STDMA在新航行系统中的应用

1、目录目录第一章 绪论1§1.1引言1§1.2 新航行系统的简介：2§1.3 STDMA可作为新航行系统的关键技术：9§1.4课题来源背景及意义：18第二章 STDMA技术19§2.1 STDMA技术的基本原理：19§2.2运用STDMA技术应具备的条件：20§2.3 STDMA数据链运行模式与通信结构：20§2.4 STDMA数据链运行及基本技术：24§2.5了解国内外有关STDMA技术的应用：26第三章 STDMA时隙预约的算法及性能分析27§3.1STDMA数据链系统体系结构：27§

2、;3.2 STDMA时隙预约算法：35§3.3 STDMA数据链性能分析:41§3.4 STDMA技术特性分析：44第四章 总结与展望52参考文献53 空军工程大学毕业论文（设计）第一章 绪论§ 1.1引言民用航空作为国民经济的先导行业对国家经济的发展至关重要。我国民航的发展速度是世界民航业平均增长率的3.2倍。近几年来，民用航空事业进入快速发展时期，民航机 场飞行总量逐年增长，日航班次数、国外航空公司飞入中国境内的航班次数、国外航空公司飞我国国内航线的日航班次数等都有明显增加。到1998年，中国民航共有各类飞机1004架，其中运输飞机523架，全行业运输总周转量

3、达到93亿吨公里，旅客运输量达到5775万人次，年增长率达19.8%，为国内、国际的交往提供了便捷的交通，在国民 经济建设中发挥了巨大的作用。伴随着民航事业的迅猛发展,飞行流量不断增大，对空中交通管制部门的要求也越来越高，相应地，对管制手段的要求也越来越高，从而进一步确保航班在新形势下更加安全、正点、高效和有序。目前，我国现行的民用航空通信、导航、监视和空中交通管理系统存在着明显的缺陷和局限性，迫切需要采用先进的技术和手段实现对飞机的管制和航空运营。1980年5月，国际民航组织在未来空中航行系统(FANS)第四次会议上提交了一份报告，建议国际民航组织采纳主要基于计算机网络技术、数字数据通信技术

4、、卫星导航和定位系统、空中自动化集成技术的全球通信、导航、监视和空中交通管理系统。1992年10月，国际民航组织第29届大会批准全球转入实施新航行系统(CNS/ATM).我国作为国际民航公约组织的缔约国，充分利用这一契机，对传统的空管系统进行了逐步、彻底的改造，平衡过渡到全球协调发展的CNS/ATM新航行系统。从而适应我国民用航空运输的迅猛发展，保障了飞行安全，提高了航空运营效益。目前，已进入局部地区建设和发展新航行系统的试验和演示阶段。通信是新航行系统的前提和基础，一个完备的可操作的通信系统允许航空运输系统中的管制人员通过其与本系统内的飞机以及其它部门人员通信，最重要的是空中交通管制人员可以

5、通过这样一个通信网络，不仅可以对本空域的飞机进行有效、可靠、准确的管制，还可以通过这个网络了解到世界任何一个管制区域的飞行动态。数据链通信系统(数据链)包括卫星数据链、甚高频数据链、高频数据链和二次监视雷达S模式数据链。这种综合性的通信方式主要是为适应飞机航路的特殊环境建立的，数据通信系统的开发和利用实现了空地、地地可靠的数据交换，是空中交通管理自动化的前提,也是减轻飞行员和管制员负担的有效手段.在数据链通信系统中，VHF 数据链是现行地空通信系统最经济的一种。VHF数据链共分三种，分别为 VDL 模式1/2, VDL 模式3和 VDL 模式4。其中 VDL模式4数据链是目前数据链通信系统中唯

6、一能够实现和提供空空直接通信服务的通信系统，也是国际民航组织 CNS/ATM 系统中通信系统的解决方案，在全球范围内获得重视，并取得了一定的研究成果，同时还在欧美等地建立了若干试验基地，我国新航行系统研究专家也很重视STDMA数据链通信系统的研究和开发，并在军、民航相应科研和生产机构开展了一系列的工作。综上所述 ,未来 CNS/ATM 系统运行建立在一个新型的航空电信网 (ATN )基础之上，而其中一个重要的环节就是开发地一空、空一空数据链的技术和应用。本文主要分析和研究的 STDMA 甚高频数据链技术特性、时隙预约的算法以及STDMA 技术在新航行系统中的应用，为新航行系统在我国的成功实现创

7、造有利条件，并最终实现空中交通管理系统自动化。§ 1.2 新航行系统的简介：新航行系统是由CNS/ATM(通信、导航、监视和空中交通管理)翻译过来的。新航行系统是建立在星基基础上的未来航行系统，该系统与目前所使用的陆基条件下的航行系统有着本质的区别。与现行陆基导航系统相比，全球导航卫星系统具有高精度、多功能全球性等优点，解决了航路设计受限于地面设施的问题，也为远距或跨洋飞行提供了实时定位导航的手段。当基本卫星导航系统与可靠的增强系统结合后，可将其用于全部飞行阶段。另外，充分利用卫星技术、数据链技术、机载航空电子技术以及计算机技术等多种相关技术，是新航行系统的一大特点。新航行系统由通信

