卫星航空管制系统的应用与设想

· 文|北京空间飞行器总体设计部 王铸

卫星航空管制系统的应用与设想

· 文|北京空间飞行器总体设计部 王铸

介绍了卫星航空管制系统的原理以及国外发展情况、提出了中国卫星航空管制系统的方案设想以及面临的问题。

卫星 航空管制

空中交通管制（简称航空管制）是国家交通运输事业的重要组成部分，是保障国家领空安全和航空事业发展的重要基础。空中交通管制已经经历了三代：程序管制、雷达管制和卫星航空管制，目前世界上普遍应用的是雷达管制，只有日本等国采用了第三代航空管制——卫星航空管制。近年中国民航已加强了雷达、通信、导航设施的建设，在主要航路、区域已实行先进的雷达管制。

但随着航空业的发展，航空飞行越来越多。据统计，从2000年到2005年中国民航运输量以每年10%～15%速度递增。目前有些地区,例如北京,航空飞行急剧增加，飞行间隔已缩短到几分钟，现有的雷达管制技术已很难满足要求，必须寻找新技术、新手段，以静止轨道通信卫星、导航卫星为基础的卫星航空管制系统可以满足这一需求。

卫星航空管制系统是基于卫星通信、卫星导航技术，从航空通信、飞行导航和飞行监控等几个方面提供全方位的服务，极大提高了航空管理能力，是未来国际航空管理新方式。日本的多功能卫星增强（MSAS）已经提供了一个很好的先例和典范。特别是随着低空通用航空领域的开放，卫星航空管制系统将体现出其他航空管制方式不能企及的优势，是中国未来航空管理发展的必由之路。

一、国外航空管制卫星情况

目前美国、欧洲、日本和印度都在大力发展基于卫星技术的第三代航空交通管理系统。美国正在研究下一代空中交通管制系统（NEXTGEN），欧洲已经启动欧洲空域一体化交通管制研究（SESAR）。日本空中交通管理系统已经投入使用。2008年9月11日印度政府批准了星基导航系统——静止轨道增强导航（GAGAN）系统，该系统将满足日益增长的空中交通导航的需要，加强航空导航能力。

1. 日本卫星航空管和系统研制情况

日本是最早开始研究卫星航空管制的国家。从1991年开始日本就开始进行以多功能运输卫星（MTSAT）为对象的卫星导航系统研究，也就是MSAS。MSAS计划利用MTSAT卫星，将处理好的数据广播出去，为空中飞行器提供导航和通信服务。MSAS采用双星覆盖的手段以提高整个系统的安全性和可靠性。MSAS不仅可以为日本的飞机提供导航，还可以为在其覆盖区内的其他国家的飞机提供导航服务。

1991年日本民用航空组织批准了空中航行系统（FANS）计划，开始卫星空管系统的研究。1993年日本电子导航研究所开始“全球导航系统”研究。1994年第一颗MTSAT卫星计划正式启动。1995年MSAS计划启动。1999年日本发射MTSAT-1时由于运载火箭事故发射失败。2001年日本空中管理系统地面数据处理系统开始建设。2004年日本发射了MSTSAT-1R（图1），卫星空管系统正式投入使用。2005年日本发射MTSAT-2，实现了双星覆盖，并扩大了覆盖范围。

>> 图1 MTSAT-1R卫星

MSAS是星基GPS增强系统，类似美国的广域差分增强系统（WAAS）。MSAS系统包括2个主控站（MCS）、4个地面监测站（GMS）、4个测距监测站（MRS）。系统示意见图2。

系统覆盖日本所有飞行服务区（见图3），也为亚太地区的机动用户播发气象数据信息。

>> 图2 MSAS系统示意图

>> 图3 MSAS服务覆盖图

2. 美国卫星空管系统研制情况

美国正在研究的新一代空中系统（NextGen）是基于WAAS的。WAAS是美国联邦航空局（FAA）及美国交通部为了提高飞机的飞行定位精度而开发的一套GPS配套辅助系统，用来提高GPS定位的精度。

FAA表示，NextGen是实现未来全球航空系统集成的关键因素。它基于广播式自动相关监视（ADS-B），将空中交通管理由地面转到空中。从20世纪90年代后期开始, 装备ADS-B的飞机开始实施FAA在阿拉斯加进行的测试，与不装备ADS-B的飞机相比，通用航空和商业飞行的事故率下降了40%。空管实现从基于指令到基于航迹的转变；持续下降进场（CDA）使飞机能够从较高高度以近似“慢车”状态开始下降。CDA是一个双赢战略，在降噪、减排、减少燃油消耗和节约飞行时间方面，使环境和运行同时受益。

