专利名称：一种基于公众移动通信网络实现航空通信的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种航空通信系统及方法，特别是涉及一种基于公众移动通信网络实现地空和空空通信的航空通信系统及方法。
背景技术：
在航空飞行时，需要通过航空通信系统传递各种信息，例如用于飞行器控制、空中交通管理以及用于航拍、测控和侦察等信息。
目前，在进行地面与飞机等各类飞行器进行地空通信以及飞行器之间进行空空通信时，一种传统的航空通信方式是采用专门研制的专用通信设备和专用频段，按照预定的专门通信协议实现所述地空和空空通信。例如，在通用航空飞行中，采用话音电台，在HF、VHF、UHF等频段工作。但是，上述专用的通信设备，如机载电子通信设备具有价格昂贵、体积大、操作复杂等众多缺点。更为重要的是，现有专用通信设备大多尚不具备双向数据通信能力，而且无法确保实现对低空目标的连续跟踪测量和控制。
目前实现对低空飞行有效实时监视的常规方式是使用雷达监视而并不采用数据方式的自动相关监视手段。雷达通常被部署在航路和机场附近。雷达通过发射大功率的探测电磁波并对空中反射波进行接收，确定飞行器的三维位置以及航向等数据信息。若将雷达信息进行处理并传输到地面管制中心即可实现对飞行器飞行的监视。雷达技术的使用虽然可以对飞行器进行连续的有效监视，但是由于雷达等探测跟踪设备价格极其昂贵，加上我国地势复杂，实现低空雷达的大面积覆盖极为困难，并且雷达手段的使用只能解决监视的问题，而无法具备双向通信的能力从而实施实时管制。因此采用雷达技术实现飞行器的飞行管制既不经济也不能够完全解决全部问题。
因此，对于农业飞行、动力滑翔伞、无人飞行器测控等通用航空业务来讲，上述常用的航空通信和监视手段对它们并不适用。目前，我国低空空域监视并没有配备通信、导航和雷达设备，并且现有航空管制设施对低空空域内飞行的航空器主要采取程序管制方式，也就是在飞行器依据制定的飞行计划、地面领航计算、飞行员的空中情况报告以及通过地面导航点的实际飞行时间来判断飞行器的飞行状态，并依次实施管制。由于程序管制计划性的成份较多，灵活性较低，因此对于飞行情况复杂的低空通用航空并不适用。在程序管制过程中，由于缺乏有效的地空通信联络手段，以致地面指挥台无法在飞行器起飞之后对飞行状况进行连续稳定跟踪和监视，不能及时对飞行器进行指挥，无法及时发现飞行器在飞行过程中出现的危险。上述问题对我国低空空域使用和通用航空事业的发展造成严重影响和制约。
在无人飞行器测控、制导和侦察过程中，现阶段通常也使用专用机载收发信机并在地面配以相应的专用地面测控和通信站的方式实现地空双向数据通信。该方式机动性差，覆盖范围小，成本较高，通用性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种成熟灵活、成本低、覆盖范围广的基于公众移动通信网络实现航空通信的系统及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案提供一种航空移动通信系统，其基于公众移动通信网络实现飞行器之间以及飞行器与地面控制台的通信，所述系统包括基站，用于通过接收来自飞行器的航空通信信号，根据所述航空通信信号获取航空通信数据，并将所述航空通信数据通过公众移动通信链路传输到下述通信控制平台进行处理和显示，其还将下述通信控制平台通过移动通信链路传输来的航空通信数据转换为航空通信信号，发送给所述飞行器；移动通信网络，用于为所述航空通信系统提供所述移动通信交换和传输链路；机载终端，基于移动通信网络和基站，实现飞行器之间以及飞行器和地面控制台的通信，包括数据通信模块，用于通过移动通信链接在飞行器之间以及飞行器和地面控制台之间实现数据传输；通信控制平台，用于借由移动通信链路从所述基站接收上行航空通信数据，以及向所述基站发送下行航空通信数据。
