本文關(guān)鍵詞：光通信技術(shù)雜志，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

一、航空通信系統(tǒng)

民用航空對(duì)通信的需求有著非常顯著的自身特點(diǎn)。首先，航空通信要求覆蓋范圍廣，可以覆蓋飛行的全程，既包括大陸地區(qū)，也包括偏遠(yuǎn)的洋區(qū)和極地地區(qū)；其次，因?yàn)樗鶄鬏數(shù)男畔㈥P(guān)乎飛行安全，所以航空業(yè)對(duì)通信的可靠性有著非常高的要求，這種高可靠需要在航空器高速飛行過(guò)程中、在機(jī)載設(shè)備和地面系統(tǒng)所處的相對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境下得以保持；此外，航空通信系統(tǒng)要既能夠提供實(shí)時(shí)的語(yǔ)音通信，也能夠提供傳輸文本指令、圖形等信息的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。因此，航空通信系統(tǒng)無(wú)法使用單一的技術(shù)滿足諸多的需求，需要依據(jù)的不同應(yīng)用范圍、對(duì)傳輸質(zhì)量要求、頻率資源和電磁環(huán)境等多種因素，采用適當(dāng)?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，民用航空領(lǐng)域逐步形成了由多種通信技術(shù)構(gòu)成的復(fù)雜的通信系統(tǒng)。從通信應(yīng)用的范圍來(lái)看，航空通信通常被分為地空通信和地面通信，這也是國(guó)際民航組織在最新版的《全球空中航行計(jì)劃》中所采用的分類方法。除了與空中飛行的航空器進(jìn)行通信，地空通信也包括了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面通信的部分，因此也被稱為航空移動(dòng)通信。地面通信過(guò)程中的各方通常位于固定的位置，所以也稱為航空固定通信。（見(jiàn)圖1）地空通信和地面通信采用的通信技術(shù)有很大不同。在大陸地區(qū)，地空通信主要使用甚高頻（VHF）頻段(118MHz–137MHz)模擬調(diào)制技術(shù)(DSB-AM)，實(shí)現(xiàn)地面與空中的語(yǔ)音通信。這項(xiàng)技術(shù)的使用已經(jīng)有50多年的歷史，目前仍然是主用的地空通信手段。在偏遠(yuǎn)地區(qū)和洋區(qū)，則使用高頻(HF)或衛(wèi)星通信完成地空通話。

在我國(guó)，甚高頻地空語(yǔ)音通信是目前使用的主要地空通信手段，達(dá)到了相當(dāng)?shù)母采w程度。在機(jī)場(chǎng)終端管制范圍內(nèi)，甚高頻通信可提供塔臺(tái)、進(jìn)近、航站自動(dòng)情報(bào)服務(wù)、航務(wù)管理等通信服務(wù)；在航路對(duì)空通信方面，隨著在全國(guó)大中型機(jī)場(chǎng)及主要航路航線上的甚高頻共用系統(tǒng)和航路甚高頻遙控臺(tái)的不斷建設(shè)，使我國(guó)東部地區(qū)6600米以上空域基本實(shí)現(xiàn)了雙重覆蓋，西部大部分地區(qū)，包括主要航路6600米以上空域?qū)崿F(xiàn)單重覆蓋(見(jiàn)圖2)。通過(guò)與語(yǔ)音通信交換系統(tǒng)（內(nèi)話系統(tǒng)）的配合，改變了原有甚高頻電臺(tái)與航空器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式。通過(guò)內(nèi)話系統(tǒng)的交換和聯(lián)網(wǎng)能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空通信與地面通信的語(yǔ)音綜合調(diào)度，不僅集中利用了通信資源，而且大大改善了地空管制和地面協(xié)調(diào)的通信可靠性和服務(wù)質(zhì)量。20世紀(jì)90年代，隨著飛行量上升帶來(lái)的無(wú)線電頻率資源緊張情況不斷加劇，與此同時(shí)，數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展以及地面設(shè)備、機(jī)載設(shè)備自動(dòng)化能力的增強(qiáng)，使得引入新的地空數(shù)據(jù)通信技術(shù)各方面條件已經(jīng)成熟。地空數(shù)據(jù)通信技術(shù)主要代表有面向字符傳輸?shù)娘w機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)，該系統(tǒng)可以工作在甚高頻、高頻和衛(wèi)星通信信道上，提供低速率的數(shù)字通信服務(wù)。隨后，國(guó)際民航組織采納了更高傳輸速率、面向比特傳輸?shù)纳醺哳l數(shù)據(jù)鏈模式2(VDLMode2)技術(shù)，作為在大陸地區(qū)主要使用的地空數(shù)據(jù)通信手段。

