現(xiàn)代空中交通管理 第一章概論 隨著商業(yè)飛行的開始 航空運輸涉及的范圍越來越多為了安全和效率起見 要求飛行活動能按照一定的規(guī)則來組織進行 這就是空中交通管理 1 1空中交通管理的發(fā)展 第一階段是在20世紀30年代以前第二階段是在1934 1945年期間第三階段出現(xiàn)在1945年至20世紀80年代第四階段從20世紀80年代后期開始 1 1空中交通管理的發(fā)展 一 第一階段是在20世紀30年代以前 小飛機目視飛行 紅旗和綠旗 信號燈 1 1空中交通管理的發(fā)展 6 DC 321座 波音24710座 無線電通信和導航 儀表飛行規(guī)則程序管制 航路網和管制中心 1 1空中交通管理的發(fā)展 二 第二階段是在1934 1945年期間 B 52 波音367 80 波音707的原型 雷達管制 1 1空中交通管理的發(fā)展 三 第三階段在1945年至20世紀80年代 先進航電系統(tǒng)衛(wèi)星導航應用 空地協(xié)同空管系統(tǒng) 1 1空中交通管理的發(fā)展 四 第四階段從20世紀80年代后期開始 1 2空中交通管制系統(tǒng)的分類 按照管制范圍的不同 區(qū)域管制 進近管制 機場管制 飛行在航路上的航空器由區(qū)域管制中心負責提供空中交通管制服務 主要是飛行高度6000米以上的在大范圍內運行的航空器 任務是根據(jù)飛行計劃 批準飛機在其管制區(qū)內的飛行 保證飛行的間隔 然后把飛機移交到相鄰空域 或把到達目的地的飛機移交給進近管制 依靠空地通信 地面通信和遠程雷達設備來確定飛機的位置 按照規(guī)定的程序調度飛機 保持飛行的間隔和順序 1 2空中交通管制系統(tǒng)的分類 按照管制范圍的不同 區(qū)域管制 進近管制 機場管制 主要負責飛機的離場進入航線和進近著陸 進近管制是塔臺管制和航路管制的中間環(huán)節(jié) 進近管制要向航空器提供進近管制服務 飛行情報服務和防撞告警 依靠無線電通信和雷達設備來監(jiān)控飛機的 下接機場管制區(qū) 上接航路管制區(qū) 部分重疊的 一般范圍大約在機場90公里半徑之內 高度5000米以下 1 2空中交通管制系統(tǒng)的分類 按照管制范圍的不同 區(qū)域管制 進近管制 機場管制 由機場管制塔臺提供 主要靠目視來管理飛機在機場上空和地面的運動 機場地面監(jiān)視雷達 范圍 航空器在機場管制區(qū)的空中飛行 航空器的起飛和降落 航空器在機坪上的運動 防止飛機在運動中與地面車輛和地面障礙物的碰撞 較大的機場塔臺把任務分為兩部分 分別由機場地面交通管制員和空中交通管制員負責 按照管制手段的不同 程序管制 雷達管制 1 2空中交通管制系統(tǒng)的分類 主要的設備環(huán)境是地空通話設備 管制員在工作時 通過飛行員的位置報告分析 了解飛機間的位置關系 推斷空中交通狀況及變化趨勢 同時向飛機發(fā)布放行許可 指揮飛機飛行 飛行計劃內容包括飛行航路 航線 使用的導航臺 預計飛越各點的時間 攜帶油量和備降機場等 按照管制手段的不同 程序管制 雷達管制 1 2空中交通管制系統(tǒng)的分類 雷達管制員根據(jù)雷達顯示 可以了解本管制空域雷達波覆蓋范圍內所有航空器的精確位置 因此能夠大大減小航空器之間的間隔 使管制工作變得主動 管制人員由被動指揮轉變?yōu)橹鲃又笓] 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達種類為一次監(jiān)視雷達和二次監(jiān)視雷達 1 3新航行系統(tǒng)概述 新航行系統(tǒng) 由通信 C 導航 N 監(jiān)視 S 和空中交通管理 ATM 四部分組成 其中通信 導航和監(jiān)視系統(tǒng)是基礎設施 空中交通管理是管理體制 配套設施及其引用軟件的組合 新航行系統(tǒng)主要新在 星基 上 即系統(tǒng)是以空中衛(wèi)星為基本特征的 導航是系統(tǒng)的核心 通信是系統(tǒng)的必要條件 監(jiān)視可以說是系統(tǒng)安全保障的手段 三者缺一不可 1 3新航行系統(tǒng)概述 新航行系統(tǒng)主要是 衛(wèi)星技術 數(shù)據(jù)鏈技術 計算機網絡技術 的應用 系統(tǒng)在采用新技術方面有如下特點 一是利用衛(wèi)星技術 從陸基通信 導航 監(jiān)視系統(tǒng)逐步向星基通信 導航 監(jiān)視系統(tǒng)過渡 逐步以星基系統(tǒng)為主 二是數(shù)據(jù)鏈技術的開發(fā)利用 實現(xiàn)空 地 地 地可靠的數(shù)據(jù)交換 并進一步實現(xiàn)空 空數(shù)據(jù)交換 三是系統(tǒng)的數(shù)字化 計算機處理及聯(lián)網 1 3新航行系統(tǒng)概述 同現(xiàn)行系統(tǒng)相比 主要具有以下三個特點 1 具有充分的覆蓋性 不受山區(qū) 沙漠和海洋的限制 能隨時準確掌握空情 從而大大提高飛行安全和空域利用率 飛機可以靈活選擇最佳的航線飛行 節(jié)約飛行時間和油料消耗 2 能夠充分利用信息資源 實現(xiàn)一定程度上的集中管理 發(fā)揮流量管理中心和管制中心計算機的自動數(shù)據(jù)處理能力 也有利于航行系統(tǒng)實現(xiàn)全球統(tǒng)一協(xié)調運行 提高飛機的自治飛行能力 3 大大減少地面空管設施的數(shù)量 大幅度降低建設和維護費用 通信系統(tǒng) 數(shù)據(jù)鏈通信 DataLink 航空移動衛(wèi)星業(yè)務 AMSS 航空電信網 ATN 高頻數(shù)據(jù)鏈通信 HF 甚高頻數(shù)據(jù)鏈通信 VHF 二次監(jiān)視雷達 SSR 的S模式自動相關監(jiān)視 ADS 飛機狀態(tài)監(jiān)控情報服務等 數(shù)據(jù)鏈通信 DataLink 航空移動衛(wèi)星業(yè)務 AMSS 航空電信網 ATN 包括話音 數(shù)據(jù)通信兩種方式 它使空中飛機在任何地方都能與地面進行實時有效的通信 且在空管中心的實時監(jiān)視之中 與機載衛(wèi)星導航接收機相結合 可提供對飛機的自動相關監(jiān)視 通信系統(tǒng) 數(shù)據(jù)鏈通信 DataLink 航空移動衛(wèi)星業(yè)務 AMSS 航空電信網 ATN 新航行系統(tǒng)中通信系統(tǒng)的主體 融地面與空地數(shù)據(jù)通信為一體 多子網 多優(yōu)先級 區(qū)分安全通信和非安全通信 航空運輸各個單位的互聯(lián) 計算機系統(tǒng)中進行端到端的連接和高速數(shù)據(jù)交換 管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信 CPDLC 利用數(shù)據(jù)通信代替話音通信的ATC通信方式 通信系統(tǒng) 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) GNSS 所需導航性能 