现代空中交通管理(全套PPT课件)

现代空中交通管理 第一章概论 随着商业飞行的开始 航空运输涉及的范围越来越多为了安全和效率起见 要求飞行活动能按照一定的规则来组织进行 这就是空中交通管理 1 1空中交通管理的发展 第一阶段是在20世纪30年代以前第二阶段是在1934 1945年期间第三阶段出现在1945年至20世纪80年代第四阶段从20世纪80年代后期开始 1 1空中交通管理的发展 一 第一阶段是在20世纪30年代以前 小飞机目视飞行 红旗和绿旗 信号灯 1 1空中交通管理的发展 6 DC 321座 波音24710座 无线电通信和导航 仪表飞行规则程序管制 航路网和管制中心 1 1空中交通管理的发展 二 第二阶段是在1934 1945年期间 B 52 波音367 80 波音707的原型 雷达管制 1 1空中交通管理的发展 三 第三阶段在1945年至20世纪80年代 先进航电系统卫星导航应用 空地协同空管系统 1 1空中交通管理的发展 四 第四阶段从20世纪80年代后期开始 1 2空中交通管制系统的分类 按照管制范围的不同 区域管制 进近管制 机场管制 飞行在航路上的航空器由区域管制中心负责提供空中交通管制服务 主要是飞行高度6000米以上的在大范围内运行的航空器 任务是根据飞行计划 批准飞机在其管制区内的飞行 保证飞行的间隔 然后把飞机移交到相邻空域 或把到达目的地的飞机移交给进近管制 依靠空地通信 地面通信和远程雷达设备来确定飞机的位置 按照规定的程序调度飞机 保持飞行的间隔和顺序 1 2空中交通管制系统的分类 按照管制范围的不同 区域管制 进近管制 机场管制 主要负责飞机的离场进入航线和进近着陆 进近管制是塔台管制和航路管制的中间环节 进近管制要向航空器提供进近管制服务 飞行情报服务和防撞告警 依靠无线电通信和雷达设备来监控飞机的 下接机场管制区 上接航路管制区 部分重叠的 一般范围大约在机场90公里半径之内 高度5000米以下 1 2空中交通管制系统的分类 按照管制范围的不同 区域管制 进近管制 机场管制 由机场管制塔台提供 主要靠目视来管理飞机在机场上空和地面的运动 机场地面监视雷达 范围 航空器在机场管制区的空中飞行 航空器的起飞和降落 航空器在机坪上的运动 防止飞机在运动中与地面车辆和地面障碍物的碰撞 较大的机场塔台把任务分为两部分 分别由机场地面交通管制员和空中交通管制员负责 按照管制手段的不同 程序管制 雷达管制 1 2空中交通管制系统的分类 主要的设备环境是地空通话设备 管制员在工作时 通过飞行员的位置报告分析 了解飞机间的位置关系 推断空中交通状况及变化趋势 同时向飞机发布放行许可 指挥飞机飞行 飞行计划内容包括飞行航路 航线 使用的导航台 预计飞越各点的时间 携带油量和备降机场等 按照管制手段的不同 程序管制 雷达管制 1 2空中交通管制系统的分类 雷达管制员根据雷达显示 可以了解本管制空域雷达波覆盖范围内所有航空器的精确位置 因此能够大大减小航空器之间的间隔 使管制工作变得主动 管制人员由被动指挥转变为主动指挥 提高了空中交通管制的安全性 有序性 高效性 目前在民航管制中使用的雷达种类为一次监视雷达和二次监视雷达 1 3新航行系统概述 新航行系统 由通信 C 导航 N 监视 S 和空中交通管理 ATM 四部分组成 其中通信 导航和监视系统是基础设施 空中交通管理是管理体制 配套设施及其引用软件的组合 新航行系统主要新在 星基 上 即系统是以空中卫星为基本特征的 导航是系统的核心 通信是系统的必要条件 监视可以说是系统安全保障的手段 三者缺一不可 1 3新航行系统概述 新航行系统主要是 卫星技术 数据链技术 计算机网络技术 的应用 系统在采用新技术方面有如下特点 一是利用卫星技术 从陆基通信 导航 监视系统逐步向星基通信 导航 监视系统过渡 逐步以星基系统为主 二是数据链技术的开发利用 实现空 地 地 地可靠的数据交换 并进一步实现空 空数据交换 三是系统的数字化 计算机处理及联网 1 3新航行系统概述 同现行系统相比 主要具有以下三个特点 1 具有充分的覆盖性 不受山区 沙漠和海洋的限制 能随时准确掌握空情 从而大大提高飞行安全和空域利用率 飞机可以灵活选择最佳的航线飞行 节约飞行时间和油料消耗 2 能够充分利用信息资源 实现一定程度上的集中管理 发挥流量管理中心和管制中心计算机的自动数据处理能力 也有利于航行系统实现全球统一协调运行 提高飞机的自治飞行能力 3 大大减少地面空管设施的数量 大幅度降低建设和维护费用 通信系统 数据链通信 DataLink 航空移动卫星业务 AMSS 航空电信网 ATN 高频数据链通信 HF 甚高频数据链通信 VHF 二次监视雷达 SSR 的S模式自动相关监视 ADS 飞机状态监控情报服务等 数据链通信 DataLink 航空移动卫星业务 AMSS 航空电信网 ATN 包括话音 数据通信两种方式 它使空中飞机在任何地方都能与地面进行实时有效的通信 且在空管中心的实时监视之中 与机载卫星导航接收机相结合 可提供对飞机的自动相关监视 通信系统 数据链通信 DataLink 航空移动卫星业务 AMSS 航空电信网 ATN 新航行系统中通信系统的主体 融地面与空地数据通信为一体 多子网 多优先级 区分安全通信和非安全通信 航空运输各个单位的互联 计算机系统中进行端到端的连接和高速数据交换 管制员飞行员数据链通信 CPDLC 利用数据通信代替话音通信的ATC通信方式 通信系统 全球导航卫星系统 GNSS 所需导航性能 RNP 广域增强系统 WAAS 本地增强系统 LAAS 导航系统 星基空中交通管理系统的核心美国的全球定位系统 GPS 俄罗斯的GLONASS欧洲的伽利略中国的二代系统使用GNSS 