（交通运输规划与管理专业论文）新航行系统及空中交通管理研究.pdf

a b s t t a c t t h i st h e s i se n f i d e d“r e s e a r c h o nc n s a t ma n da i rt i 丑f i l e m a n a g e m e n t ”i s as t u d yo f t h ee f f e c to f c n so na i rl l a 伍cc o n 打o ls y s t e ma n d t h e s t u d y o fa i rt r a 街cm a n a g e m e n t t 1 1 i st h e s i st o n s i l so ft h e f o l l o w i n g c o n t e n t s ： 1 t h ea n a l y s i so f 山ew e a k n e s s e so ft h ec u r r e n tn a “g a t i o ns y s 把mt h e p r e s e n tc o m m u n i e a d o na n ds u r v e i l l a n c es y s t e mc a r l r l o tm e e tt h en e e do ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to f a i rt r a n s p o r t a t i o n t h u sn e w n a “g a t i o ns y s t e ms h o u l db e i n t r o d u c e d 化n s ，a n d 2 1 1 l ec n s a t mi sb a s e do nt h em a i ne k m 曲瞳so fg l o b a ln a v i g a ：t i o n s a t e l l i t es y s t e m ( g n s s ) w i t ha r g u m e n t a t i o n s y s t e m a n dd i f f e r e n d a ls y s t e m ， g n s si sc a p a b l e o f s u p p o r t i n g e nr o u t ef l i g h ta n dc a ti i ip r e c i s i o na p p r o a c h t 1 l i ss y s t e mc 8 nm e e tt h en e e do fa l l f l i g h tp h a s e sj n t e r m so fi n 蛔扣t y p r e c i s i o na n dc o n t i n m 吼w i t h t h ea p p l i c a t i o no f a r e a n a v i g a u o n a n d r e q u i r e d n a v i g a u o np e r f o r m a n c e ( r n p ) t h i sw o u l d m a k et h e p a r a l l e lr o m e ，r a n d o m r o u t ea n dd i r e c tf l i 曲tr o 恤p o 鲻i b l e ，a n d s oi m p r o v e st i ，ee f f i d e n e yo fa i r s o a c ei nt i l es u r v e i l l a n c es y s t e mo f c n 啪m s e c o n d a r y s u r v e i l l a n c er a d a r ( s s r ) i su s e d i nb u s y a i r $ p l l o e ，a n da u t o m a t i cd e p e n d e n ts u r v e i h a n e e ( a d s ) i su s e di no t h e ra i rs p a c e s s s ra n da d s 锄a l b e i n t c g r a t e x k a n da d s c a ni r e p r o v et h ee 币c i e n c yo fa i rs p l i c ei nt h ea r e a so f o c , e a na n dd e s e r tw h e r e m e r ei sl e s sn i g h tr o u t ea n dl a r g es e p a r a t i o nb e t w na j r c m f t s 3t sp a p e r “s oc o v e r st h es d a c em a n a g e m e n ta n da i fn a f f i cf l o w m a n a g e m e n t i t a i s o a n a l y z e s t h ec a 