地面通信也分為語(yǔ)音通信和數(shù)據(jù)通信兩類。常見(jiàn)的管制中心之間的管制電話，管制單位內(nèi)部的內(nèi)話系統(tǒng)都屬于地面語(yǔ)音通信的范疇。地面數(shù)據(jù)通信應(yīng)用也非常廣泛，，在航班運(yùn)行過(guò)程中，空管、航空公司、機(jī)場(chǎng)等運(yùn)行單位之間以及各單位內(nèi)部有大量的信息需要傳遞，包括航班計(jì)劃、飛行動(dòng)態(tài)、流量信息、航行情報(bào)、氣象信息等等。早在20世紀(jì)50年代，基于電傳電報(bào)技術(shù)的航空固定電信網(wǎng)(AFTN)就開始在民航使用，事實(shí)上這是第一個(gè)全球范圍內(nèi)的電報(bào)處理系統(tǒng)，航班準(zhǔn)備與飛行過(guò)程中的重要信息通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)發(fā)布到各個(gè)相關(guān)部門。隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)不斷被引入航空地面通信。語(yǔ)音傳輸實(shí)現(xiàn)了模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變，AFTN網(wǎng)絡(luò)也使用X.25網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)代替了原有的電傳方式。許多國(guó)家和地區(qū)，以及航空企業(yè)也利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，陸續(xù)建成了承載多種業(yè)務(wù)、覆蓋范圍不等的綜合數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，提供服務(wù)質(zhì)量更好、成本更低的地面數(shù)據(jù)通信服務(wù)。雖然地空通信和地面通信采用的不同的通信技術(shù)體制，但是，機(jī)載系統(tǒng)和地面各種自動(dòng)化系統(tǒng)之間緊密協(xié)作的需求非常迫切。因此，信息在空中和地面無(wú)縫地傳輸始終是航空通信系統(tǒng)發(fā)展的目標(biāo)之一。20世紀(jì)90年代，國(guó)際民航組織開始著手規(guī)劃新一代空中航行系統(tǒng)，提出了航空電信網(wǎng)(ATN)作為航空通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案。航空電信網(wǎng)利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空器、空管、航空公司、機(jī)場(chǎng)等各方的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，形成一個(gè)全球化無(wú)縫隙的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。航空電信網(wǎng)具有強(qiáng)大的集成能力、完善的安全機(jī)制和可靠的傳輸方案，可集成多種數(shù)據(jù)子網(wǎng)，保護(hù)原有網(wǎng)絡(luò)投資，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

二、面臨的挑戰(zhàn)