飞机就可直线飞行 既缩短了飞机间隔 又省时省油 并提高了安全性 准点率与空间利用率 而且还能以此为基础作自动相关监视 全球导航卫星系统 GNSS 所需导航性能 RNP 广域增强系统 WAAS 本地增强系统 LAAS 导航系统 RNP是指在指定空域和航路内 装备各种导航系统 或设备 的飞机在规定概率上能够保持在指定轨迹的允许偏差以内的能力 全球导航卫星系统 GNSS 所需导航性能 RNP 广域增强系统 WAAS 本地增强系统 LAAS 导航系统 精度尚未达到II III类精密进近着陆的要求 在GPS的监测和增强方面广泛采用差分技术来提高精度 使系统成为 增强系统 当前航空界正在部署LAAS和WAAS LAAS主要用在机场周围 WAAS它可以解决海洋及边远荒漠地区的导航性能 A C模式二次监视雷达 S模式二次监视雷达 自动相关监视 ADS A C 广播式自动相关监视 ADS B 监视系统 在民航中逐步淘汰 主要用于防空 主用系统 带有数据链功能 视距监视 未来的主用系统依靠卫星导航和数据通信 空中交通管理系统 空域管理 ASM 空中交通服务 ATS 流量管理 ATFM 飞行情报服务 FIS 空中交通管制 ATC 航空气象服务 AWS 告警服务 AL 空中交通管理系统 空域管理 ASM 在既定的空域条件下 实现对空域资源的充分利用 它以时分共享空域的方式 按短期需求划分空域以便满足不同类型用户的需要 空中交通管理系统 空中交通服务 ATS 主要目的是防止航空器之间 航空器与障碍物之间发生碰撞 加速和维持有秩序的空中交通活动 空中交通管理系统 流量管理 ATFM 当某区域空中交通流量超出或即将超出该区域空中交通管制系统的可用能力时 预先采取适当措施 保证空中交通流量最佳地流入或通过相应的区域 空中交通流量管理有助于实现空中交通管制的目的 能够达到对机场和空域容量的最大利用效率 空中交通管理系统 空中交通管理系统 空中交通管理的目的是考虑空中及地面系统的运行能力以及经济上的需要 为用户提供空域利用上的最大效能 考虑飞机装备的等级和运行目的的不同 灵活地组织不同用户之间分享空域 保证空中交通管理系统的总效率 空中交通管制向用户提供从起飞到着陆的连续协调 有效服务和管制 确保安全 保持国际上的协调一致 保证飞越国境时能顺利运行 思考题简述空中交通管制的概念 简述空中交通管制的分类 并列举各分类的主要功能 新航行系统中 CNS ATM 中 C代表什么意思 与传统系统相比 它有那些特点 新航行系统中 导航系统主要涉及哪几个方面 每个方面都有哪些突出特点 与现行的空管系统相比 新航行系统在技术 安全和经济方面有哪些特点 通过对第一章的学习 谈谈你对空中交通管理的认识 第二章国外空管发展现状 2 1典型国家的空管体制国际民用航空组织 简称ICAO 是根据1944年 国际民用航空公约 简称 芝加哥公约 建立的国际组织 是联合国系统中负责处理国际民航事务的专门机构 是世界民用航空界唯一的官方权威机构 总部设在加拿大蒙特利尔 现有186个缔约国 中国是国际民航组织创始国之一 国际民航组织的最高权力机构为大会 每三年召开一次 所有缔约国均可派代表参加 每国拥有一票表决权 大会由理事会负责召集 国际民用航空组织的宗旨和目的在于发展国际航行的原则和技术 并促进国际航空运输的规划和发展 美国空管体制改革大体分为两个阶段 1 1958年以前 全国分为民航和军航两个系统 分别管制 并设立了空协调委员会 负责协调军民航空中交通管制方面的关系 2 1958年以后 设立了联邦航空局 FAA 国会指令该局经营和维持空中交通管理系统 制定各种规章制度和法律 并管理国家空域 美国 FAA空管的具体形式 FAA设有空管系统指挥中心1个 航路管制中心21个 终端进近管制中心242个 塔台管制中心463个 飞行服务站175个 FAA空管的具体形式 FAA负责管理国家空域 但无所有权 作为国家空域资源管理者 必须与国防部 DOD 密切联系与合作 时刻保持良好的协调关系 FAA要保持适当的应变能力 在战时由国防部接管 成为国防部的一个职能部门 利用现有的空管手段 全力支持国防部和指定的军事部门 FAA空管的具体形式 美国空管系统和防空系统的关系 两个独立的系统 但关系密切 联邦航空局航管中心必须按规定的程序将所有国际飞行计划 传送给北美防空司令部 防空部门设有防空识别区 对没有飞行计划且无法识别的飞机 立即派飞机拦截查明情况 另外 美国总统规定 FAA要保持适当的应变能力 在战时由国防部接管 成为国防部的一个职能部门 利用现有的空管手段 全力支持国防部和指定的军事部门 美国 空域等级的划分 澳大利亚 1995年 设立了由国家运输与通信部长直接负责四个实体 即 澳大利亚航空服务 民航安全局 CASA 交通与地区服务部和航空安全调查局 ATSB 他们主要的职责是 澳大利亚航空服务 负责空域管理 航空情报 通信 无线电导航服务 机场救援和消防服务 CASA 负责航空安全标准制定 飞行员和航空工程师的执照颁发以及飞机与运营者的认证 交通与地区服务部 负责为政府在航空政策 调整国家航路及航空安全方面提供建议 航空安全调查局 负责独立调查飞机事故和严重的空难事件 澳大利亚 空域管理 澳大利亚航空服务 负责为大约56 000 000平方公里即地球表面11 的空域提供管制服务 澳大利亚飞行情报区分为北部和南部两个区 分别受布里斯班和墨尔本两个航路管制中心管辖 在整个澳大利亚 澳大利亚航空服务 有23个塔台和16个航空救援与消防单位 目前全国共设2 6 个飞行情报区 2 5 个航路中心 4 3 个终端管制中心和29 31 个塔台 澳大利亚 空域等级划分与国际民航组织的相关标准一致 澳大利亚的空域也分为管制空域和非管制空域两大类 