钯g o f i e s u s e r so f a i rs p a c ea n dt h ep r i n c i p l e a n dm e t h o d so f a i r s l p a e em a n a g e m e n t a m o d e lo f a i rt l 墒cf l o we o n t r o la n da g r o u n dh o l d i n gm o d e la f ee s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i so fa i fs p a c e f f e e d o m ，e o n 扛o lm e a n sa n dc o n t r o l i e r s 日n | a l 嫩e s ， k e yw o d s ：c n s a t m g n s sa i ri 墒cf l o wm l u l f l g c m c n ts s ra t m a s m 1 1 问题的提出 第1 章绪论 民航运输作为一种先进的交通运输方式，在国民经济和社会发展中起着 越来越重要的作用。民航运输的最重要的宗旨之就是“安全、维护空中交 通秩序和加速空中交通活动”。空中交通管理对于保证民航运输安全、维护空 中交通秩序和加速空中交通活动起着非常重要的作用。 现在的空管手段主要为雷达管制和程序管制。在繁忙航路上实施雷达管 制，即依靠雷达提供信息掌握飞行动态，实行流量管理的管制方法：而对于 海洋航路和不适于装备雷达设备的戈壁、沙漠等地区实施程序管制，即依靠 飞行员话音报告飞机位置，由管制员配备飞机与飞机之间，飞机与障碍物之 间间隔的管制方法。 随着民航运输的迅速发展，航空运输中的安全、容量和效率之间的矛盾 日益突出，现行的管制手段和航行系统已经不能满足高速增长的航空流量和 需求；为此，国际民航组织( i c a o ) 于1 9 8 3 年提出了未来航行系统( f a n s ) ， j 9 9 3 年又更名为新航行系统( c n s ，a 1 m ) 1 1 1 1 2 1 。新航行系统在航空中的应用将 对全球航空运输的安全性、有效性、灵活性带来巨大的变革。为了推进新航 行系统，世界民航界投入了大量的人力物力对新航行系统进行论证和试验， 一些国家正在制定本国新航行系统的过渡计划，有的国家已经开始实施向新 航行系统过渡的计划。中国作为国际民航组织的成员国，也正在实施向新航 行系统过渡的方案。由于新航行系统是由卫星技术、计算机技术和数字通信 技术为基础，随着这些技术的发展，其方案在探讨和实施的过程中经过多次 修改i s ；同时，随着新航行系统的实施，对现有的空管体制、空域、航路结 构带来巨大影响；所以，讨论c n s t a t m 系统的实施方案，以及新航行系统 对空中交通管理的影响，对于民航业甚为重要。 1 1 1飞行流量不断增长引起的问题 从上个世纪8 0 年代以来，全球民航交通量迅速发展。以我国为例，“儿 五”期间，民航飞行量每年平均以7 8 的比例递增，航班总量由1 9 9 6 年的 1 0 2 万架次增加到2 0 0 0 年的1 3 8 万架次。飞行流量的快速增长为航空界带来 1 1 问题的提出 第1 章绪论 民航运输作为一种先进的交通运输方式，在国民经济和社会发展中起着 越来越重要的作用。民航运输的最重要的宗旨之就是“安全、维护空中交 通秩序和加速空中交通活动”。空中交通管理对于保证民航运输安全、维护空 中交通秩序和加速空中交通活动起着非常重要的作用。 现在的空管手段主要为雷达管制和程序管制。在繁忙航路上实施雷达管 制，即依靠雷达提供信息掌握飞行动态，实行流量管理的管制方法：而对于 海洋航路和不适于装备雷达设备的戈壁、沙漠等地区实施程序管制，即依靠 飞行员话音报告飞机位置，由管制员配备飞机与飞机之间，飞机与障碍物之 间间隔的管制方法。 随着民航运输的迅速发展，航空运输中的安全、容量和效率之间的矛盾 日益突出，现行的管制手段和航行系统已经不能满足高速增长的航空流量和 需求；为此，国际民航组织( i c a o ) 于1 9 8 3 年提出了未来航行系统( f a n s ) ， j 9 9 3 年又更名为新航行系统( c n s ，a 1 m ) 1 1 1 1 2 1 。新航行系统在航空中的应用将 对全球航空运输的安全性、有效性、灵活性带来巨大的变革。为了推进新航 行系统，世界民航界投入了大量的人力物力对新航行系统进行论证和试验， 一些国家正在制定本国新航行系统的过渡计划，有的国家已经开始实施向新 航行系统过渡的计划。中国作为国际民航组织的成员国，也正在实施向新航 行系统过渡的方案。由于新航行系统是由卫星技术、计算机技术和数字通信 技术为基础，随着这些技术的发展，其方案在探讨和实施的过程中经过多次 修改i s ；同时，随着新航行系统的实施，对现有的空管体制、空域、航路结 构带来巨大影响；所以，讨论c n s t a t m 系统的实施方案，以及新航行系统 对空中交通管理的影响，对于民航业甚为重要。 1 1 1飞行流量不断增长引起的问题 从上个世纪8 0 年代以来，全球民航交通量迅速发展。