inmarsat-5卫星采用点波束覆盖方式，分为固定波束和移动波束两类。每颗卫星有72个固定波束，每个固定波束下行速率可达50Mbit/s；有6个移动波束，可灵活机动调整到需要的区域，每个移动波束下行速率可达150Mbit/s，Inmarsat-5卫星全球覆盖示意如图2所示。

（3）ViaSat卫星系统

美国卫讯公司（ViaSat）的Ka频段卫星可分为三代。ViaSat-1发射于2011年10月，轨道位置位于115°W，具有72个点波束，覆盖美国西海岸和德克萨斯州东部狭长地带以及加拿大部分区域，采用多点波束和频率复用技术，总容量可达140Gbit/s。ViaSat-2发射于2017年6月，轨道位置位于69.9°W，覆盖北美、中美洲、加勒比地区、南美北部地区、美国东海岸沿海商业航线以及欧洲与北美洲之间大西洋主要的航空和海上航线，总容量高达300Gbit/s。ViaSat-3目前正在由ViaSat公司和波音公司共同开发中，计划于2019年发射。ViaSat-3由3颗卫星组成，每一颗都有1000Gbit/s的最大容量，计划第1颗卫星覆盖美洲，第2颗卫星覆盖欧洲、中东和非洲，第3颗卫星覆盖亚太地区，从而实现ViaSat-3的全球覆盖。ViaSat卫星示意图及全球覆盖如图3所示。

ViaSat系列卫星均是采用ViasSat公司自有的SurfBeam网络技术。SurfBeam网络是一个双模式宽带卫星通信系统，既可工作在Ka点波束卫星转发器上，也可工作于传统的Ku频段宽带卫星上。SurfBeam网络可为用户提供高速Internet接入、软件化服务、视频和VOIP、高速文件传输、IP组播等应用服务。

二、民用航空导航增强系统发展现状

全球导航卫星系统（GNSS）作为未来民用航空运行的主要导航源，已经进入了快速发展和应用阶段。GNSS包含了四大核心星座，有美国的GPS、中国的北斗卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS和欧洲的GALILEO，以及相应的导航增强系统。其中，导航增强系统是为提升民航运行的完好性，满足民航应用安全需求而产生。未来民用航空运行应用最为广泛的增强技术包括地基增强系统（GBAS）技术和星基增强系统（SBAS）技术。

1. 地基增强系统（GBAS）

GBAS对全球卫星导航系统（GNSS）进行差分校正和完好性监测，以提供安装机场周边大约23海里半径范围内的导航和精密进近服务[6]。相对于传统仪表着陆系统在降雪、因维护的关闭、VHF干扰以及多径等诸多限制，GBAS可提供更高等级的服务，能够支持I类和II/III类精密进近，并实现在其工作范围内从进近、着陆、离场到场面运行的全覆盖。目前，现存标准的GBAS能够提供C类GBAS进近服务（GAST-C，对应于I类精密进近）。满足II/III类精密进近的GAST-D的技术正在研究验证过程中，技术标准最早有望在2018年完成。

2. 星基增强系统（SBAS）

星基增强系统SBAS首先由位置已知的地面差分站对导航卫星进行监测，获得原始伪距、卫星播发的相位信息等定位数据并送至中央处理设施（主控站），主控站通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站发给GEO卫星，最后将修正信息播发给广大用户，从而达到提高定位精度的目的。

目前，全球已经建立起了多个SBAS系统，如美国的WAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS、俄罗斯的SDCM、加拿大的CWAAS以及印度的GAGAN等。

WAAS于2003年投入试运行，后在阿拉斯加、加拿大以及墨西哥增设的参考站，极大提高了WASS系统的健壮性，大范围地提高了GPS的精度、完好性、连续性和可用性，主要为美国民用航空服务。目前美国及加拿大具备WAAS能力的飞机场已经达1700多个。

2009年9月，欧洲EGNOS系统正式启用。EGNOS公开服务的定位精度在欧洲中心地区其水平和垂直方向分别可达1m，个别地区水平为3m，垂直为4m。目前欧洲具备EGNOS能力的飞机场已经超过了130个，以法国（62个）和德国（11个）为主。其中102个机场颁布了LPV的飞行程序，33个机场颁布了APV II飞行程序。

三、民用航空监视系统发展现状

监视是飞机安全飞行和空中交通管理的基础。独立监视手段主要有一次监视雷达（PSR）、多地基雷、A/C/S模式二次雷达（SSR）及自动相关监视等。自动相关监视依靠航空器自主定位和报告实现，该监视手段主要有约定式自动相关监视（ADS-C）和广播式自动相关监视（ADS-B），其中ADS-B技术在民航得到广泛应用，尤其基于星基的ADS-B技术是未来发展的重要方向[7]。