对管制空域等级的划分 参照ICAO的 空域等级 划分标准 分为A C D E G五级 澳大利亚 欧洲 中小国家林立 飞机半个小时内就可飞越几个国家 如果各国的空管法规千差万别 通信 导航 监视及空中交通管理设施设备五花八门且互不相容 国际航空就不可能得到安全 快速的发展 因此欧洲民航会议 ECAC 着意在欧洲建立 欧洲单一填空 即以空中交通管理为目的的空域应该是连续的 不受国家边界限制的 这是欧洲安全航行组织 EUROCONTROL 的任务 也是ICAO所希望的 欧洲 90年代初 欧洲空中航行安全组织 Eurocontrol 提出的欧洲ATC协调和综合计划 EATCHIP 随后欧洲民航会议 ECAC 又制订了未来欧洲空管系统的EATMS 其目标是把ECAC成员国的空域和ATM系统综合起来 成为一个更为有效的ATM系统 SESAR SingleEuropeanSkyImplementationProgramme 项目是为 单一欧洲天空 方案而做的技术和运行准备 SESAR以星基为基础 实现一体化的通信 导航 监视 通过建立通用数据交换网络网络 Galileo导航卫星系统 雷达联网和广播式自动相关监视系统 实现对欧洲高空空域的统一协调指挥 以最大程度地提高空域安全 容量和效率 思考题简述美国 澳大利亚国家空管的发展历程 并对两国的发展历程进行比较 简述欧洲ATM系统的形成原因 为使空中交通环境向有利方向发展 欧洲ATM系统做了那些改进 第三章空管通信系统 课程流程 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 内容安排 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 3 1空管通信的特点 空管通信是新航行系统中的一个必要条件广泛应用的卫星通信 数据通信以及ATN等使系统的地地 空地和空空通信有机地融为一体主要包含以下两个特点 数字化 数据链全球化 ATN 3 1空管通信的特点 数据链是空管通信数字化特点的体现 是通信系统的核心 是数据通信的应用实现人 人 机 机和人 机间的数据传递类型包括高频数据链 甚高频数据链 S模式二次雷达数据链和AMSS 基本作用概括为 保证 共享 实时监视与克服 3 1空管通信的特点 空管通信全球化的特点体现为ATNATN是全球范围内用于航空的数字通信网络和协议 将航空运输界的机载计算机系统与地面计算机系统连接起来 能支持多国和多组织的运行环境 3 1空管通信的特点 ATN按照ISO的OSI7层模型构造 协议基于开放式系统互连结构 面向比特 主要由3个子网构成 包括 机载电子设备通信子网 数据链管理系统 空地通信子网地面通信子网 分组交换网 局域网 路由器 内容安排 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 3 2空管通信的体制及技术 3 2 1空管通信的体制3 2 2空管数据链通信技术 3 2 1空管通信的体制 航空通信系统的划分从业务上 航空固定业务 平面业务 航空移动业务 空地通信 航空固定业务 AFS 指在固定地点之间的电信业务 该业务由航空固定电信网 AFTN 来完成 并逐步向ATN过渡 3 2 1空管通信的体制 航空移动业务 空地通信 指航空器电台与航空地面对空电台之间或航空器电台之间的无线电通信业务主要包括 甚高频通信 高频通信和航空移动卫星业务 3 2 1空管通信的体制 航空通信系统从传输信息对象划分 话音通信和数据通信简单介绍各种话音通信甚高频话音通信 频率范围是118 136 975MHz 频率间隔25KHz 沿直线视距传播 采用双边带调幅 DSB AM 工作方式 3 2 1空管通信的体制 高频话音通信 频率范围是2 8 22MHz 频率间隔100Hz 靠电离层反射 可以覆盖几千公里 但通话质量较差卫星话音通信 以卫星数据通信为基础 通话质量好 但费用较高总结 随着飞机数目的激增 人员语言表达等问题阻碍了话音通信的使用 催生出新的面向民用的航空数据链 3 2 1空管通信的体制 航空数据链系统一般由传感器系统 通信子系统 链路控制子系统和信息处理显示子系统等构成 成为发展的主导克服了航空话音通信系统传输速度慢 占用信道时间长 可靠性差等缺点 并且具有抗干扰能力强 误码率低的特点航空数据链按应用对象不同分为军用航空数据链和民用航空数据链 3 2 1空管通信的体制 按使用频段不同分为 高频数据链 甚高频数据链 超高频 UHF 数据链 L频段数据链和卫星数据链 航空数据链按信息传输对象的位置分为 空空数据链 又称机间数据链 空地数据链地和地数据链 3 2 1空管通信的体制 空空数据链系统 实现飞机间的数据通讯 为实现自由飞行奠定基础空地数据链系统 将飞机位置 飞行状态等各种信息传送给地面设备和人员 实现驾驶员与管制员之间的双向信息交换地地数据链系统 实现管制中心之间 以及管制中心与其他地面仪器及部门之间的信息交换 3 2 1空管通信的体制 航空数据链应用于民用航空 根据业务类型可以分为四类 1 空中交通服务 2 航空管理通信 3 航空行政管理通信 AAC 4 航空旅客通信 APC 在这四类数据通信中 空中交通服务和航空管理通信与飞行安全和效率有关 具有高优先级 3 2 1空管通信的体制 利用航空数据链技术产生了一种新的监视手段 自动相关监视 ADS 自动相关监视 ADS 的定义 自动相关监视是用于空中交通服务 ATS 的一种技术 即飞机通过数据链自动提供机载导航和定位系统导出的各种数据 释义 Automatic 自动 无需机组人员人工发送信息 Dependent 相关 地面依据飞机的报告得知飞机的位置 信息来自飞机本身而不是地面站 