8、、导航、监视和空中交通管理四部分组成。二十世纪后期提出的以数据链通信占主导的新航行系统(CNS/ATM)是二十一世纪空中交通管制发展的趋势。ICAO在1991年第十次国际航行会议上，通过了通信、导航和监视/空中交通管理(CNS/ATM)功能于一体的新航行系统方案。新航行系统的建立，将实现全球性的ATC以便满足国际航空事业的发展需求。为适应国际上新航行系统的发展，国务院、中央军委空中交通管制委员会于1998年制定并报请国务院、中央军委批准了我国新行新系统发展规划，为我国军、民航新航行系统发展指明了方向，并明确了三个发展阶段(2000年以前为准备、启动阶段;2001-2010年为开发试用段;201

9、1-2015年为推广应用阶段)以及发展中遵循的基本原则(积极发展，独立自主;循序渐进，平稳过渡:军民兼顾，协调发展;立足国内，适当引进)。§ 1.2.1新航行系统的技术特点：l 利用卫星技术将通信、导航、监视系统由陆基系统过渡到星基系统;l 数据链技术的开发利用，实现空地、地一地可靠的数据交换，并进一步实现空空数据交换;l 系统数字化，计算机处理及联网。星基系统是保证空中交通形成空地一体化全球连续无隙连通的有效手段。数据链和计算机联网是空中交通管理高度自动化、智能化的前提。也是保证空中交通安全有序，同时减轻管制员、飞行员负担的有效手段。§ 1.2.2 新航行系统的发展目标：

10、l 利用新技术适应未来航行的要求，提高系统容量l 对洋区和边缘地区形成连续无间隙的覆盖;l 实现数字式数据交换，改善信息传输管理提高空中交通管理自动化，创造灵活高效的空中交通环境;l 提高管制的实时性、应变性。创建更好的动态空域，将程序管制过渡到战术性管制;l 提高监视能力，在保证飞行安全的情况下，减少飞行间隔，更有效的利用空域;l 提高精密定位能力，有利于实现四维导航和区域导航，实施短捷的直飞航线，扩大飞行自由度，节省飞行时间和燃油;l 适应各种环境，包括不同空域环境，不同交通密度，不同机型。并能满足多样化用户在跨时区飞行和飞跃国境时的适应性 § 1.2.3新航行系统的组成及特点：

11、表1.1新航行系统的组成通信VHF HF话音/数据AMSS话旬数据SSRS模式数据链ATN导航RNPIRNAVGNSSDGNSSINS/IRSMLS气压高度监视ADSSSRA/C模式SSRS 模式RMP空中交通管理ASMATS(ATC.FIS.AWS.AL)ATFM.AOC§ 1.2.4空中交通管理新航行系统中建立通信、民航、监视系统是实施ATM的目标。空中交通管理主要涉及:l 空域管理 (ASM. Airspace management)l 空中交通服务(ATS)1 空中交通管制(ATC)2 飞行情报服务(FIS)3. 航空气象服务 (AWS)4. 警告业务(AL)5 航空公司运营

12、控制(AOC)l 流量管理(ATFM)空中交通管理追求的目标是保证飞机安全、经济运营，增加飞行量，加速空中交通活动，维护空中秩序，所具备的优点:1、 有充分的覆盖性 ，确保飞行安全，提高空域利用率;2、 分利用信息资源 ，提高全球统一的协调运行，提高飞机的自治飞行能力;3、 大减少地面设备设置， 降低设备投资成本和维护费用。新航行系统有更完善、更合理的运行机制以及更可靠的通信手段、更精确的导航方法和全方位的监视手段，也是未来航空业发展所必须的。§ 1.2.5导航系统：导航系统主要涉及:l 全球导航卫星系统(GNSS)；l 区域导航性能(RNP)；广域增强系统(WARS)；l 未来导航

13、系统将基于机载和区域导航能力。RNP 的定义可以概述为:在指定的航路内，装备各种导航系统(或装备)的飞机在规定概率上能够保持在指定的轨迹的允许偏差以内的能力。GNSS将提供全球覆盖的导航、引导飞机和非精密进近，惯性导航将保留并发展。发展组合导航。GPS 广泛应用证明了卫星导航技术上的成熟性和发展性。目前，航空GPS应用更进一步的研究、开发工作正在计划和进行中，有可能把精度提高到n/III类精密进近着陆的要求。对GPS的检测和增强的差分技术提高到精度的应用最为广泛。把差分技术强调其性能增强的一面称为“增强系统”，当前航空界正在部署局域增强系统(LAAS)和广域增强系统(WAAS)。广域增强是目前

14、优选的方法，它可以解决洋区及边远荒漠地区的导航性能，在不设立导航站和本地差分的情况下，惟有靠卫星导航及其广域增强。在导航方面有以下几个特点:l 全球高精度、高完好性的导航服务;l 提高四维导航的精度;l 在减少地面导航设备上节约成本;l 信道利用率;l 更为精确的导航。§ 1.2.6监视系统：监视系统主要涉及S模式二次监视雷达(SSR)和自动相关监视。未来监视系统包括A/C模式或S模式的二次监视雷达和自动相关监视，一次雷达将逐渐被淘汰，SSR由于其覆盖范围为视距范围，缺乏广域覆盖能力。主要用于终端区和高密度陆地空域的监视;ADS用在其他空域，并且可以和二次雷达重叠。利用ADS-B技术

