航空无线电通信的原理及实际应用分析

2020-12-21张帅超

通信电源技术 2020年2期

张帅超

（武警第一机动总队直升机支队乌鲁木齐场站，新疆乌鲁木齐 830017）

0 引言

随着航空业的迅速发展，航班量不断增加，各类航空客户对地面服务的服务质量要求越来越高，如何有效、合理地调度各种资源，在规定的时间内，按照服务标准，完成对航班、旅客、货行邮的服务，保证航班正点率，保证航班安全，提高工作效率，降低运行成本，成为各机场及航空公司地面服务单位迫切需要解决的问题[1]。部队航空对于通信系统稳定性和可靠性的要求较高，虽然无线电对讲机无疑是最佳的通信交通工具之一，但是无线电对讲机应用于航空领域又不同于民用或商用领域，在部队航空领域有着一套完整的呼叫术语，本文重点分析了航空无线电通信的原理及其在实际中的应用。

1 航空无线电通信概述

部队航空无线电通信在直升机的整个飞行过程中都较为关键，直升机的起飞、降落以及在天空高速飞行，都离不开无线电的指挥和引导。部队航空无线电系统包括通信系统、导航系统、监视系统、气象雷达等部分，其中通信和导航系统最为关键，在直升机起飞、飞行、降落全过程发挥至关重要的通信和指挥作用。在直升机进入航线时，直升机离开地面后，迅速进入机场近雷达的视线，雷达可以探测直升机的飞行高度和航向，管制员通过甚高频通信电台发出指令引导直升机上升到指定高度，直升机按指令飞离机场区域，进入预定航线。进入到飞行降落阶段，接近目的地机场，飞行员通过甚高频通信电台与目的地机场管制员取得联系[2]，按照管制员指令，完成进入机场区域、降落跑道、滑行至停机位等过程。当遇到大雾或者雾霾天气时，飞行员即使看不清跑道，仍可以通过机场导航台精确掌握航向和飞行姿态，实现安全平稳地盲降着陆。

通过了解直升机的飞行过程可知，部队航空无线电是飞行安全的生命线，但它也会受到外界的信号干扰。对航空无线电的干扰主要来自地面上非法设置的广播电台站、违规使用无线电频率，以及部分合法广播电视台站设备老化或故障，甚至随意加大发射功率等行为。干扰发生后，飞行员不能清晰地与管制员通信，或者不能收到导航信息，很可能在空中与其他直升机相撞，非常危险。我们在坐直升机时，要自觉遵守民航规定，在直升机上主动关闭手机、电话手表等无线电设备，避免对航空无线电造成干扰。

2 航空无线电通信的原理

航空无线电通信大多使用UHF、VHF甚至更高频的波段，VHF频带范围为30～300 MHz，无线电波波长为10～1 m，因此VHF又称为米波频带。UHF频带范围为300～3 000 MHz，无线电波长为1 m～1 dm，因此UHF又称为分米波频带。在无线电通信中，VHF是指甚高频段无线电波，中文简称为甚高频，UHF是指特高频段无线电波。多种业务共用同一频段时，在没有明确规定情况下，相同业务类型具有同等的使用频率地位。当遇到频率干扰时，一般本着后使用者让先使用者、无规划使用让有规划使用的原则处理。当出现主要业务频率受到次要业务频率的有害干扰时[3]，次要业务使用者应积极采取有效措施尽快消除干扰。144～146 MHz频段范围，用于包括业余业务和卫星业余业务的主要业务、以及用于包括无线电定位业务和航空移动（OR）业务的次要业务。该频段是整个无线电频率范围内唯一一个只把业余无线电通信作为主要业务与其他业务共用的频段。146～148 MHz频段范围，用于包括业余业务、固定业务和移动业务的主要业务、以及用于包括无线电定位业务的次要业务。在430～440MHz频段范围，主要业务是无线电定位业务和部队航空无线电导航业务，业余业务和卫星业余业务为次要业务。

之所以采用这类频段，首先越低的频率就需要越长的天线，直升机不像船舶那样有足够的空间安置低频天线；U/V段天线尺寸小，更容易安装。其次，导航信号需要较高的频率，以保证信号是以近似直线的波束发射出去的；但过高的频率会导致指向性过强，考虑到这些，VHF是最适合的。最后，HF通信在一定条件下完全可以满足全球通信（虽然不稳定），足以作为补充通信手段。现在一架民航客机，长距离的通信需求除了部分如大洋上的ATC服务通信和中国西部的ATC服务外，很少有超过1 000 km的，在这样的情况下，飞行高度很高的直升机，使用vhf air band频点和几百瓦射频功率的发射机和地面通信的可靠度是非常高的，不必担心。而导航系统使用对空的定向天线，也能可靠的让空中的直升机在很远的距离里面收到信号。大部分情况下，民航直升机的航路点或者无线电导航点的间隔都在五百海里以下[4]，这种情况下，甚高频的直线特性完全能满足需要。何况短波单边带话的设备复杂程度高、成本也高，因为频率低波长长，需要更大的天线，同尺寸天线比vhf天线增益要低很多。