FAA在2002年9月发布的《导航与精密进近策略》中强调，WAAS是未来区域导航（RNAV）的基石。2006年，FAA规划出导航技术路线图，该路线图明确指出，WAAS是引导飞行器着陆的重要组成部分，满足CATⅠ（水平精度：16m，垂直精度：5m）精度进近，并具有垂直方法引导能力。WAAS在航空飞行阶段和着陆进近阶段发挥的作用包括：①减少在末端飞行阶段受地形和建筑物影响的不确定因素，提高完好性；②增加满足CATⅠ精密进近的机场跑道数量；③相对于GPS，提高增强的RNAV导航能力。

3. 欧洲卫星空管系统研制情况

欧盟委员会在2004年发起新一代欧洲空中管制系统（SESAR）。SESAR鼓励空中导航系统实现优化，使之更加安全、可靠。例如，使用新的数字和语音通信技术、利用新的特殊机载系统计算飞机到地面距离以及对于颠簸气流的探测等。SESAR将成为欧洲伽利略卫星导航系统的首批实际用户。

2005年11月17日欧盟启动了SESAR欧洲工业项目。SESAR意图在欧洲装备世界上效率最高、最可靠、也最具竞争力的航空管制基础设施。作为欧洲继伽利略项目之后最重要的高科技项目，整个SESAR的投资将达500亿欧元，可以将每一航班次的温室气体排放量降低4%～10%（视机型而定）。此外，SESAR还可以将航空管制的基础设施能力整个提高3倍，将航空管制安全性能提高10倍，而且将各航空公司所负担的航空交通管制费用降低一半。

整个SESAR项目分为三个阶段：①定义阶段（2005—2007年）专门为此阶段成立的项目联合体，由多家航空公司、机场以及空中服务及人员提供商组成，其主要工作目标是在2年内为项目制定路线图，其中包括对于将要采用的技术的选择以及整个项目的组织框架；②开发阶段（2008—2013年）的工作主要包括开发路线图中所确定的关键技术等，由欧盟、欧洲空中导航安全组织和工业界研究，费用为每年3亿欧元；③第三阶段是部署阶段（2014—2020年）主要是系统的实际应用实施。

4.其他国家卫星空管系统研制情况

印度政府在2008年9月11日批准了星基导航系统——GAGAN。该系统将满足日益增长的空中交通导航的需要，加强航空导航能力。此系统投入使用后，印度将成为第4个拥有星基导航系统的国家。印度机场管理局（AAI）和印度太空研究组织（ISRO）在FAA的帮助下研制该导航系统。AAI负责建造地面基础设施，包括基站、上行链路地面站和主控中心。

二、卫星航空管制的原理

1. 卫星航空管制系统的原理

卫星航空管制系统是利用地面控制站接收导航卫星数据，并据此计算出导航卫星的轨道偏移量、原子钟误差，以及由大气层及电离层所造成的信号延迟时间，提高卫星导航的精度。经过处理得到的导航数据可以达到国际航空针对精确飞行导航所设定的要求，再将信息处理、汇总后上传到空管卫星，经由空管卫星广播出去，从而可以实现飞机的导航、管制，同时提供航空通信、气象等服务。卫星航空管制系统的工作可以分为四个阶段。

（1）地面基站接收导航卫星信号

每个地面基站都已知其准确的地理位置，通过接收导航卫星的信号，计算出导航信号中的误差（图4）。

>>图4 地面站收集信息

（2）基站向主控站传输GPS误差数据

地面基站（WRS）收集的GPS信息，通过地面的通信网络传输到主控站（WMS），主控站生成导航增强信息。这些信息包含了GPS接收机中减少GPS信号误差的信息，使GPS接收机大大改善了定位精度和可靠性。

（3）导航增强信息上传

增强信息由系统主控站传输、上传站调制成导航数据，并上传到空管卫星（图5）。

>> 图5 增强导航信息上传

（4）广播增强导航信息

空管卫星向地面广播有增强信息的导航数据，飞机接收机接收导航增强信号，进行导航误差数据修正，得到更加精确的定位。同时也能给飞机导航接收机提供GPS系统误差或其他不良影响的信息，其也有严格的安全标准，当存在危险的误导信息时，WAAS能在6s内发布给用户（图6）。

>> 图6 广播增强导航信息

2. 卫星航空管制的意义

卫星航空管制系统可以极大提高管理效率，增加航空能力、提高飞行的效率，尤其是对低空通用航空的支持。采用卫星航空管制系统可以将现有空域管控高度由600m减少到300m，可以大大缩小航空器之间最小间隔；最小间隔越小，单位空域的有效利用率越大，可增加飞行架次容量，也有利于提高飞行航班正常率。

