现行民用航空通信系统

第2章现行民用航空通信系统第2章现行民用航空通信系统2.1HF空地通信系统2.2VHF空地通信系统2.3SATCOM空地通信系统2.4SSR空地通信系统2.5航空情报通信系统第2章现行民用航空通信系统空中交通管理的发展第一阶段：在20世纪30年代以前，飞行距离近，只需按照目视原则制订目视飞行规则；旗、信号灯第二阶段：在1934~1945期间，飞行速度达到300km/s，装备无线电通信设备和导航设备，实现了程序管制；第三阶段：在1945至20世纪80年代期间，航空技术飞跃发展，成立了ICAO，出现了SSR和ILS。采用了雷达管制技术，降低了天气对飞行的影响；第2章现行民用航空通信系统第四阶段：从20世纪80年代后开始，电子技术飞跃发展，计算机在机载设备和空管地面设备上广泛应用，以及卫星通信在管制系统中的应用。空中交通管理（ATM）的概念被提出S模式二次雷达出现（S-SSR）ICAO组织了对FANS的研究和规划，后改称新航行系统（CNS/ATM）。空中交通管理的发展第2章现行民用航空通信系统空中交通管制的主要任务是对飞行器从起飞到着陆的全过程进行管理和控制，维护空中交通秩序，减少飞行时间，提高空域利用率，确保飞行安全。按照管制范围的不同，空中交通管制可分为三个部分，即机场管制、进近管制和区域管制。按照管制手段的不同，空中交通管制可分为两个部分，即程序管制和雷达管制。空中交通管制的分类第2章现行民用航空通信系统所谓现行通信系统是指那些在ICAO制定并通过CNS／ATM方案之前已有的空地通信系统，包括：1、在终端附近，使用甚高频（VHF）空地通信系统，主要是话音通信2、由于认识到数据通信的优越性，世界上许多地区已采用了一种面向字符的VHF数据通信系统－飞机通信选址报告系统（ACARS）空中交通管理系统—现行通信系统第2章现行民用航空通信系统3、超出视线传播范围的海洋和边远陆地上空，则使用短波（HF）空地通信系统4、作为VHF和HF通信系统必要补充的卫星空地通信系统（SATCOM）5、雷达监视（包括一次雷达、二次雷达）也是一种可选的通信方式空中交通管理系统—通信系统第2章现行民用航空通信系统空中交通管制系统组成框图2-1空中交通管理系统—现行通信系统第2章现行民用航空通信系统空中交通管制系统子网成份：所谓现行通信系统是指那些在ICAO制定并通过CNS／ATM方案之前已有的空地通信系统，包括：在终端附近，使用甚高频（VHF）空地通信系统，主要是话音通信。由于认识到数据通信的优越性，世界上许多地区已采用了一种面向字符的VHF数据通信系统－飞机通信选址报告系统（ACARS）空中交通管理系统—现行通信系统第2章现行民用航空通信系统超出视线传播范围的海洋和边远陆地上空，则使用短波（HF）空地通信系统。雷达监视（包括一次雷达、二次雷达）也是一种通信方式。中国民航C波段卫星通信网络成为空中交通管制、电报、气象、雷达联网及VHF遥控系统的主要传输手段。空中交通管理系统—现行通信系统第2章现行民用航空通信系统全球地空数据链分布情况全球地空数据链分布情况第2章现行民用航空通信系统短波通信是指利用波长为100m~10m（频率为3MHz~30MHz）的电磁波进行无线电通信。实际上，通常把中波的高频段（1.5MHz~3MHz）也归到短波波段，所以现有的许多短波通信设备，其波段范围往往扩展到1.5MHz~30MHz。短波通信也称为高频（HF）无线电通信。2.1HF空地通信系统第2章现行民用航空通信系统HF空地通信系统高频（HF）无线电通信被广泛地应用于政府、军事、外交、气象、通信、导航和商业等部门，用以传递语言、文字、图像和数据等信息。尤其是在军事部门，它始终是军事指挥远距离通信的重要手段之一。第2章现行民用航空通信系统HF无线电波主要靠电离层反射（天波）传播，也可以和长、中波一样靠地波进行短距离传播。每一种传播形式都具有各自的频率范围和传播距离。当采用合适的通信设备时，都可以获得满意的信息传输。1、地波传播形式利用地波传播形式的频率范围大约是1.5MHz~5MHz。为了适应地波传播，通常采用各种形式的辐射垂直极化天线。