RNP 廣域增強系統(tǒng) WAAS 本地增強系統(tǒng) LAAS 導航系統(tǒng) 星基空中交通管理系統(tǒng)的核心美國的全球定位系統(tǒng) GPS 俄羅斯的GLONASS歐洲的伽利略中國的二代系統(tǒng)使用GNSS 飛機就可直線飛行 既縮短了飛機間隔 又省時省油 并提高了安全性 準點率與空間利用率 而且還能以此為基礎作自動相關監(jiān)視 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) GNSS 所需導航性能 RNP 廣域增強系統(tǒng) WAAS 本地增強系統(tǒng) LAAS 導航系統(tǒng) RNP是指在指定空域和航路內 裝備各種導航系統(tǒng) 或設備 的飛機在規(guī)定概率上能夠保持在指定軌跡的允許偏差以內的能力 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) GNSS 所需導航性能 RNP 廣域增強系統(tǒng) WAAS 本地增強系統(tǒng) LAAS 導航系統(tǒng) 精度尚未達到II III類精密進近著陸的要求 在GPS的監(jiān)測和增強方面廣泛采用差分技術來提高精度 使系統(tǒng)成為 增強系統(tǒng) 當前航空界正在部署LAAS和WAAS LAAS主要用在機場周圍 WAAS它可以解決海洋及邊遠荒漠地區(qū)的導航性能 A C模式二次監(jiān)視雷達 S模式二次監(jiān)視雷達 自動相關監(jiān)視 ADS A C 廣播式自動相關監(jiān)視 ADS B 監(jiān)視系統(tǒng) 在民航中逐步淘汰 主要用于防空 主用系統(tǒng) 帶有數(shù)據(jù)鏈功能 視距監(jiān)視 未來的主用系統(tǒng)依靠衛(wèi)星導航和數(shù)據(jù)通信 空中交通管理系統(tǒng) 空域管理 ASM 空中交通服務 ATS 流量管理 ATFM 飛行情報服務 FIS 空中交通管制 ATC 航空氣象服務 AWS 告警服務 AL 空中交通管理系統(tǒng) 空域管理 ASM 在既定的空域條件下 實現(xiàn)對空域資源的充分利用 它以時分共享空域的方式 按短期需求劃分空域以便滿足不同類型用戶的需要 空中交通管理系統(tǒng) 空中交通服務 ATS 主要目的是防止航空器之間 航空器與障礙物之間發(fā)生碰撞 加速和維持有秩序的空中交通活動 空中交通管理系統(tǒng) 流量管理 ATFM 當某區(qū)域空中交通流量超出或即將超出該區(qū)域空中交通管制系統(tǒng)的可用能力時 預先采取適當措施 保證空中交通流量最佳地流入或通過相應的區(qū)域 空中交通流量管理有助于實現(xiàn)空中交通管制的目的 能夠達到對機場和空域容量的最大利用效率 空中交通管理系統(tǒng) 空中交通管理系統(tǒng) 空中交通管理的目的是考慮空中及地面系統(tǒng)的運行能力以及經濟上的需要 為用戶提供空域利用上的最大效能 考慮飛機裝備的等級和運行目的的不同 靈活地組織不同用戶之間分享空域 保證空中交通管理系統(tǒng)的總效率 空中交通管制向用戶提供從起飛到著陸的連續(xù)協(xié)調 有效服務和管制 確保安全 保持國際上的協(xié)調一致 保證飛越國境時能順利運行 思考題簡述空中交通管制的概念 簡述空中交通管制的分類 并列舉各分類的主要功能 新航行系統(tǒng)中 CNS ATM 中 C代表什么意思 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比 它有那些特點 新航行系統(tǒng)中 導航系統(tǒng)主要涉及哪幾個方面 每個方面都有哪些突出特點 與現(xiàn)行的空管系統(tǒng)相比 新航行系統(tǒng)在技術 安全和經濟方面有哪些特點 通過對第一章的學習 談談你對空中交通管理的認識 第二章國外空管發(fā)展現(xiàn)狀 2 1典型國家的空管體制國際民用航空組織 簡稱ICAO 是根據(jù)1944年 國際民用航空公約 簡稱 芝加哥公約 建立的國際組織 是聯(lián)合國系統(tǒng)中負責處理國際民航事務的專門機構 是世界民用航空界唯一的官方權威機構 總部設在加拿大蒙特利爾 現(xiàn)有186個締約國 中國是國際民航組織創(chuàng)始國之一 國際民航組織的最高權力機構為大會 每三年召開一次 所有締約國均可派代表參加 每國擁有一票表決權 大會由理事會負責召集 國際民用航空組織的宗旨和目的在于發(fā)展國際航行的原則和技術 并促進國際航空運輸?shù)囊?guī)劃和發(fā)展 美國空管體制改革大體分為兩個階段 1 1958年以前 全國分為民航和軍航兩個系統(tǒng) 分別管制 并設立了空協(xié)調委員會 負責協(xié)調軍民航空中交通管制方面的關系 2 1958年以后 設立了聯(lián)邦航空局 FAA 國會指令該局經營和維持空中交通管理系統(tǒng) 制定各種規(guī)章制度和法律 并管理國家空域 美國 FAA空管的具體形式 FAA設有空管系統(tǒng)指揮中心1個 航路管制中心21個 終端進近管制中心242個 塔臺管制中心463個 飛行服務站175個 FAA空管的具體形式 FAA負責管理國家空域 但無所有權 作為國家空域資源管理者 必須與國防部 DOD 密切聯(lián)系與合作 時刻保持良好的協(xié)調關系 FAA要保持適當?shù)膽兡芰?在戰(zhàn)時由國防部接管 成為國防部的一個職能部門 利用現(xiàn)有的空管手段 全力支持國防部和指定的軍事部門 FAA空管的具體形式 美國空管系統(tǒng)和防空系統(tǒng)的關系 兩個獨立的系統(tǒng) 但關系密切 聯(lián)邦航空局航管中心必須按規(guī)定的程序將所有國際飛行計劃 傳送給北美防空司令部 防空部門設有防空識別區(qū) 對沒有飛行計劃且無法識別的飛機 立即派飛機攔截查明情況 另外 美國總統(tǒng)規(guī)定 FAA要保持適當?shù)膽兡芰?在戰(zhàn)時由國防部接管 成為國防部的一個職能部門 利用現(xiàn)有的空管手段 全力支持國防部和指定的軍事部門 美國 空域等級的劃分 澳大利亞 1995年 設立了由國家運輸與通信部長直接負責四個實體 即 澳大利亞航空服務 民航安全局 CASA 交通與地區(qū)服務部和航空安全調查局 ATSB 他們主要的職責是 澳大利亞航空服務 負責空域管理 航空情報 通信 無線電導航服務 機場救援和消防服務 CASA 負責航空安全標準制定 飛行員和航空工程師的執(zhí)照頒發(fā)以及飛機與運營者的認證 交通與地區(qū)服務部 負責為政府在航空政策 調整國家航路及航空安全方面提供建議 航空安全調查局 負責獨立調查飛機事故和嚴重的空難事件 澳大利亞 空域管理 澳大利亞航空服務 負責為大約56 000 000平方公里即地球表面11 的空域提供管制服務 澳大利亞飛行情報區(qū)分為北部和南部兩個區(qū) 分別受布里斯班和墨爾本兩個航路管制中心管轄 在整個澳大利亞 澳大利亞航空服務 有23個塔臺和16個航空救援與消防單位 