15、，使本机收到位置报告后具备空对空相关监视作用。自动相关监视系统(ADS)是新航行系统新增的监视方法之一。ADS系统是由卫星导航空地数据链和先进的地面数据处理和显示系统组成，与地面主动监视的雷达监视不同。ADS系统是依靠飞机报告位置的被动监视方式，利用机载电子设备(卫星导航或惯性导航)下传空中动态参数(高度、速度以及航向等)，经信息处理系统，最后在自动相关监视终端上形成空中交通信息，把信息显示在管制员荧光屏上。特 点 :l 可以减少位置报告的误差;l 可对非雷达空域监视;l 更为精确的位置数据;l 可以提供更短捷的、可选择的航线；l 允许飞机刨面(不同的机型刨面不同)的临时改变，提高灵活性:l

16、节约成本。§ 1.2.7通信系统：通信系统是新航行系统中数据传输的关键部分。监视、导航系统中所形成的数据都是通过通信系统来传输。主要涉及:l 高频数据链通信:l 甚高频数据链通信;l 航空移动卫星业务(AMSS, Aeronautical Mobile Satellite Service);l 二次雷达(SSR, Secondary Surveillance Radar)的S模式数据链;l 航空电信网(ATN, Aeronautical Telecommunication Network)在通信系统中，借助卫星、计算机等技术而发展起来的数据链技术将发挥更大的潜力。航空电信网(ATN)

17、与地面网络的连接，为空中用户间以及空一地间的数据传输提供可靠环境，通过数据链接收诸如卫星、VHF, HP和S模式雷达信号，可以建立一个完整的端对端通信子系统，STDMA是新航行系统通信系统中有力的通信手段，正是本论文研究的课题。该系统具有以下特点:l 更为有效和直接的地空数据链;l 数据处理上的改善;l 减少信道拥挤;l 应用中的共用性;l 减少工作量;l 更为精确的数据;l 减少误码率;l 节约成本。新航行系统有更完善、更合理的运行机制和程序规则及可靠的通信手段、精确的定位导航方法、全方位的监视手段。因此，随着机载设备的不断更新以及卫星、数据链等相关技术发展，为实现全球性的新一代的航行系统奠

18、定了技术基础。§ 1.3 STDMA可作为新航行系统的关键技术：图1.1STDMA技术实现空地 空空通信示意图§ 1.3.1 STDMA数据链的核心功能及应用：STDMA是新航行系统中的地空、空空数据链使用的多址接入技术（即多个节点共用无线信道资源的组网技术），它是构成各种应用的技术之一，是VDL等数据链通信设备中运行的通信协议的具体体现。§ 1.3.2 STDMA数据链的核心功能：1. ADS-B:ADS-B使用STDMA同步报文突发中用户的ID、位置、时间和矢量等信息，这些信息为ADS-B中用户所用。ADS-B的主要优点有:i.准确性高:现装有GNSS设备的飞

19、机可以由GNSS获得并通过STDMA数据连链广播其自身的位置信息，这种位置信息的精确度比监视雷达所提供位置的精确度更高。ii. 信息量大: 飞机除通过ADS-B互相提供位置信息外，还可通过ADS-B系统报告其速度和飞行计划等。这些信息有利于ATC系统监控飞机，如:飞机避撞等。iii，网关-网关运作:ADS-B系统可在飞行的任何阶段提供监视报告。目前存在的多种监视系统，只能各自分别地被应用于不同的飞行阶段，如:飞机在地面、飞机精密进近、飞机在航路上或在洋区飞行时，所使用的监视系统是不同的。而ADS-B综合了所有这些系统的功能从而可以为任何飞行阶段提供监视功能。iv. 灵活性: ADS-B的报告率

20、可变。任何一架飞机都可根据实际情况以合适的报告率报告其监视报文。如:10秒1次，6秒1次，或1秒1次等。v. 低成本:VDL模式4的ADS-B应用系统，应为其较低成本的机载和地面设备，从而可以提供低成本的监视系统。ADSB可以支持以下功能:l 增强空中交通管制(ATC)监视;l 机场场面活动制导和控制系统(ASMGCS);l 驾驶舱交通信息显示(CDTI)ol 飞机避撞(ACAS);l 搜索和救援协调等。l 地面系统的本地系统服务器(LS)从空中用户处收集监视信息并将这些信息发送给国家或区域服务器(NS)，并由NS将其发送给最终用户。2. ATNSTDMA数据链可作为ATN网的通信子网，实现空

21、一地通信。l ISO分层要求增加的信息会降低系统容量，因此，可以使用ATN或STDMA的特定服务来避免STDMA数据链系统分层结构所带来的缺点。STDMA系统可以通过ATN专用频率来实现ATN通信，而非ATN兼容通信则使用其他频率。l 目前机载ATN路由器非常复杂，因为其采用的是动态路由寻址技术，路由器必须实时更新其中的动态地址表，这种路由器非常昂贵，限制了其在小型航空公司中的应用 。因此 ，可采用STDMA数据链的ATN兼容功能。l 通过STDMA特定服务与地面ATN网络系统相连，可为航域内的空中用户提供ATN通信服务 ， 地面ATN子网间通过地一地路由器实现连接。l 如果在STDMA地面网

22、络与ATN地一地路由器之间加一个“终端模拟单元(ESEU)"，即使无机载路由器，ATN通信设施也可以支持STDMA数据链，因为ESEU模拟了那些通过STD A数据链进行通信的终端系统提供相应的信息。l 如果数据传输是通过STDMA系统或符合ATN规范的网络，则ATN终端系统和ATN中间系统之间无任何差异。l STDMA具有ATN各层功能，因此，可与ATN中的其他子网平行地工作，ATN 系统中的用户可以使用STDMA的特定服务。 另外 ，STDMA可高效地传送短间隔重发的报文，所以通过STDMA特定服务来实现这些数据(如:用于导航和监视的短报文的通信是非常可取的，ATN子网更适用于数据