HF空地通信系统—传输特性第2章现行民用航空通信系统地波的衰减随频率变化如图2-2所示。从图2-2可以看到，由于地波的衰减随着频率的升高而增大，故即使用1000W的发射机，陆上传播距离也仅为100km左右。HF空地通信系统—传输特性10-15105010050010001001011021031041051060.15MHz0.5MHz1MHz5MHz10MHzd(km)场强(μV/m)发射功率1kW短垂直天线图2-2地波传播时不同频率的场强-距离曲线第2章现行民用航空通信系统所以这种传播形式不宜用做无线电广播或者远距离通信。此外传播距离还和传播路径上媒介的电参数密切相关。沿海面传播的距离远远超过陆地的传播距离。2、天波传播形式一般情况下，对于短波通信链路，天波传播较地波传播更有意义。这不仅因为天波可进行远距离传播，可以超越丘陵地带，还因为可以在地波传播无效的很短距离内建立无线电通信链路。HF空地通信系统—传输特性第2章现行民用航空通信系统HF的地波传播损耗随频率的升高而增大，不宜作长距离通信。在距离超过200公里时，电波传播主要取决于天波。天波依靠电离层对电波的反射，可建立几千公里的远距离通信线路。因此，早期民航空地远距离通信主要采用这个方法。为此我们必须先讨论天波传播的媒介—电离层。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统电离层的结构和电特性电离层是围绕地球上空的一个区域，在该区域中，稀薄的空气在太阳紫外线作用下被充分电离，它可反射或吸收无线电波，而这种作用的大小与电子密度密切相关。通常将电离层又分为D，E和F等三层，这些导电层对HF传播具有重要的影响。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统D层：是昀低层，距离地面高度为60~90km。它在白天太阳照射下方才形成，夜间消失。D层不足以反射短波，但都给穿透D层的电磁波以较大的吸收损耗。所以D层又称为吸收层。随着频率的降低，吸收损耗加大，当工作频率低于其一“昀低可用频率”时，过大的吸收损耗（同时较低频段干扰也较大）将使通信中断。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统在白天D层决定了HF通信的距离，以及为获得良好的传输所必需的发射功率和天线增益。昀近研究表明，白天有可能反射频率为2MHz~5MHz的HF电磁波。在1000km距离的信道实验中，通过测量得到的衰减值和计算值相比是一致的。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统E层：高度为100~120km，昀大离子密度发生在110km处，白天基本不变。通常通信链路设计和计算都以110km作为E层高度。与D层一样，在太阳照射下形成E层。能对短波起反射作用。但E层夜间近于消失，失去对短波的反射作用。在电离开始后，E层可以反射高于1.5MHz频率的电磁波。Es层：成为偶发E层。偶尔发生在120km高度处的电离层。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统F层：对HF有良好的反射作用，也称反射层。它对HF远距离传播起重要作用。与其他电离层相比，具有昀高的高度，允许传播昀远的距离。F层又分为F1和F2层，F1层高度为170~220km，电密度较F2层低，夜晚明显减弱；F2层高度在225~450km左右，夜间虽不完全消失，但电子密度较白天降低一个量级，保持了对HF的反射作用。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统图2-3示出了非骚扰条件下，电离层各层的高度和电子密度的典型值。从图中可以看出，白天存在有D、E、F1和F2层。从七、八十公里的D层开始，随着高度的增加，电子密度将迅速增加，电子密度继续增加（达到F1、F2层），反射能力更强。