目前全國共設2 6 個飛行情報區(qū) 2 5 個航路中心 4 3 個終端管制中心和29 31 個塔臺 澳大利亞 空域等級劃分與國際民航組織的相關標準一致 澳大利亞的空域也分為管制空域和非管制空域兩大類 對管制空域等級的劃分 參照ICAO的 空域等級 劃分標準 分為A C D E G五級 澳大利亞 歐洲 中小國家林立 飛機半個小時內就可飛越幾個國家 如果各國的空管法規(guī)千差萬別 通信 導航 監(jiān)視及空中交通管理設施設備五花八門且互不相容 國際航空就不可能得到安全 快速的發(fā)展 因此歐洲民航會議 ECAC 著意在歐洲建立 歐洲單一填空 即以空中交通管理為目的的空域應該是連續(xù)的 不受國家邊界限制的 這是歐洲安全航行組織 EUROCONTROL 的任務 也是ICAO所希望的 歐洲 90年代初 歐洲空中航行安全組織 Eurocontrol 提出的歐洲ATC協(xié)調和綜合計劃 EATCHIP 隨后歐洲民航會議 ECAC 又制訂了未來歐洲空管系統(tǒng)的EATMS 其目標是把ECAC成員國的空域和ATM系統(tǒng)綜合起來 成為一個更為有效的ATM系統(tǒng) SESAR SingleEuropeanSkyImplementationProgramme 項目是為 單一歐洲天空 方案而做的技術和運行準備 SESAR以星基為基礎 實現(xiàn)一體化的通信 導航 監(jiān)視 通過建立通用數(shù)據(jù)交換網絡網絡 Galileo導航衛(wèi)星系統(tǒng) 雷達聯(lián)網和廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng) 實現(xiàn)對歐洲高空空域的統(tǒng)一協(xié)調指揮 以最大程度地提高空域安全 容量和效率 思考題簡述美國 澳大利亞國家空管的發(fā)展歷程 并對兩國的發(fā)展歷程進行比較 簡述歐洲ATM系統(tǒng)的形成原因 為使空中交通環(huán)境向有利方向發(fā)展 歐洲ATM系統(tǒng)做了那些改進 第三章空管通信系統(tǒng) 課程流程 3 1空管通信的特點3 2空管通信的體制及技術3 3空管數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)3 4ATN3 5中國民航甚高頻數(shù)據(jù)鏈技術的應用與發(fā)展 內容安排 3 1空管通信的特點3 2空管通信的體制及技術3 3空管數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)3 4ATN3 5中國民航甚高頻數(shù)據(jù)鏈技術的應用與發(fā)展 3 1空管通信的特點 空管通信是新航行系統(tǒng)中的一個必要條件廣泛應用的衛(wèi)星通信 數(shù)據(jù)通信以及ATN等使系統(tǒng)的地地 空地和空空通信有機地融為一體主要包含以下兩個特點 數(shù)字化 數(shù)據(jù)鏈全球化 ATN 3 1空管通信的特點 數(shù)據(jù)鏈是空管通信數(shù)字化特點的體現(xiàn) 是通信系統(tǒng)的核心 是數(shù)據(jù)通信的應用實現(xiàn)人 人 機 機和人 機間的數(shù)據(jù)傳遞類型包括高頻數(shù)據(jù)鏈 甚高頻數(shù)據(jù)鏈 S模式二次雷達數(shù)據(jù)鏈和AMSS 基本作用概括為 保證 共享 實時監(jiān)視與克服 3 1空管通信的特點 空管通信全球化的特點體現(xiàn)為ATNATN是全球范圍內用于航空的數(shù)字通信網絡和協(xié)議 將航空運輸界的機載計算機系統(tǒng)與地面計算機系統(tǒng)連接起來 能支持多國和多組織的運行環(huán)境 3 1空管通信的特點 ATN按照ISO的OSI7層模型構造 協(xié)議基于開放式系統(tǒng)互連結構 面向比特 主要由3個子網構成 包括 機載電子設備通信子網 數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng) 空地通信子網地面通信子網 分組交換網 局域網 路由器 內容安排 3 1空管通信的特點3 2空管通信的體制及技術3 3空管數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)3 4ATN3 5中國民航甚高頻數(shù)據(jù)鏈技術的應用與發(fā)展 3 2空管通信的體制及技術 3 2 1空管通信的體制3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 3 2 1空管通信的體制 航空通信系統(tǒng)的劃分從業(yè)務上 航空固定業(yè)務 平面業(yè)務 航空移動業(yè)務 空地通信 航空固定業(yè)務 AFS 指在固定地點之間的電信業(yè)務 該業(yè)務由航空固定電信網 AFTN 來完成 并逐步向ATN過渡 3 2 1空管通信的體制 航空移動業(yè)務 空地通信 指航空器電臺與航空地面對空電臺之間或航空器電臺之間的無線電通信業(yè)務主要包括 甚高頻通信 高頻通信和航空移動衛(wèi)星業(yè)務 3 2 1空管通信的體制 航空通信系統(tǒng)從傳輸信息對象劃分 話音通信和數(shù)據(jù)通信簡單介紹各種話音通信甚高頻話音通信 頻率范圍是118 136 975MHz 頻率間隔25KHz 沿直線視距傳播 采用雙邊帶調幅 DSB AM 工作方式 3 2 1空管通信的體制 高頻話音通信 頻率范圍是2 8 22MHz 頻率間隔100Hz 靠電離層反射 可以覆蓋幾千公里 但通話質量較差衛(wèi)星話音通信 以衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信為基礎 通話質量好 但費用較高總結 隨著飛機數(shù)目的激增 人員語言表達等問題阻礙了話音通信的使用 催生出新的面向民用的航空數(shù)據(jù)鏈 3 2 1空管通信的體制 航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一般由傳感器系統(tǒng) 通信子系統(tǒng) 鏈路控制子系統(tǒng)和信息處理顯示子系統(tǒng)等構成 成為發(fā)展的主導克服了航空話音通信系統(tǒng)傳輸速度慢 占用信道時間長 可靠性差等缺點 并且具有抗干擾能力強 誤碼率低的特點航空數(shù)據(jù)鏈按應用對象不同分為軍用航空數(shù)據(jù)鏈和民用航空數(shù)據(jù)鏈 3 2 1空管通信的體制 按使用頻段不同分為 高頻數(shù)據(jù)鏈 甚高頻數(shù)據(jù)鏈 超高頻 UHF 數(shù)據(jù)鏈 L頻段數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈 航空數(shù)據(jù)鏈按信息傳輸對象的位置分為 空空數(shù)據(jù)鏈 又稱機間數(shù)據(jù)鏈 空地數(shù)據(jù)鏈地和地數(shù)據(jù)鏈 3 2 