23、量大和时间要求不太严格的通信，因为ATN的附加信息远远小于所要传输的数据。§ 1.3.3 STDMA数据链的应用：1.通信应用系统：(1)CPDLC:STDMA支持的CPDLC应用系统可为飞行员和管制员间提供端一端数据通信。CPDLC使得中心主控机可控制相关的服务，如:ACL, ACM, FLIPCY, DYNAV等。(2)飞行信息广播服务(FIS-B):FIS-B是STDMA地面站的功能，为飞机提供随时间变化的气象信息和其他服务信息。尽管可通过STDMA提供的ATN端一端通信服务来实现F工S-B，但更有效的方法是用STDMA广播信息服务来实现FIS-Be。 FIS-B可支持气象图的

24、上行传送。ATIS,VOLMET等。(3)航务运营控制(AOC)应用:航空公司间可通过AOC交换运营信息，特别是那些对飞行安全至关重要的信息尤为重要。STDMA的特定服务可通过其ATN兼容性来支持AOC应用。(4)空空通信:空空通信是STDMA特有的服务功能，其他的ATN兼容子网不支持空一空通信，两个空中用户可利用空一空通信服务来交换数据。空一空通信功能可支持ACAS和未来的“自由飞”的应用。空空通信功能的主要应用有:一是支持“自由飞”概念，为飞行员间的通信和协调航迹提供一种方法:二是交通控制;三是ACAS:四是中转定位报文和其他数据给地面系统和其他用户，为洋区飞行提供增强的ATC监视，而不需

25、要利用卫星通信。(5)代理通信:数据可通过那些作为“代理”进行通信的空中用户中继到没有地面站覆盖的区域，并且使用ADS-B的位置报文来寻找连接到某空中用户的最佳路由。2.监视应用系统：搜索和救援(SAR):在搜索和救援应用中，STDMA数据链系统可提供用户间的协调、给出失事用户的最后可知位置、辅助导航、避免冲突等功能。l CDT工/TSD应用:STDMA最大的优点之一，也是其ADS-B兼容性的延伸，在于其CDTI应用为飞行员提供飞行态势预警，飞行员可以预知邻域370公里以内其他空中用户的位置等信息。l 地面场面监视:场面活动制导和控制(SMGCSS)日益成为空中管制系统的重要组成部分 ，SMG

26、CSS要求机场邻域内所有用户间交换监视和其他类型的数据。l 地面监视:STDMA的ADS-B应用可与地面系统结合提供地面监视，作为雷达系的替代监视系统或与现有雷达系统协作提供地面监视。结合ADS-B,S TDMA的通信服务和雷达系统，并通过上传定位报文给那些没有装备STDMA系统的空中用户来增强航空监视应用，该方案可用于飞机还未装备STDMA系统的过渡时期。来自雷达和ADS -B 的 监视信息可集成显示在同一ATM监视器上，这可有效地过渡到只用ADS-B技术 的 监 视系统，而PAR系统作为独立的备份系统。3、 导航应用系统(1) 二次导航:若用户失去GNSS导航功能，则该用户可利用对邻近用户

27、或地面站的时间和位置信息的分析结果来获取导航和同步信息，而提供二次导航功能，其精度低于GNSS导航，但对航路导航己足够。(2) 系统定时功能:GNSS是STDMA系统的首选(缺省)系统时间源，但并非飞机唯一可用的时间源，飞机也可从地面站、其他飞机、机载原子钟等时间源中获取时间。STDMA数据链作为新航行系统通信系统的解决方案，能够满足未来CNS/ATM系统的要求并提供相应的服务功能。因此，分析了STDMA数据链所能支持的通信应用和提供的通信服务，同时简单地描述了STDMA数据链所能支持应用系统。对STDMA数据链系统的应用前景分析，对我国FANS采用和充分利用STDMA数据链具有重要的参考价值

28、。§ 1.3.4分析新航行系统中STDMA技术应用：STDMA技术在以下几个方面的应用:l STDMA技术核心功能。如ADS-B以及ATN.l STDMA数据链应用(1 ) 通信系统 。 如CPDLC,F IS-B,A OC,A /A.(2) 监视系统 。 如搜索与救援，CDT工/TO应用，地面场面监视，地面监视。(3) 导航系统 。如二次导航，系统定时功能。§ 1.3.5西部航路开发的启示：200 0年6月24日，澳大利亚快达航空公司(QANTAS公司)QF002航班(伦敦一曼谷)经中国哈撒克斯坦国境点进入中国领空，在库东自现行航路(A460)转入新航路(L888)途经乌

29、鲁木齐、兰州、成都、昆明、四个管制区，北京时间6时40分经中国、老挝国境点处境，顺路完成首次新航路试飞。西部航路为欧洲航班时间节省50分钟。西部航路首创在地理环境差、人迹罕见的地区，由于无法建设地面通信导航设施，飞机只能绕道而行，新航行系统将突破这些飞行禁区限制。飞机借助卫星定位和导航系统，可以穿越雪峰、荒漠和海洋，深入偏远地带，开辟更多的直达航线。卫星、计算机、机载航空电子设备、数据链等技术的开发与应用，解决了日益增长的空中流量与地面监控设备相对滞后的矛盾。卫星技术和数据技术在未来CNS/ATM中的应用，更具有广阔的前景和意义。STDMA数据链系统所具有的通信结构和通信模式，不但可以解决洋区