HF空地通信系统—电离层10910101011101210135004003002001000h(km)图2-3电离层各层的高度与电子密度关系曲线F1午夜中午F2DEF2第2章现行民用航空通信系统HF空地通信系统—电离层但在夜晚（见“午夜”曲线），D、E和F1层消失，F2层的电子密度也减少一个量级，但仍能对短波起反射作用。此外，从图上还可以看出，夜晚F2层（电子密度昀大处）的高度也有所下降。他们的高度在不同季节和在一天内的不同时刻是不同的。对于F2层，其高度在冬季的白天昀低，在夏天的白天昀高。第2章现行民用航空通信系统F2层和其他高度层不同，在日落以后没有完全消失，仍保持剩余的电离，其原因可能是在夜间F2层和低电子密度复合的速度减慢，而且粒子辐射仍然存在。虽然夜间F2层的电子密度较白天降低了一个数量级，但仍足以反射HF某一频段的电磁波。当然夜间能反射的频率远低于白天。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统因此可见，若要保持昼夜HF通信，其工作频率必须昼夜更换，而且一般情况下夜间工作频率远低于白天工作频率。这是因为高的频率能穿过低电子密度的电离层，只有高电子密度的电离层可以反射。所以若昼夜不改变工作频率（例如夜间仍使用白天的工作频率），其结果有可能使电磁波穿出电离层，造成通信中断。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统由于太阳辐射是不规则的，所以电离层的电子密度和高度将随季节，一天中的不同时刻，以数太阳黑子活跃性有较大的变化。此外，太阳黑子常出现耀斑暴发，将引起电离层的强烈的短时间骚动。这些都造成短波通信的不稳定，不可靠。HF空地通信系统—电离层第2章现行民用航空通信系统1、昀高可用频率（MUF）是指在实际通信中，能被电离层反射回地面的电磁波的昀高频率。若选用的工作频率超过它，则电磁波穿出电离层，不再返回地面。所以确定通信线路的MUF是线路设计要确定的重要参数之一，而且是计算其它参数的基础。远距离通信中，电磁波都是斜射至电离层。HF空地通信系统—基本特性第2章现行民用航空通信系统若令此时昀大反射频率为fob，则在已知通信线路长度和反射点高度的情况下，式中，fυ—电磁波垂直投射时的昀高反射频率，也称临界频率；φ—电磁波斜射至电离层的入射角；d—通信线路的长度；h′—电磁波反射点处电离层的虚高。HF空地通信系统—基本特性2'21sec⎟⎠⎞⎜⎝⎛+==hdffobφυ（2-1）第2章现行民用航空通信系统若给定通信线路的距离为2000km，在不同斜射频率下（即以fob为参数），按照式（2-1）计算，可得到一组fυ~h′曲线（如图2-4所示的实线）。在给定的通信线路测量，可以得到该线路的频高图，即实测的fυ~h′曲线（如图2-4所示的虚线）。HF空地通信系统—基本特性8006004002000h’(km)图2-4给定频率可能存在的传播路径24681012fob=10121416182022BF11231'2'F2fv(MHz)第2章现行民用航空通信系统从图中可以看到，这两条曲线有许多交点，所有这些交点表示在给定的斜射频率上可能存在的传播路径。例如为fob=14MHz，对F2层来讲，可能存在两条传播路径，它们的反射点在图2-4上分别标为1和1′。反射点1的高度为380km，另一点1′的高度为680km。通过反射点1反射到达接收端的信号比反射点1′反射来的信号强，这是因为这两条传播路径受到的衰减不同。HF空地通信系统—基本特性第2章现行民用航空通信系统反射点1′通过的路径除了由于通过D、E和F层遭到衰减外，和反射点1通过的路径相比，在F2层内传播了更长的距离，因而多了一定的附加衰减。若fob=18MHz，仍然存在两个反射点和两条传播路径，反射高度分别为340km和460km。与此斜射频率相应的fυ~h′曲线和频高图中的E、F1层曲线不存在交点。HF空地通信系统—基本特性第2章现行民用航空通信系统这表明fob=18MHz时，电磁波已不可能利用F1层和E层反射，而只是穿过它们，然后由F2层反射。同样的道理，2点反射在接收端的信号较2′点反射的强，但由于两者的反射高度相差不太大，所以其场强差别将小于fob=14MHz时的情况。从图2-4可以看出，继续升