在上述技术方案中所述移动通信网络包括GSM、GPRS、IS-95、CDMA2000、WCDMA、PHS中的任一种。
本发明的另一个技术方案提供了一种航空通信方法，其基于公众移动通信网络实现飞行器之间以及飞行器和地面控制台的通信，所述方法包括接收来自飞行器的航空通信信号，根据所述航空通信信号获取航空通信数据，并将所述航空通信数据通过通信链路传输给所述飞行器之外的另一飞行器或者地面控制台；以及接收来自地面控制台的航空通信数据，并将所述航空通信数据转换为航空通信信号发送给飞行器。
本发明是基于现有的国家公众移动通信标准和规范，利用电信运营商的移动交换和传输网络，通过建立面向飞行器使用的专用对空基站，以及部分现有公用基站和直放站建立起来的。所使用的终端可在满足用户需要的条件下使用符合国家和行业标准的移动通信终端或采用定制终端。因此，在下文中除必要时，省略了对现有技术中的公知元素的说明。
本发明通过在地面上选择若干适宜地形地貌，架设专用对空通信基站或直放站，构建符合电信标准的航空专用覆盖网络，通过在飞行器上配备的终端，利用电信运营商或用户建设的核心网具有的交换、传输功能以及用户业务平台及其引接，实现飞行器与地面和其它飞行器之间的地空、空空数据及话音通信。
本发明提供的一种基于公众移动通信网络实现航空通信的系统及方法，具有以下优点能够有效解决陆地大部地区和濒海地区的地空和空空通信，在极低成本的条件下，实现地空、空空双向数据、话音通信功能。
图1是本发明提出的基于公众移动通信网络的航空通信系统，其中10为专用对空基站，20为专用对空直放站，30为公用站，40为核心网，50为直升机，60为无人机，70为飞艇，80为用户业务平台，L1、L2为专用对空基站与直升机之间的通信链路，L3、L4为专用对空基站与无人机之间的通信链路，L5、L6为专用对空直放站与直升机之间的通信链路，L7、L8为公用站与飞艇之间的通信链路，L9、L10为专用对空基站与核心网之间的通信链路，L11、L12为公用站与核心网之间的通信链路，L13、L14为专用对空基站与专用对空直放站之间的通信链路。
具体实施例方式
现在首先说明所述专用对空基站10。所述专用对空基站10是通过对现有移动通信公用基站进行改进而实现的，但其在以下方面与现有基站有较大区别。
1.天线辐射朝向本发明的所述天线可以采用现有的基站天线或专用天线。
在现有公众移动通信网络中的基站，为了满足地面移动用户正常通信需要，有效降低用户间干扰，其定向天线角度一般设为向下倾斜，全向天线一般辐射朝向也为水平以下，从而使天线形成方向向下的波束，覆盖一个扇形区域内的用户，减小对相邻扇区的干扰。但是在本发明中，对上述天线作出了以下改进。
在使用普通公网基站的天线时，可适当提高天线架设高度，调整天线的朝向，使电磁波束向上，覆盖从水平至顶空的全空域空中用户，并适当提高发射功率，以在不对地面用户造成电磁干扰的前提条件下尽可能扩大覆盖区域的空间范围。
在使用专用天线时，可以采用全向天线或定向天线，最大限度的提高天线增益，覆盖空中更大的范围。
2.基站设置本发明所涉及的专用对空基站的参数设置中，主要是为了减小发射功率损耗，增大覆盖范围，增加通信距离，因此对现有的公用站的参数可作如下改进。
在现有通信网络中的基站，为了形成完整的移动通信网络，其重点在于与其它扇区进行配合。但是对于航空通信而言，由于用户数量减少，因此搜索窗口宽度参数扩大，辐射功率提高，在必要时可通过增加专门的高频和射频功率放大模块进一步提高发射功率。