多年以來(lái)，航空通信系統(tǒng)雖然通過(guò)引入新的技術(shù)不斷進(jìn)行自身的改進(jìn)，但是，系統(tǒng)仍然面臨著非常大的挑戰(zhàn)。特別是地空甚高頻通信，由于通信頻率資源緊張、原有模擬調(diào)制技術(shù)的限制，在一些飛行繁忙地區(qū)，地空通信系統(tǒng)處理能力逐漸接近飽和。以歐洲地區(qū)為例，據(jù)預(yù)測(cè)，自2011年以后歐洲地區(qū)的飛行量將以每年3%的速度增長(zhǎng)。雖然歐洲地區(qū)已經(jīng)在2007年將FL195高度層以上的VHF通信頻率間隔從25KHz縮小到8.33KHz，但以這種增長(zhǎng)速度，VHF地空通信系統(tǒng)仍將面臨非常大的壓力。在地面通信領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)化處理能力不斷增強(qiáng)，更多的數(shù)據(jù)類型、更大的數(shù)據(jù)量需要經(jīng)過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)傳輸，同時(shí)地面網(wǎng)絡(luò)也承擔(dān)起了連接不同的業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)的職能，原有的以面向字符傳輸?shù)募夹g(shù)。作為基礎(chǔ)設(shè)施之一，通信系統(tǒng)服務(wù)于航空系統(tǒng)的運(yùn)行需求。目前航空通信系統(tǒng)面臨的壓力，主要是系統(tǒng)運(yùn)行需求變化與現(xiàn)有通信技術(shù)體制之間的矛盾造成的。航空系統(tǒng)運(yùn)行需求變化一方面體現(xiàn)為業(yè)務(wù)量的快速增長(zhǎng)，飛行量的增長(zhǎng)直接帶來(lái)了通信量的增長(zhǎng)；另一方面，航空系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，也對(duì)航空通信提出了新的需求。國(guó)際民航組織通過(guò)《全球空中交通管理運(yùn)行概念》(Doc9854)描述了新一代航行系統(tǒng)的愿景，提出了由靈活空域管理、4D航跡、流量與容量管理、信息服務(wù)等一系列新的元素組成的運(yùn)行概念。通過(guò)信息服務(wù)，運(yùn)行概念中的各部分整合為一個(gè)有機(jī)的整體。毫無(wú)疑問(wèn)，航空通信系統(tǒng)是信息服務(wù)這一概念實(shí)現(xiàn)的主要承載者。通信技術(shù)是當(dāng)今最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域之一，這為航空通信系統(tǒng)的改進(jìn)提供了更多可用的技術(shù)資源，但也為新的設(shè)計(jì)和改進(jìn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中特別注意技術(shù)的選擇以及技術(shù)變化的影響。

三、航空通信服務(wù)

為了更好地規(guī)劃航空通信系統(tǒng)的發(fā)展，目前，航空通信系統(tǒng)改進(jìn)的規(guī)劃和實(shí)施工作通常采用通信服務(wù)和通信技術(shù)分離的方法。航空通信服務(wù)面向空中交通服務(wù)、航空運(yùn)行控制服務(wù)等業(yè)務(wù)需求，將其中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)抽象為一系列服務(wù)。根據(jù)航空系統(tǒng)運(yùn)行概念和運(yùn)行方式的變化而調(diào)整，是相對(duì)比較穩(wěn)定的；航空通信技術(shù)是基于航空通信服務(wù)的需求，所選擇的適當(dāng)?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)方案，相對(duì)來(lái)說(shuō)變化更加頻繁一些。目前，航空通信服務(wù)的定義和研究工作主要關(guān)注與飛行安全和航班正常運(yùn)行的通信部分，圍繞著空中交通服務(wù)通信和航空運(yùn)行控制通信服務(wù)展開。在空中交通服務(wù)通信方面，以飛行各階段飛行員與管制員的通信為主，輔助以航行通告和氣象信息，規(guī)定了一系列服務(wù)；航空運(yùn)行控制通信服務(wù)的定義則關(guān)注航班的執(zhí)行情況和航空器機(jī)務(wù)狀態(tài)。比較有代表性的通信服務(wù)定義工作是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織RTCA和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織EUROCAE聯(lián)合開展的一系列標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)項(xiàng)目，通過(guò)這些項(xiàng)目開發(fā)了空中交通服務(wù)通信領(lǐng)域的地空數(shù)據(jù)通信服務(wù)的安全、性能和互操作性方面的需求。在被稱為ATN基線(ATNBaseline1)的標(biāo)準(zhǔn)中，主要定義的服務(wù)包括：數(shù)據(jù)鏈能力（DLIC）、ATC通信管理（ACM）、ATC管制指令（ACL）、數(shù)字放行（DCL）、ATC話筒檢查（AMC）。目前，ATN基線1中的基本服務(wù)已經(jīng)在歐洲核心地區(qū)投入運(yùn)行。正在開發(fā)中的ATN基線2(ATNBaseline2)標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有服務(wù)進(jìn)行了增強(qiáng)，并增加了新的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，包括支持4D航跡的4DTRAD、支持場(chǎng)面運(yùn)行的D-TAXI、支持間隔管理的ITP、支持飛行信息服務(wù)的終端區(qū)信息服務(wù)D-OTIS、數(shù)字化跑道視程D-RVR、危險(xiǎn)天氣信息D-HZWX等。