Surveillance 监视 飞机的位置得到监视 ATN ATS网及各种地面专用网络 IMMRSSAT GNSS 显示 数据链 Ground 信源 ADS技术原理简介 3 2空管通信的体制及技术 3 2 1空管通信的体制3 2 2空管数据链通信技术 3 2 2空管数据链通信技术 已使用和即将使用的数据链技术包括 1 S模式二次雷达数据链它是下一代地基雷达监视系统 与A C模式数据链交互通信 同时提供独立的监视能力 并且完全与ATN兼容使用选择询问的技术 排除了A C模式现存的问题 并与之完全兼容支持现在使用1030MHz 1090MHz的飞机通信选址报告系统 ACARS 3 2 2空管数据链通信技术 2 VDL模式1低速的 面向比特的数据传输系统在甚高频频段 调制方式为AM MSK使用载波侦听多路访问 CSMA 的媒质访问方式物理层与现有ACARS系统一致 速率为2400bit s采用地面网管集中处理的方式 3 2 2空管数据链通信技术 3 VDL模式2类似VDL模式1 使用差分8相相移键控 D8PSK 调制速率31 5Kbit s 在欧 美广泛应用 4 VDL模式3是目前ICAO建议未来的系统 调制方式为D8PSK 速率为31 5Kbit s 使用TDMA方式 每120ms为一帧 每帧4个30ms的时隙 每个时隙形成独立的双向地空链路 上 下行链路使用同一频率 可以传输模拟话音 也可传输数据 3 2 2空管数据链通信技术 5 VDL模式4VDL模式4是瑞典推出的一种甚高频数据链 它以标准的25KHz带宽进行数据通信 媒质访问方式是S TDMA 基于OSI参考模型 支持19 2Kbit sGFSK调制速率和31 5Kbit sD8PSK调制速率 信道被划分为固定时间长度的时隙 与VDL模式3不同的是它不需要地面处理和管理设施 但目前不支持话音通信 只支持各种地空 空空数据链通信应用 3 2 2空管数据链通信技术 6 高频数据链支持飞机使用短波完成数据通信 面向比特 符合OSI模型 7 AMSS支持地空数据链通信的实施 以三种主要方式运行 静止轨道卫星 GEOS 中轨道卫星 MEOS 低轨道卫星 LEOS 航空移动卫星 航路 业务 AMS R S 是AMSS中的特殊部分 提供独立的ATC服务 移动地球站安装在飞机上 3 2 2空管数据链通信技术 8 MLS是满足所有各型飞机 各类精密进近着陆引导 所有运行需求的系统 使用差分相移键控 DPSK 调制 反复发送 周期冗余检查和低比特误码率来确保其完整性和性能 该链路支持导航地基增强系统 GBAS MLS运行在5030 5091MHz 以300kHz的频道间隔提供200个通道 MLS提供对空数据广播能力来支持执行精密进近所必要的数据 包括基本的MLS数据 MLS区域导航数据和地面风数据 3 2 2空管数据链通信技术 9 导航数据链第一代GNSS基于GPS和GLONASS导航卫星星座 一般通过其增强系统来改善精度 完整性 连续性和可用性 包括星基增强系统 SBAS 和地基增强系统 GBAS SBAS服务的覆盖面与同步卫星的相同GBAS使用的频段可从C波段或者甚高频波段选择 在甚高频波段上其调制方式为D8PSK或者GFSK D8PSK工作在108 117 975MHz 选用ILS和全向信标台 VOR 使用的导航频段的信道间隔 GFSK将使用相同频段 TDMA调制方式 不具备运行在25kHz频道间隔的能力 3 2 2空管数据链通信技术 10 ACARSACARS是基于甚高频的数据通信系统 通过发送一套预先编码的电报交换各种信息面向字符 不满足ISO的OSI RM7层体系结构 采用MSK调制的模拟电台 信息传输率最高只能达到2 4Kbit s采用的ARINC618协议和ARINC620协议是典型的文本电报字符格式 3 2 2空管数据链通信技术 CNS ATM数据链一览表 CNS ATM数据链一览表 内容安排 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 3 3空管数据链通信系统 本节主要介绍数据链通信系统包括甚高频数据链 卫星数据链 高频数据链和S模式二次雷达数据链3 3 1甚高频数据链系统3 3 2卫星数据链系统3 3 3高频数据链系统3 3 4S模式二次雷达数据链系统 3 3 1甚高频数据链系统 由于甚高频数据链系统传输延时小 机载设备和地面设备简单 经济等优点得到广泛使用再过内建立约80个远端地面站 RGS 和网络管理与数据处理系统 具备提供除西部部分航路之外干线航路的地空甚高频覆盖能力 3 3 1甚高频数据链系统 甚高频数据链系统主要有以下特点 1 甚高频电波传播特性是直线传播 电离层不能反射 故而是在视线范围内传播 覆盖范围一般只限于以地面为中心的一定半径范围内 2 对于地面站和机载设备频率范围 甚高频信道均匀分布于118MHz至136 975MHz之间 信道间隔为25kHz 共760个信道 3 公共信令信道 CSC 设定为136 975MHz 4 提供独立代码和独立字节的数据传输 5 提供链路层广播服务 3 3 1甚高频数据链系统 甚高频地空数据链网络组成示意图 3 3 1甚高频数据链系统 典型应用如下 1 ADS系统 2 CPDLC 3 飞机放行许可 PDC 4 海洋放行许可 OC 5 数字自动终端信息服务应用 D ATIS 6 ADS B 7 CNS ATM航路 3 3 1甚高频数据链系统 3 3 1 1甚高频数据链的发展 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 ICAO对甚高频数据链系统的网络体系结构进行了标准化 按照OSI参考模型的7层体系结构 定义了甚高频数字链设计标准 