1空管通信的體制 空空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 實現(xiàn)飛機間的數(shù)據(jù)通訊 為實現(xiàn)自由飛行奠定基礎空地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 將飛機位置 飛行狀態(tài)等各種信息傳送給地面設備和人員 實現(xiàn)駕駛員與管制員之間的雙向信息交換地地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 實現(xiàn)管制中心之間 以及管制中心與其他地面儀器及部門之間的信息交換 3 2 1空管通信的體制 航空數(shù)據(jù)鏈應用于民用航空 根據(jù)業(yè)務類型可以分為四類 1 空中交通服務 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 在這四類數(shù)據(jù)通信中 空中交通服務和航空管理通信與飛行安全和效率有關 具有高優(yōu)先級 3 2 1空管通信的體制 利用航空數(shù)據(jù)鏈技術產生了一種新的監(jiān)視手段 自動相關監(jiān)視 ADS 自動相關監(jiān)視 ADS 的定義 自動相關監(jiān)視是用于空中交通服務 ATS 的一種技術 即飛機通過數(shù)據(jù)鏈自動提供機載導航和定位系統(tǒng)導出的各種數(shù)據(jù) 釋義 Automatic 自動 無需機組人員人工發(fā)送信息 Dependent 相關 地面依據(jù)飛機的報告得知飛機的位置 信息來自飛機本身而不是地面站 Surveillance 監(jiān)視 飛機的位置得到監(jiān)視 ATN ATS網及各種地面專用網絡 IMMRSSAT GNSS 顯示 數(shù)據(jù)鏈 Ground 信源 ADS技術原理簡介 3 2空管通信的體制及技術 3 2 1空管通信的體制3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 已使用和即將使用的數(shù)據(jù)鏈技術包括 1 S模式二次雷達數(shù)據(jù)鏈它是下一代地基雷達監(jiān)視系統(tǒng) 與A C模式數(shù)據(jù)鏈交互通信 同時提供獨立的監(jiān)視能力 并且完全與ATN兼容使用選擇詢問的技術 排除了A C模式現(xiàn)存的問題 并與之完全兼容支持現(xiàn)在使用1030MHz 1090MHz的飛機通信選址報告系統(tǒng) ACARS 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 2 VDL模式1低速的 面向比特的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在甚高頻頻段 調制方式為AM MSK使用載波偵聽多路訪問 CSMA 的媒質訪問方式物理層與現(xiàn)有ACARS系統(tǒng)一致 速率為2400bit s采用地面網管集中處理的方式 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 3 VDL模式2類似VDL模式1 使用差分8相相移鍵控 D8PSK 調制速率31 5Kbit s 在歐 美廣泛應用 4 VDL模式3是目前ICAO建議未來的系統(tǒng) 調制方式為D8PSK 速率為31 5Kbit s 使用TDMA方式 每120ms為一幀 每幀4個30ms的時隙 每個時隙形成獨立的雙向地空鏈路 上 下行鏈路使用同一頻率 可以傳輸模擬話音 也可傳輸數(shù)據(jù) 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 5 VDL模式4VDL模式4是瑞典推出的一種甚高頻數(shù)據(jù)鏈 它以標準的25KHz帶寬進行數(shù)據(jù)通信 媒質訪問方式是S TDMA 基于OSI參考模型 支持19 2Kbit sGFSK調制速率和31 5Kbit sD8PSK調制速率 信道被劃分為固定時間長度的時隙 與VDL模式3不同的是它不需要地面處理和管理設施 但目前不支持話音通信 只支持各種地空 空空數(shù)據(jù)鏈通信應用 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 6 高頻數(shù)據(jù)鏈支持飛機使用短波完成數(shù)據(jù)通信 面向比特 符合OSI模型 7 AMSS支持地空數(shù)據(jù)鏈通信的實施 以三種主要方式運行 靜止軌道衛(wèi)星 GEOS 中軌道衛(wèi)星 MEOS 低軌道衛(wèi)星 LEOS 航空移動衛(wèi)星 航路 業(yè)務 AMS R S 是AMSS中的特殊部分 提供獨立的ATC服務 移動地球站安裝在飛機上 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 8 MLS是滿足所有各型飛機 各類精密進近著陸引導 所有運行需求的系統(tǒng) 使用差分相移鍵控 DPSK 調制 反復發(fā)送 周期冗余檢查和低比特誤碼率來確保其完整性和性能 該鏈路支持導航地基增強系統(tǒng) GBAS MLS運行在5030 5091MHz 以300kHz的頻道間隔提供200個通道 MLS提供對空數(shù)據(jù)廣播能力來支持執(zhí)行精密進近所必要的數(shù)據(jù) 包括基本的MLS數(shù)據(jù) MLS區(qū)域導航數(shù)據(jù)和地面風數(shù)據(jù) 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 9 導航數(shù)據(jù)鏈第一代GNSS基于GPS和GLONASS導航衛(wèi)星星座 一般通過其增強系統(tǒng)來改善精度 完整性 連續(xù)性和可用性 包括星基增強系統(tǒng) SBAS 和地基增強系統(tǒng) GBAS SBAS服務的覆蓋面與同步衛(wèi)星的相同GBAS使用的頻段可從C波段或者甚高頻波段選擇 在甚高頻波段上其調制方式為D8PSK或者GFSK D8PSK工作在108 117 975MHz 選用ILS和全向信標臺 VOR 使用的導航頻段的信道間隔 GFSK將使用相同頻段 TDMA調制方式 不具備運行在25kHz頻道間隔的能力 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 10 ACARSACARS是基于甚高頻的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 通過發(fā)送一套預先編碼的電報交換各種信息面向字符 不滿足ISO的OSI RM7層體系結構 采用MSK調制的模擬電臺 信息傳輸率最高只能達到2 4Kbit s采用的ARINC618協(xié)議和ARINC620協(xié)議是典型的文本電報字符格式 3 2 2空管數(shù)據(jù)鏈通信技術 CNS