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現代民用飛機通信系統 版權信息
- ISBN：9787030572899
- 條形碼：9787030572899 ; 978-7-03-057289-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
現代民用飛機通信系統 內容簡介
本書先講述現有民航通信技術的概述和未來趨勢的展望；然后介紹民航數據通信和無線通信的基本原理和基礎技術；*后從三大塊上分別介紹現有民航通信的主要技術。主要內容包括：民航通信的技術基礎、機載數據總線與網絡、高頻、甚高頻語音通信、機載衛星通信，以及ATN網絡和數據鏈通信技術等。
現代民用飛機通信系統 目錄
目錄
第1章 民航飛機通信技術概述 1
1.1 民航飛機通信技術發展歷程 1
1.1.1 民航通信歷史 1
1.1.2 民航通信現狀與下一代通信體系 2
1.2 民航飛機通信的基礎知識 2
1.2.1 民航飛機模擬通信系統模型 2
1.2.2 民航飛機數字通信系統模型 3
1.3 民航通信 7
1.3.1 民航移動通信頻譜 7
1.3.2 民航機載移動通信 7
1.3.3 民航機載通信 9
1.3.4 民航通信網絡 9
1.4 民航通信的性能指標 10
1.4.1 信息及其度量 10
1.4.2 有效性指標表述 13
1.4.3 可靠性指標的具體表述 15
第2章 民航機載數據總線通信技術基礎 16
2.1 數據交換的原理 16
2.1.1 交換的引入 16
2.1.2 交換節點中傳送的信號 17
2.1.3 電路交換與分組交換 18
2.2 開放系統互連參考模型與節點交換技術 20
2.2.1 開放系統互連參考模型 20
2.2.2 無連接與面向連接 23
2.3 分組交換基本原理 23
2.3.1 分組交換的概念 23
2.3.2 X.25分組交換網 25
2.4 幀中繼技術 26
2.4.1 幀中繼的基本概念 26
2.4.2 幀中繼工作原理及技術特點 27
2.5 以太網技術 28
2.5.1 以太網的協議結構和網絡系統組成 28
2.5.2 共享型以太網與交換型以太網 29
2.6 信道共享的多址技術 31
2.6.1 多址技術 31
2.6.2 競爭的介質訪問技術 37
第3章 民航機載移動通信技術基礎 41
3.1 概述 41
3.2 無線通信的概念 42
3.2.1 無線電波的產生 42
3.2.2 無線電波自由空間傳播 43
3.3 電波傳播的幾何模型 46
3.4 電波的復雜傳播 49
3.4.1 非視距傳播 50
3.4.2 多徑衰落和快衰落 52
3.4.3 多普勒效應 53
3.4.4 各頻段無線電波的傳播方式及特點 54
3.5 無線通信技術 55
3.5.1 調制技術 55
3.5.2 抗衰落和抗干擾技術 56
3.5.3 多天線與空時編碼技術 59
3.6 天線技術 62
3.6.1 民航機載天線 63
3.6.2 半波振子天線 63
3.6.3 天線的性能指標 65
第4章 民航機載數據總線通信 71
4.1 機載數據總線技術概述 71
4.1.1 機載數據總線技術的發展 71
4.1.2 常用民用機載網絡與總線 73
4.1.3 機載數據總線與計算機網絡的區別 74
4.2 ARINC429數據總線 75
4.2.1 ARINC429總線特點 75
4.2.2 ARINC 429數據字格式和編碼規則 77
4.3 ARINC629數據總線 81
4.3.1 ARINC629數據總線協議 81
4.3.2 ARINC629總線物理層規范 83
4.3.3 數據鏈路層——介質訪問控制子層規范 84
第5章 先進的機載數據傳輸網絡 88
5.1 ARINC664 88