以我国为例，“儿 五”期间，民航飞行量每年平均以7 8 的比例递增，航班总量由1 9 9 6 年的 1 0 2 万架次增加到2 0 0 0 年的1 3 8 万架次。飞行流量的快速增长为航空界带来 区直奎通太堂亟主班珏生堂位论奎墓2 亟 不少问题 h 1 3 i l l 3 i 。 飞行流量的增加首先引起空域拥挤飞行冲突增加。飞机架次的增加， 必然使得单位时间单位空域内的飞机数目增加，飞机之间的间隔减小，造成 空域拥挤。为解决空域拥挤，管制员必须进行调配，一旦管制员与飞行员处 置不当，就可能引起飞行冲突，甚至飞机相撞事故。 飞行流量的增加，使得航班延误大量增加。随着飞行流量的增加，必然 在大型枢纽机场、航线交点、走廊口出现航班排队等待的现象；为了解决空 中交通拥挤，就需要进行流量控制，造成部分航班延误。资料表明，在1 9 9 8 年8 、9 月，我国因空中交通拥挤造成的航班延误达到2 7 2 2 架次”。 飞行流量的增加还造成迅速发展的飞行量和发展缓慢的地面设备之间的 矛盾日益突出。飞行流量增加的最快捷方法就是增加飞机数量、提高飞机利 用率，这些措拖实施周期较短。而相应的机场、跑道和地面空管通信、导航、 监视设备的建设较为困难，更新周期长。这样，发展缓慢的地面设备满足不 了迅速增长的飞行流量的需要。 1 1 2 现行通信导航监视系统存在的缺陷 现有的通信、导航和监视( c n s ) 系统，技术比较落后。随着卫星技术、 计算机技术的发展，其局限性越来越严重。其缺陷主要表现在阻下几方面： 1 现有的地空通信采用话音通信，缺少数字式空一地数据交换系统，存在 着速度慢、易出错、业务种类受限等缺点。由于地空之间通过话音进行信息 传送，每秒钟只能传送3 5 个字符，使得地空通信之间的效率低下；长时间 的通话容易造成机组和管制员疲劳，加上各地口音不一致，会引起说错、听 错或者理解错；话音通信也使得大规模的数据通信受到限制，地面数据库信 息和机载数据库信息都难以传送。 2 现有的c n s 系统，其信号大多采取视距传播，存在传播距离近、精度 和可靠性差等缺点。以现在常见的陆基导航系统甚高频全向信标( v o r ) 为 例，其覆盖范围最远达到2 0 0 n m ，为了实现导航信号的覆盖，必须修建大量 的导航台，而导航台的建设在荒漠、海洋难以实现；其测角精度一般为2 。， 通过测角定位获得的位置精度随着到导航台距离的增加而变差。 3 由于多方面原因，现有的c n s 系统标准难以统一。现有的无线电设备， 是2 0 世纪中期发展起来的，由于当年东西方对峙，使得全球标准难以统一， 以精密进近常用的仪表着陆系统( i l s ) 为例，美国和西欧采用比幅制，而俄 罗斯和东欧采取比相制，这样造成了大量的浪费。 区直奎通太堂亟主班珏生堂位论奎墓2 亟 不少问题 h 1 3 i l l 3 i 。 飞行流量的增加首先引起空域拥挤飞行冲突增加。飞机架次的增加， 必然使得单位时间单位空域内的飞机数目增加，飞机之间的间隔减小，造成 空域拥挤。为解决空域拥挤，管制员必须进行调配，一旦管制员与飞行员处 置不当，就可能引起飞行冲突，甚至飞机相撞事故。 飞行流量的增加，使得航班延误大量增加。随着飞行流量的增加，必然 在大型枢纽机场、航线交点、走廊口出现航班排队等待的现象；为了解决空 中交通拥挤，就需要进行流量控制，造成部分航班延误。资料表明，在1 9 9 8 年8 、9 月，我国因空中交通拥挤造成的航班延误达到2 7 2 2 架次”。 飞行流量的增加还造成迅速发展的飞行量和发展缓慢的地面设备之间的 矛盾日益突出。飞行流量增加的最快捷方法就是增加飞机数量、提高飞机利 用率，这些措拖实施周期较短。而相应的机场、跑道和地面空管通信、导航、 监视设备的建设较为困难，更新周期长。这样，发展缓慢的地面设备满足不 了迅速增长的飞行流量的需要。 1 1 2 现行通信导航监视系统存在的缺陷 现有的通信、导航和监视( c n s ) 系统，技术比较落后。随着卫星技术、 计算机技术的发展，其局限性越来越严重。其缺陷主要表现在阻下几方面： 1 现有的地空通信采用话音通信，缺少数字式空一地数据交换系统，存在 着速度慢、易出错、业务种类受限等缺点。由于地空之间通过话音进行信息 传送，每秒钟只能传送3 5 个字符，使得地空通信之间的效率低下；长时间 的通话容易造成机组和管制员疲劳，加上各地口音不一致，会引起说错、听 错或者理解错；话音通信也使得大规模的数据通信受到限制，地面数据库信 息和机载数据库信息都难以传送。 2 现有的c n s 系统，其信号大多采取视距传播，存在传播距离近、精度 和可靠性差等缺点。以现在常见的陆基导航系统甚高频全向信标( v o r ) 为 例，其覆盖范围最远达到2 0 0 n m ，为了实现导航信号的覆盖，必须修建大量 的导航台，而导航台的建设在荒漠、海洋难以实现；其测角精度一般为2 。， 通过测角定位获得的位置精度随着到导航台距离的增加而变差。 3 由于多方面原因，现有的c n s 系统标准难以统一。现有的无线电设备， 是2 0 世纪中期发展起来的，由于当年东西方对峙，使得全球标准难以统一， 以精密进近常用的仪表着陆系统( i l s ) 为例，美国和西欧采用比幅制，而俄 罗斯和东欧采取比相制，这样造成了大量的浪费。 