ATM數(shù)據(jù)鏈一覽表 CNS ATM數(shù)據(jù)鏈一覽表 內容安排 3 1空管通信的特點3 2空管通信的體制及技術3 3空管數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)3 4ATN3 5中國民航甚高頻數(shù)據(jù)鏈技術的應用與發(fā)展 3 3空管數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng) 本節(jié)主要介紹數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)包括甚高頻數(shù)據(jù)鏈 衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈 高頻數(shù)據(jù)鏈和S模式二次雷達數(shù)據(jù)鏈3 3 1甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)3 3 2衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)3 3 3高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)3 3 4S模式二次雷達數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 3 3 1甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 由于甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸延時小 機載設備和地面設備簡單 經濟等優(yōu)點得到廣泛使用再過內建立約80個遠端地面站 RGS 和網絡管理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 具備提供除西部部分航路之外干線航路的地空甚高頻覆蓋能力 3 3 1甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要有以下特點 1 甚高頻電波傳播特性是直線傳播 電離層不能反射 故而是在視線范圍內傳播 覆蓋范圍一般只限于以地面為中心的一定半徑范圍內 2 對于地面站和機載設備頻率范圍 甚高頻信道均勻分布于118MHz至136 975MHz之間 信道間隔為25kHz 共760個信道 3 公共信令信道 CSC 設定為136 975MHz 4 提供獨立代碼和獨立字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸 5 提供鏈路層廣播服務 3 3 1甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈網絡組成示意圖 3 3 1甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 典型應用如下 1 ADS系統(tǒng) 2 CPDLC 3 飛機放行許可 PDC 4 海洋放行許可 OC 5 數(shù)字自動終端信息服務應用 D ATIS 6 ADS B 7 CNS ATM航路 3 3 1甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 3 3 1 1甚高頻數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展 3 3 1 2甚高頻數(shù)據(jù)鏈的分層結構 ICAO對甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的網絡體系結構進行了標準化 按照OSI參考模型的7層體系結構 定義了甚高頻數(shù)字鏈設計標準 3 3 1 2甚高頻數(shù)據(jù)鏈的分層結構 VDL7層體系結構的定義和功能 3 3 1 2甚高頻數(shù)據(jù)鏈的分層結構 7層體系結構分析 最低3層 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網絡層 實現(xiàn)通信子網的功能 最高3層 會話層 表示層 應用層 實現(xiàn)用戶的應用要求 傳輸層則在最低3層通信子網的基礎上為最高3層協(xié)議提供源端系統(tǒng)到目的端系統(tǒng)之間可靠的數(shù)據(jù)通信 是低層子網通信和高層用戶應用之間的隔離層 3 3 1 2甚高頻數(shù)據(jù)鏈的分層結構 數(shù)據(jù)鏈的分層結構比較 3 3 1 3ACARS系統(tǒng) 70年代末期 美國ARINC公司研制典型甚高頻空地的數(shù)據(jù)鏈ACARSACARS系統(tǒng)主要由機載設備 地面設備和網絡控制中心 中央交換系統(tǒng) 組成 ACARS的頻率間隔為25KHz 數(shù)據(jù)傳輸速率為2 4Kbit s 采用單信道半雙工的工作方式 甚高頻通信是視距通信 覆蓋范圍與飛行高度有關 3 3 1 3ACARS系統(tǒng) ACARS系統(tǒng)組成框圖 3 3 1 3ACARS系統(tǒng)ACARS系統(tǒng)組成分析 機載設備 增加了一個ACARS通信管理單元CMU 一方面與標準機載收發(fā)信機相連 另一方面與其他機載數(shù)據(jù)終端設備相連 完成數(shù)據(jù)處理等功能地面設備 在地面布置甚高頻RGS網絡 增加了一個數(shù)據(jù)控制與接口單元 DCIU 中央交換系統(tǒng) 實現(xiàn)多個飛機和多個RGS機站的多用戶通信 實現(xiàn)航空公司和ATS用戶間的資源的共享 實現(xiàn)空地終端間的自動數(shù)據(jù)通信 3 3 1 3ACARS系統(tǒng) 為了消除由于信道過分擁擠造成延遲 ARINC采用了廣播調頻或多基頻技術 提高了ACARS在重要機場的可靠性 新的ACARS系統(tǒng)采用甚高頻數(shù)字鏈路技術 即VDL模式2 它采用面向比特協(xié)議調制方式為D8PSK 速率可達31 5Kbit s下面繼續(xù)介紹VDL模式2 3 3 1 4VDL模式2概述 VDL模式2是ATN地空移動通信的主要方式 以面向比特的方式傳輸 傳輸速率達到31 5kbit 采用ISO8208面向連接的方式與機載子網 地面子網一起構成了地空統(tǒng)一網絡VDL模式2作為ATN的一種移動子網 承載著地空移動通信中的網絡層數(shù)據(jù)包 規(guī)定了地空移動通信的物理層 鏈路層和子網層協(xié)議 鏈路層協(xié)議由MAC子層 DLS和鏈路管理子層組成 其中采用的是HDLC協(xié)議的子集AVLC 基本結構如下圖 3 3 1 4VDL模式2概述 VDL模式2協(xié)議結構 3 3 1 4VDL模式2物理層協(xié)議與服務 物理層為數(shù)據(jù)鏈路層的比特數(shù)據(jù)傳送建立 維持和取消連接 數(shù)據(jù)鏈路層的用戶數(shù)據(jù)通過服務原語傳遞到物理層 