5.2 AFDX工作原理 89
5.3 AFDX的端系統協議結構 94
5.3.1 端系統的保證服務 94
5.3.2 端系統的協議棧 95
5.3.3 端口舉例 105
5.4 端系統數據流傳輸協議棧 108
第6章 民航機載移動語音通信 110
6.1 概述 110
6.2 甚高頻語音通信系統 110
6.2.1 甚高頻航空通信的發展歷程 110
6.2.2 VHF通信系統概述 111
6.2.3 甚高頻信號收發原理 113
6.2.4 甚高頻收發機的自檢操作 119
6.3 高頻通信系統 120
6.3.1 高頻通信系統組成 120
6.3.2 高頻收發機接收工作原理 122
6.3.3 收發機發射工作原理 127
6.3.4 高頻天線耦合器 127
第7章 民航機載衛星通信 130
7.1 衛星通信系統概述 130
7.1.1 背景知識 130
7.1.2 衛星通信系統基本概念與特點 131
7.1.3 機載衛星通信系統的主要運營商 135
7.1.4 航空移動衛星業務 135
7.2 INMARSAT的海事衛星系統 138
7.2.1 INMARSAT通信系統地面站 139
7.2.2 通信衛星 142
7.3 機載衛星通信系統 143
7.3.1 機載SATCOM的組成 144
7.3.2 機載SATCOM的操作 149
7.3.3 衛星與飛機通信網絡 152
第8章 民航通信網絡 153
8.1 概述 153
8.1.1 產生背景 153
8.1.2 ATN的系統結構 153
8.1.3 現有空-地數據鏈通信系統的發展 155
8.2 ATN的協議體系結構 156
8.2.1 ATN/OSI協議棧 156
8.2.2 ATN的分級路由 158
8.3 ATN網絡層協議 159
8.3.1 移動路由協議 159
8.3.2 移動路由策略 165
8.3.3 通信子網接口-SNDCF 168
8.4 HF數據鏈 170
8.5 甚高頻空地數據鏈 171
8.5.1 ACARS通信系統 173
8.5.2 VDL2 174
8.5.3 VDL3 177
8.5.4 VDL4 180
參考文獻 183
第1章 民航飛機通信技術概述 1
1.1 民航飛機通信技術發展歷程 1
1.1.1 民航通信歷史 1
1.1.2 民航通信現狀與下一代通信體系 2
1.2 民航飛機通信的基礎知識 2
1.2.1 民航飛機模擬通信系統模型 2
1.2.2 民航飛機數字通信系統模型 3
1.3 民航通信 7
1.3.1 民航移動通信頻譜 7
1.3.2 民航機載移動通信 7
1.3.3 民航機載通信 9
1.3.4 民航通信網絡 9
1.4 民航通信的性能指標 10
1.4.1 信息及其度量 10
1.4.2 有效性指標表述 13
1.4.3 可靠性指標的具體表述 15
第2章 民航機載數據總線通信技術基礎 16
2.1 數據交換的原理 16
2.1.1 交換的引入 16
2.1.2 交換節點中傳送的信號 17
2.1.3 電路交換與分組交換 18
2.2 開放系統互連參考模型與節點交換技術 20
2.2.1 開放系統互連參考模型 20
2.2.2 無連接與面向連接 23
2.3 分組交換基本原理 23
2.3.1 分組交換的概念 23
2.3.2 X.25分組交換網 25
2.4 幀中繼技術 26
2.4.1 幀中繼的基本概念 26
2.4.2 幀中繼工作原理及技術特點 27
2.5 以太網技術 28
2.5.1 以太網的協議結構和網絡系統組成 28
2.5.2 共享型以太網與交換型以太網 29
2.6 信道共享的多址技術 31
2.6.1 多址技術 31
2.6.2 競爭的介質訪問技術 37
第3章 民航機載移動通信技術基礎 41
3.1 概述 41
3.2 無線通信的概念 42
3.2.1 無線電波的產生 42