30、、两极地区以及偏远地区地面无法建站的难题，同时也可以在一定区域实现地空、空空通信蜂窝式的覆盖，确保地面和空中用户实时通信、导航和监视，增加系统容量。管制员可以对飞机在全球人忽然地区的运行状况了如指掌，并随时与飞行员沟通，保持信息有效传递，空中用户依靠记载ADS系统相互制导，大大提高了空中管理的准确性和气安全性。（一）数据链的网络实现、目前还没有一个真正意义上的ATM使用网络。西部航路的开通证明了ATM不是不可以在现有的建设的技术上发展的，美国ARINC公司的CNS/ATM工作站就是在VHF地空数据网络上实现的。VHF地空数据链网络虽然与ATN有差异，但几年来，美国ARINC公司为了使VHF地空

31、数据链网络能过向ATS提供服务对其做了一些补充。使CPDLC，ADS等与ATN应用能够运行在VHF地空数据链网络上，使CNS/ATM工作站系统依托于VHF地空数据链网络来实现各种ATN。（二）实验证明，对于陆地航线占95%的我国，选择VHF数据链进行建设，开发和技术研究，符合中国国情。（三）采用优越的VHFSTDMA数据链路进行空空、空地通信，弥补偏远地区、洋区以及两级地区地面无法建站的缺陷，采用自治型和蜂窝型结合的多机制模式，借助PRS/SSR可以迅速增加通信覆盖范围。形成可靠的ATN空中电信网络，实现数字链路下的网络连接以及更大面积的通信覆盖。§ 1.3.6国内外STDMA数据链

32、技术现状与发展在 CNS /ATM一体化的新航行系统中，STDMA 是 ATM 的关键部分。有效而完备的 STDMA 数据链通信网络系统可以为航空系统中各个岗位上的人员提供实时通信，这使得空中交通管理人员可以有效、可靠地管制本空域的飞机还可以 STDMA 数据链通信网络系统实时地获取邻近空域和本空域飞机的飞行信息。所以，STDMA 数据链通信网络系统及其支撑的航空应用系统 (ADS-B) 的建立和开发可真正实现国际组织所设想的“自由飞。国际民航组织在全球范围内发展航空电信网 (ATN), ATN为航空通信网络系统规定了相应的通信协议，使空中和地面终端系统可以通过多种通信系统进行通信。STDMA

33、 数据链通信系统为ATN通信子网系统之一。国内外对 STDMA 数据链进行了一系列的研究，目的是为追求世界范围内的，使技术开发在能够使用户获得最大的经济利益并服务于新航行系统，必须满足各类用户。从而建立一个多用途、低造价易于使用的新航行系统。欧洲各国(瑞典、丹麦、德国)，美国以及我国等分别研究了能够满足新航行系统要求的 STDMA技术。基于STDMA数据链的新航行系统提供和支持空空通信、地地通信、广播通信、 GNSS通信、二次导航自动相关监视(ADS-B), ATN 和非 ATN通信等应用。我国军民航业务发展和数据链技术本身的发展要求，STDMA 数据链 ATC 中的研究势在必行。STDMA

34、数据链与 VDL 模式1/2和 VDL 模式3的区别在于它通过导航卫星的精确时基为 STDMA 数据链中的所有用户提供时间同步，在精确的时隙中发送报文。数据链容量大，另一个重要的特点是它独有的时隙动态预约的自组织通信协议和时隙预约状态表技术，可有效解决空空、空地数据链一体化难题。对现有VHF数据链系统结构的分析和 STDMA 数据链技术研究图1.2和图1.3分别给出了我国 STDMA 数据链系统的规划结构和 STDMA 数据连通新系统结构。图1.2 STDMA数据链系统规划结构图1.3 数据连通新系统结构采用 STDMA 数据链技术作为空地、空空数据链通信的主要方式与采用卫星数据链和S模式的数

35、据链相比，具有投资小，见效快，使用简单、方便，易于扩展升级的优点，更重要的是实现由面向字符向面向比特、数据链的过渡。弥补二次雷达在人口稠密、航行先集中的终端地区覆盖能力有限的弊端。§ 1.4课题来源背景及意义：随着我国航空业的快速发展以及防空作战的战略发展需求，迫切需要采用先进的技术和手段实现对飞机的管制和航空运营。新航行系统的逐步实施标志我国航空管制业的发展迈出一大步，数据链通信系统作为新航行系统的关键部分必将发挥更大的潜力。西部航路的初步实践验证了甚高频数据链地空通信的有效性和可靠性，展示了甚高频数据链广阔的发展前景.西部航路使用了以数据链、卫星技术以及自动化通信、导航等组成的新

36、型的空中交通管理系统。在新航路运行中，乌鲁木齐、兰州、成都、昆明管制中心安装了 ARINC 公司设计的 CNS/ATM 工作站系统，该系统具备 CPDLC (管制员飞行员数据链通信)通信的功能。目前我国民航在新航行系统特别是CPDLC的应用方面走到了世界前列。本文研究的STDMA技术不但支持CPDLC地空数据链通信而且是甚高频数据链中唯一支持空空通信的通信方式。同时，STDMA还可以自成独立系统而不依赖地面站，以自组织时隙预约通信协议与空中其他用户互传信息。STDMA技术的开发对促进新航行系统中通信系统的不断完善起着积极作用。因此,分析研究 STDMA 甚高频数据链，验证其能否成为 CNS/A