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 VDL7层体系结构的定义和功能 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 7层体系结构分析 最低3层 物理层 数据链路层 网络层 实现通信子网的功能 最高3层 会话层 表示层 应用层 实现用户的应用要求 传输层则在最低3层通信子网的基础上为最高3层协议提供源端系统到目的端系统之间可靠的数据通信 是低层子网通信和高层用户应用之间的隔离层 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 数据链的分层结构比较 3 3 1 3ACARS系统 70年代末期 美国ARINC公司研制典型甚高频空地的数据链ACARSACARS系统主要由机载设备 地面设备和网络控制中心 中央交换系统 组成 ACARS的频率间隔为25KHz 数据传输速率为2 4Kbit s 采用单信道半双工的工作方式 甚高频通信是视距通信 覆盖范围与飞行高度有关 3 3 1 3ACARS系统 ACARS系统组成框图 3 3 1 3ACARS系统ACARS系统组成分析 机载设备 增加了一个ACARS通信管理单元CMU 一方面与标准机载收发信机相连 另一方面与其他机载数据终端设备相连 完成数据处理等功能地面设备 在地面布置甚高频RGS网络 增加了一个数据控制与接口单元 DCIU 中央交换系统 实现多个飞机和多个RGS机站的多用户通信 实现航空公司和ATS用户间的资源的共享 实现空地终端间的自动数据通信 3 3 1 3ACARS系统 为了消除由于信道过分拥挤造成延迟 ARINC采用了广播调频或多基频技术 提高了ACARS在重要机场的可靠性 新的ACARS系统采用甚高频数字链路技术 即VDL模式2 它采用面向比特协议调制方式为D8PSK 速率可达31 5Kbit s下面继续介绍VDL模式2 3 3 1 4VDL模式2概述 VDL模式2是ATN地空移动通信的主要方式 以面向比特的方式传输 传输速率达到31 5kbit 采用ISO8208面向连接的方式与机载子网 地面子网一起构成了地空统一网络VDL模式2作为ATN的一种移动子网 承载着地空移动通信中的网络层数据包 规定了地空移动通信的物理层 链路层和子网层协议 链路层协议由MAC子层 DLS和链路管理子层组成 其中采用的是HDLC协议的子集AVLC 基本结构如下图 3 3 1 4VDL模式2概述 VDL模式2协议结构 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 物理层为数据链路层的比特数据传送建立 维持和取消连接 数据链路层的用户数据通过服务原语传递到物理层 物理层通过甚高频信道将数据送到通信另一端的物理层 物理层再通过服务原语将数据传送到数据链路层 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 1 物理层的功能 收发频率控制 物理层的频率选择根据链路层的请求而定 通告功能 通过信号质量指示参数来通告信号质量 数据发射功能 指物理层将从链路层收到的数据经过适当地编码通过射频 RF 信道发送 数据接收功能 指将接收到的数据解码 使高层应用能够准确读出 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 2 VDL模式2的发送特点 调制方案 采用D8PSK调制 用 0 6升余玄滤波器 将要发送的信息每三个比特组成一个符号作为相位的变化 编码 一个进入差分数据编码器的二进制数据流被转换为三个独立的二进制数据流X Y Z 调制速率 调制速率为10500符号 秒 所以比特率10500 3 31 5Kbit s 编码相位 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 训练序列 a 发射机功率稳定和接收机设置 即000000000000 b 同步和模糊分辨 c 保留符号 000 d 发射数据长度 e FEC帧头 FEC FEC编码采用系统定长RS编码 249字节一帧的数据 可以纠正3个字节的错误 原始多项式为生成多项式为 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 交织 Interleaving 每一帧数据位包含249个字节 共2498 1992bit3 侦听算法 CSMA 在发送数据或语音包之前运行CSMA时 VDL模式2接收机可以通过能量检测算法来检测信道是否空闲信道从忙到空闲的检测及信道从空闲到忙的检测的方法见书 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 4 物理层与链路层的接口 物理层与链路层的接口由数据原语 频率改变原语 信道侦听原语 信号质量原语 对等地址原语 信道占用原语组成5 物理层与物理设备接口 物理层与物理设备接口由发射原语 接收原语组成注 以上原语见网络总结图 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 链路层负责将信息从一个网络实体传送到另一个网络实体 传送错误通告 以及提供如下服务 帧的组合与拆分 建立帧同步 抛弃非标准帧 帧差错的检测与控制 RF信道的选择 地址识别 产生帧校验序列 链路层通过RF信道提供基本的比特传输 链路层的数据在地空收发设备中作为比特流进行传输 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 1 