3.2.2 無線電波自由空間傳播 43
3.3 電波傳播的幾何模型 46
3.4 電波的復雜傳播 49
3.4.1 非視距傳播 50
3.4.2 多徑衰落和快衰落 52
3.4.3 多普勒效應 53
3.4.4 各頻段無線電波的傳播方式及特點 54
3.5 無線通信技術 55
3.5.1 調制技術 55
3.5.2 抗衰落和抗干擾技術 56
3.5.3 多天線與空時編碼技術 59
3.6 天線技術 62
3.6.1 民航機載天線 63
3.6.2 半波振子天線 63
3.6.3 天線的性能指標 65
第4章 民航機載數據總線通信 71
4.1 機載數據總線技術概述 71
4.1.1 機載數據總線技術的發展 71
4.1.2 常用民用機載網絡與總線 73
4.1.3 機載數據總線與計算機網絡的區別 74
4.2 ARINC429數據總線 75
4.2.1 ARINC429總線特點 75
4.2.2 ARINC 429數據字格式和編碼規則 77
4.3 ARINC629數據總線 81
4.3.1 ARINC629數據總線協議 81
4.3.2 ARINC629總線物理層規范 83
4.3.3 數據鏈路層——介質訪問控制子層規范 84
第5章 先進的機載數據傳輸網絡 88
5.1 ARINC664 88
5.2 AFDX工作原理 89
5.3 AFDX的端系統協議結構 94
5.3.1 端系統的保證服務 94
5.3.2 端系統的協議棧 95
5.3.3 端口舉例 105
5.4 端系統數據流傳輸協議棧 108
第6章 民航機載移動語音通信 110
6.1 概述 110
6.2 甚高頻語音通信系統 110
6.2.1 甚高頻航空通信的發展歷程 110
6.2.2 VHF通信系統概述 111
6.2.3 甚高頻信號收發原理 113
6.2.4 甚高頻收發機的自檢操作 119
6.3 高頻通信系統 120
6.3.1 高頻通信系統組成 120
6.3.2 高頻收發機接收工作原理 122
6.3.3 收發機發射工作原理 127
6.3.4 高頻天線耦合器 127
第7章 民航機載衛星通信 130
7.1 衛星通信系統概述 130
7.1.1 背景知識 130
7.1.2 衛星通信系統基本概念與特點 131
7.1.3 機載衛星通信系統的主要運營商 135
7.1.4 航空移動衛星業務 135
7.2 INMARSAT的海事衛星系統 138
7.2.1 INMARSAT通信系統地面站 139
7.2.2 通信衛星 142
7.3 機載衛星通信系統 143
7.3.1 機載SATCOM的組成 144
7.3.2 機載SATCOM的操作 149
7.3.3 衛星與飛機通信網絡 152
第8章 民航通信網絡 153
8.1 概述 153
8.1.1 產生背景 153
8.1.2 ATN的系統結構 153
8.1.3 現有空-地數據鏈通信系統的發展 155
8.2 ATN的協議體系結構 156
8.2.1 ATN/OSI協議棧 156
8.2.2 ATN的分級路由 158
8.3 ATN網絡層協議 159
8.3.1 移動路由協議 159
8.3.2 移動路由策略 165
8.3.3 通信子網接口-SNDCF 168
8.4 HF數據鏈 170
8.5 甚高頻空地數據鏈 171
8.5.1 ACARS通信系統 173
8.5.2 VDL2 174
8.5.3 VDL3 177
8.5.4 VDL4 180
參考文獻 183
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現代民用飛機通信系統 節選