另外一項(xiàng)由美國(guó)和歐洲聯(lián)合發(fā)起的未來(lái)通信系統(tǒng)研究(FCS)項(xiàng)目，針對(duì)中長(zhǎng)期的航空通信服務(wù)和技術(shù)進(jìn)行研究,提出了《未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)運(yùn)行概念和需求》。這項(xiàng)研究關(guān)注2030年時(shí)間框架內(nèi)的空中交通服務(wù)通信和航空運(yùn)行控制通信服務(wù)，研究并定義了機(jī)場(chǎng)、終端區(qū)、大陸地區(qū)航路、偏遠(yuǎn)地區(qū)和洋區(qū)的所需的通信服務(wù)，包括數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信，同時(shí)提出了通信服務(wù)質(zhì)量方面的需求，比如傳輸性能、安全性等。這項(xiàng)研究已經(jīng)得到了國(guó)際民航組織通信專家組(ACP)的支持，納入了國(guó)際民航組織的工作范圍。在地面通信服務(wù)方面，國(guó)際民航組織將管制移交(AIDC)和空管服務(wù)信息處理系統(tǒng)(AMHS)作為近期推廣實(shí)施的通信服務(wù)。其中，AMHS將逐步代替現(xiàn)有的AFTN系統(tǒng)，傳輸航班計(jì)劃、航行情報(bào)和氣象信息。在中遠(yuǎn)期，這些服務(wù)融合到新的全系統(tǒng)系統(tǒng)管理(SWIM)中的各種業(yè)務(wù)服務(wù)中，包括數(shù)字化的航空情報(bào)信息(AIM)，先進(jìn)的氣象信息(AdvancedMET)和協(xié)同環(huán)境下的航班和流量信息(FF-ICE)等。

四、航空通信新技術(shù)

