· 文|北京空間飛行器總體設(shè)計部 王鑄

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)想

· 文|北京空間飛行器總體設(shè)計部 王鑄

介紹了衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)的原理以及國外發(fā)展情況、提出了中國衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)的方案設(shè)想以及面臨的問題。

衛(wèi)星 航空管制

空中交通管制（簡稱航空管制）是國家交通運(yùn)輸事業(yè)的重要組成部分，是保障國家領(lǐng)空安全和航空事業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)?？罩薪煌ü苤埔呀?jīng)經(jīng)歷了三代：程序管制、雷達(dá)管制和衛(wèi)星航空管制，目前世界上普遍應(yīng)用的是雷達(dá)管制，只有日本等國采用了第三代航空管制——衛(wèi)星航空管制。近年中國民航已加強(qiáng)了雷達(dá)、通信、導(dǎo)航設(shè)施的建設(shè)，在主要航路、區(qū)域已實行先進(jìn)的雷達(dá)管制。

但隨著航空業(yè)的發(fā)展，航空飛行越來越多。據(jù)統(tǒng)計，從2000年到2005年中國民航運(yùn)輸量以每年10%～15%速度遞增。目前有些地區(qū),例如北京,航空飛行急劇增加，飛行間隔已縮短到幾分鐘，現(xiàn)有的雷達(dá)管制技術(shù)已很難滿足要求，必須尋找新技術(shù)、新手段，以靜止軌道通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星為基礎(chǔ)的衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)可以滿足這一需求。

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)是基于衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，從航空通信、飛行導(dǎo)航和飛行監(jiān)控等幾個方面提供全方位的服務(wù)，極大提高了航空管理能力，是未來國際航空管理新方式。日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)（MSAS）已經(jīng)提供了一個很好的先例和典范。特別是隨著低空通用航空領(lǐng)域的開放，衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)將體現(xiàn)出其他航空管制方式不能企及的優(yōu)勢，是中國未來航空管理發(fā)展的必由之路。

一、國外航空管制衛(wèi)星情況

目前美國、歐洲、日本和印度都在大力發(fā)展基于衛(wèi)星技術(shù)的第三代航空交通管理系統(tǒng)。美國正在研究下一代空中交通管制系統(tǒng)（NEXTGEN），歐洲已經(jīng)啟動歐洲空域一體化交通管制研究（SESAR）。日本空中交通管理系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。2008年9月11日印度政府批準(zhǔn)了星基導(dǎo)航系統(tǒng)——靜止軌道增強(qiáng)導(dǎo)航（GAGAN）系統(tǒng)，該系統(tǒng)將滿足日益增長的空中交通導(dǎo)航的需要，加強(qiáng)航空導(dǎo)航能力。

1. 日本衛(wèi)星航空管和系統(tǒng)研制情況

日本是最早開始研究衛(wèi)星航空管制的國家。從1991年開始日本就開始進(jìn)行以多功能運(yùn)輸衛(wèi)星（MTSAT）為對象的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研究，也就是MSAS。MSAS計劃利用MTSAT衛(wèi)星，將處理好的數(shù)據(jù)廣播出去，為空中飛行器提供導(dǎo)航和通信服務(wù)。MSAS采用雙星覆蓋的手段以提高整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。MSAS不僅可以為日本的飛機(jī)提供導(dǎo)航，還可以為在其覆蓋區(qū)內(nèi)的其他國家的飛機(jī)提供導(dǎo)航服務(wù)。

1991年日本民用航空組織批準(zhǔn)了空中航行系統(tǒng)（FANS）計劃，開始衛(wèi)星空管系統(tǒng)的研究。1993年日本電子導(dǎo)航研究所開始“全球?qū)Ш较到y(tǒng)”研究。1994年第一顆MTSAT衛(wèi)星計劃正式啟動。1995年MSAS計劃啟動。1999年日本發(fā)射MTSAT-1時由于運(yùn)載火箭事故發(fā)射失敗。2001年日本空中管理系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開始建設(shè)。2004年日本發(fā)射了MSTSAT-1R（圖1），衛(wèi)星空管系統(tǒng)正式投入使用。2005年日本發(fā)射MTSAT-2，實現(xiàn)了雙星覆蓋，并擴(kuò)大了覆蓋范圍。