第1章 民航飛機通信技術概述 1.1 民航飛機通信技術發展歷程 1.1.1 民航通信歷史 20世紀的**次世界大戰，飛機作為一種戰爭工具進入世界舞臺。**次世界大戰后，大量的軍用飛機由軍事用途轉變為商業用途，專門運輸人員和貨物的航空公司開始成立。航空公司擁有多架飛機后，地面人員就需要經常與空中的飛行員進行通信，飛機通信技術就此開始發展起來。 早期的地空通信曾經使用目視的方法，例如，燈光、旗幟(模仿自航海用的旗語)，甚至于篝火(*早的夜航通信手段)，但采用這些方法進行地空通信顯然是遠遠無法滿足航空業快速發展的需求。隨著20 世紀初無線電通信技術的廣泛應用和推廣，無線電通信技術開始被應用在飛機上。早期采用莫爾斯電碼進行通信，這是在飛機上*早的數據通信方式。當時在飛機駕駛艙內需要配備一名專職的報務員來收發電報，后來隨著無線電模擬調制技術的發展，飛機逐步開始采用模擬語音通信，并取代了莫爾斯電碼通信。語音通信簡單來說就是對話來實現雙方的通信交流；數據通信傳輸的是文字、圖片等信息，如同手機上發送的短信。 模擬通信技術直觀且易于實現，但存在保密性差、抗干擾能力弱等缺點，而且這些缺點難以克服。近30 年來，隨著計算機和網絡技術的發展和成熟，數字通信技術在越來越多領域逐步取代了模擬通信技術。數字通信技術具有頻譜利用率高、抗干擾能力強、糾錯機制完善、便于采用計算機處理等優點，因此成為現代通信技術的主流。現代民航飛機上，無論是語音通信設備還是數據通信設備，多數設備實現了從模擬通信技術向數字通信技術的轉變。 在某些方面，數據通信具有較大的優勢，例如，有朋友要告訴你一件非常重要的事情，用語音還是發短信哪個好呢？如果這位朋友說話有濃重的地方口音，要做到準確傳遞信息基本上是一件讓人崩潰的事情。如果這種情況的對話發生在地面航管人員和飛行員之間，則極易造成理解錯誤，而通過數據通信，一方面可以有信息記錄留底備案，另一方面可以避免語種、口音、語言習慣等多種原因造成的溝通誤會。 隨著民航飛機的數量和載客量不斷增加，地面航管人員和航空公司管理人員對于實時掌握飛機中飛機參數的需求越來越多，傳統的依靠地面人員與飛行員之間語音對話了解雙方狀態、實現信息溝通的語音通信方式，使飛行員難以集中精力，在飛行中容易造成飛行安全隱患，即語音通信已無法滿足地-空交流需要，數據通信的優勢越發凸顯。從1987 年起，美國的航空公司開始使用一種甚高頻數據鏈——飛機通信、尋址與報告系統(Aircraft Communications Addressing and Reporting System， ACARS)，從此現代數據通信業務在民航地-空通信中發揮著越來越重要的作用，ACARS 在飛機上自動生成數據信息并自動發送給地面接收站，信息經地面中繼站傳送到航空公司的計算機系統保留和分析，該系統目前已廣泛應用在我國的各航空公司。 1.1.2 民航通信現狀與下一代通信體系 機載早期通信模式是獨立系統通過專用連接線完成點到點通信，在20 世紀70 年代隨著電子技術和處理器的應用發展到系統總線通信，現在和即將應用的機載網絡通信模式屬于第三代機載通信。 目前，針對航空移動通信系統需要增強已有的戰術與戰略移動通信服務性能，以提供更多功能、更加靈活、抗干擾和可靠的服務，針對機內通信需要增強傳輸數據速率、增強實時性應用。從一定程度上，如ACARS、基于VHF 通信的數據鏈服務、通用數據鏈和航空衛星服務作為第二代無線通信、機載通信總線和網絡已經開始實施并在填補這個缺口。 鑒于第三代航空通信系統的技術已經成熟，并且使用的設備成本也在不斷降低，未來幾年，在當前部分老舊系統導致信息傳輸擁塞、飽和問題以及在新技術、新體系的可實現性的驅動下，將看到航空通信系統的革新變化。此外，很明顯航空通信體系需要合理化的系統、接口、模塊等設計，以簡化長期使用的整套裝備更新模式，提高系統開放性和可擴展性。同時，航空移動通信的伙伴——公共移動通信，已經完成了第三代系統并已經計劃向第四代和認知無線電發展，航空通信在新技術、新體制的應用和部署上處于落后狀態，但也有優勢條件，航空移動通信的發展可受益于移動通信的經驗，甚至可以利用公共移動通信技術發展的教訓。