1.5 无线电频谱的应用

1.5.1 无线电频谱在铁路运输中的应用

以列车无线调度系统为代表的铁路无线通信于20世纪50年代末即已开始应用，70年代大规模推广建设，80年代在全国铁路得以普及，多年来在提高运输效率、保障行车安全方面发挥了重要作用，成为铁路行车安全的“三大件”之一，是铁路运输生产的重要基础设施和安全手段。

铁路无线通信在技术发展方面也经历了从VHF（甚高频）到UHF（超高频）、从单一话音传输到数据/话音综合业务传输、从单信道模拟技术到多信道数据通信技术的发展历程。在业务应用领域方面，也从列车无线调度电话向列车运行调度指挥无线通信、站场无线通信、公务移动通信、防护告警无线通信、公安无线通信及战备和应急无线通信等多方面扩展。

1.无线电频谱在铁路运输领域的主要业务应用

目前，铁路无线通信已成为具有相当规模、应用领域广泛、技术不断提高、占用一定专用频率资源、效用十分显著的专用移动无线通信系统，主要包括：列车无线调度指挥通信系统，列车运行控制无线通信系统，列车运行工况、运况安全检测无线通信系统，站场（包括客货站作业）无线通信系统，公务移动通信系统，公安无线通信及战备和应急无线通信系统。典型的铁路指挥系统如图1-3所示。

①铁路车站内部无线联网系统

铁路系统部门众多、地点分散，现场环境复杂，建立无线宽带网络系统，不仅可以实现铁路各重点区域的远程无线联网，完成业务数据的实时传输与交互，而且可以实现对全部重点区域现场（如当地的道口、货场、车站和铁路沿线环境）的实时视频监控，便于及时发现安全隐患，保障生产安全。

②铁路货场数据传输系统

货场工作人员每日需要录入货物流通、库存等信息。采用无线网络对整个货场进行无线覆盖后，工作人员就可以利用支持IEEE802.11b/g传输标准的条形码及二维码扫描仪录入货物信息，同时通过无线网络传回办公调度中心。

③机车运行数据无线传输系统

列车上安装有相应的仪器，用于记录列车行驶过程中的数据参数等信息。无线传输系统主要用于车站或机务段等地方，采用宽带无线网络对车站或机务段等的线路进行全面无线覆盖，使列车进入覆盖区域后能够自动发现无线网络并开始回传所记录的相应数据，大大提高了工作效率。

④铁路沿线货场无线监控系统

铁路货场一般有两种，固定的车站货场和铁路沿线临时货场。利用自身无线网桥等产品，采用点对点或点对多点的数据传输方式来传输视频信息，从而建立起货场无线监控系统。除固定点的监控外，这套无线监控系统还支持移动监控，极大地完善了货场的安防管理。

其余系统还有公务移动无线通信系统、公安无线通信系统及战备和应急无线通信系统等。

2.无线电频谱在铁路运输领域的地位和作用

铁路是国家的重要基础设施，是我国综合交通运输体系的骨干，作为国民经济的重要基础产业部门，负担着为国民经济和社会快速发展进步提供动力保证的任务。经过多年的努力，我国铁路有了很大发展，截至2009年底，我国铁路营业里程达到8.6万公里，居亚洲第一位，世界第二位。2009年，铁路完成旅客发送量15.25亿人，完成货物总发送量33.33亿吨。铁路运输货种主要集中在煤炭、石油、钢铁等基础性战略物资，旅客运输以中长途为主，旅行距离在500公里以上的客运量占总客运量的35%，是我国基础性战略物资和中长途旅客运输的主力军。提高运输生产效率、保障行车安全是铁路的两大持久主题，铁路无线通信以其可移动性和机动灵活的特点，在满足铁路运输特别是车地移动通信需求方面发挥着其他通信手段不可替代的作用。随着列车运行速度的提高，行车密度的增加，机车运行交路的延长，随着无线通信技术的迅速发展，铁路无线通信在保障行车安全、提高运输效率、实现行车管理和列车运行中心动态控制方面的作用越来越显著。