现有移动公网中，通信基站通常被设置于地面，而天线架设在通信塔顶，基站与天线之间通过专用射频电缆连接，从而造成一定的馈线损耗，导致发射功率损失。
在本发明中，为了扩大覆盖范围，减少发射功率损失，优选的是，可以将基站置于塔顶，缩短基站与收发天线的距离以减小馈线损耗，并可适当提高发射功率。
现在详细说明所述专用对空直放站20。
移动通信是利用无线媒介来传递信息的。由于电磁波的传输损耗，每个基站的信号强度随覆盖范围的扩大而逐渐减少，同时由于电磁波直线传播特性造成的阴影效应，导致高山、建筑物、树林等一些阻挡物的背后出现盲区。为了弥补移动网络中基站覆盖不足，降低系统建设成本，本发明使用了专用对空直放站20作为所述专用对空基站10的补充设备，来延伸覆盖区域。
在本实施例中，所述专用对空直放站20具有低噪声放大器、选频器和功率放大器等部件，可实现所述专用对空基站10和公用站30的射频信号中继放大和收发功能。对所接收的信号功率进行纯线性放大，并转发给所述专用对空基站10或公用站30，最终由所述专用对空基站10或公用站30完成后续处理工作。
由上可知，专用对空直放站20使覆盖范围扩大，用以弥补专用对空基站覆盖范围的不足；同时，由于其结构较专用对空基站10简化很多，因此成本可大幅下降。
此外，需要说明的是，在条件允许和超低空条件下，也可使飞行器配备终端直接使用公众移动通信网络的公用站30或直放站等无线覆盖设施，而不必专门架设所述专用对空基站。
为了与地面通信设施进行通信，本发明还在飞行终端，例如图1中所示的直升机50，无人机60和飞艇70提供了机载终端2。
所述机载终端2是通过对现有移动终端进行改进而获得的。但是与上述专用对空基站类似，所述机载终端2与普通的移动终端相比，其在功能和结构上发生了显著的变化。
首先，所述机载终端2主要实现利用现有终端功能实现飞行器定位、数码摄像、短信收发、双向数据传输等功能，其中对机载终端2的改进主要是增强其数据传输功能并简化终端设计，以达到降低电力消耗和提高系统可靠性的目的。
1.定位当飞行器处于移动网络的覆盖区域内时，可通过飞行器终端自身配置的卫星定位模块取得卫星定位数据进行较高精度的定位。
在不能够实现卫星定位的情况下，可使用多地面站交汇测量的方式(TOA、AOA)提供中等精度的定位服务，通过在地面的定位服务器解算飞行器的位置数据。
若上述两种定位方式均不能够使用，可使用基于地面通信基站的扇区归属识别方式对飞行器进行低精度的定位服务。
通过对飞行器的实时定位，对实现飞行器的实时跟踪测量和监控提供基本条件。
2.数据双向传输数据传输可以通过短信和数据传输业务实现。短信是通过电信网络的信令信道传输，单次数据传输长度及传输速度受到严格限制，传输时间延迟较大。通过短信方式，可以实现对飞行器的一些简单指令的上行传输和定位等信息的下行传输，从而实现对飞行器的基本监视和控制。
大量的数据传输通过业务信道传输实现，可以完成大量数据的快速传输，如对于数码影像如航拍图像、数码照片和摄影等大量数据的实时传输或中断存储转发。数据通过数据业务信道传至电信运营商的用户业务平台后转发至用户的业务平台或地面指挥控制中心进行处理和使用。
在现有技术中，以话音通信为主。
而本发明中是以数据通信为主，而以话音通信为辅。数据通信与话音通信相比，由于其编码方式和纠错机制不同，使其覆盖范围较话音通信明显扩大。但必要时也可使用话音信道进行话音通信。
3.加解密功能所述机载终端还包括加解密模块，用于对在飞行器之间以及飞行器和地面控制台之间传输的数据进行加密和解密。这与一般的移动通信不同，因为常规移动通信无需对传输信息进行加解密处理，因此现有的移动终端均不具有加解密功能。但在本系统的某些特殊领域使用时，为提高通信的安全性和保密性，可在终端和用户应用数据平台上建立符合行业要求的加解密模块，实现数据的加密传输。