物理層通過甚高頻信道將數(shù)據(jù)送到通信另一端的物理層 物理層再通過服務原語將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)鏈路層 3 3 1 4VDL模式2物理層協(xié)議與服務 1 物理層的功能 收發(fā)頻率控制 物理層的頻率選擇根據(jù)鏈路層的請求而定 通告功能 通過信號質量指示參數(shù)來通告信號質量 數(shù)據(jù)發(fā)射功能 指物理層將從鏈路層收到的數(shù)據(jù)經過適當?shù)鼐幋a通過射頻 RF 信道發(fā)送 數(shù)據(jù)接收功能 指將接收到的數(shù)據(jù)解碼 使高層應用能夠準確讀出 3 3 1 4VDL模式2物理層協(xié)議與服務 2 VDL模式2的發(fā)送特點 調制方案 采用D8PSK調制 用 0 6升余玄濾波器 將要發(fā)送的信息每三個比特組成一個符號作為相位的變化 編碼 一個進入差分數(shù)據(jù)編碼器的二進制數(shù)據(jù)流被轉換為三個獨立的二進制數(shù)據(jù)流X Y Z 調制速率 調制速率為10500符號 秒 所以比特率10500 3 31 5Kbit s 編碼相位 3 3 1 4VDL模式2物理層協(xié)議與服務 訓練序列 a 發(fā)射機功率穩(wěn)定和接收機設置 即000000000000 b 同步和模糊分辨 c 保留符號 000 d 發(fā)射數(shù)據(jù)長度 e FEC幀頭 FEC FEC編碼采用系統(tǒng)定長RS編碼 249字節(jié)一幀的數(shù)據(jù) 可以糾正3個字節(jié)的錯誤 原始多項式為生成多項式為 3 3 1 4VDL模式2物理層協(xié)議與服務 交織 Interleaving 每一幀數(shù)據(jù)位包含249個字節(jié) 共2498 1992bit3 偵聽算法 CSMA 在發(fā)送數(shù)據(jù)或語音包之前運行CSMA時 VDL模式2接收機可以通過能量檢測算法來檢測信道是否空閑信道從忙到空閑的檢測及信道從空閑到忙的檢測的方法見書 3 3 1 4VDL模式2物理層協(xié)議與服務 4 物理層與鏈路層的接口 物理層與鏈路層的接口由數(shù)據(jù)原語 頻率改變原語 信道偵聽原語 信號質量原語 對等地址原語 信道占用原語組成5 物理層與物理設備接口 物理層與物理設備接口由發(fā)射原語 接收原語組成注 以上原語見網絡總結圖 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 鏈路層負責將信息從一個網絡實體傳送到另一個網絡實體 傳送錯誤通告 以及提供如下服務 幀的組合與拆分 建立幀同步 拋棄非標準幀 幀差錯的檢測與控制 RF信道的選擇 地址識別 產生幀校驗序列 鏈路層通過RF信道提供基本的比特傳輸 鏈路層的數(shù)據(jù)在地空收發(fā)設備中作為比特流進行傳輸 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 1 MAC子層 MAC子層對共享信道提供對DLS子層透明的獲取功能 MAC子層的服務主要包括兩個部分 利用P堅持CSMA算法進行多路接入 以及信道擁塞通告服務 具體包括 多址方式 利用CSMA算法讓所有的地面站有平等的機會發(fā)送數(shù)據(jù) 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 信道擁塞檢測 當檢測出通道擁塞時 MAC子層將向甚高頻管理實體 VME 子層通告 在試圖接入通道之前 MAC子層必須保證信道是空閑的 實現(xiàn)過程 發(fā)射端在試圖進行傳輸之前首先偵聽信道 等待信道的空閑 當確定信道空閑的時候 試圖以概率p進行傳輸 而以概率1 p后退等待 在一個最大訪問次數(shù)M1之后 MAC子層將在信道空閑之后立刻傳輸包 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 如果經過計時器TM2時間幀仍未被傳送 則MAC子層將檢測出擁塞 并通告VME子層 P堅持CSMA算法允許在達到系統(tǒng)吞吐量最佳 傳輸延遲最小和沖突最少的時候 所有的基站都有機會進行傳輸 具體時間如下 MAC子層參數(shù) 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 2 DLS DLS利用AVLC協(xié)議支持面向比特的地空通信服務 包括 幀順序 接收端的DLS子層保證重復的幀被丟棄 且所有的幀都出現(xiàn)且只出現(xiàn)一次 差錯檢測 DLS子層保證檢測并丟棄所有在傳輸中出現(xiàn)差錯的幀 站識別 DLS子層通過點到點的連接接收且只接收發(fā)向它自己的幀 廣播地址 廣播地址可被所有接收者識別和接收 數(shù)據(jù)傳送 數(shù)據(jù)將在VDL信息幀 INFO 用戶接口幀 UI 標識交換幀 XID 的信息域中被傳送 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 VDL模式2幀結構 模式2幀結構按照ISO3309幀結構 如圖 VDL模式2幀結構 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 VDL模式2幀結構分析 地址結構 地址域包括8個字節(jié) 每個字節(jié)的最小有效比特 LSB 為擴展保留位 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地址或廣播地址 源地址域包含一個DLS地址 廣播地址 廣播地址僅做為目的地址用于UI幀和XID幀中 用來廣播地面站信息 鏈路控制域 該字節(jié)的編碼參照ISO4335 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 DLS層與上一層的接口原語 注 以上原語見網絡總結圖 3 LME DLE存在于數(shù)據(jù)鏈路子層中 提供面向連接的點到點的鏈路 LME用于建立和管理DLE之間的連接一個VDL模式2地面系統(tǒng)包括甚高頻地面站 提供與ATN連接的地面網絡和一個VME 來管理與地面站建立連接的VDL模式2飛機 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 LME提供的服務有 提供連接和改變連接通告提供連接 每一個地面VME為每一架飛機產生一個LME 同樣 每一個機載VME將為每個地面系統(tǒng)產生一個LME改變連接通告 VME將通知中間系統(tǒng)系統(tǒng)管理實體 SME 鏈路連接的變化 3 3 1 4VDL模式2鏈路層協(xié)議與服務 LME的工作過程 頻率管理過程 頻率搜捕過程 鏈路連接過程 機載和地面LME將用如下過程來維護甚高頻數(shù)據(jù)鏈 LME與上一層的接口 提供一系列原語 具體見網絡總結 如下圖 107 子網層 媒體訪問控制層 物理層 隊列管理子層 