铁路无线通信的经济效益和社会效益都十分显著，但由于资料的长期收集与积累不足和基础数据的缺乏，只能以铁路较长时间运用的列车无线调度电话（无线列调）、站场无线通信和公安无线通信为例进行经济效益的定量分析、社会效益的统计分析。铁路信息化对运输总产值的贡献率会随着技术的发展和铁路运输的发展越来越高，投资少、见效快、效益高的特点日益明显。

对铁路无线通信的经济效益进行定量分析较为困难，原因有三：

①资料积累特别是基础资料积累不够；

②铁路运输系统是由相互作用、相互依赖的车、机、工、电、辆等多子系统组成的有机整体，难以将一个子系统的贡献单独分离，而且每一个子系统又随着科学技术的发展而变化，使得贡献具有时变性质（如信息化贡献率日趋增大）；

③无线通信的经济效益分为直接的（对铁路运输本身的贡献）和间接的（对社会发展和国民经济的贡献），而间接经济效益的定量分析尤其困难。贡献的交互性、时变性和间接性在很大程度上增加了经济效益定量计算的困难。

1.5.2 无线电频谱在气象行业的应用

在气象行业中，无线电频谱是必不可少的传输媒介。无线电频谱在气象行业的应用主要是气象监测。气象部门通过发射出去的无线电波经由大气、云团散射后返回的波束来判断风速、湿度、云、雨等天气要素的变化。

1.无线电频谱在气象领域的主要业务应用

目前，我国已经初步建成以气象卫星为天基、无线电探空仪为空基和天气雷达为地基的三维一体的综合天气与气候监测业务体系。气象监测系统图如图1-4所示。

①气象卫星

气象卫星通常由气象观测专用系统和保障系统两部分组成。气象观测专用系统中的主要设备是气象遥感仪器，还包括卫星所载的磁带机等数据存储装置和数据传输设备。

气象卫星的功能实现来自于它携带的各种气象遥感器。遥感器能够接收和测量地球及其大气的可见光、红外与微波辐射，并转换成电信号传送到地面。地面接收站再把电信号还原绘出各种云层、地表和洋面图片，进一步处理后就可以发现天气变化的趋势。

气象卫星的主要观测内容包括：卫星云图的拍摄；云顶温度、云顶状况、云量和云内凝结物相位的观测；陆地表面状况的观测，如冰雪和风沙，以及海洋表面状况的观测，如海洋表面温度、海冰和洋流等；大气中水气总量、湿度分布、降水区和降水量的分布；大气中臭氧的含量及其分布；太阳的入射辐射、地气体系对太阳辐射的总反射率，以及地气体系向太空的红外辐射；空间环境状况的监测，如太阳发射的质子、α粒子和电子的通量密度。日常气象预报是气象卫星的基本功能之一。气象卫星资料还可用于数值预报、中长期天气预报和气象科学研究。

②无线电探空仪

无线电探空仪通常由充满氦气或氢气的气球（风向球）搭载升空（或由定高气球、飞机、火箭上下投），能测定各个高度的风向、风速、温度、湿度和气压，并通过无线电将数据传回地面气象站，它是20世纪20年代末在高空气象仪和无线电短波技术基础上研制成的。

当代无线电探空仪测量的主要数据包括：大气压力、高度、经纬度、温度、相对湿度和风速风向等。一些无线电探空仪同时测量大气臭氧浓度。由于仪器小巧，观测方法简便，探测结果及时可靠，高度一般可达30公里，因而无线电探空仪很快成为高空气象观测的主要工具，促进了世界高空气象站网的建立。

③气象雷达

探测一定范围内大气中风暴、云、雨、风和晴空湍流等气象要素的雷达称为气象雷达。

雷达探测的原理是，气象雷达通过方向性很强的雷达天线向空间发射脉冲无线电波，并在传播过程中和大气发生各种相互作用。例如，大气中水气凝结物（云、雾和降水）对雷达发射波的散射和吸收；非球形粒子对圆极化波散射产生的退极化作用；无线电波的天气折射率不均匀结构和闪电放电形成的电离介质对入射波的散射；大气对入射波的部分反射；以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生的多普勒效应等。