酉直奎通太堂塑主班荭生兰位论奎差王亟 1 1 3 新航行系统的引入 由于空中交通流量增长引起的飞行冲突、航班延误日益突出，同时传统 的陆基航行系统已经不能适应全球民用航空的高速增长；为了解决这一系列 问题，i c a o 提出了新航行系统。新航行系统由通信( c ) 、导航( n ) 、监视 ( s ) 和空中交通管理( a t m ) 四部分组成。通信、导航和监视系统是基础设 旌，空中交通管理是管理体制、配套设施及其应用软件的组合；空中交通管 理包括空域管理( a s m ) 、空中交通服务( a t s ) 和空中交通流量管理( a t f m ) 。 新航行系统的技术基础是卫星技术、数据链技术和计算机网络技术。i c a o 希 望通过星基导航系统解决陆基导航系统传播距离近、精度差的缺点：希望通 过陆空数据链解决传统话音通信速度满、易出错的缺点；希望通过空中交通 管理的空域管理、空中交通流量管理提高空域利用率，增大空中交通流量。 但是，新航行系统能否满足民航的要求，对现行空体系的影响有多大等问题 并没有完全解决，这也是本文讨论的主要内容。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 自从i c a o 提出了逐步建立基于卫星和数据通信技术的新航行系统后， 世界各国都以不同的方式推进新航行系统的研究、实旌工作。 美国联邦航空局( f a a ) 为了推进全球定位系统( g p s ) 的应用，于1 9 9 8 年6 月完成了广域增强系统( w a a s ) 项目第一期2 5 个广域参考站和2 个主 站的建设，使得g p s 具备作为航路主要导航手段的能力，并且已经达到i 类 精密进近的要求，同时每年投资近2 亿美元进行新航行系统容量、安全和可 靠性、人的因素等方面的研究和试验工作。同时，美国政府于2 0 0 0 年5 月1 日宣布降低g p s 精度的选择可用性( s a ) 政策终止；并决定加发第二民用频 率。这一系列措施，使得g p s 成为现阶段实施新航行系统可以采用的主要导 航系统 m 。 欧盟各国为了推进新航行系统也进行了大量工作。为了建立国际控制下 的民间卫星导航系统，提出了“欧洲全球卫星导航重叠系统”( e g n o s ) 和 伽利略( g a l i l e o ) 计划。e g n o s 实际上是g p s 的星基增强系统，利用通信 卫星发射增强信息提高g p s 的性能。g a l i l e o 计划要建立一个多国自建共享的 独立于g p s 的导航卫星系统，强调能够对所有飞行阶段提供单一导航手段。 酉直奎通太堂塑主班荭生兰位论奎差王亟 1 1 3 新航行系统的引入 由于空中交通流量增长引起的飞行冲突、航班延误日益突出，同时传统 的陆基航行系统已经不能适应全球民用航空的高速增长；为了解决这一系列 问题，i c a o 提出了新航行系统。新航行系统由通信( c ) 、导航( n ) 、监视 ( s ) 和空中交通管理( a t m ) 四部分组成。通信、导航和监视系统是基础设 旌，空中交通管理是管理体制、配套设施及其应用软件的组合；空中交通管 理包括空域管理( a s m ) 、空中交通服务( a t s ) 和空中交通流量管理( a t f m ) 。 新航行系统的技术基础是卫星技术、数据链技术和计算机网络技术。i c a o 希 望通过星基导航系统解决陆基导航系统传播距离近、精度差的缺点：希望通 过陆空数据链解决传统话音通信速度满、易出错的缺点；希望通过空中交通 管理的空域管理、空中交通流量管理提高空域利用率，增大空中交通流量。 但是，新航行系统能否满足民航的要求，对现行空体系的影响有多大等问题 并没有完全解决，这也是本文讨论的主要内容。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 自从i c a o 提出了逐步建立基于卫星和数据通信技术的新航行系统后， 世界各国都以不同的方式推进新航行系统的研究、实旌工作。 美国联邦航空局( f a a ) 为了推进全球定位系统( g p s ) 的应用，于1 9 9 8 年6 月完成了广域增强系统( w a a s ) 项目第一期2 5 个广域参考站和2 个主 站的建设，使得g p s 具备作为航路主要导航手段的能力，并且已经达到i 类 精密进近的要求，同时每年投资近2 亿美元进行新航行系统容量、安全和可 靠性、人的因素等方面的研究和试验工作。同时，美国政府于2 0 0 0 年5 月1 日宣布降低g p s 精度的选择可用性( s a ) 政策终止；并决定加发第二民用频 率。这一系列措施，使得g p s 成为现阶段实施新航行系统可以采用的主要导 航系统 m 。 欧盟各国为了推进新航行系统也进行了大量工作。为了建立国际控制下 的民间卫星导航系统，提出了“欧洲全球卫星导航重叠系统”( e g n o s ) 和 伽利略( g a l i l e o ) 计划。e g n o s 实际上是g p s 的星基增强系统，利用通信 卫星发射增强信息提高g p s 的性能。g a l i l e o 计划要建立一个多国自建共享的 独立于g p s 的导航卫星系统，强调能够对所有飞行阶段提供单一导航手段。 