邏輯鏈路控制子層 數(shù)字鏈路服務子層3 鏈路管理實體3 數(shù)字鏈路服務子層2 數(shù)字鏈路服務子層1 鏈路管理實體2 鏈路管理實體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 數(shù)據(jù)鏈路層 108 飛機鏈路層 甚高頻管理實體 鏈路管理實體1 邏輯鏈路子層 數(shù)據(jù)鏈路實體1 地面站鏈路層 邏輯鏈路子層 廣播XID幀 DL XID ind XID req 甚高頻管理實體 DL XID ind XID req 建立DLE實體 DL UNBLOCK req 鏈路管理實體1 數(shù)據(jù)鏈路實體1 廣播XID幀 建立DLE實體 broadcast LINK 飛機鏈路層 甚高頻管理實體 鏈路管理實體1 數(shù)據(jù)鏈路實體1 邏輯鏈路子層 數(shù)據(jù)鏈路實體2 broadcast LINK 鏈路管理實體2 3 3 1 4VDL模式2網絡層協(xié)議與服務 VDL模式2子網層協(xié)議的功能包括 對重復 丟失 無效分組的處理 以及對分組包的路由和轉發(fā)功能 子網協(xié)議被稱為子網接入協(xié)議 SNACP 其中網協(xié)議數(shù)據(jù)單元 SNPDU 是指當收到鏈路層幀時 其凈荷部分包括三個部分 3 3 1 4VDL模式2網絡層協(xié)議與服務 1 子網層服務 按照ISO8208標準 提供的服務包括如下四個方面 子網連接管理 使用相應的分組類型 過程和設施來建立 結束和管理子網連接 關鍵 連接的雙方端點盡可能多地保留連接狀態(tài)信息 分組的拆分和重組 允許子網用戶對大的數(shù)據(jù)單元進行拆分傳送 接收將數(shù)據(jù)端重組 3 3 1 4VDL模式2網絡層協(xié)議與服務 錯誤恢復 VDL模式2中 采用拒絕幀分組進行通信子網級的錯誤恢復 這些分組將使發(fā)送端子網實體重傳錯誤的數(shù)據(jù)包 連接流量控制 連接流量控制采用分組序列號和滑動窗口實現(xiàn) 3 3 1 4VDL模式2網絡層協(xié)議與服務 2 VDL模式2分組格式 分組序號采用模8格式 格式遵照ISO8208的規(guī)定 選用快速選擇設施3 VDL模式2所支持的設施 設施包括 分組重傳 非標準省略包大小 非標準省略窗口大小 流量控制參數(shù)協(xié)商 快速選擇 被叫線地址更改通告 被叫地址擴展 3 3 1 4VDL模式2OPENET仿真實例 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 1 目的 系統(tǒng)可靠性驗證 確保系統(tǒng)的正確運行 分析系統(tǒng)固有參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響情況2 網絡拓撲 飛機節(jié)點都包含自己的應用設置 互相獨立和向地面進行數(shù)據(jù)通訊 如 飛機與地面站發(fā)送和接收消息消息理想情況下 飛機數(shù)量最多設置為140架 仿真時間周期設置為24小時 仿真結果如下 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 網絡拓撲 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 3 節(jié)點模型 節(jié)點代表了實際的通信實體 如固定節(jié)點地面站和移動節(jié)點飛機 每個節(jié)點運行一定的網絡協(xié)議以便能夠進行通信按照ISO的標準層次設計和OPNET的建模需要各層簡化為應用層 子網層 鏈路層 物理層 應用層作用產生包并最終接收包 鏈路層又包括DLS子層 MAC子層 物理層主要采用了信道設計 收發(fā)信機設計的方法VDL模式2模型的層次結構如下圖 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 移動節(jié)點模型圖 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 移動節(jié)點模型圖 移動節(jié)點模型層次圖 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 4 仿真結果 第一組 吞吐量隨飛機數(shù)量與數(shù)據(jù)更新率的變化曲線 平均延遲隨飛機數(shù)量與數(shù)據(jù)更新率的變化曲線 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 第二組 分析報文長度與飛機數(shù)量對系統(tǒng)吞吐量的影響 吞吐量隨飛機數(shù)量與報文長度的變化曲線 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 第二組 驗證并尋找系統(tǒng)實際負載的臨界點并得到系統(tǒng)的最佳工作范圍 吞吐量隨實際負載的變化曲線 信道效率隨實際負載的變化曲線 3 3 1 4VDL模式2仿真結果總結 對VDL模式2進行OPENET仿真 結論如下 1 系統(tǒng)吞吐量隨飛機數(shù)量的變化呈拋物線形狀 2 飛機數(shù)目對系統(tǒng)延遲影響明顯 隨著飛機數(shù)目的增加 延遲顯著增加 3 報文長度對系統(tǒng)吞吐量有明顯的影響 與報文更新速率相同4 信道未飽和時 系統(tǒng)吞吐量隨系統(tǒng)實際負載的增加而增加 而當信道飽和后 系統(tǒng)吞吐量減小 5 系統(tǒng)在實際負載為0 4 0 7范圍內時工作效果最佳 此時信道效率達到0 4左右 3 3 1 5VDL模式4概述 VDL模式4數(shù)據(jù)鏈采用標準的甚高頻帶寬 25kHz 信道傳輸數(shù)字信息 其主要的特點在于信道預約訪問協(xié)議 信道被劃分為若干時隙 可以為飛機 地面站和其它地面通信設備的收發(fā)信機所使用 具體見后圖信道預約協(xié)議降低了信道占用沖突的概率這一信道時隙使用和管理的方式稱為自組織時分多址協(xié)議 3 3 1 5VDL模式4概述 VDL模式4數(shù)據(jù)鏈運行情況 VDL模式4數(shù)據(jù)為將來的CNS ATM技術提供系統(tǒng)解決方案 3 3 1 5VDL模式4物理平臺 每一個VDL模式4的用戶都裝備有異頻收發(fā)信機 用來確定位置和時間 管理數(shù)據(jù)鏈上的傳輸并接收發(fā)送數(shù)據(jù)下面介紹收發(fā)信機中各個部分的功能及工作頻段 VDL模式4收發(fā)信機 3 3 1 5VDL模式4物理平臺 GNSS接收機 為用戶提供精確的導航信息及時間信息 時間信號是由GNSS收發(fā)信機中獲得VHF收發(fā)信機 既用來發(fā)送自己的位置信息和其他的用戶的有關信息 又用來接收其他用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)通信處理機 是一臺用來調整使用通信信道的計算機 和VHF收發(fā)信機 