气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。气象雷达可提供飞机前方气象情况的准确和连续的图像，并以距离和方位的形式显示出来，为飞机改变航道、避开颠簸区域和飞行安全提供保障；为天气预报，火箭、导弹和航天器的发射与飞行提供必要的气象资料；为机场气象保障和气象研究提供资料。全国天气雷达网将有效监测全国大范围强对流降水天气和台风等灾害性天气。

2.无线电频谱在气象领域的作用

各种气象无线电监测业务系统需要占用大量的各个不同频段的无线电频谱。在国际电信联盟《无线电规则》（2004年版）和《中华人民共和国无线电频率划分规定》（2006年版）中，为各种气象无线电监测业务划分了非常多的频段。随着我国气象事业的进一步发展，更多的气象卫星的发射将对无线电频率提出新的需求。这些越来越多的频谱利用会促进我国各种气象无线电监测业务系统更高效、有益地建设和发展，不仅大大提高和增强了我国综合气象监测现代化水平与监测能力，而且可以更进一步地推动气象科学技术进步和气象事业高质量、高效益发展。

1.5.3 无线电频谱在民用航空领域的应用

民航业是国民经济现代化的基础构架。作为一个特殊的基础性行业，其社会效益还体现在维护各民族的团结、促进各地区均衡发展，以及在国家应急救援等公共服务体系中。对国家和地方的社会效益巨大。信息通信在民航发展过程中是一种基础性手段，同时也是民航发展的支撑点。根据我国无线电频率划分表，航空无线电频谱共有79个频段，其中航空专用的有54个分频段，供航空无线电导航和航空移动通信两种业务应用。

1.无线电频谱在民用航空领域的主要业务应用

民航业本身就是一个快速发展、快速运作的行业，需要信息通信业的强有力支撑，特别要求信息通信的及时、准确、安全、海量性。无线电频率在航空领域主要应用在三方面：通信、导航、监视（即雷达）。

①航空移动通信业务

从业务上，航空无线电通信可分为航空固定通信（平面业务）和航空移动通信（地面通信）。航空固定通信是指为航空导航安全与正常、有效和经济的空中运输，在指定的固定地点之间的无线电通信。航空移动通信是指航空器电台与航空地空电台之间或航空器电台之间的无线电通信，包括甚高频通信和高频通信。

②航空固定通信

民航C、KU波段卫星通信网是航空固定通信业务的一个重要组成部分，主要为航空用户提供数据和话音通信服务。C波段卫星通信网由话音通信网和数据通信网两部分组成，以传输空管信息为主，其他业务信息为辅。KU波段卫星通信网与C波段卫星网优势互补，共同组成一个高可靠性的民航专用通信网络。

③航空移动通信

航空移动通信包括甚高频地空话音通信、数据通信和高频通信。目前，甚高频地空话音通信已成为中国民航地空通信的主要手段，并达到了相当的覆盖程度。在机场终端管制范围内，它可以提供塔台、进近、航站自动情报服务，以及航务管理等通信服务。甚高频地空数据通信网络目前是国内覆盖范围最大的低空通信网络之一，主要为机场、航空公司和空管部门提供飞机在飞行过程中的实时动态及有关信息，并将地面有关部门的相关信息及时传递给飞行中的飞机，以满足航空公司及空中交通管理的各项应用要求。高频通信主要应用于越洋和极地等甚高频通信无法覆盖的地区。