37、TM 系统的关键技术是本文关键所在。应用先进技术，寻求高效的系统对提高目前航空通信、导航和监视的能力和改善 ATM 环境，保证我国军民航安全、高效地运行具有积极的作用。第二章 STDMA技术STDMA技术是依据国际民航组织提出的CNS/ATM的发展需求而开发。STDMA 数据链采用标准VHF带宽(25kHz)，它的主要特点体现在信道上，它采用的是信道预约访问。信道被分为若干时隙，可为飞机与飞机、飞机与地面站间及地面站与地面站间通信设备的收发信机使用。通过信道预约访问协议控制，各个时隙绝对时间和使用情况对系统内的用户而言是透明的。因此，不同的用户一般不会在同一时隙进行发送。即使发生信道冲突，也有

38、P坚持CSMA (Carrier Sense Multiple Access)策略、Robin Hood和CC工准则来解决，并且不影响系统的整体性能。STDMA数据链的信道预约协议降低了信道占用冲突的概率，从而获得高效率利用的VHF数据链信道。STDMA数据链的这一信道时隙使用和管理方式称为自组织时分多址协议(Self-organized TDMA Protocol) ,我们称之为STDMA技术。STDMA技术运用甚高频STDMA数据链实现地空、空空通信，对空中交通管制系统意义深远。STDMA以一种集成技术的运行方案同时满足不同的应用，使服务的提供者和用户的投入达到最小。STDMA数据链支持C

39、NS蜂窝通信，为将来的CNS/ATM技术提供一个CNS系统解决方案，STDMA是一种高效率的网关-网关数据链，可作为CNS/ATM系统解决方案的核心技术之一。STDMA数据链既支持CNS蜂窝内的飞机、地面站或其他用户的直接通信，又支持蜂窝间的直接系统通信。§ 2.1 STDMA技术的基本原理：STDMA技术的基本原理是利用GNSS进行定位并通过STDMA数据链将其位置报告广播发射出去，甚高频STDMA数据链本身即可用于数据广播又可用于用户间的选址通讯。这些数据报文中的信息也可用于对STDMA数据链路上的通信进行管理。适合地一空、空一空之间的实时空中交通服务中的数据交换。如:自动相关监

40、视广播(ADS-B)，本地差分GNSS(LADGNSS)，飞行情报服务广播(FLS-B)，管制员、飞行员数据链通信(CPDLC)等.§ 2.2运用STDMA技术应具备的条件：鉴于 STDMA技术的基本原理以及实用的范围，STDMA技术操作应具备以下条件:l 用户和地面站必须装有STDMA设备;l GNSS无需地面站即可在全球范围内为用户提供精确位置和时间。基本通信功能在没有地面设施的情况下也能实现;l 通过增加STDMA地面站，可使整体功能得到加强。STDMA地面站可以在视距范围内接收从用户发来的位置信息，并将其提供给本地ATC监视系统，还可以广播GNSS增强数据，ATC战术指令或A

41、TM指令，气象信息，空中交通信息服务(ATIS)及其它数据报文。若STDMA地面站和电信网(ATN网)连接，功能更强。可为更大范围的区域提供ATC监视和通信服务。§ 2.3 STDMA数据链运行模式与通信结构：§ 2.3.1运行模式：运行模式由以下几个要素构成:l GNSS接收机，用于确定用户的位置和精确的UTC时间;l 具有许多相对短的STDMA帧结构;l 无需依赖外部或主控站的自组织时隙预约协议;l 通信控制计算机，作为每个STDMA系统的一部分，可用来给所有能探测到的用户提供位置/跟踪数据，提供现行或计划的时隙安排，支持用户的要求并利用控制/仲裁对信道的访问;l 飞行

42、数据信息库，用于记录用户自身(含用户的飞行状态信息和信道时隙)的状 态 ；l 地面网络系统，可按信号信道互不干扰的原则为各个空中用户和地面站预约、分配信道时隙。基本元素可以构成不同的级别的运行模式:受控模式和自治模式。用户可在这两种模式间实现自动切换。受控模式地面站主要指令型协议为空中用户分配使用的时隙，该种运行模式不适合新航行系统要求的航空应用。但可结合自治运行模式实现自由而又可控的STOMA数据链通信、导航和监视系统。自治模式用户实时检测、记录超帧中时隙的使用情况，并按照响应的协议选择合适的广播发送位置报告，可与其他用户自动协调时隙的使用。自治模式下的STOMA又可分为三种通信结构:自治型

43、，单蜂窝型，多蜂窝型。1、 自治型不需要STOMA 地面基站。运行模式如图2.1 图2.1自治型 适用于飞行密度非常小的区域、洋区、两极地区。也就是那些不适合建站的区域。在此区域内的用户所获得的空中动态信息是通过全球协调的共用信道来提供。通信形式仅限于STOMA系统中的广播和各用户间通信(端对端的通信)的特殊服务，对于非危急通信，用户间可实现正常的信息传递功能。用户发射带有目的地地址识别码的信息，同时此信息也可以由其他相邻用户转发到更远的目的地。在此区域内，用户如果失去GNSS导航功能，可利用二次级导航信息，在STOMA系统突发基础上工作时，在VHF覆盖范围内，系统正常运行时，由多个具有精确时