为了配合新航行系统，改革欧洲空域结构，获得更大的飞行容量和经济效益， 欧洲航行规划小组( e a n p g ) 提出了开发针对欧洲的a t s 干线航路网，并且 推行减小最低垂直间隔：希望通过减小最低垂直间隔，增加管制密度，为航 空器提供更多的飞行高度层，增长交通管理分容量和效益 2 1 。 俄罗斯为了推进新航行系统，将g l o n a s s 提供给i c a o ，并且在其远 东地区进行c n s a t m 航路服务。澳大利亚正在建设“澳大利亚先进的空中 交通管理”( t a a a t s ) ，对其全国空域进行管理；并进行自动相关监视数据链 应用的研究。日本正在发展多功能运输卫星( m t s a t ) ，提供区域卫星导航 和航空移动通信的功能 2 1 。 在空中交通管理方面，为了适应新航行系统的发展，各国民航当局和学 术界也进行了大量研究。o d o n i 4 1 提出了实时调度航班以最小化阻塞费用的问 题：a n d r e a t t a 和r o m a n i n - j a c u r i5 】对单机场的静态随机模型提出一种动态程序 算法：t e r r a b 和o d o n i l 6 1 对单机场地面等待策略进行了研究，对单机场的随机 性问题提出了经验公式：v r a n a s 、b e r t s i m a s 和o d o n i l 7 1 b 】提出多机场地面等 待问题，把地面等待策略推广到整个机场网络；v r a n a s i 州还研究了欧洲空中交 通流量管理的最优时隙分配问题。s t o c k - p a t t e r s o n ”i 研究了飞机在机场网络中 的最优速度调制以及航班为绕开恶劣气象条件的空域绕飞的问题，提出了空 中交通流量管理问题和空中交通流量管理再寻径问题。在理论研究的基础上， 美国已经将地面等待策略用于实际的空中交通流量管理。 1 2 2 国内研究概况 我国对新航行系统的建设采取了结合中国国情积极稳妥推进的方针。 1 9 9 5 年中国民航总局颁布了“中国民航新航行系统( c n s 觚m ) 实施政策”、 “中国民航新航行系统进近着陆系统实篪技术政策”和“中国民航新航行系 统卫星导航系统实施技术政策”m u 即1 1 1 3 1 。中国民航承诺改造现有航行系统， 并平稳过渡到c n s a t m 系统：确立了以卫星为基础的通信系统，确定了发 展v h f 数据链的技术政策；确立了采用发展g n s s 的技术政策，包括逐步发 展w a a s 广域增强系统和引入所需导航性能( 鼢咿) 概念；确立了境内航路 和越洋航路上自动相关监视( a d s ) 工程实施的技术政策l t t i t n 一l 。 在具体实施方面，1 9 9 7 年19 9 8 年在首都机场进行了a d s 试验，为 在我国实施a d s 进行了准备。我国的甚高频( x q - i f ) 数字地空通信网已初具 规模，基本覆盖了哈京广以东的我国东部航路，并已经建设了网络 管理与数据处理中心( n m d p s ) 。为了适应欧亚航路空中流量的增长，应用 新航行系统的技术在我国西部地区开辟一条新航路西部c n s a t m 航路 为了配合新航行系统，改革欧洲空域结构，获得更大的飞行容量和经济效益， 欧洲航行规划小组( e a n p g ) 提出了开发针对欧洲的a t s 干线航路网，并且 推行减小最低垂直间隔：希望通过减小最低垂直间隔，增加管制密度，为航 空器提供更多的飞行高度层，增长交通管理分容量和效益 2 1 。 俄罗斯为了推进新航行系统，将g l o n a s s 提供给i c a o ，并且在其远 东地区进行c n s a t m 航路服务。澳大利亚正在建设“澳大利亚先进的空中 交通管理”( t a a a t s ) ，对其全国空域进行管理；并进行自动相关监视数据链 应用的研究。日本正在发展多功能运输卫星( m t s a t ) ，提供区域卫星导航 和航空移动通信的功能 2 1 。 在空中交通管理方面，为了适应新航行系统的发展，各国民航当局和学 术界也进行了大量研究。o d o n i 4 1 提出了实时调度航班以最小化阻塞费用的问 题：a n d r e a t t a 和r o m a n i n - j a c u r i5 】对单机场的静态随机模型提出一种动态程序 算法：t e r r a b 和o d o n i l 6 1 对单机场地面等待策略进行了研究，对单机场的随机 性问题提出了经验公式：v r a n a s 、b e r t s i m a s 和o d o n i l 7 1 b 】提出多机场地面等 待问题，把地面等待策略推广到整个机场网络；v r a n a s i 州还研究了欧洲空中交 通流量管理的最优时隙分配问题。s t o c k - p a t t e r s o n ”i 研究了飞机在机场网络中 的最优速度调制以及航班为绕开恶劣气象条件的空域绕飞的问题，提出了空 中交通流量管理问题和空中交通流量管理再寻径问题。在理论研究的基础上， 美国已经将地面等待策略用于实际的空中交通流量管理。 1 2 2 国内研究概况 我国对新航行系统的建设采取了结合中国国情积极稳妥推进的方针。 