空間衛星系統對ATM的改善

時間：2025-11-20 22:39:52 物理學畢業論文

空間衛星系統對ATM的改善

　　空間衛星系統對ATM的改善

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

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

　　關鍵詞：ATM 衛星通信 GPS 衛星導航 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)系統的管理。

　　隨著航空運輸業的迅猛發展和其他專業飛行的增多，在航線密集區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。

　　幸好形勢在發生變化，由于星基通信和數據網絡聯結，一場開辟空中交通管理(ATM)的革命已經來臨。

　　這些ATM方面的改革基于在空間開發的國際海事衛星(INMARSAT)、全球定位系統(GPS)和全球導航衛星系統(GLONASS)等三個不同衛星網絡的使用上。

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

　　一、衛星通信對ATM的改善

　　國際海事衛星組織于1976年成立，至今已穩定運行20余年。

　　它所使用的12顆同步高軌道衛星為數十萬個陸上和海上的用戶提供服務。

　　M4使用海事衛星組織的衛星進行語音和數據傳輸的。

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

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

　　這四大洋區覆蓋了全球98%的地方(南極點和北極點500公里以內衛星無法覆蓋)。

　　利用國際海事衛星開發的低速數據衛星通信系統(SAT9O0，由Collins商用航空電子公司開發)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，低速數據衛星通信系統能在每秒鐘內接收或發射300～600 bit的數據信息，用于飛機通信定位和報告系統(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、性能和通信數據，可以直接地進行飛行員和管制員的聯絡，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由衛星傳送信號，不斷地向VHF臺發射并送到航路上的飛機計算機系統，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內做到以經緯度形式報告一次飛機位置)。

　　低速數據衛星系統還能用于自動相關監視(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。

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

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

　　對ADS功能應用的試驗在飛機數量、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略模式，而且能改善現行的擁擠空間;同時還能改變現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，以期全部系統都取得合格證。

　　二、GPS/GLONASS(GNSS)組合對ATM的改善

　　1.全球定位系統簡介

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

　　GPS計劃是由美國國防部發起研制，這是一項規模宏大的戰略計劃，是一種可向民用開放的軍事系統。

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

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

　　2.GPS系統在飛行中的應用

　　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星導航信號，從中提取衛星星歷.測距后結臺其它數據解算用戶位置，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處理對信號的跟蹤、鎖定、測量，提供計算位置的數據信息，根據需要設計1—12個通道儲單元將實時定位的各種數據、原始觀測值以及計算結果存儲起來;控制顯示單元用于完成自檢;根據采集到的衛星星歷和偽距觀測值，計算用戶的三維坐標和速度：實現人機對話，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系統的應用前景當初，設計GPS系統的主要目的是用于導航，收集情報等軍事目的。

　　但是，后來的應用開發表明，GPS系統不僅能夠達到上述目的，而且用GPS衛星發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相對定位，米級至亞米級精度的動態定位，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系統展現了極其廣闊的應用前景。

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