>> 圖1 MTSAT-1R衛(wèi)星

MSAS是星基GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，類似美國的廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）。MSAS系統(tǒng)包括2個主控站（MCS）、4個地面監(jiān)測站（GMS）、4個測距監(jiān)測站（MRS）。系統(tǒng)示意見圖2。

系統(tǒng)覆蓋日本所有飛行服務(wù)區(qū)（見圖3），也為亞太地區(qū)的機(jī)動用戶播發(fā)氣象數(shù)據(jù)信息。

>> 圖2 MSAS系統(tǒng)示意圖

>> 圖3 MSAS服務(wù)覆蓋圖

2. 美國衛(wèi)星空管系統(tǒng)研制情況

美國正在研究的新一代空中系統(tǒng)（NextGen）是基于WAAS的。WAAS是美國聯(lián)邦航空局（FAA）及美國交通部為了提高飛機(jī)的飛行定位精度而開發(fā)的一套GPS配套輔助系統(tǒng)，用來提高GPS定位的精度。

FAA表示，NextGen是實現(xiàn)未來全球航空系統(tǒng)集成的關(guān)鍵因素。它基于廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），將空中交通管理由地面轉(zhuǎn)到空中。從20世紀(jì)90年代后期開始, 裝備ADS-B的飛機(jī)開始實施FAA在阿拉斯加進(jìn)行的測試，與不裝備ADS-B的飛機(jī)相比，通用航空和商業(yè)飛行的事故率下降了40%?？展軐崿F(xiàn)從基于指令到基于航跡的轉(zhuǎn)變；持續(xù)下降進(jìn)場（CDA）使飛機(jī)能夠從較高高度以近似“慢車”狀態(tài)開始下降。CDA是一個雙贏戰(zhàn)略，在降噪、減排、減少燃油消耗和節(jié)約飛行時間方面，使環(huán)境和運(yùn)行同時受益。

FAA在2002年9月發(fā)布的《導(dǎo)航與精密進(jìn)近策略》中強(qiáng)調(diào)，WAAS是未來區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）的基石。2006年，F(xiàn)AA規(guī)劃出導(dǎo)航技術(shù)路線圖，該路線圖明確指出，WAAS是引導(dǎo)飛行器著陸的重要組成部分，滿足CATⅠ（水平精度：16m，垂直精度：5m）精度進(jìn)近，并具有垂直方法引導(dǎo)能力。WAAS在航空飛行階段和著陸進(jìn)近階段發(fā)揮的作用包括：①減少在末端飛行階段受地形和建筑物影響的不確定因素，提高完好性；②增加滿足CATⅠ精密進(jìn)近的機(jī)場跑道數(shù)量；③相對于GPS，提高增強(qiáng)的RNAV導(dǎo)航能力。

3. 歐洲衛(wèi)星空管系統(tǒng)研制情況

歐盟委員會在2004年發(fā)起新一代歐洲空中管制系統(tǒng)（SESAR）。SESAR鼓勵空中導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化，使之更加安全、可靠。例如，使用新的數(shù)字和語音通信技術(shù)、利用新的特殊機(jī)載系統(tǒng)計算飛機(jī)到地面距離以及對于顛簸氣流的探測等。SESAR將成為歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的首批實際用戶。

2005年11月17日歐盟啟動了SESAR歐洲工業(yè)項目。SESAR意圖在歐洲裝備世界上效率最高、最可靠、也最具競爭力的航空管制基礎(chǔ)設(shè)施。作為歐洲繼伽利略項目之后最重要的高科技項目，整個SESAR的投資將達(dá)500億歐元，可以將每一航班次的溫室氣體排放量降低4%～10%（視機(jī)型而定）。此外，SESAR還可以將航空管制的基礎(chǔ)設(shè)施能力整個提高3倍，將航空管制安全性能提高10倍，而且將各航空公司所負(fù)擔(dān)的航空交通管制費用降低一半。

整個SESAR項目分為三個階段：①定義階段（2005—2007年）專門為此階段成立的項目聯(lián)合體，由多家航空公司、機(jī)場以及空中服務(wù)及人員提供商組成，其主要工作目標(biāo)是在2年內(nèi)為項目制定路線圖，其中包括對于將要采用的技術(shù)的選擇以及整個項目的組織框架；②開發(fā)階段（2008—2013年）的工作主要包括開發(fā)路線圖中所確定的關(guān)鍵技術(shù)等，由歐盟、歐洲空中導(dǎo)航安全組織和工業(yè)界研究，費用為每年3億歐元；③第三階段是部署階段（2014—2020年）主要是系統(tǒng)的實際應(yīng)用實施。

