空間衛(wèi)星系統(tǒng)對ATM的改善

時間：2022-10-05 18:26:55 物理學畢業(yè)論文我要投稿

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　　空間衛(wèi)星系統(tǒng)對ATM的改善

　　摘要：ATM是當前國際民航著力研究開發(fā)并逐步投入應用的星基通信(C)、導航(N)、監(jiān)視)(S)等空中交通管理(ATM)系統(tǒng)。

　　應用INMARSAT、GPS、GLONASS等空間衛(wèi)星系統(tǒng)的有關特性，探討改善空中交通管理(ATM)的途徑。

　　關鍵詞：ATM 衛(wèi)星通信 GPS 衛(wèi)星導航 ADS

　　無論是通用航空飛行，還是航線運輸飛行，幾乎所有飛行員操縱飛機都須依賴于空中交通管制(ATC)系統(tǒng)的管理。

　　隨著航空運輸業(yè)的迅猛發(fā)展和其他專業(yè)飛行的增多，在航線密集區(qū)或飛機流量較大等情況下，空中的飛機就象高峰時期的快車道一樣，再使用這種系統(tǒng)就顯得有些無能為力了。

　　因此，探求其他更為高效可靠的空中交通管理的途徑，就顯得更加重要了。

　　幸好形勢在發(fā)生變化，由于星基通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)，一場開辟空中交通管理(ATM)的革命已經(jīng)來臨。

　　這些ATM方面的改革基于在空間開發(fā)的國際海事衛(wèi)星(INMARSAT)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)等三個不同衛(wèi)星網(wǎng)絡的使用上。

　　這些以前用于海上航行及空軍飛機導航的系統(tǒng)，目前都先后成功地用于世界民航領域，并發(fā)揮著極大的效能。

　　一、衛(wèi)星通信對ATM的改善

　　國際海事衛(wèi)星組織于1976年成立，至今已穩(wěn)定運行20余年。

　　它所使用的12顆同步高軌道衛(wèi)星為數(shù)十萬個陸上和海上的用戶提供服務。

　　M4使用海事衛(wèi)星組織的衛(wèi)星進行語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

　　海事衛(wèi)星組織共有12顆地球同步高軌道衛(wèi)星，其中4顆主用，每顆主用都有2顆備用衛(wèi)星，確保衛(wèi)星信道在任何情況下暢通。

　　海事組織的4顆主用衛(wèi)星分別覆蓋太平洋、印度洋、大西洋東和大西洋西4大洋區(qū)(在中國地區(qū)可以使用太平洋和印度洋2顆衛(wèi)星)。

　　這四大洋區(qū)覆蓋了全球98%的地方(南極點和北極點500公里以內(nèi)衛(wèi)星無法覆蓋)。

　　利用國際海事衛(wèi)星開發(fā)的低速數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)(SAT9O0，由Collins商用航空電子公司開發(fā))為水上空中交通管制提供了一種嶄新的模式。

　　通過運行試驗表明，低速數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)能在每秒鐘內(nèi)接收或發(fā)射300～600 bit的數(shù)據(jù)信息，用于飛機通信定位和報告系統(tǒng)(ACARS)服務，并能通過機載傳感器來傳輸其他信息，如請求航路或著陸航站的天氣信息和其他導航、性能和通信數(shù)據(jù)，可以直接地進行飛行員和管制員的聯(lián)絡，并改變了以前ACARS必須在飛機處于地面VHF臺的作用范圍時才有效的局面。

　　SAT9O0由衛(wèi)星傳送信號，不斷地向VHF臺發(fā)射并送到航路上的飛機計算機系統(tǒng)，克服了作用范圍存在的不足。

　　而且由于SAT9O0較大的容量，還可用于自動相關監(jiān)視(ADS)模式，從而允許飛機自動向管制部門報告其位置信息，減少了飛行員的干預。

　　同時，與AF無線電話音廣播形式相比，SAT9O0還允許飛機用多種時間方式進行位置報告，而周期卻大大縮短了(可以在5min內(nèi)做到以經(jīng)緯度形式報告一次飛機位置)。