1 9 9 5 年中国民航总局颁布了“中国民航新航行系统( c n s 觚m ) 实施政策”、 “中国民航新航行系统进近着陆系统实篪技术政策”和“中国民航新航行系 统卫星导航系统实施技术政策”m u 即1 1 1 3 1 。中国民航承诺改造现有航行系统， 并平稳过渡到c n s a t m 系统：确立了以卫星为基础的通信系统，确定了发 展v h f 数据链的技术政策；确立了采用发展g n s s 的技术政策，包括逐步发 展w a a s 广域增强系统和引入所需导航性能( 鼢咿) 概念；确立了境内航路 和越洋航路上自动相关监视( a d s ) 工程实施的技术政策l t t i t n 一l 。 在具体实施方面，1 9 9 7 年19 9 8 年在首都机场进行了a d s 试验，为 在我国实施a d s 进行了准备。我国的甚高频( x q - i f ) 数字地空通信网已初具 规模，基本覆盖了哈京广以东的我国东部航路，并已经建设了网络 管理与数据处理中心( n m d p s ) 。为了适应欧亚航路空中流量的增长，应用 新航行系统的技术在我国西部地区开辟一条新航路西部c n s a t m 航路 酉直翅太堂亟土班盆生生位盈毫簋苎亟 ( 走向中老边境入境点s a g a o 一中国的西南西北部一中哈边境出境点 r e v k i ) ，这条新的跨欧亚航路，采用a d s ，比现行印度次大陆的航路航程 大大缩短，具有潜在的经济和社会效益：与新欧亚航路相配合在昆明、成 都、兰州、乌鲁术齐四地的管制中心已经完成了自动相关监视( a d s ) 工作 站的建设。随着“北斗”双星系统的成功建设，我国的全球导航卫星系统 ( g n s s ) 星基增强系统已经初步完成，为g n s s 的实旆奠定了基础蛐】。 1 3 研究的思路和内容 在新航行系统的四个因素通信( c ) 、导航( n ) 、监视( s ) 和空中交通 管理( a t m ) 中，通信主要应用现有的数据链技术和卫星通信技术，在论文 中不作详细讨论：导航系统一方面要解决飞机的位置、方向问题，另一方面 又为监视系统之一自动相关监视( a d s ) 提供数据，特别是r n p 、r n a v 的引入，对航路结构，空域划分有很大影响：在监视系统中，随着a d s 的实 施，海洋、沙漠空域将得到充分开发。在论文中，首先在简要介绍新航行系 统组成的基础上，研究其导航系统的实旖方案和措旖，包括g n s s 和o p s ， 着重研究了r n p 、r n a v 对航线、空域及现行空管的影响；在空中交通管理 中，着重研究了空域管理和空中交通流量管理，特别在空中交通流量管理中 讨论了空中流量模型和地面等待策略。 酉直翅太堂亟土班盆生生位盈毫簋苎亟 ( 走向中老边境入境点s a g a o 一中国的西南西北部一中哈边境出境点 r e v k i ) ，这条新的跨欧亚航路，采用a d s ，比现行印度次大陆的航路航程 大大缩短，具有潜在的经济和社会效益：与新欧亚航路相配合在昆明、成 都、兰州、乌鲁术齐四地的管制中心已经完成了自动相关监视( a d s ) 工作 站的建设。随着“北斗”双星系统的成功建设，我国的全球导航卫星系统 ( g n s s ) 星基增强系统已经初步完成，为g n s s 的实旆奠定了基础蛐】。 1 3 研究的思路和内容 在新航行系统的四个因素通信( c ) 、导航( n ) 、监视( s ) 和空中交通 管理( a t m ) 中，通信主要应用现有的数据链技术和卫星通信技术，在论文 中不作详细讨论：导航系统一方面要解决飞机的位置、方向问题，另一方面 又为监视系统之一自动相关监视( a d s ) 提供数据，特别是r n p 、r n a v 的引入，对航路结构，空域划分有很大影响：在监视系统中，随着a d s 的实 施，海洋、沙漠空域将得到充分开发。在论文中，首先在简要介绍新航行系 统组成的基础上，研究其导航系统的实旖方案和措旖，包括g n s s 和o p s ， 着重研究了r n p 、r n a v 对航线、空域及现行空管的影响；在空中交通管理 中，着重研究了空域管理和空中交通流量管理，特别在空中交通流量管理中 讨论了空中流量模型和地面等待策略。 第2 章新航行系统中导航系统的实施 现有的导航系统种类很多，如无方向信标台( n d b ) 、甚高频全向信标 ( v o r ) 、仪表着陆系统( i l s ) 、测距机( d m e ) 等。随着新航行系统的实 旋；这些导航系统将逐步退出。新航行系统中导航系统成分如图21 所示，主 要包括： 1 【扫全球导航卫星系统( g n s s ) 提供全球覆盖的导航： 2 差分全球导航卫星系统( d g n s s ) 将用作精密迸近和着陆： 3 惯性导航将保留，并发展组合导航： 4 逐步引入区域导航( r n a v ) 能力，并使其符合所需导航性能( r n p ) 。 垒球导】u i 图2 1 新航行系统导航系统成分 2 1 2 1 全球导航卫星系统 新航行系统导航系统的主要成分是全球导航卫星系统( g n s s ) 。g n s s 从定义上说，是i c a o 在描述用于向飞行员提供导航信息的任何独立的卫星 导航系统的统称。和传统的陆基无线电导航系统比较g n s s 是一个全球范 围的导航系统，具有潜力支持从航路飞行一直, u i i i 类精密进近着陆的运行， 并可提供地面引导。 