44、间和位置的用户承担通信和导航。2.单蜂窝型STOMA地面站与一般地面数据网(如ATN网)相连，但没有自己的专用地面网。每一个单蜂窝都可以当作一个独立的工作系统。可实施地一空通信。邻近地面站之间设有无蜂窝重叠覆盖区，空中用户间可实现空一空通信。移动用户可同时在个蜂窝中工作而互不干扰。附加的本地信道(如LADGNSS ATIS, CPDLC)可由地面支配。若在某一地区有不止一个STOMA地面站时，可将信息广播加以协凋。单蜂窝运行模式限制在STDMA地面站的覆盖范围内。覆盖范围之外采用自治型。该运行模式可用于那些要求采用ATC监视和通信能力，而又缺乏的地区数据网络的偏远的低密度区。运行模式如图2.2

45、图2.2单蜂窝型3多蜂窝型。如图2.3图2.3多蜂窝型STDMA地面站与专用的ADS地面数据网相连。来自STDMA规定服务中地面站的信息通过地面数据网，协调后分发给地面各用户。在一个重叠区中STDMA地面站的数目决定了其容量和冗余度。可通过STDMA ATN服务或STDMA在大区域的规定服务支付空一地通信。每一个用户都能充分利用STDMAATN服务。在多蜂窝型模式下，以监视为基础的ADS-B可以覆盖更广阔的区域.相邻地面站间存在移动蜂窝的通信重叠覆盖区，可实现空空、空地、地地通信。§ 2.3.2通信结构：1自治型，如图2.1。自治结构提供ADS-B和空空通信。通信支持:l 交通态势提

46、醒的驾驶舱交通信息显示(CDTI)l 飞机防撞系统(ACARS)l 搜 索 、援救的协调2.单蜂窝型，如图2.2。单蜂窝通信结构既支持STDMA规定业务又可支持基本的STDMA ATN服务。通信支持:l 基 于 精密进近的GNSS(A-SMGCS);l 以ATC终端/地面监视为基础的ADS-B;l ATIS ，气象上行链路，驾驶舱显示交通信息(CDTI)上行链路;l CPDLC, PDC, AOC;l 用户登记管理(CM)3.多蜂窝型，如图2.3。与地面数据网络相连，形成更大覆范围的地空通信网络。实现ADS-B服务。§ 2.4 STDMA数据链运行及基本技术：§ 2.4.1

47、 STDMA数据链运行STDMA支持的通信系统与ATN通信系统兼容。即可提供广播通信服务又可以提供用户间的端对端服务，其运行机制在于STDMA数据链的自组织特性和STDMA数据链基本要素及其响应的数据链技术。广播通信服务与端对端通信服务一样，也可以提供位置信息，所以STDMA数据链可以通过ATN或STDMA数据链的特定服务功能来实现ADS-B等航空管制服务。其基本要素组成:l 对信道时隙数据编码懈码的调制/解调技术:l 帧结构;l 系统时间同步措施;l 用以组织和管理信道时隙访问的位置广播信息;l 支持传输协议和信息广播协议的报文:l 用以解决用户访问信道的时间和维护当前预约时隙分配信息的时隙

48、选择策略;l 提供端对端通信和广播通信协议的数据链服务功能;l 提供用户间通信连接和访问数据链服务、管理功能。数据链管理功能主要有:1. 连接建立和维护。2. 全球信息通道(GSC)提供标准的全球通信信道和访问其他数据链服务的方法 。3通过GSC发送服务指令，将服务信息提供给用户。4频道管理§ 24.2基本技术：前面我们讲过STDMA数据链是通过自组织时隙预约协议和时隙预约控制协议来实现用户间的通信，STDMA数据链采用的基本技术有以下几方面:l 调制技术/解调技术，STDMA数据GMSK( 19.2kbit/s).D8PSK(31.Skbit/s)两种调制方法 ，采用D8PSK(3

49、1.5kbit/s)调制/解调体制时，当VHF信号Eb/No为 15.5dB时 ，即可使BER小于，采用格雷码和 RS码对不同长度的突发进行编码和解码 。可获得良好的检码和纠错性能。l 帧结构信道时间被等分成定长时间间隔的短时隙，“超帧”由一定数目的时隙构成，其同步是采用 GALSS卫星时间，同步性能取决于信号 Eb/No 和接收机门限值的设置，如果门限值使得接收机的误警率(FAR)小于6.7*，当 BER为时，其同步失败的概率小于，对此不做分析。通常 ，位置广播信息报告占用一个时隙，其他信息发送占用的时隙一般多于一个时隙，这取决于具体的应用要求。如:报文长度、传输速度。“超帧”中的每一个时隙

50、的时序为:发射机功率建立、位同步、帧同步、报文数据发送、发射机功 率衰减和信号传输保护时间六个阶段。l 报文突发结构l 位置信息在STDMA系统中，位置信道时隙的访问和控制依赖于同步广播发送的飞机ID位置信息等。位置信息可从GNSS报告或其他机载定位设备中获取。在STDMA系统中用户发送位置报告的频率通常设为五次/分钟，但在下列情况下可被改变:1. 驾驶员和管制员的命令;2 机载设备命令，如ACARS;3 飞机进入“休眠模式”时;4. 当系统接近 GSC信道容量边界时，系统进入“节流”模式使位置报告率降低:§ 2.5了解国内外有关STDMA技术的应用：通信系统作为未来全球性航行系统C

