基于卫星的CNS／ATM系统<1>

基于卫星的CNS／ATM系统<1>（金强）
    空中交通管理系统CNS／ATM有四大要素，即硬件系统CNS中的C（通信）、N（导航）、
S（监视）和软件系统空中交通管理（ATM）。ATM包括空域管理（ASM）、空中交通服务
（ATS）和空中交通流量管理（ATFM）三大部分内容。  ATS又含空中交通管制（ATC），
而ATC则含飞行情报服务（FIS）、航空气象服务（AWS）、警告服务（AL）与搜索救援
（SAR）。CNS使地面系统与空中用户紧密而准确地彼此进行联系，并以此为基础，采用
一套具有全新的规定、办法与程序的ATM，使得空域运用灵活有效；且提高飞行安全及
效率。一发展新CNS／ATM的必要性
1．陆基CNS／ATM系统的局限性
    现行普遍使用的空中交通管理系统是陆基系统。鉴于建在地面的导航台和雷达的信
号覆盖范围有限，在大洋、沙漠、丛林等环境条件下往往造成空白，不能为飞行在这些
地方的飞机提供良好的服务。同时，这种系统地空之间的信息交换主要是靠话音与二次
雷达；能交换的信息量也十分有限；再加上在飞机数量多的情况下，S模式的二次雷达对
飞机发回的二次应答信号的识别还可能发生混淆，故限制了系统容量，也限制了飞机的
流量。由于全球地域广、国家多，各地区各国家的发展极不平衡，造成空中交通情况存
在很大差异，而随着经济的全球化，地区间、国家间的交往越来越频繁，因此就必然带
来机载电子设备与地面空中交通管制设备的复杂化、多样化，既增加开支，又造成资源
浪费，还带来不便。还有，现行系统只能为飞机提供有限的优化飞行剖面，不仅造成空
域资源的浪费，使飞行安全与经济效益停留在低水平上；而且限制了航空业的进一步发
展。再则，地面与机载信息交换手段发展亦不协调；加之航路设计与航路结构的灵活性
远远满足不了用户的需求，而且整个系统的自动化程度相当低，限制了飞机流量的增加，
限制了经济效益的提高。
2．航空运输发展的必然性
    随着知识经济时代的来临，人员的交往与货物的交换与日俱增，航空业的运输量也
不断地持续增长。
    据航空界专家和国内外航空运输组织依照 80年代到90年代的实际运输情况及其发
展预测：亚太地区的航空飞行量1993年已占全球的33％，2000年约占40％，而到2010年
将占全球总飞行量的 50％左右。
    我国作为跨欧亚以及东南亚至北美最佳航路所必经的区域，在亚太地区乃至全球的
航空运输业中占有相当重要的地位，其航空运输量以年均20％的速率增长。与此同时，
据报道和专家们分析，自90年代中期到2005年期间；全世界约有200来个机场进行扩建和
改建。德国、英国、意大利、日本、新加坡、泰国、印度和我国均投以相当资金来加速
机场建设，而且新型飞机也在不断投入运营。为了满足日益增长的空中运输量的要求、
适应新型飞机航程与航速的扩展、克服陆基空中交通管理系统的局限性，国际民航组织
决定实施基于卫星导航、卫星通信和数据通信的新的空中交通管理系统，即新的CNS／
ATM系统。
二发展新CNS／ATM的技术基础
    空中交通管理系统的技术基础主要是三大硬件，即通信、导航与监视。而新航行系
统主要就新在“空基”上，即系统是以空中卫星为基本特征的。导航是新系统的核心，
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．导航
    空基空中交通管理系统的核心就是全球卫星导航系统（GNSS），它包括美国的GPS、
俄罗斯的GLONASS和国际海事卫星通信系统（INMARSAT），以及其他的卫星导航系统等。
    GPS于 1994年3月布设（21＋3）颗全球卫星导航系统星座，并正式投入使用，它提
供P码信号精密定位（PPS）和C／A码信号标准定位（SPS）两项服务。前者只有美国军
方以及特许用户才能使用，定位精度优于10m；后者为民用，定位精度水平位置为100m
（2σ），垂直位置为156m（2σ）。国际民航组织已将GPS纳入GNSS。
    GLONASS类似于 GPS，于 1995年 12月完成空中 24颗卫星的布设。俄罗斯早在80年
代就宣布民用码信号免费向全世界民用用户提供服务，其定位精度与GPS的C／A码接近。
    INMARSAT-Ⅲ星加装了导航船，4颗这样的卫星于1995年底入轨运行，它发送附加的
测距信号，转发来自地面基准网的广域电离层校正值与DGNSS修正值，还转发来自地面
监测网的GPS与GLONASS的完善性信息。
    DGNSS差分全球卫星导航系统包括广域与局域两种差分，分别可将定位精度提高到
5－10m与3－5m，差分数据键还广播GPS完善性监测信号。
    新CNS／ATM的GNSS导航主要是靠GPS和GLONASS而 INMARSAT－Ⅲ的主要作用是改善
其实时定位精度，增强民用导航的可靠性。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。
2．通信
    现代通信是实现新航行系统的一个极其重要的条件，业已发展并被广泛应用的卫星
通信、数据通信以及航空电信网等，使系统的地面与空地通信有机地融为一体。
    航空移动卫星通信（AMSS）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。它与机载卫星导航
接收机相结合，可提供对飞机的自动相关监视（ADS）。
    VHF话音／数据通信，时延较低，数据通信速率却比AMSS还高，且音质好、费用低，
因此在终端交通密集区可将它加入到新系统继续效力。
    二次监视雷达S模式在对空中交通进行非相关监视的同时提供空／地数据链路。SSR
 S模式数据链比 VHF速率高，被用于终端区与其他交通高密集区。
    Hf话音／数据通信不仅可用于北极与南极区域的ADS中，而且在国内干线飞机上应
用前景也看好。
    空地通信采用AMSS、VHF、HF与SSR S模式数据链，在飞行过程中根据需要进行自动
选择。地地通信主要依靠现有按国际标准化组织（ISO）的开放系统互连（OSI）基本标
准互连的局域网和广域网来完成,使机场、航空公司及航管部门之间实现通信连接。
    差分数据键，VHF、HF、AMSS和SSR S模式数据链，都可作为差分校正数据与GNSS完
善性数据的广播链路。VHF和SSR S模式数据链用于局域网， HF与AMSS用于广域网。
    航空电信网是CNS／ATM系统的一个重要组成部分，融地面与空地数据通信为一体，
使AOS、GNSS与各种通信系统有机地结合起来，实现各空中交通管理计算机系统之间、
数据处理系统之间以及各类航空用户之间的数据交换。
3．监视
    卫星导航、各种数据链、数据的处理与显示是 ADS的主要技术基础，其次就是VHF数
据／话音链路、SSR S模式数据链路、卫星通信数据／话音键路，以及HF数据／话音链路。
它不仅可用于无雷达监视区，而且也用于交通高密集区，作二次雷达的备用与扩充，以
保证飞机在整个飞行过程中，无论在何处，都处于准确实时的监视中。SSR特别是S模式，
可用于空中高密度区以监视空中飞机，在新系统中同ADS集成使用。
    同时，用ADS技术和VHF数据通信，在十分繁忙的机场上进行场面监视，防止车辆非
法进人跑道等，以保证场面活动安全。