4.功率控制在现有CDMA移动通信系统中，移动终端本身具有一定的自动功率控制功能，以最大限度减小对其他用户的干扰。在本发明中，由于涉及用户数较小，为有效实现机载终端2与专用对空基站10或专用对空直放站20间的超远距离通信，可以在一定范围内适当增加机载终端2的发射功率，并使其能够在较大发射功率时长时间的稳定工作。
对于GSM等不具备功率控制功能移动通信系统，可以采用增大终端发射功率的方法实现终端与基站的超远距离上行通信。
除上述特征外，根据需要，所述机载终端2除必须具备数据传输的物理和逻辑接口外，在仅进行数据通信时，可以不具备显示器、扬声器、拨号按键等部件，以简化终端设计。
现在参考图1说明，用户业务平台80如何利用上述航空通信系统1和机载终端2实现空空和地空移动通信。
当机载终端2处于专用对空基站10或专用对空直放站20的覆盖范围内时，该终端通过上行链路L1，L3，L5将有关数据信息或话音信号，传输至专用对空基站10或直放站20进行接收。专用对空直放站20将接收的数据通过光纤线路或射频微波线路L13传送至与其相邻的专用对空基站10或公用站30，然后由专用对空基站10或公用站30将数据经短信或数据链路以及话音业务信道L10，通过核心网40到达用户业务平台80进行处理和显示或建立引接通道至各层次飞行管制中心、监控中心以及各种指挥机构，实现对飞行器的定位、监视和双向数据和话音通信。
对机载终端2的控制指挥等指令，可以由用户业务平台80经核心网40通过链路L9传至专用对空基站10或公用站30，专用对空基站10根据其覆盖范围，可以直接通过下行链路L2，L4将指令传输至机载终端2，也可以首先通过光纤线路或射频微波线路L14传输至专用对空直放站20，由其将指令通过下行链路L6传至机载终端2，实现对飞行器的飞行控制和指挥。
当机载终端2，如图1中所示飞艇70，处于超低空位置时，可以通过上行链路L7将数据信息传输至公用站30，然后由公用站将数据经短信或数据链路以及话音信道L10通过核心网40到达用户业务平台80进行处理和显示或建立引接通道至用户专用的平台进行处理，当机载终端2处于公用站30的覆盖范围内时，其控制指挥等指令也可以通过公用站30的下行链路L8将指令传至机载终端2，实现对飞行器的控制和指挥。
当机载终端2要实现飞行器之间的通信时，首先一个机载终端通过上行链路L1，L3，L5及L7传至相应的对空专用基站10、专用对空直放站20或公用站30，然后经过核心网40至另一用户的所属专用对空基站10，专用对空直放站20或公用站30的下行链路L2，L4，L6及L8发送至另一机载终端。地面各飞行管制中心、监控中心以及各种指挥机构也可通过核心网与用户业务平台80的引接通道实现对空空通信数据进行记录和管理。
本发明可广泛应用于空中交通管理、低空飞行监视、空中战术训练、无人飞行器测控、航空摄影和侦察等军民两用领域。
本发明的有益效果是，可以在较低成本的条件下，简便快捷地实现陆地和濒海地区的飞行器各种精度的定位、双向数据和话音通信。
在进行战术侦察和航拍以及通用和警务航空时，可使用终端自带的数码照相器材或专用数码照相器材，以数据方式通过数据信道传输图像数据。
在对无人飞行器进行测控时，本系统可有效实现对覆盖区域内的无人飞行器进行引导、监控和采集信息的传输。
尽管结合优选实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述优选实施方式，应该理解，在本发明构思的引导下，本领域技术人员可进行各种修改和改进，所附权利要求概括了本发明的范围。
权利要求