同时，采用分布式架构，结合无损卡尔曼滤波算法、鲁棒伺服LQR飞控算法、故障诊断与故障隔离算法、余度管理算法等多种算法，实现了部队航空飞行姿态稳定和控制、直升机任务设备管理以及应急控制三大功能，有效解决了飞控中抗干扰和稳定性的问题。部队航空无线电系统需要进行保护，管理无线电频率、无线电台站、维护空中电波秩序是无线电管理部门的神圣职责，无线电管理工作者常被称为“电波卫士”。一旦航空无线电受到干扰，“电波卫士”就会迅速出动，借助专业“武器”，迅速查找、定位并排除干扰源，保障部队航空无线电安全。如果发现非法设置无线电台、违法使用无线电频率的行为，也可以向无线电管理部门申诉。

3 航空无线电通信的实际应用

航空无线电通信在部队航空飞行中具有广泛的应用，首先可以用在飞行的全过程导航中，直升机在飞行的过程中，需要与管控平台进行通信，实现对直升机的实时监视和控制。其次，以无线通信新技术AeroMACS为例，目前世界范围内已有8个国家开展AeroMACS机场组网和应用验证工作。FAA已完成在9个机场的多点定位系统中利用AeroMACS作为无线数据传输通路替代传统地面光缆的合同签订工作，并计划逐步在58个机场进行推广。EuroControl（欧控）在里斯本机场进行全覆盖AeroMACS组网并开展面向场面移动车辆和固定设施的测试验证工作。中国民航目前已完成成都双流机场、北京首都机场、天津滨海机场等13个机场的AeroMACS网络建设工作，并计划在2019年底前完成我国30个主要机场的AeroMACS网络建设工作，在部队中也具有重要的应用。

在应用方面，在成都双流机场为西南空管局飞服中心改装AeroMACS车载系统2套，实现延伸放行服务基于AeroMACS网络的优化，大幅减轻了工作量，提高了工作效率和工作质量[5]。西南空管局应急指挥中心扩建工程批复（民航西南局函2014-300号），西南空管局于2016年投资建设覆盖成都双流机场重点ATC设施区域的AeroMACS网络，用于应急指挥服务。民航局2016年度安全能力建设项目《基于民用航空机场场面移动通信网络的场面滑行引导技术研究与验证》，实现与华北空管局A-SMGCS系统实时机场场面态势引接，基于AeroMACS技术，实验一套不依赖机场场面灯光引导控制系统，并易于在航空器和车辆驾驶舱中部署滑行引导辅助系统。2017年10月起空管局召集国航、东航、海航、山航选择部分机组在首都机场场面开展航空器端系统测试验证工作，目前第一阶段测试验证工作顺利完成，测试情况良好，飞行员对于滑行阶段本项目的应用需求反馈积极。第一阶段测试表明，本系统实现了管制员和飞行员共同的情景意识，对于防范跑道侵入、减少滑行冲突、提高运行安全、提高机场场面滑行效率等方面具有重要意义。

目前，ADS-B技术应用于空管系统普遍采用与原有雷达监视系统进行数据融合的方式，这种方式在利用原有雷达设备的同时引入新的ADS-B技术，降低了成本且保证了系统兼容性，雷达监视系统截获飞行数据，机载广播设备广播ADS-B信息，安装接收设备的ADS-B地面站接收ADS-B信息，ADS-B系统与雷达系统进行数据融合，最终被空管理中心使用。此外，机载ADS-B接收设备也可以接收附近空域其他直升机广播的ADS-B信息，这样给飞行员更多的空中交通信息，一方面加强了空中安全，另一方面也利于实现自由飞行。但是，现有的手持式ADS-B接收设备还存在着不方便进行携带、方便进行防护维修和不方便通过电线与其他设备连接的问题。

为了解决这个技术问题，可采用一种兼容北斗和GPS的手持式ADS-B接收设备，包括设备主机、信号接收模块、GPS模块、北斗定位模块、液晶显示屏、拆卸外壳结构、接线头结构、固定绑带结构和天线。设备主机安装在拆卸外壳结构的内部；信号接收模块、GPS模块和北斗定位模块分别电性连接在设备主机的右表面；液晶显示屏穿过拆卸外壳结构电性连接在设备主机的左上部；接线头结构焊接在拆卸外壳结构正表面的左下部；固定绑带结构螺栓安装在拆卸外壳结构的底部；所述的天线穿过拆卸外壳结构电性连接在设备主机的右上部。固定绑带结构包括安装板、连接块、吸盘、插接条、固定块、插接槽和绑带主体。其中，连接块注塑在安装板下表面的纵向中间部位；插接条分别胶接在连接块下表面的左右两侧，绑带主体胶接在固定块的右表面。接线头结构包括防护板、固定板、连接柱、插接孔、固定螺栓、U型插接架、连接管和防护软管。其中固定板胶接在防护板后壁的下部；连接柱胶接在固定板上表面的后部；插接孔开设在插接孔的上部；所述的固定螺栓螺纹连接在连接柱的顶部；U型插接架一端插接在连接柱上，另一胶接在连接管的后部，防护软管胶接在连接管的前部。此外，航空无线电可用于如下3种业务。一是无线电定位业务：用于各种定位用途的无线电通信业务。二是航空移动（OR）业务：国内或国际民航线以外的无线电通信业务，包括飞行协调通信。三是航空无线电导航业务：用于航空器飞行和航空器安全运行测定的无线通信业务。