MAC子层 MAC子层对共享信道提供对DLS子层透明的获取功能 MAC子层的服务主要包括两个部分 利用P坚持CSMA算法进行多路接入 以及信道拥塞通告服务 具体包括 多址方式 利用CSMA算法让所有的地面站有平等的机会发送数据 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 信道拥塞检测 当检测出通道拥塞时 MAC子层将向甚高频管理实体 VME 子层通告 在试图接入通道之前 MAC子层必须保证信道是空闲的 实现过程 发射端在试图进行传输之前首先侦听信道 等待信道的空闲 当确定信道空闲的时候 试图以概率p进行传输 而以概率1 p后退等待 在一个最大访问次数M1之后 MAC子层将在信道空闲之后立刻传输包 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 如果经过计时器TM2时间帧仍未被传送 则MAC子层将检测出拥塞 并通告VME子层 P坚持CSMA算法允许在达到系统吞吐量最佳 传输延迟最小和冲突最少的时候 所有的基站都有机会进行传输 具体时间如下 MAC子层参数 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 2 DLS DLS利用AVLC协议支持面向比特的地空通信服务 包括 帧顺序 接收端的DLS子层保证重复的帧被丢弃 且所有的帧都出现且只出现一次 差错检测 DLS子层保证检测并丢弃所有在传输中出现差错的帧 站识别 DLS子层通过点到点的连接接收且只接收发向它自己的帧 广播地址 广播地址可被所有接收者识别和接收 数据传送 数据将在VDL信息帧 INFO 用户接口帧 UI 标识交换帧 XID 的信息域中被传送 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 VDL模式2帧结构 模式2帧结构按照ISO3309帧结构 如图 VDL模式2帧结构 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 VDL模式2帧结构分析 地址结构 地址域包括8个字节 每个字节的最小有效比特 LSB 为扩展保留位 地址域 地址域包含目的地址域和源地址域 目的地址域包含目的DLS地址或广播地址 源地址域包含一个DLS地址 广播地址 广播地址仅做为目的地址用于UI帧和XID帧中 用来广播地面站信息 链路控制域 该字节的编码参照ISO4335 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 DLS层与上一层的接口原语 注 以上原语见网络总结图 3 LME DLE存在于数据链路子层中 提供面向连接的点到点的链路 LME用于建立和管理DLE之间的连接一个VDL模式2地面系统包括甚高频地面站 提供与ATN连接的地面网络和一个VME 来管理与地面站建立连接的VDL模式2飞机 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 LME提供的服务有 提供连接和改变连接通告提供连接 每一个地面VME为每一架飞机产生一个LME 同样 每一个机载VME将为每个地面系统产生一个LME改变连接通告 VME将通知中间系统系统管理实体 SME 链路连接的变化 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 LME的工作过程 频率管理过程 频率搜捕过程 链路连接过程 机载和地面LME将用如下过程来维护甚高频数据链 LME与上一层的接口 提供一系列原语 具体见网络总结 如下图 107 子网层 媒体访问控制层 物理层 队列管理子层 逻辑链路控制子层 数字链路服务子层3 链路管理实体3 数字链路服务子层2 数字链路服务子层1 链路管理实体2 链路管理实体1 RF IDLE indicationRF BUSY indicationRF OCC indication RF PDU transmitRF PDU receive PH IDLE indicationPH BUSY indication PH DATA request MA CTS indicationMA RTS request MA EVENT TM2 indication PH FREQ requestPH ADD request PH DATA indicationPH OCC indication PH SQP ind DL RST DM requestDL XID request DL XID indicationDL RST N2 indicationDL RST TM2 indicationDL RST DM indication DL DISC indicationDL RST N2 indicationDL RST TM2 indicationDL RST FRMR indication TX EVENT TM2 indicationTX QUEUE request TX EVENT TM2 indicationTX QUEUE request DL DATA indication DL DATA request 数据链路层 108 飞机链路层 甚高频管理实体 链路管理实体1 逻辑链路子层 数据链路实体1 地面站链路层 逻辑链路子层 广播XID帧 DL XID ind XID req 甚高频管理实体 DL XID ind XID req 建立DLE实体 DL UNBLOCK req 链路管理实体1 数据链路实体1 广播XID帧 建立DLE实体 broadcast LINK 飞机链路层 