51、NS/ATM的关键部分，其所具有的重要地位已经引起世界各国的高度重视。瑞典最早推行甚高频自组织时分多址数据链技术，已实现了典型的空空、地数据链系统，完成了自组织时分多址数据链协议的研究，并在军用和民用上获得了应用。该技术引起美国的重视，先后在海军F-18战斗机和空军C-5等战斗机上使用了此技术。CPDLC空地通信系统以及具有ADS-B功能的数据链技术是美国、俄罗斯等国家竟相研究的方向，目前南太平洋地区是国外唯一的正式使用CPDLC的地区。美国政府计划在2003-2007年间引入CPDLC，虽然目前尚未使用CPDLC系统，但是，美国公司在CPDLC系统的开发上一直领先。美国AR工NC公司、Air

52、Sys公司和Honeywell公司都提出了自己的开发计划，其中ARINC公司己经有了比较成熟的产品。TDMA是VDL模式3采用的技术，支持目前使用的CPDLC数据链系统，但与同样支持CPDLC的VDL模式4数据链系统相比，系统容量小的多。这种新型的数据链技术由于涉及到工CA。推行的新航行系统过渡时军民航通信系统的一体化设计，美国、瑞典等掌握这种技术的国家。第三章 STDMA时隙预约的算法及性能分析本章根据STDMA时隙预约的基本原理，进一步研究STDMA技术中的核心部分一动态表的建立和自组织时隙分配。§ 3.1STDMA数据链系统体系结构：§ 3.1.1STDMA数据链分层

53、结构：STDMA采用OSI结构并将通信子网分成三层，从上到下各层依次为:子网层，数据链路层和物理层。由以上各层完成数据传输工作。通信子网以上各层面向ATN的各种应用，系统分层结构如下图3.1和图3.2图3.1系统分层结构图3.2 STDMA数据链的OSI模型l ATN应用层:ATN 应用层是STDMA数据链OR模式的最高层，该层负责基于STDMA数据通信子网的各种安全应用，为这些用户提供接口。STDMA 用ISO的OSI模式为STDMA系统设计和建设提供了参考标准，可加快STDMA的设计与实现。l 物理层物理层 完成收发信机的频率控制、数据的接受和发送，信道时序的控制以及提供各种通信服务等。l

54、 子 网 层子网层负责的传送的成包、分包，同OR标准模型一样。子网层明确的目的终端的地址使ATN应用传输的分组能够正确无误地按照地址找到目的站。另外，子网还要完成连接管理，流量控制，差错控制和拥塞控制等功能。l 数据链路层数据链路层是STDMA OSI标准模型中重要一层，负责信道访问的控制和实现STDMA数据链的各种协议。同时，该层要实现OSI标准模型中数据链路层的功能。如为子网层提供面向连接和面向无连接的服务。数据成真、链路管理、差错控制和流量控制。图 3.3STDMA 数据链的OSI工层次结构STDMA 系统这一特性，使STDMA数据链作为ATN通信子网的应用更为广泛。并且可实现空一空、空

55、一地以及地面网络间互联，形成空地间信息通信整体。空地间的信息处理、信息共享、信息管理以及信息的传递提供有利环境§ 3.1.2 STDMA分层体系结构具有的特性：STDMA 层次结构使得系统具有下列特性l 扩充性STDMA不但支持VDL模式数据链的所有功能，而且还支持STDMA的特定服务和功能。l 兼容性STDMA数据链系统提供ATN子网通信服务，从而与ATN完全兼容。STDMA可作为ATN网的通信子网。l 数据透明性STDMA 数据提供面向比特数据传输，而与码字和字符无关。l 广播服务提供数据链层广播服务。l 链接管理空一 空 、空 一地通信时，STDMA不需要人工干预即可建立并维护

56、飞机之间，地面站与飞机之间的可靠链接。l 地面网络转移及需要时，空中数据链系统用户应能从某一地面数据链系统站切换 到另一地面数据链系统站。空中用户在地面VSS系统工作模式切换到受控工作模式 且可在无地面VSS系统指令时从受控工作模式切换到自治工作模式。l 二次定时功能用户无法从GNSS数据链获取自身定位和时间信息时，STDMA数据链提供通过测量其他用户发送报文的到达时间和报文处理来获取自身的位置和时间信息。l 空 一空通信STDMA 数据链提供无需地面站系统支持的空一空通信，空一空通信提供的功能与空-地通信提供的功能一样。l 通信类型STDMA数据链系统同时支持ATN和非ATN。§ 3.1.3 STDMA与OSI模型分层对比及各层功能：1. STDMA数据链和OSI模型分层结构比较OSI模型总共分为七层，低三层实现通信子网的功能;高三层协议面向用户的应用要求，传输层则在低三层通信子网的基础之上，为OSI模型的高三层协议提供源端机制与目的端机制之间性能可靠的数据通信，是低层子网通信细节和高层用户应用之间的隔离层。STDMA数据链与OSI模型分层结构相比较，STDMA数据链分层中没有会话层和传输层。STDMA面向提供可靠的数据通信要求面向用户应用的协议组，STDMA数据特定的应用及其支持的其他应用系统单独给出.STDMA数据链不支持话音模式，STDMA