4.其他國家衛(wèi)星空管系統(tǒng)研制情況

印度政府在2008年9月11日批準(zhǔn)了星基導(dǎo)航系統(tǒng)——GAGAN。該系統(tǒng)將滿足日益增長的空中交通導(dǎo)航的需要，加強(qiáng)航空導(dǎo)航能力。此系統(tǒng)投入使用后，印度將成為第4個擁有星基導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。印度機(jī)場管理局（AAI）和印度太空研究組織（ISRO）在FAA的幫助下研制該導(dǎo)航系統(tǒng)。AAI負(fù)責(zé)建造地面基礎(chǔ)設(shè)施，包括基站、上行鏈路地面站和主控中心。

二、衛(wèi)星航空管制的原理

1. 衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)的原理

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)是利用地面控制站接收導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并據(jù)此計算出導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道偏移量、原子鐘誤差，以及由大氣層及電離層所造成的信號延遲時間，提高衛(wèi)星導(dǎo)航的精度。經(jīng)過處理得到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以達(dá)到國際航空針對精確飛行導(dǎo)航所設(shè)定的要求，再將信息處理、匯總后上傳到空管衛(wèi)星，經(jīng)由空管衛(wèi)星廣播出去，從而可以實現(xiàn)飛機(jī)的導(dǎo)航、管制，同時提供航空通信、氣象等服務(wù)。衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)的工作可以分為四個階段。

（1）地面基站接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號

每個地面基站都已知其準(zhǔn)確的地理位置，通過接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，計算出導(dǎo)航信號中的誤差（圖4）。

>>圖4 地面站收集信息

（2）基站向主控站傳輸GPS誤差數(shù)據(jù)

地面基站（WRS）收集的GPS信息，通過地面的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺卣荆╓MS），主控站生成導(dǎo)航增強(qiáng)信息。這些信息包含了GPS接收機(jī)中減少GPS信號誤差的信息，使GPS接收機(jī)大大改善了定位精度和可靠性。

（3）導(dǎo)航增強(qiáng)信息上傳

增強(qiáng)信息由系統(tǒng)主控站傳輸、上傳站調(diào)制成導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并上傳到空管衛(wèi)星（圖5）。

>> 圖5 增強(qiáng)導(dǎo)航信息上傳

（4）廣播增強(qiáng)導(dǎo)航信息

空管衛(wèi)星向地面廣播有增強(qiáng)信息的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，飛機(jī)接收機(jī)接收導(dǎo)航增強(qiáng)信號，進(jìn)行導(dǎo)航誤差數(shù)據(jù)修正，得到更加精確的定位。同時也能給飛機(jī)導(dǎo)航接收機(jī)提供GPS系統(tǒng)誤差或其他不良影響的信息，其也有嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)存在危險的誤導(dǎo)信息時，WAAS能在6s內(nèi)發(fā)布給用戶（圖6）。

>> 圖6 廣播增強(qiáng)導(dǎo)航信息

2. 衛(wèi)星航空管制的意義

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)可以極大提高管理效率，增加航空能力、提高飛行的效率，尤其是對低空通用航空的支持。采用衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)可以將現(xiàn)有空域管控高度由600m減少到300m，可以大大縮小航空器之間最小間隔；最小間隔越小，單位空域的有效利用率越大，可增加飛行架次容量，也有利于提高飛行航班正常率。

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)利用衛(wèi)星站得高、覆蓋廣的優(yōu)勢，對整個空域進(jìn)行全面監(jiān)視，避免了地面雷達(dá)受地形、地勢影響，可以提高飛行安全率。

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)可以實時監(jiān)測航空器的飛行，并對全空域進(jìn)行監(jiān)測，動態(tài)管理和規(guī)劃飛行程序和飛行計劃，有利于空域的利用，提高飛行器的效益和航班正常率。

三、中國衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)設(shè)想

1.中國衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)的構(gòu)成

中國衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)由地面運(yùn)行控制系統(tǒng)、空間段衛(wèi)星系統(tǒng)和應(yīng)用終端組成，如圖7所示。運(yùn)控段由運(yùn)行主控站、地面信息處理站、地面監(jiān)測站等組成，主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星運(yùn)行控制、航管信息處理、以及整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)的運(yùn)行管理和測控；空間段主要由裝有通信載荷的衛(wèi)星組成；地面終端包括用于航空監(jiān)視、航空導(dǎo)航以及通信和航空信息數(shù)據(jù)服務(wù)接收終端。

