航空電信網

為了緩解日益增長的空中交通流量對管制造成的壓力，讓新概念、新技術在民航空管中的應用更加標準，1983年，國際民航組織（ICAO）開始着手研究新航行系統（FANS）。作為FANS的重要基礎設施，航空電信網（ATN）基於國際標準組織/開放系統互聯（ISO/OSI）參考模型的協議體系，實現地面系統之間以及地面系統與機載系統之間的通信服務，它是一個全球一體化、地空一體化的基礎航空電信網絡。我國民航在“十三五規劃”中提出，建設覆蓋民航各級單位、機場、航空公司的民航數據通信網，完成國內航空電信網地面骨幹網絡建設。在此背景下，對航空電信網技術及其在航空中的應用進行探討是十分必要的 ^[1]  。

傳統的空中交通管制（ATC）系統的使用是基於模擬無線電的通信導航監視系統進行的，它無法滿足日益增長的空中交通流量。得益於計算機技術和衞星導航系統的發展，ICAO 認識到綜合利用先進的數字技術和星基技術可以高效安全利用有限空域容量，減輕管制壓力，在 1983 年成立了新航行系統（FANS）運行概念的特別委員會，並在 1988 年出版《FANS 報告》，形成了基於衞星和數據鏈路的數字通信導航監視/空中交通管理系統概念。在 1991 年的第 10 次航行會議上，新航行系統概念得到各成員國的認可。1993 年，FANS 特別委員會的第二階段工作結束，制定了全球行動計劃，新航行系統概念得到了進一步發展和細化。其中，新一代 ATN 是新航行系統的重要組成部分，是國際民航組織對全球民航通信網絡的規劃和設計。在 ICAO 的推動下，ATN網絡已經進入全面部署實施階段。

按照 ICAO 定義，ATN 是一種基於國際標準組織/開放系統互聯（ISO/OSI）的標準和協議，允許地面、地空、機載數據子網進行互操作的互聯網絡架構。ATN 並非一種全新的底層通信網絡，而是通過集成多種子網來實現統一數據傳輸服務的互聯網絡，是全球地空一體化的航空專用網絡，可提供安全、可靠、高效的航空通信服務。

2003年，ICAO 責成新成立的航空通信專家組（ACP）主要負責研究現代網絡通信技術在民用航空領域的應用，制定 ATN 技術標準以及為全球各地區 ATN 過渡與實施工作提供技術指導。2007 年，考慮到 IP 協議族的應用，ACP 出版了 2 份指導性文檔，即 Doc 9880 和 Doc 9896。

如今，航空界的普遍認可的觀點是：作為全球性的航空基礎設施，航空電信網（ATN）是“將信息高速公路延伸到航空領域”的決定因素，只要技術上和制度上可行，支持空中交通服務通信的 ATN 也應該能夠支持非空中交通服務通信，並且不會導致空中交通服務通信的服務質量退化，還可以獲得顯著的經濟效益。簡而言之，ATN 應能提供廣泛的通信服務。

概括來説，ATN 主要用於傳輸與空中交通管制和飛機運行相關的安全通信業務，可以歸結為 2 種不同類別的通信業務，即空中交通服務（ATS）通信和航務管理（AOC）通信。ATS 通信包括為空中交通管制、飛行情報和告警而提供的通信服務，會涉及一個或多個空中交通管理部門。AOC 通信發生在飛機與航空公司運控中心或機場之間，出於安全以及運行效率的原因，對航班的啓動、延續、轉移或終止進行管理。當然，ATN 不限於提供安全通信業務，還提供非安全通信業務，航空行政管理通信（AAC）和航空旅客通信（APC）用於乘客個人通信和機組人員的非安全語音、數據服務有關的通信。

ATN通過中間系統（網絡和路由器）將機載網絡與地面網絡連接起來，實現空地、地地、空空的信息互聯互通，其組成結構如圖1所示。航空電信網由位於機載端或地面服務管理部門的端系統、連接不同網絡的路由器組成的中間系統、數據通信子網絡共同構成。終端系統是ATN的各個用户計算機單元，為上層的應用提供端到端（即飛機和各部門之間）的通信服務，同時，也是人機交互的操作界面。

數據通信子網絡可以根據網絡連接的終端空間位置的不同而分為地面通信子網絡、地空通信子網絡和機載通信子網絡，結合不同的通信技術，用於ATN網絡系統間的信息傳輸。為了保證信息傳輸的安全，ATN為同一終端之間提供不同的數據通信通道。如圖1所示，機載終端可以通過衞星數據鏈、VHF數據鏈或S模式二次雷達數據鏈與地面終端通信。