④在民航无线电导航方面的应用

航空无线电导航是以各种地面和机载无线电导航设备向飞机提供准确可靠的方位、距离和位置信息，作用是引导飞机起飞到降落。具体包括三大要素：频率、呼号和经纬度。民航无线电导航设备包括：仪表着陆系统、无方向信标台、全向信标台和测距仪。着陆系统的建设为有效地减少因天气原因造成航班延误提供了有力的保障，后三者的建设不仅提高了终端区和航路的导航精度，使国际航路、国内干线航路及其交叉点和转弯点具备了一定的全向信标/测距设备导航能力，而且也为增加空域容量、优化空域及航路结构奠定了坚实的基础。

为推动卫星导航在空管服务中的应用，民航将采用航路卫星导航检测系统，对所覆盖地区的全球定位系统（GPS）信号的完好性进行检测，这将为应用全球定位系统进行航路导航和非精密进近导航所涉及的可信度、精度等指标的分析评估工作提供了参考依据。

⑤在航空无线电定位方面的应用

无线电定位是利用无线电波的传输特性测定目标的位置、速度和其他特性，并获得与这些参数有关的信息。目前民航无线电监测系统主要利用一次雷达（PSR）和二次雷达（SSR）。一次雷达利用反射原理，主要用于远程控制；二次雷达是通过询问飞机，并由飞机返回信息进行控制的，它可以知道飞机的方位、距离、高度、代码、特殊代码等信息。国内各省会机场和干线机场都装备了空管二次雷达系统，主要机场都装备了空管一/二次雷达系统。

上述无线电设施设备的应用，扩大了航路覆盖范围，提高了飞行监控能力和导航精度，增强了空管系统综合保障能力，有力地促进了航路缩小飞行间隔和雷达管制的实施，同时也大大加速了空中流量，减少了航班延误。当然，这些设施设备的运行，均需要高度依靠无线电通信、导航与检测设备来实施完成，而通信、导航和检测设备的运行需要无线电频谱为依托，无线电频谱已成为民航行业生存和发展的命脉。

2.无线电频谱在民航领域的新应用——新一代航空电信网（ATN）

航空固定电信网（简称AFTN）自二十世纪初期就开始不断演进，已经被世界各国普遍采用。虽然AFTN系统在传递航空信息方面具有巨大的优势，但是随着世界航空形势的不断变化及空中交通流量的飞速增长，对航空网络的传输提出了更高的需求，比如需要传递图表、气象图及其他附件，而这些需求都是AFTN系统无法支持的。

为了解决这些问题，国际民航组织经过深入研究，提出通信、导航、监视/空中交通管理（简称CNS/ATM）新航行系统概念。其中，新一代航空电信网（Aeronautical Telecommunication Network，ATN）是新航行系统的重要组成部分，是国际民航组织对全球民航通信网络的规划和设计。在国际民航组织的推动下，ATN网络已经全面进入部署实施阶段。

早在2006年至2007年期间，亚太地区ATN地面网络建设和AMHS应用系统实施工作已经全面展开，绝大部分国家和地区已完成ATN地面网络和AMHS（ATS Message Handling System，AMHS）应用系统的建设工作。

我国作为国际民航组织成员国之一，也积极推动国内ATN的部署与实施。国内ATN骨干网络的建设为民航空管等部门提供了更可靠、更及时、更安全的通信服务。

1983年，国际民航组织成立了新航行系统委员会进行空管领域内新概念、新技术的研究工作。新航行系统委员会的主要工作成果之一就是提出通信导航监视/空中交通管理系统——新航行系统概念，新航行系统将通过应用数据通信和卫星技术改善现有通信导航系统。1991年，新航行系统概念得到各成员国认可。其中，航空电信网ATN是新航行系统的重要组成部分。

ATN并非一种全新的底层通信网络，而是一个通过集成多种数据子网来实现统一数据传输服务的互联网络，是全球地空一体化的航空专用通信网络，可提供安全、可靠、高效的航空通信服务。通过ATN网络，实现了机载系统和地面管制系统之间、地面管制系统和地面管制系统之间无缝的数据连接。此外，根据航空通信的特点，ATN网络还能够针对不同类型的数据，提供不同质量的数据传输服务。

无线电频谱将在新一代航空电信网（ATN）中发挥巨大的作用。