卫星航空管制系统利用卫星站得高、覆盖广的优势，对整个空域进行全面监视，避免了地面雷达受地形、地势影响，可以提高飞行安全率。

卫星航空管制系统可以实时监测航空器的飞行，并对全空域进行监测，动态管理和规划飞行程序和飞行计划，有利于空域的利用，提高飞行器的效益和航班正常率。

三、中国卫星航空管制系统设想

1.中国卫星航空管制系统的构成

中国卫星航空管制系统由地面运行控制系统、空间段卫星系统和应用终端组成，如图7所示。运控段由运行主控站、地面信息处理站、地面监测站等组成，主要负责卫星运行控制、航管信息处理、以及整个系统业务的运行管理和测控；空间段主要由装有通信载荷的卫星组成；地面终端包括用于航空监视、航空导航以及通信和航空信息数据服务接收终端。

空间段由1至3颗GEO空管卫星组成，提供卫星转发广播导航差分信号、卫星监视通信，转发飞行服务数据以及地面固定通信的物理信道连接。卫星受地面段主控站的控制，卫星波束覆盖中国本土及周边海域。

地面段即地面信息处理及运行管理系统、主要包括主控站（MCS）、地面监测站（GMS）、测距监测站（MRS）和地面信息处理站等部分。为了改善计算结果的精度和完好性监测，一般参考站个数不低于4～6 个。 该段设备主要由航空交通的管理者负责管理。负责对全网资源和业务流量等的分配和管理，同时要负责卫星的轨道和姿态测量、卫星参数监测以及在轨控制等功能，是整个系统的核心部分。

用户段则包括了各种类型的卫星通信终端、用户信息接收、应答装置。系统可支持终端到终端以及终端和地面网用户之间的通信，并提供话音和多媒体数据等业务。

>> 图7 卫星航空管制系统构成设想

2.主要功能

卫星航空管制系统可以提供航空导航、航空监视、航空通信、航空管理、地面固定通信等功能。

（1）航空导航

差分信号广播，用于卫星导航。L频段为下行链路，C频段为上行链路。

（2）航空监视

航空飞行器到卫星以及卫星到地面间的通信链路，用于航空器管理的通信、管理和调度。L频段为下行链路，C频段为上行链路。

（3）航空信息服务

卫星到航空飞行器间数据通信链路，为飞行器提供气象、飞行信息数据服务以及航空乘客通信服务。Ku频段为下行、上行链路。

（4）航空管理

航空地面中心间的固定通信，用于航空数据处理、管制固定通信。Ku频段为下行、上行链路（图8）。

>> 图8 通信业务划分

四、中国卫星航空管制系统面临的问题

卫星航空管制系统是一项庞大的系统工程，涉及面广、技术复杂。

卫星航空管制系统是由空间段、地面控制段和用户段组成的大系统，是目前运行的最大的航天系统之一。其关键技术更是涉及航天、航空管制、地面应用等众多领域，此外还涉及管制体制和法律法规等多方面。工程庞大、技术复杂、涉及面多。发展、维持一个卫星航空管制系统需要多方面的支持，运行、维持，卫星能力的升级、研发，地面控制段的运行与升级都需要投入。卫星航空管制系统的建设、运行、维持、发展对中国的系统工程能力是一个巨大的挑战。

卫星航空管制系统不可避免地会与现有的空中管制系统出现替代，如何平稳过渡和融合现有的航空管制系统将是一个巨大的问题。这就要求尽可能完善导航信号的设计与试验工作，避免或将相互干扰减小到可以接受的程度，在不降低现行航行系统安全性、可靠性的前提下，逐步采用成熟的先进技术，建成适应航空事业未来发展需要的空中交通管理系统。

必须预见到卫星航空管制系统发展过程中将遇到的困难，做到系统规划、顶层设计、政策扶持，推动市场的发展，充分发挥卫星航空管制系统在国家安全、军队建设、经济发展中的促进作用。

[1] 李自俊.ADS-B技术在通用航空飞行中的应用.国际航空，2008（4）：62-64.

[2] 陈正，陈芳.卫星导航和通信技术的发展及在中国空中交通管制中应用研究. 第五届飞行控制与操纵学术交流会论文集,1993

[3] 张燕.民航空管应用ADS-B的关键问题分析.电子技术应用 ，2009（9）23-24.

[4] 张军.现代空中交通管制[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[5] 孙风伟.中国空中交通管制现状与改革方向研究.科技传播，2012（15），72-73.