　　低速數(shù)據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)還能用于自動相關監(jiān)視(ADS)，由于啟用了ADS信息的不定時性，因此對減輕飛行員和管制員的工作負荷將具有積極的效力。

　　由于衛(wèi)星通信，飛行員所要干的事情只是在飛機上啟動系統(tǒng)，其位置信息通過衛(wèi)星數(shù)字式地發(fā)送，甚至還可以自動地搜索一個清晰的頻率來進行發(fā)送，從而避免了使用HF話音系統(tǒng)而出現(xiàn)頻率混亂致使飛行員無法報告實時位置的局面。

　　這樣就會產(chǎn)生一種特別適用于跨洋航路飛行的更高效率的ATM系統(tǒng)，這種ATM系統(tǒng)可望在不久的將來運用于世界范圍內(nèi)大量的商用機群并逐漸形成規(guī)模。

　　對ADS功能應用的試驗在飛機數(shù)量、機型以及空域等方面都進行了很多并已獲成功，以此來尋求飛機的最佳巡航戰(zhàn)略模式，而且能改善現(xiàn)行的擁擠空間;同時還能改變現(xiàn)行的飛行員與管制員間的間接話音通信，允許他們之間直接、自動通信.明顯地緩解了位置報告/應答、航路改變請求/許可的緊張局面。

　　ADS品質(zhì)因素好、誤差又小的特點正好滿足了這些愿望。

　　目前，有關部門正尋求其理論上的依據(jù)，以期全部系統(tǒng)都取得合格證。

　　二、GPS/GLONASS(GNSS)組合對ATM的改善

　　1.全球定位系統(tǒng)簡介

　　全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,縮寫GPS)是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，GPS是由空間段(空間衛(wèi)星)、控制段(地面監(jiān)控系統(tǒng))、用戶段(用戶設備)三個部分組成。

　　GPS計劃是由美國國防部發(fā)起研制，這是一項規(guī)模宏大的戰(zhàn)略計劃，是一種可向民用開放的軍事系統(tǒng)。

　　全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統(tǒng)。

　　隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

　　2.GPS系統(tǒng)在飛行中的應用

　　GPS采用無源工作方式，只要具有接收裝置的用戶，都可以進行導航定位。

　　用戶設備包括天線、接收機、微處理機、控制顯示設備等;接收天線單元(目前采用的天線有定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線)和前置放大器;用戶接收機用來接收衛(wèi)星導航信號，從中提取衛(wèi)星星歷.測距后結(jié)臺其它數(shù)據(jù)解算用戶位置，速度，時間，完成導航定位。

　　其中信號通道單元接收來自天線單元的信號經(jīng)處理對信號的跟蹤、鎖定、測量，提供計算位置的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)需要設計1—12個通道儲單元將實時定位的各種數(shù)據(jù)、原始觀測值以及計算結(jié)果存儲起來;控制顯示單元用于完成自檢;根據(jù)采集到的衛(wèi)星星歷和偽距觀測值，計算用戶的三維坐標和速度：實現(xiàn)人機對話，進行自動導航和更新位置。

　　3.GPS在航空導航中的應用

　　GPS接收機在航空中的應用極其廣泛，其使用方式有：作為獨立導航設備和作為傳感器使用。

　　圖1 用戶設備簡化圖

　　(1)GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導航，還可用于測速、測時。

　　測速的精度可達0.1M/S，測時的精度可達幾十毫微秒。

　　其應用領域不斷擴大。

　　GPS系統(tǒng)的應用前景當初，設計GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導航，收集情報等軍事目的。

　　但是，后來的應用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅能夠達到上述目的，而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導航定位信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位，米級至亞米級精度的動態(tài)定位，亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時間測量。

　　因此，GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應用前景。

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