通過對現有基于先進移動通信標準的模塊無線電裝備進行移植，并部署到新的航空移動通信中，可以促成航空移動通信的跨越式發展。航空機載通信網絡同樣受益于現代公共互聯網的應用技術。當然，應用到航空通信系統中的技術移植需要考慮應用系統的環境和具體需求，這與其他工業應用是類似的。 1.2 民航飛機通信的基礎知識 民航通信是空中運輸中信息、指令傳輸的統稱，用于完成消息、文字、情報、指令、圖像等信息的傳輸和交換，完成航空通信所需的一切技術設備和傳輸媒介統稱為民航通信系統。按照民航通信傳輸交換的范圍可分為外環通信和內環通信。外環通信是指飛行器與其他通信終端的信息傳輸，通常采用無線通信傳輸方式，可分為空空、空地和空天通信；內環通信是指機載設備內部的信息交換，通常使用有線通信模式，借助電纜、光纖等媒介實現信息傳輸，主要分為總線模式和網絡模式。按照通信過程中傳輸的信息類型又可分為模擬通信系統和數字通信系統。采用模擬通信方式傳輸信息的通信系統稱為模擬通信系統，包括HF COMM 和VHF COMM 系統。而用數字信號作為載體來傳輸信息的通信方式稱為數字通信系統，包括ACARS、機載數據總線通信等。 1.2.1 民航飛機模擬通信系統模型 圖1.1 所示為模擬通信系統模型。從通信系統的信源輸出的電信號稱為基帶信號，在模擬通信系統中，信源輸出的為模擬系帶信號，基帶信號通常是含有直流分量和頻率很低的電信號，不適合遠距離傳輸，因此信號需要經過調制。調制是指用基帶信號去控制另一作為載體的信號(載波信號)，讓載波的某一參數(幅值、頻率、相位等)按前值變化。信號調制中通常以一個較高頻率的正弦信號作為載波信號，模擬通信系統中常用的調制方式有調幅(AM)、調頻(FM)、調相(PM)等。如圖1.1 所示，框圖中畫出了基帶信號采用調幅方式在模擬通信系統中傳輸時信號波形變化情況。模擬基帶信號和載波信號在調制器中實現調制，經過調制器調制后輸出的信號稱為已調信號。已調信號有三個基本特性：一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是頻譜具有帶通性質，且中心頻率遠離零頻。經過調幅調制的已調信號為調幅信號，經過調頻調制的已調信號為調頻信號。已調信號需要經過解調才能將載波和基帶信號分離，還原出基帶信號，解調是調制的逆過程。典型的調幅信號調制器為乘法器，解調器為包絡檢波，例如，民航飛機上VHF COMM 系統為采用調幅調制方式的模擬通信系統。 圖1.1 采用調幅調制方式的模擬通信系統模型 基帶信號用光波作為載波進行調制，通過光纖作為傳輸介質，可以實現光纖通信。光纖信道具有傳輸頻帶寬、抗干擾能力強和信號衰減小等優點，遠優于電纜、電磁波等信道，現在已成為通信領域主要信道傳輸方式。將基帶信號經過調制，“搬移”到較高頻率的載波上，在電磁波信道中傳輸，信號頻率較高，則收發雙方所需要的天線尺寸較小，維護和使用成本低。在電纜信道中傳輸，因為電阻具有高通頻率特性，即在一定范圍內，頻率越高，其阻抗越低，所以遠距離傳輸的信號衰減較小。 在模擬通信系統中常用的載波是正弦波，通信系統中傳輸的信號為電信號，一般采用時域分析和頻域分析來理解、描述與分析電信號。時域分析法研究的是電信號的電壓或電流隨時間變化的情況；頻域分析法研究的是電信號的電壓或電流等參數在頻域中的分布情況，電信號在頻域上可以分為基帶信號和頻帶信號(已調信號)。圖1.2 所示為對調幅和調頻信號進行時域分析的信號波形，圖1.3 為對調幅和調頻信號進行頻譜分析的波形。 1.2.2 民航飛機數字通信系統模型 模擬通信技術代表著通信技術的過去，數字通信技術代表著通信技術的未來。計算機技術和互聯網技術的發展促進了數字通信技術的發展。