由於歷史原因，ATN 的協議體系以開放系統互聯 OSI七層參考模型為基礎，根據航空通信的特點開發的協議棧。其中，子網絡層對應七層模型的物理層和數據鏈路層，可以採用各種不同的局域網、廣域網和移動網絡協議。網絡層採用 CLNP 協議提供無連接的網絡服務，採用 ES-ES、IS-IS、IDRP 等路由協議完成路由管理。傳輸層主要採用 TP4 協議保障端到端的可靠傳輸，提供面向連接的傳輸層服務。會話層和表示層簡化為“Fast Byte”，目的是解決在帶寬較窄的地空數據鏈上傳輸報文的問題。應用層包括應用服務元素（ASE）和聯合控制服務元素（ACSE），各個應用都公用 1個 ACSE，由 ACSE 提供統一的建立釋放連接的處理程序和信息。以參考模型為參照建立的協議體系保留了七層模型的開放性，同時考慮到了航空業務的特殊性，可開發出不同的航空應用。航空電信網協議體系結構的具體情況如圖 2 所示。

當前已定義的 ATN 應用是航空通信、監視和信息服務，由空中交通服務單位（ATSU）應用，ATSU 可以是空中交通管制單位、飛行情報中心或空中交通服務報告辦公室。這些服務的目的是提供如下空中交通管理（ATM）功能，即空中交通服務 ATS（含空中交通管制服務 ATC、飛行情報服務FIS、告警服務 AL）、空中交通流量管理 ATFM、空域管理ASM。按照應用終端位置，可以分為地-地應用和地-空應用。

空中交通服務電報處理 ATSMHS，簡寫成 AMHS。其主要目的是在 ATN 上以存儲轉發模式交換 ATS 電文，提供一般的電文服務，可傳輸航班飛行動態、氣象、航行情報等空中交通服務信息。

AMHS 是第一個 ATN 地-地應用，是代替現有自動轉報系統 AFTN 的 ATN 應用，能提供更可靠、更安全、功能更強大的信息傳輸服務。與 AFTN 相比，ATSMHS 有顯著的優勢，即傳輸更安全、傳輸可靠性大大提高、可對信息傳輸進行多級別的控制、可以傳輸不止文本的多種類型數據、傳輸速率更快、適用於全球。

空中交通服務設施間數據通信 AIDC，是一種專用於ATSU 之間的空中交通管制信息交換的 ATN 應用，包括飛行通知、飛行協調、管制、通信、監視和一般數據的移交。它在確保飛行安全前提下，提供了將飛機從一個 ATSU 移交給下一個 ATSU 的方式。AIDC 應用的優勢是改善交通流量，及時移交管制權。

管制員與飛行員數據鏈通信 CPDLC 是管制員與飛行員之間使用數據鏈進行 ATC 通信的工具，它提供了一種使用地-空和地-地子網在主控、接收或下行 ATS 單元與飛機之間進行 ATC 數據通信的方法，而且與當前 ATC 語音通信的用語是一致的。它允許管制員與飛行員之間使用數據鏈而非語音進行通信。其主要進行地空之間交換符合空中交通管制的電報，包括飛行高度的報告、偏離航路告警、航路改變和放行、速度報告、通信頻率報告、飛行員各種請求，以及自由格式電文的發佈和接收。CPDLC 應用可以減少話音通信，減輕管制員的工作負擔，增加單位飛行區域的交通容量，降低管制員與飛行員之間的誤解、語音頻道的擁塞、情報傳輸失敗的風險，以此提高飛行安全。

自動相關監視 ADS 是一種將飛機的 ADS 數據提供給ATSU 用於監視的 ATN 應用，即飛機通過數據鏈路自動提供給 ATSU 從機載導航和定位系統得到的數據，包括航空器識別標誌、四維位置和一些適當的附加數據。從實現技術上講，ADS 屬於非獨立協同式監視，包括合約式自動相關監視（ADS-C）和廣播式自動相關監視（ADS-B）。

ADS 的應用可以提供更多的監視目標信息，提供更高精度的監視手段，增強交通態勢感知。

飛行情報服務FIS是一種為飛機提供對保證安全和高效航行有用的情報和諮詢的 ATN 應用，它又分為數字式自動航站情報服務（又稱“情報通播”）D-ATIS 應用和數字式航空氣象定期觀測報告 D-METAR 應用。其中，D-ATIS 指通過數據鏈路 24 h 或在指定時間段自動將當前的、例行的機場及氣象情報提供給到港或離港飛機（例如飛行員警示服務NOTAM、風切變警示服務 WSAS、跑道能見度報告服務 RVR、機場氣象趨勢預報 TAF）；D-METAR 指通過數據鏈路給正常飛行的飛機發送氣象信息。FIS 應用是現存的語音通播方式的補充，其優點是減輕飛行員和管制員的工作量，提高飛行效率和飛行安全，飛行員能夠獲取沒有時間和覆蓋範圍侷限的 FIS 情報，減少無線電頻道的擁堵。內容管理 CM 是飛機進入 ATN 的服務範圍後，CM會提供登陸ATN系統的服務，登錄成功後CM提供一個飛機上所有數據鏈路應用的目錄，同時，也提供在ATS單元中轉發地址的功能。