1.一种航空通信系统，其基于公众移动通信网络实现飞行器之间以及飞行器与地面控制台的通信，所述系统包括基站，用于通过接收来自飞行器的航空通信信号，根据所述航空通信信号获取航空通信数据，并将所述航空通信数据通过公众移动通信链路传输到下述通信控制平台进行处理和显示，其还将下述通信控制平台通过移动通信链路传输来的航空通信数据转换为航空通信信号，发送给所述飞行器；移动通信网络，用于为所述航空通信系统提供所述移动通信交换和传输链路；机载终端，基于移动通信网络和基站，实现飞行器之间以及飞行器和地面控制台的通信，包括数据通信模块，用于通过移动通信链接在飞行器之间以及飞行器和地面控制台之间实现数·据传输；通信控制平台，用于借由移动通信链路从所述基站接收上行航空通信数据，以及向所述基站发送下行航空通信数据。
2.如权利要求1所述的航空通信系统，其中所述航空通信数据是两个飞行器之间的通信数据，并且所述通信控制平台接收来自一个飞行器的航空通信数据，并将该航空通信数据发送给另一个飞行器。
3.如权利要求1所述的航空通信系统，其中所述航空通信数据是飞行器与地面控制台之间的通信数据，并且所述通信控制平台接收来自一个或多个飞行器的航空通信数据，并将该航空通信数据发送给地面控制台，或者接收来自地面控制台的航空通信数据，并将该航空通信数据发送给所述飞行器。
4.如权利要求1所述的航空通信系统，其中所述基站是专用对空基站、专用对空直放站或公用站，其搜索窗口宽度参数大于普通移动通信基站，并且辐射功率高于普通移动通信基站。
5.如权利要求1所述的航空通信系统，其中所述移动通信网络包括GSM、GPRS、IS-95、CDMA2000、WCDMA、PHS中的任一种。
6.如权利要求2或3所述的航空通信系统，其中所述专用对空基站的天线辐射方向为向上的方向，以致覆盖从水平至顶空的全空域空中用户。
7.如权利要求1所述的航空通信系统，其中所述移动通信链路是信令信道、数据业务信道以及话音业务信道中的一种。
8.如权利要求1所述航空通信系统，其被用于空中交通管理、低空飞行监视、空中战术训练、无人飞行器测控、航空摄影、通用航空数据传输和航空侦察中的一种。
9.如权利要求1所述航空通信系统，所述机载终端还包括加解密模块，用于对在飞行器之间以及飞行器和地面控制台之间传输的数据进行加密和解密。
10.一种航空通信方法，其基于公众移动通信网络实现飞行器之间以及飞行器和地面控制台的通信，所述方法包括接收来自飞行器的航空通信信号，根据所述航空通信信号获取航空通信数据，并将所述航空通信数据通过通信链路传输给所述飞行器之外的另一飞行器或者地面控制台；以及接收来自地面控制台的航空通信数据，并将所述航空通信数据转换为航空通信信号发送给飞行器。
全文摘要
本发明涉及一种航空通信系统及方法，特别是涉及一种基于公众移动通信网络实现地空和空空通信的航空通信系统及方法。本发明是基于现有的国家公众移动通信标准和规范，利用电信运营商的无线接入网络(包括GSM、GPRS、IS－95、CDMA2000、WCDMA、PHS等)的信令信道、数据业务信道和话音业务信道，通过建立面向飞行器使用的专用对空基站(10)，专用对空直放站(20)以及部分现有公用站(30)覆盖从水平至顶空的全空域空中用户，采用符合国家和行业标准的移动通信终端或采用定制终端实现地空和空空通信。该系统和方法不但能够有效解决陆地大部地区和濒海地区的地空和空空通信，在较低成本的条件下，实现地空、空空双向数据、话音通信功能。
文档编号H04B7/26GK1571299SQ200410037628
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月28日 优先权日2004年4月28日
发明者王海芳 申请人:王海芳