GNSS接收機相連工作頻譜 VDL模式4工作在108 136 975MHz的甚高頻航空數(shù)據(jù)鏈上 3 3 1 5VDL模式4數(shù)據(jù)鏈的運作模式和通信結構 VDL模式4可以用來構成不同功能級別的運作模式 即受控模式和自治模式受控運作模式下 地面站按指令型預約協(xié)議為空中用戶分配使用時隙自治運作模式下的VDL模式4數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)又可分為三種通信結構 沒有地面系統(tǒng)的自治通信結構單蜂窩通信結構多蜂窩通信結構 3 3 1 5VDL模式4數(shù)據(jù)鏈的運作模式和通信結構 自治通信結構用自組織協(xié)議可以實現(xiàn)任何具有蜂窩重疊區(qū)用戶間的空 空通信 應用于低密集區(qū) 海域和兩極地帶 提供ADS B和空 空通信支持提供CDTI ACAS 以及搜索和救援的協(xié)調 3 3 1 5VDL模式4數(shù)據(jù)鏈的運作模式和通信結構 單蜂窩通信結構VDL模式4數(shù)據(jù)鏈地面站提供空 地通信服務和地面監(jiān)視服務 授權的地面站可以按指令型預約協(xié)議來控制信道時隙的使用地面站間無蜂窩重疊區(qū)單蜂窩通信結構的功能受地面站覆蓋范圍的影響 越出單蜂窩區(qū)時 其功能和運作方式與自治通信結構一樣 3 3 1 5VDL模式4數(shù)據(jù)鏈的運作模式和通信結構 單蜂窩通信結構下 空 地通信過程可分為三個階段 空中用戶進入地面站蜂窩覆蓋區(qū) 地面站蜂窩覆蓋區(qū)內的飛行階段 用戶飛離地面站蜂窩覆蓋區(qū) 3 3 1 5VDL模式4數(shù)據(jù)鏈的運作模式和通信結構 多蜂窩通信結構與單蜂窩通信結構的區(qū)別在于地面站間存在重疊覆蓋區(qū)數(shù)據(jù)鏈同過地面站與專用的ADS B地面數(shù)據(jù)網絡的聯(lián)接實現(xiàn)ADS B的相關服務具有地面站突發(fā)的二次導航功能為GNSS功能的備份 3 3 1 5VDL模式4數(shù)據(jù)鏈的運作模式和通信結構 多蜂窩通信結構中空中用戶跨蜂窩飛行基本原則 工作于受控通信模式空中用戶進入重疊區(qū)后 繼續(xù)用指令型預約協(xié)議工作于自治通信模式的可按新用戶登錄過程實現(xiàn)網絡登錄 進入蜂窩重疊區(qū)的空中用戶與新地面站覆蓋范圍內的其他用戶間不爭用信道時隙情況的處理 繼續(xù)使用原信道時隙與原地面站保持通信 并在空閑的時隙中向新地面站發(fā)送預約請求 3 3 1 5VDL模式4數(shù)據(jù)鏈的運作模式和通信結構 發(fā)生爭用信道時隙情況的處理 自動選擇空閑時隙給新地面站發(fā)送報文進入重疊區(qū)新信道不與原信道時隙沖突放棄原地面站的時隙 新地面站未為該空中用戶分配 原地面站分配了新時隙 使用該新時隙一直與原地面站保持通信 并與新地面站建立通信 實現(xiàn)越區(qū)切換 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 數(shù)據(jù)傳輸網絡接入 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 一 數(shù)據(jù)傳輸 1 單時隙數(shù)據(jù)傳輸 分為A B C D四個階段 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 一 數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)傳輸階段 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 一 數(shù)據(jù)傳輸 單時隙傳輸階段圖中可以看到 除去上述四個階段外 還保留一個傳輸保護時間間隔 傳輸保護間隔時間的使用 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 一 數(shù)據(jù)傳輸 2 多時隙數(shù)據(jù)傳輸 多時隙傳輸就是一次傳輸跨越多個時隙 同單時隙傳輸 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 二 網絡接入 以下情況下會應用網絡接入協(xié)議 站點開始運行 轉到另一個新的信道上發(fā)送 在一個信道上很長時間沒有監(jiān)聽 發(fā)現(xiàn)突然出現(xiàn)許多未知站點站點接入網絡有兩種方式 復合式廣播預約和請求 回復預約或BNG 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 二 網絡接入 1 復合式廣播接入 站點必須先監(jiān)聽信道至少一分鐘 用來建立時隙預約 然后利用時隙選擇過程選擇發(fā)送時隙 等到發(fā)送時隙時發(fā)送報文 2 請求 回復和BNG接入 需要快速接入網絡 這時有三種方式可以使用 分別是BNG預約 半時隙傳輸和請求 回復傳輸 當一個站點監(jiān)聽了信道一段時間 但是還沒有建立一個完整的時隙預約表時 可以使用BNG預約快速接入網絡 3 3 1 5VDL模式4系統(tǒng)運行 當站點需要預約一些時隙用于傳輸?shù)植磺宄r隙占用情況時 可以使用請求 回復傳輸 如果站點只進行簡短的發(fā)送 可以使用半時隙傳輸 3 3 1 6S TDMA數(shù)據(jù)鏈協(xié)議 S TDMA協(xié)議采用典型的TDMA傳輸體制 將時間軸等分成若干信息幀 每幀又分成若干時隙供飛機等用戶使用 各用戶周期地發(fā)送時隙預約信息報文構造時隙狀態(tài)表通過時隙爭用 預約 占用等過程用時隙的預約技術來實現(xiàn)系統(tǒng)的自組織組網 3 3 1 6S TDMA數(shù)據(jù)鏈協(xié)議分層結構 S TDMA數(shù)據(jù)鏈采用OSI模型設計系統(tǒng)體系結構 將通信子網系統(tǒng)分為兩層 從上到下各層依次為 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 數(shù)據(jù)鏈路層分為四個子層 MAC子層 VSS子層 DLS子層 LME子層MAC子層負責時隙劃分 實現(xiàn)TDMA信道接入 VSS子層提供多種協(xié)議 使得用戶可以自組織地在TDMA信道上進行發(fā)送 DLS子層負責提供面向鏈接和面向無鏈接的服務LME子層負責鏈接的建立 管理 維護及終止 3 3 1 6S TDMA數(shù)據(jù)鏈協(xié)議MAC子層 MAC子層透明地查詢共享的通信路徑以提供上述通信服務 主要功能 TDMA信道訪問 信道在時間上被劃分為連續(xù)的超幀 典型的超幀結構 3 3 1 6S TDMA數(shù)據(jù)鏈協(xié)議MAC子層 信道中的時隙同步 站點必須與UTC時間保持同步 精度要求在 400ns誤差范圍內 并將此時間作為首選的時間基準 而且每秒進行一次時隙同步 時隙占用情況A 未占用時隙的檢測