甚高频管理实体 链路管理实体1 数据链路实体1 逻辑链路子层 数据链路实体2 broadcast LINK 链路管理实体2 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 VDL模式2子网层协议的功能包括 对重复 丢失 无效分组的处理 以及对分组包的路由和转发功能 子网协议被称为子网接入协议 SNACP 其中网协议数据单元 SNPDU 是指当收到链路层帧时 其净荷部分包括三个部分 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 1 子网层服务 按照ISO8208标准 提供的服务包括如下四个方面 子网连接管理 使用相应的分组类型 过程和设施来建立 结束和管理子网连接 关键 连接的双方端点尽可能多地保留连接状态信息 分组的拆分和重组 允许子网用户对大的数据单元进行拆分传送 接收将数据端重组 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 错误恢复 VDL模式2中 采用拒绝帧分组进行通信子网级的错误恢复 这些分组将使发送端子网实体重传错误的数据包 连接流量控制 连接流量控制采用分组序列号和滑动窗口实现 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 2 VDL模式2分组格式 分组序号采用模8格式 格式遵照ISO8208的规定 选用快速选择设施3 VDL模式2所支持的设施 设施包括 分组重传 非标准省略包大小 非标准省略窗口大小 流量控制参数协商 快速选择 被叫线地址更改通告 被叫地址扩展 3 3 1 4VDL模式2OPENET仿真实例 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 1 目的 系统可靠性验证 确保系统的正确运行 分析系统固有参数对系统性能的影响情况2 网络拓扑 飞机节点都包含自己的应用设置 互相独立和向地面进行数据通讯 如 飞机与地面站发送和接收消息消息理想情况下 飞机数量最多设置为140架 仿真时间周期设置为24小时 仿真结果如下 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 网络拓扑 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 3 节点模型 节点代表了实际的通信实体 如固定节点地面站和移动节点飞机 每个节点运行一定的网络协议以便能够进行通信按照ISO的标准层次设计和OPNET的建模需要各层简化为应用层 子网层 链路层 物理层 应用层作用产生包并最终接收包 链路层又包括DLS子层 MAC子层 物理层主要采用了信道设计 收发信机设计的方法VDL模式2模型的层次结构如下图 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 移动节点模型图 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 移动节点模型图 移动节点模型层次图 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 4 仿真结果 第一组 吞吐量随飞机数量与数据更新率的变化曲线 平均延迟随飞机数量与数据更新率的变化曲线 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 第二组 分析报文长度与飞机数量对系统吞吐量的影响 吞吐量随飞机数量与报文长度的变化曲线 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 第二组 验证并寻找系统实际负载的临界点并得到系统的最佳工作范围 吞吐量随实际负载的变化曲线 信道效率随实际负载的变化曲线 3 3 1 4VDL模式2仿真结果总结 对VDL模式2进行OPENET仿真 结论如下 1 系统吞吐量随飞机数量的变化呈抛物线形状 2 飞机数目对系统延迟影响明显 随着飞机数目的增加 延迟显著增加 3 报文长度对系统吞吐量有明显的影响 与报文更新速率相同4 信道未饱和时 系统吞吐量随系统实际负载的增加而增加 而当信道饱和后 系统吞吐量减小 5 系统在实际负载为0 4 0 7范围内时工作效果最佳 此时信道效率达到0 4左右 3 3 1 5VDL模式4概述 VDL模式4数据链采用标准的甚高频带宽 25kHz 信道传输数字信息 其主要的特点在于信道预约访问协议 信道被划分为若干时隙 可以为飞机 地面站和其它地面通信设备的收发信机所使用 具体见后图信道预约协议降低了信道占用冲突的概率这一信道时隙使用和管理的方式称为自组织时分多址协议 3 3 1 5VDL模式4概述 VDL模式4数据链运行情况 VDL模式4数据为将来的CNS ATM技术提供系统解决方案 3 3 1 5VDL模式4物理平台 每一个VDL模式4的用户都装备有异频收发信机 用来确定位置和时间 管理数据链上的传输并接收发送数据下面介绍收发信机中各个部分的功能及工作频段 VDL模式4收发信机 3 3 1 5VDL模式4物理平台 GNSS接收机 为用户提供精确的导航信息及时间信息 时间信号是由GNSS收发信机中获得VHF收发信机 既用来发送自己的位置信息和其他的用户的有关信息 又用来接收其他用户发送的数据通信处理机 是一台用来调整使用通信信道的计算机 和VHF收发信机 GNSS接收机相连工作频谱 VDL模式4工作在108 136 975MHz的甚高频航空数据链上 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 