空間段由1至3顆GEO空管衛(wèi)星組成，提供衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)廣播導(dǎo)航差分信號、衛(wèi)星監(jiān)視通信，轉(zhuǎn)發(fā)飛行服務(wù)數(shù)據(jù)以及地面固定通信的物理信道連接。衛(wèi)星受地面段主控站的控制，衛(wèi)星波束覆蓋中國本土及周邊海域。

地面段即地面信息處理及運(yùn)行管理系統(tǒng)、主要包括主控站（MCS）、地面監(jiān)測站（GMS）、測距監(jiān)測站（MRS）和地面信息處理站等部分。為了改善計算結(jié)果的精度和完好性監(jiān)測，一般參考站個數(shù)不低于4～6 個。 該段設(shè)備主要由航空交通的管理者負(fù)責(zé)管理。負(fù)責(zé)對全網(wǎng)資源和業(yè)務(wù)流量等的分配和管理，同時要負(fù)責(zé)衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)測量、衛(wèi)星參數(shù)監(jiān)測以及在軌控制等功能，是整個系統(tǒng)的核心部分。

用戶段則包括了各種類型的衛(wèi)星通信終端、用戶信息接收、應(yīng)答裝置。系統(tǒng)可支持終端到終端以及終端和地面網(wǎng)用戶之間的通信，并提供話音和多媒體數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。

>> 圖7 衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)想

2.主要功能

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)可以提供航空導(dǎo)航、航空監(jiān)視、航空通信、航空管理、地面固定通信等功能。

（1）航空導(dǎo)航

差分信號廣播，用于衛(wèi)星導(dǎo)航。L頻段為下行鏈路，C頻段為上行鏈路。

（2）航空監(jiān)視

航空飛行器到衛(wèi)星以及衛(wèi)星到地面間的通信鏈路，用于航空器管理的通信、管理和調(diào)度。L頻段為下行鏈路，C頻段為上行鏈路。

（3）航空信息服務(wù)

衛(wèi)星到航空飛行器間數(shù)據(jù)通信鏈路，為飛行器提供氣象、飛行信息數(shù)據(jù)服務(wù)以及航空乘客通信服務(wù)。Ku頻段為下行、上行鏈路。

（4）航空管理

航空地面中心間的固定通信，用于航空數(shù)據(jù)處理、管制固定通信。Ku頻段為下行、上行鏈路（圖8）。

>> 圖8 通信業(yè)務(wù)劃分

四、中國衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)面臨的問題

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)是一項龐大的系統(tǒng)工程，涉及面廣、技術(shù)復(fù)雜。

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)是由空間段、地面控制段和用戶段組成的大系統(tǒng)，是目前運(yùn)行的最大的航天系統(tǒng)之一。其關(guān)鍵技術(shù)更是涉及航天、航空管制、地面應(yīng)用等眾多領(lǐng)域，此外還涉及管制體制和法律法規(guī)等多方面。工程龐大、技術(shù)復(fù)雜、涉及面多。發(fā)展、維持一個衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)需要多方面的支持，運(yùn)行、維持，衛(wèi)星能力的升級、研發(fā)，地面控制段的運(yùn)行與升級都需要投入。衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行、維持、發(fā)展對中國的系統(tǒng)工程能力是一個巨大的挑戰(zhàn)。

衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)不可避免地會與現(xiàn)有的空中管制系統(tǒng)出現(xiàn)替代，如何平穩(wěn)過渡和融合現(xiàn)有的航空管制系統(tǒng)將是一個巨大的問題。這就要求盡可能完善導(dǎo)航信號的設(shè)計與試驗工作，避免或?qū)⑾嗷ジ蓴_減小到可以接受的程度，在不降低現(xiàn)行航行系統(tǒng)安全性、可靠性的前提下，逐步采用成熟的先進(jìn)技術(shù)，建成適應(yīng)航空事業(yè)未來發(fā)展需要的空中交通管理系統(tǒng)。

必須預(yù)見到衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)發(fā)展過程中將遇到的困難，做到系統(tǒng)規(guī)劃、頂層設(shè)計、政策扶持，推動市場的發(fā)展，充分發(fā)揮衛(wèi)星航空管制系統(tǒng)在國家安全、軍隊建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的促進(jìn)作用。

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