广播式自动相关监视技术（ADS-B）是一种基于卫星定位、实现对空飞行器监视和追踪的技术。目前，欧洲、美国、亚洲均开展了基于星基的广播自动相关监视ADS-B方面的研究工作，目前较为成熟的有“铱星二代”系统和“全球星二代”系统。

1.“铱星二代”ADS-B系统

美国铱星公司与NAV CANADA公司的合资公司Aireon通过与Harris公司合作，开展基于“铱星二代”的星载ADS-B技术，目标用户是空管、搜救和军方。如图4所示，“铱星二代”星座携带Harris公司研制的1090ES型ADS-B接收机，可实现单星监视3000个目标，处理1000个以上目标，并实现全球覆盖。“铱星二代”于2015年开始发射，2017年部署结束。计划2018年开始用于全球民用客机监视服务。

基于星基的ADS-B系统通过在“铱星二代”卫星上搭载ADS-B接收机来实现在地球海洋上空、偏远地区上空以及其他无雷达覆盖区域上空提供飞机位置报告服务，目前该系统仅在卫星上安装1090-ES ADS-B接收机，没有安装ADS-B发射机。因此，该系统主要用于飞行监视和追踪，没有空中交通情报服务TIS广播能力。

2. “全球星二代”ADS-B系统

美国全球星公司和ADS-B技术公司联合推出了基于“全球星”卫星的ADS-B链路增强系统ALAS（ADS-B Link Augmentation System）。 该 系统采用“全球星”卫星网络和卫星地面站，提供ADS-B监视及通信服务[8]。如图5所示，“全球星二代”系统共有8个轨道面，共48颗星，轨道高度为1414 km，覆盖南北纬70°之间。2012年在阿拉斯加州的一座高度1200多米的深山中利用两架飞机完成了ALAS的试验。2014年9月再次进行了为期4天7000英里的双链ADS-B系统的测试飞行。2016年9月，基于全球星的ADS-B系统与Cirrus SR22无人机进行了飞行测试，飞行中采用两种极端飞行情况以测试链接稳定性，测试结果表明，可以通过星基链路完成良好的监视和实时控制能力。

ALAS系统的设计目标就是强化现有ADS-B网络，以便在传统地基ADS-B网络覆盖范围之外建立良好的越洋及偏远区域位置跟踪服务。系统支持实时回传飞行数据记录器信息、无人飞机系统（UAS）传感器数据、双向气象和话音等数据。ALAS系统采用全球星卫星网络和卫星地面站，兼容任何978MHz UAT ADS-B以及1090-ES ADS-B，卫星上的ADS-B设备具备发射和接收功能，可支持TIS/FIS信息的传递。

四、结语

综上所述，无线电通信导航监视（CNS）系统是航空电子系统的重要组成部分，并逐步由地基向星基方向发展。基于卫星的驾驶舱卫星通信可提供高安全的数据链及话音通信服务，保证飞机与签派室、空中交通管制单位之间，进行迅速可靠的通信联系；基于卫星的导航增强可提供高精度、高可靠的导航服务，保证飞机全行程的精密导航和精密进近引导服务；基于卫星的ADS-B监视系统可提供全球范围内的自动相关监视服务，保证及时获取航空器的位置报告与身份信息，实现对航空器的全球范围内的追踪监控。因此，大力发展基于星基的通信、导航、监视系统是未来发展的方向。

[1]郑彬.关于民航通信的现状及展望[J].信息通信,2017,4(172):269-270.

[2] 吴志军,李坤.美国民航信息安全保障计划研究[J].信息安全研究,2016,2(6):562-567.

[3] 陈锐,邵珍珍.第五代海事卫星通信系统全球网络架构与技术特性研究[J].信息通信,2015,8:8-10.

[4] 刘天华.民用飞机数据链通信管理技术[J].电讯技术,2010,50(5):84-88.

[5] 王权. Ka宽带卫星通信市场应用与发展思路[J].卫星应用,2015,8:49-51.

[6] ZandonadiJr.D.,Walter F. Development of a Pseudolite–A Brazilian GBAS Experience[C]. ION GPS/GNSS, 2003.2003:2297–2307.

[7] 李浩敏.现代民用飞机通信导航监视系统的市场需求和发展趋势分析[J].民用飞机设计与研究,2012:178-184.

[8] 邹锐.全球星系统(Globalstar)技术介绍[J].电子科技导报,1999,7:7-12.