VDL模式4可以用来构成不同功能级别的运作模式 即受控模式和自治模式受控运作模式下 地面站按指令型预约协议为空中用户分配使用时隙自治运作模式下的VDL模式4数据链系统又可分为三种通信结构 没有地面系统的自治通信结构单蜂窝通信结构多蜂窝通信结构 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 自治通信结构用自组织协议可以实现任何具有蜂窝重叠区用户间的空 空通信 应用于低密集区 海域和两极地带 提供ADS B和空 空通信支持提供CDTI ACAS 以及搜索和救援的协调 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 单蜂窝通信结构VDL模式4数据链地面站提供空 地通信服务和地面监视服务 授权的地面站可以按指令型预约协议来控制信道时隙的使用地面站间无蜂窝重叠区单蜂窝通信结构的功能受地面站覆盖范围的影响 越出单蜂窝区时 其功能和运作方式与自治通信结构一样 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 单蜂窝通信结构下 空 地通信过程可分为三个阶段 空中用户进入地面站蜂窝覆盖区 地面站蜂窝覆盖区内的飞行阶段 用户飞离地面站蜂窝覆盖区 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 多蜂窝通信结构与单蜂窝通信结构的区别在于地面站间存在重叠覆盖区数据链同过地面站与专用的ADS B地面数据网络的联接实现ADS B的相关服务具有地面站突发的二次导航功能为GNSS功能的备份 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 多蜂窝通信结构中空中用户跨蜂窝飞行基本原则 工作于受控通信模式空中用户进入重叠区后 继续用指令型预约协议工作于自治通信模式的可按新用户登录过程实现网络登录 进入蜂窝重叠区的空中用户与新地面站覆盖范围内的其他用户间不争用信道时隙情况的处理 继续使用原信道时隙与原地面站保持通信 并在空闲的时隙中向新地面站发送预约请求 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 发生争用信道时隙情况的处理 自动选择空闲时隙给新地面站发送报文进入重叠区新信道不与原信道时隙冲突放弃原地面站的时隙 新地面站未为该空中用户分配 原地面站分配了新时隙 使用该新时隙一直与原地面站保持通信 并与新地面站建立通信 实现越区切换 3 3 1 5VDL模式4系统运行 数据传输网络接入 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 1 单时隙数据传输 分为A B C D四个阶段 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 数据传输阶段 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 单时隙传输阶段图中可以看到 除去上述四个阶段外 还保留一个传输保护时间间隔 传输保护间隔时间的使用 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 2 多时隙数据传输 多时隙传输就是一次传输跨越多个时隙 同单时隙传输 3 3 1 5VDL模式4系统运行 二 网络接入 以下情况下会应用网络接入协议 站点开始运行 转到另一个新的信道上发送 在一个信道上很长时间没有监听 发现突然出现许多未知站点站点接入网络有两种方式 复合式广播预约和请求 回复预约或BNG 3 3 1 5VDL模式4系统运行 二 网络接入 1 复合式广播接入 站点必须先监听信道至少一分钟 用来建立时隙预约 然后利用时隙选择过程选择发送时隙 等到发送时隙时发送报文 2 请求 回复和BNG接入 需要快速接入网络 这时有三种方式可以使用 分别是BNG预约 半时隙传输和请求 回复传输 当一个站点监听了信道一段时间 但是还没有建立一个完整的时隙预约表时 可以使用BNG预约快速接入网络 3 3 1 5VDL模式4系统运行 当站点需要预约一些时隙用于传输但又不清楚时隙占用情况时 可以使用请求 回复传输 如果站点只进行简短的发送 可以使用半时隙传输 3 3 1 6S TDMA数据链协议 S TDMA协议采用典型的TDMA传输体制 将时间轴等分成若干信息帧 每帧又分成若干时隙供飞机等用户使用 各用户周期地发送时隙预约信息报文构造时隙状态表通过时隙争用 预约 占用等过程用时隙的预约技术来实现系统的自组织组网 3 3 1 6S TDMA数据链协议分层结构 S TDMA数据链采用OSI模型设计系统体系结构 将通信子网系统分为两层 从上到下各层依次为 数据链路层和物理层 数据链路层分为四个子层 MAC子层 VSS子层 DLS子层 LME子层MAC子层负责时隙划分 实现TDMA信道接入 VSS子层提供多种协议 使得用户可以自组织地在TDMA信道上进行发送 DLS子层负责提供面向链接和面向无链接的服务LME子层负责链接的建立 管理 维护及终止 3 3 1 6S TDMA数据链协议MAC子层 MAC子层透明地查询共享的通信路径以提供上述通信服务 主要功能 TDMA信道访问 信道在时间上被划分为连续的超帧 典型的超帧结构 3 3 1 6S TDMA数据链协议MAC子层 信道中的时隙同步 站点必须与UTC时间保持同步 精度要求在 400ns误差范围内 并将此时间作为首选的时间基准 而且每秒进行一次时隙同步 时隙占用情况A 未占用时隙的检测