數字信號是指電壓、電流等電信號參數在幅度上和時間上都是離散的信號，例如，現代計算機中使用的二進制信號就是典型的數字信號。由于計算機技術是現代民航通信數字化、網絡化的基礎，因此數字通信一般指傳輸二進制數字信號0 和1 的通信方式，圖1.4 給出了數字通信系統模型。 圖1.2 模擬調幅、調頻信號的時域分析波形 圖1.3 模擬調幅、調頻信號的頻域分析頻譜 圖1.4 數字通信系統模型 1. 模型簡介 與模擬通信系統相比，數字通信系統增加了信源編碼器和信道編碼器，以及信源解碼器和信道解碼器等功能模塊，這是數字通信特有的功能。下面簡要介紹各功能模塊的功用。 1)信源 產生基帶信號，包括模擬信號和數字信號，例如，民航飛機通信系統中的信源是HF COMM 系統、VHF COMM 系統。 2)信源編碼 信源基帶信號需要轉換成數字信號0 和1 才能在數字信號中傳輸，將模擬信號轉換為用0 和1 表示的數字量的過程稱為模數(A/D)轉換，模數轉換是信源編碼的功用之一。信源編碼的第二個作用就是將模數轉換后的數字信號0 和1 組合成可識別的字符，例如，信源基帶信號轉換成一串二進制數字“0110001001001”，如果這串數字沒有進行編碼，沒有任何意義；根據某種編碼規則編碼后，將有不同的含義。在民航飛機通信系統中，常見的十進制數的編碼有二-十進制編碼(8421BCD 碼)、BNR 碼、格雷碼、五中取二碼等，如表1.1 所示。 表1.1 民航飛機通信系統中常見的十進制編碼規則 結合表1.1 可以看出，同一串“011001010010101110011”，同樣要通過編碼來表達0～9 這十進制數，如果采用BCD 編碼，接收端得到的數字為“652573”，而采用典型格雷碼編碼，接收端得到的數字為“463652”，得到完全不同的含義。這個例子也間接反映出數字通信的保密性好，如果無法知道信號的編碼規則，即使能接收全部的二進制數字串，也很難理解碼中的含義。 3)信道編碼 信道編碼是為了對抗信道中的噪聲和衰減，通過增加冗余，如校驗碼、監督碼等，來提高抗干擾能力以及糾錯能力，即解決信息碼元進入信道傳輸的格式以及數字通信的可靠性問題。信息發送端對擬傳輸的信息碼元按一定規則(通信雙方為準確有效地進行信息傳輸所約定的通信協議)加入一些冗余碼(校驗碼)，形成數據字，數據字經過信道編碼后通過信道傳輸，接收端按照約定好的規則，從數據字中提取信息碼元，并進行檢錯甚至糾錯。 4)信道 無論是模擬通信系統還是數字通信系統，信道都一樣分為有線信道(如電纜、光纖)和無線信道(如電磁波)兩種。 2. 數字調制 數字調制就是把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸的頻帶信號。數字調制的主要作用就是提高信號在信道上傳輸的效率，達到遠距離傳輸的目的。民航飛機的ACARS，通過機載三號甚高頻VHF-3 通信收發機將ACARS 報文發送到地面臺前，就需要數字基帶信號形式的報文調制到甚高頻載波上才能發送出去。基本的數字調制方式有幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)，在數字通信系統中使用*多的是PSK。 3. 差錯控制編碼 數字信號在信道中傳輸時由于噪聲干擾容易造成數字信號傳輸差錯，為此在信號發送端需要安裝差錯控制編碼裝置，在接收端需安裝解碼裝置。差錯控制編碼是為了改善數字通信系統的誤碼性能而使用的編碼方法。在發送端，人為地在信息碼流中加入一些“多余”的監督碼，并使這些監督碼與信息碼發生某種確定關系。在接收端，則利用這種關系去校驗所接收的碼是否發生了錯碼以及錯碼可能的位置，從而達到發現錯碼或糾正錯碼的目的。 在信道中常見的錯誤有3種。 (
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