民航对导航系统有较高的要求，要求导航系统在运行的任何阶段都能提 第2 章新航行系统中导航系统的实施 现有的导航系统种类很多，如无方向信标台( n d b ) 、甚高频全向信标 ( v o r ) 、仪表着陆系统( i l s ) 、测距机( d m e ) 等。随着新航行系统的实 旋；这些导航系统将逐步退出。新航行系统中导航系统成分如图21 所示，主 要包括： 1 【扫全球导航卫星系统( g n s s ) 提供全球覆盖的导航： 2 差分全球导航卫星系统( d g n s s ) 将用作精密迸近和着陆： 3 惯性导航将保留，并发展组合导航： 4 逐步引入区域导航( r n a v ) 能力，并使其符合所需导航性能( r n p ) 。 垒球导】u i 图2 1 新航行系统导航系统成分 2 1 2 1 全球导航卫星系统 新航行系统导航系统的主要成分是全球导航卫星系统( g n s s ) 。g n s s 从定义上说，是i c a o 在描述用于向飞行员提供导航信息的任何独立的卫星 导航系统的统称。和传统的陆基无线电导航系统比较g n s s 是一个全球范 围的导航系统，具有潜力支持从航路飞行一直, u i i i 类精密进近着陆的运行， 并可提供地面引导。 民航对导航系统有较高的要求，要求导航系统在运行的任何阶段都能提 酉直奎适太堂亟班矗生兰位论塞差z 豆 供安全、高效、低成本、全天候和高完好性的导航。但是，g n s s 现在还满 足不r 精度、完好性、可用性和持续性等性能要求：必须在各种增强系统支 持下，才能满足飞行各阶段的要求。因此，可以认为在各种增强设备的辅助 下，g n s s 可以提供一个无缝隙的导航引导系统，可供航空器在不依靠其它 导航系统的前提下在各个飞行阶段使用。 从g n s s 的定义可以看出，g n s s 是一个多成分组成的系统。为了支持 g n s s 计划，美国政府把全球定位系统( g p s ) ，俄罗斯政府把全球轨道导航 卫星系统( g l o n a s s ) 提供给i c a o 。但是g p s 和g l o n a s s 都处于军方的 控制下：而i c a o 认为，全球卫星导航应是单一导航手段，决不能由单国军 方控制，必须是国际管理、国际运行的系统。因此。i c a o 提出了g n s s 过渡 的五步计划： l利用g p s 或g l o n a s s ： 2 利用g p s 和g i o n a s s ： 3g p s + g l o n a s s + d 球4 r s a t + m t s a t + ； 4 加发民间导航卫星； 5 组成民间g n s s 星座。 在现阶段，能够提供全球导航的卫星导航系统只有g p s 和g l o n a s s ， 已经达到完全运行状态的卫星导航系统只有g p s 。因此，可以认为现阶段 g n s s 是一个包括g p s 和g l o n a s s 以及其它增强系统的空间卫星系统，即： 从g n s s = g p s + g l o n a s s + i n m a r s a t - i i + m t s a t 4 - m “1 。 2 1 1 全球定位系统( g p s ) g p s 是现在主要的卫星导航系统。讨论g p s 原理及其导航功能的实现对 于新航行系统的实施，特别是现阶段新航行系统的应用有及其重要的作用。 2 1 1 1g p s 系统组成 g p s 系统由空间段、地面段和用户段三个子系统组成。 g p s 空间段由分布在6 条倾角为5 5 。的圆轨道上的2 4 颗卫星组成此外 还有4 颗在轨备份卫星。g p s 卫星发射的信号工作在两个载波频率上即l j = 1 5 7 5 4 2 m h z ，l ，= 1 2 2 7 6 0 m h z 。g p s 卫星发射的卫星识别码、星钟参数、 星历参数和导航电文都调制在这两个频率上。供民用的是调制在l - 载频上的 粗捕获码( c a 码) ，即标准定位服务( s p s ) ；供军用的是调制在l 1 、l 2 载 频上的精密码( p 码) 。 酉直奎适太堂亟班矗生兰位论塞差z 豆 供安全、高效、低成本、全天候和高完好性的导航。但是，g n s s 现在还满 足不r 精度、完好性、可用性和持续性等性能要求：必须在各种增强系统支 持下，才能满足飞行各阶段的要求。因此，可以认为在各种增强设备的辅助 下，g n s s 可以提供一个无缝隙的导航引导系统，可供航空器在不依靠其它 导航系统的前提下在各个飞行阶段使用。 从g n s s 的定义可以看出，g n s s 是一个多成分组成的系统。为了支持 g n s s 计划，美国政府把全球定位系统( g p s ) ，俄罗斯政府把全球轨道导航 卫星系统( g l o n a s s ) 提供给i c a o 。但是g p s 和g l o n a s s 都处于军方的 控制下：而i c a o 认为，全球卫星导航应是单一导航手段，决不能由单国军 方控制，必须是国际管理、国际运行的系统。因此。