目前的空中交通服務(wù)通信和航空運(yùn)行控制通信服務(wù)仍以話音為主，支持大部分服務(wù)。

根據(jù)預(yù)測(cè)，2020年后數(shù)據(jù)通信在地空中的應(yīng)用將持續(xù)增長(zhǎng)，并在未來(lái)成為地空通信的主要手段，地空之間交換的信息也更加豐富。語(yǔ)音通信作為輔助和應(yīng)急通信使用，并完成數(shù)據(jù)化的轉(zhuǎn)變。因此，在地空通信領(lǐng)域值得關(guān)注的通信技術(shù)包括：1）VDL模式2——是國(guó)際民航組織推薦的航空電信網(wǎng)主要的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，是ATN標(biāo)準(zhǔn)的一部分。它使用了數(shù)字電臺(tái)，采用了D8PSK調(diào)制方式，信息傳輸率可達(dá)31.5Kbps，相比目前使用的數(shù)據(jù)鏈有了大幅度的提高。根據(jù)國(guó)際民航組織的通信技術(shù)路線圖，VDL模式2技術(shù)是近期和中期(當(dāng)前～2028年)在大陸區(qū)域使用的主要數(shù)據(jù)鏈，支持ATN基線1和基線2中所定義的通信服務(wù)。2）L-DCAS——是正在研究中的未來(lái)用于終端區(qū)和大陸區(qū)域航路上的地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。L-DACS使用L波段，將能夠提供更高的通信速率，覆蓋范圍大(約400km)，支持航空器高速移動(dòng)(1080km/h)通信。目前，L-DCAS技術(shù)仍在研究中，沒(méi)有確定最終的方案。相關(guān)的機(jī)構(gòu)正在對(duì)兩種候選方案進(jìn)行最后的評(píng)估：一種被稱為L(zhǎng)-DCAS1，源于IEEE802.16；另一種被稱為L(zhǎng)-DCAS2，參考了廣泛應(yīng)用的GSM移動(dòng)通信技術(shù)。3）IEEE802.16e——是未來(lái)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面通信的首選無(wú)線通信技術(shù)，可在機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)提供高速數(shù)據(jù)通信，使用C波段。IEEE802.16e是移動(dòng)寬帶無(wú)線接入的標(biāo)準(zhǔn)，支持較高速度的移動(dòng)目標(biāo)(通常認(rèn)為可以達(dá)到120km/h)；支持寬帶接入，系統(tǒng)在不同的載波帶寬和調(diào)制方式下可以獲得不同的接入速率，其帶寬可達(dá)20-70Mbps，覆蓋范圍單基站在1-3km�；贗EEE802.16e的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面通信系統(tǒng)被稱為航空移動(dòng)機(jī)場(chǎng)通信系統(tǒng)(AeroMACS)，目前技術(shù)工作已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。4）IPv6——是IP協(xié)議的第6版本。IPv6在地址空間、安全性和移動(dòng)通信支持方面對(duì)原有協(xié)議進(jìn)行了增強(qiáng)和改進(jìn)。國(guó)際民航組織將IP技術(shù)作為地面網(wǎng)絡(luò)通信的主用技術(shù)，IPv6在中遠(yuǎn)期將得到廣泛的應(yīng)用。目前，IPv6已經(jīng)被國(guó)際民航組織納入ATN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議在ATN中使用。除地面網(wǎng)絡(luò)之外，IP技術(shù)將來(lái)也有望應(yīng)用到地空網(wǎng)絡(luò)，并作為地面網(wǎng)絡(luò)和地空網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)技術(shù)使用。5）VoIP——是將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化，以數(shù)據(jù)包的形式在IP網(wǎng)絡(luò)上做實(shí)時(shí)傳遞。VoIP最大的優(yōu)勢(shì)是能利用IP互連的環(huán)境，提供成本較低、類型更豐富的服務(wù)。在航空通信環(huán)境中，在傳輸能力較好的地面廣域網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)中使用VoIP技術(shù)傳輸語(yǔ)音的相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)工作正在進(jìn)行。6）其他——在偏遠(yuǎn)地區(qū)和洋區(qū)，數(shù)據(jù)通信也將逐步取代HF語(yǔ)音通信和基于衛(wèi)星的語(yǔ)音通信。ATN將支持HF數(shù)據(jù)鏈。面向中遠(yuǎn)期應(yīng)用，下一代衛(wèi)星通信技術(shù)及相關(guān)的數(shù)據(jù)鏈也在研究之中。國(guó)際民航組織希望用衛(wèi)星技術(shù)作為未來(lái)偏遠(yuǎn)地區(qū)和洋區(qū)的主要通信手段，但衛(wèi)星通信的高成本和下一代衛(wèi)星通信技術(shù)的不確定性，使得此方案需要更加深入的研究和綜合考量。此外，地空數(shù)字化語(yǔ)音通信技術(shù)，也值得關(guān)注。雖然地空數(shù)據(jù)通信的比重將不斷增加，但語(yǔ)音通信還會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)保留。一些數(shù)據(jù)化的語(yǔ)音傳輸有關(guān)的前期研究工作已經(jīng)啟動(dòng)。綜上所述，在民用航空業(yè)務(wù)飛速增長(zhǎng)的環(huán)境下，由傳統(tǒng)技術(shù)組成的航空通信系統(tǒng)的運(yùn)行能力已經(jīng)趨于飽和。當(dāng)今在空中航行系統(tǒng)運(yùn)行方式正面臨轉(zhuǎn)變的形勢(shì)下，航空通信系統(tǒng)將利用新技術(shù)，為新航行系統(tǒng)提供更可靠和更豐富的通信服務(wù)。

作者：郭靜單位：民航局空管辦

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