i c a o 提出了g n s s 过渡 的五步计划： l利用g p s 或g l o n a s s ： 2 利用g p s 和g i o n a s s ： 3g p s + g l o n a s s + d 球4 r s a t + m t s a t + ； 4 加发民间导航卫星； 5 组成民间g n s s 星座。 在现阶段，能够提供全球导航的卫星导航系统只有g p s 和g l o n a s s ， 已经达到完全运行状态的卫星导航系统只有g p s 。因此，可以认为现阶段 g n s s 是一个包括g p s 和g l o n a s s 以及其它增强系统的空间卫星系统，即： 从g n s s = g p s + g l o n a s s + i n m a r s a t - i i + m t s a t 4 - m “1 。 2 1 1 全球定位系统( g p s ) g p s 是现在主要的卫星导航系统。讨论g p s 原理及其导航功能的实现对 于新航行系统的实施，特别是现阶段新航行系统的应用有及其重要的作用。 2 1 1 1g p s 系统组成 g p s 系统由空间段、地面段和用户段三个子系统组成。 g p s 空间段由分布在6 条倾角为5 5 。的圆轨道上的2 4 颗卫星组成此外 还有4 颗在轨备份卫星。g p s 卫星发射的信号工作在两个载波频率上即l j = 1 5 7 5 4 2 m h z ，l ，= 1 2 2 7 6 0 m h z 。g p s 卫星发射的卫星识别码、星钟参数、 星历参数和导航电文都调制在这两个频率上。供民用的是调制在l - 载频上的 粗捕获码( c a 码) ，即标准定位服务( s p s ) ；供军用的是调制在l 1 、l 2 载 频上的精密码( p 码) 。 酉直变适太堂亟班盔生望位论塞堇墨亟 g p s 地面段由主控站、监测站和地面控制站组成。主控站负责对卫星的 控制和整个系统的工作。监测站负责对视见卫星检测采集数据。地面控制站 负责向卫星上行发送信息。其具体工作过程：监测站对使用视见卫星进行跟 踪测定伪距，采集电离层和对流层电波传播延时数据，分别按规定的采样间 隔测定算出后发送给主控站；主控站从各监测站收集跟踪数据计算卫星轨 道和星钟参数，然后将结果送到地面控制站：地面控制站将主控站送来的星 历数据和星钟参数通过s 频段射频链路向各卫星上行注入。 g p s 地面段即用户接收机。民航用户要求接收机具有高动态、数据更新 率快等特点：同时还要求能够提供接收机自主完好性监测( r a d u ) 。 2 1 1 2g p s 原理 g p s 系统定位，按测量方法分码相关法、载波相位法、多普勒法等其 基本原理都是单程测距原理，利用电磁波在卫星和用户之间传播的延迟时间 解算距离。要准确解算距离，要求测量的延迟时间必须准确，即卫星时钟和 用户时钟必须同步。实际应用中，从经济性出发，用户接收机采用石英钟， 与卫星上的原子钟存在钟差( 时钟精度误差) ；通常把含有卫星时钟和用户接 收机时钟同步误差影响的距离称为伪距。用公式表示用户接收机和卫星之间 的距离如下： r = ( x 一爿o ) 2 + ( y l ) 2 + ( z 一瓦) 2 + c x ， ( 2 1 ) 其中：圮7 表示卫星和用户接收机之间的伪距： 卫。，k 、五，表示卫星的坐标； x 、 z 表示用户接收机的坐标： 4 ，表示钟差； c 表示无线电波传播速度( 光速) ； i - i 2 ，2 4 ，表示卫星编号。 公式中，卫星坐标( 五，舀) 包含在卫星导航电文中，可以作为已 知参数：见7 通过接收机解算得到，也是已知参数：所求未知参数为爿，k z 、f 。因此，g p s 定位至少需要接收4 颗卫星的导航电文。 2 1 1 3g p s 的增强 g p s 作为一种全球服务的卫星导航系统，可以覆盖航路飞行直到进近阶 段。由于美国政府对民用g p s 提出了种种限制，使得g p s 在民航领域，主要 是精密进近上的应用受到限制，在导航精度上达不到作为着陆系统的要求。 j 司时，g p s 作为一个庞大的系统，可能出现故障。但g p s 的完好性检测能力 差，出现故障后，可能要经过2 6 小时才能发现，对于民航领域，这是不能 接受的。这不仅造成g p s 的完好性达不到要求，其可用性和连续服务性也不 令人满意。 为了提高g p s 的性能，产生了差分技术。差分技术的机理是在同一地区、 同。时间内，g p s 缓慢变化的系统误差( 包含星钟误差、星历误差、电离层 延迟误差、对流层延迟误差) 是相同或相近：基准站f 已经过精密位置测定) 接收g p s 信号后，解算基准站位置，将解算值与标定值进行比较，求出卫星 定位误差：再利用数据链向附近用户发播误差修正值。在附近的用户站接收 到误差修正信号后，精确解算用户站的精密位置解。无论是理论计算，还是 实地试验都证明了差分是解决卫星定位系统中的精度问题的有效可用技术。 差分g p s ( d g p s ) 的原理建立在g p s 信号误差的时间和空间相关性基 础之上。时间相关要求迅速将基准接收机产生的各卫星的伪距修正值以及其 它信息迅速可靠的传到各用户。空间相关性指当基准接收机与用户接收机相 距不远时，有些误差非常相似，但随着距离的增大，误差的相关性变差。按 地面设施布放区域和范围，g p s 地面增强系统分为：本地差分g p s ( l a d g