民用飛機衛(wèi)星通信系統的設計和適航驗證考慮

黃躍智 張利輝 / HUANG Yuezhi ZHANG Lihui

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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民用飛機衛(wèi)星通信系統的設計和適航驗證考慮

黃躍智 張利輝 / HUANG Yuezhi ZHANG Lihui

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

隨著我國航空事業(yè)的快速發(fā)展，關于機載衛(wèi)星通信的業(yè)務需求越來越強烈。衛(wèi)星通信覆蓋面積大、通信容量大、通信距離遠、機動靈活、傳輸線路穩(wěn)定可靠，是克服現有甚高頻、高頻通信系統局限性的最佳選擇。首先對衛(wèi)星通信系統進行了概述，在此基礎上全面論述了衛(wèi)星通信系統設計過程的考慮事項、并提出適航符合性驗證的方法建議，為民用飛機衛(wèi)星通信系統的適航批準提供支持。

衛(wèi)星通信；設計考慮；適航驗證

0 引言

甚高頻通信提供機組成員與地面塔臺之間視距范圍內的語音和數據通信。高頻通信提供遠距離的語音和數據通信，但由于高頻通信受電離層影響較大，無法保證通信質量。為保證通信的全天候使用，在長距離通信系統中使用衛(wèi)星通信設備，作為現有高頻和甚高頻系統的補充，以提供全球覆蓋的寬頻語音和數據通信鏈路。通過對衛(wèi)星通信系統相關的適航標準和咨詢通告進行研究，為民用飛機衛(wèi)星通信系統的設計和適航驗證提供支持。

1 語音通信系統概述

民用飛機語音通信通常是由甚高頻、高頻和衛(wèi)星通信子系統組成的。

甚高頻通信系統是最重要也是應用最為廣泛的飛機無線電通信系統，主要用于飛機在起飛、著陸期間以及飛機通過管制空域時與地面交通管制人員之間的雙向語音通信。甚高頻系統的工作頻段通常為118MHz～136.975MHz，波道間隔為25kHz和8.33kHz。甚高頻信號只能以直達波的形式在視距內傳播，所以甚高頻通信的距離較近，并受飛行高度的影響。當飛行高度為10 000ft時，通信距離約為123 n mile；若飛行高度為1 000ft時，則通信距離約為40 n mile。甚高頻通信系統由收發(fā)機組和天線組成。

高頻通信系統為飛機與飛機之間或地面站與飛機之間提供語音通信。高頻系統占用2MHz～30MHz的高頻頻段，波道間隔通常選擇為100Hz。高頻系統利用地球表面信號來回反射和電離層反射傳播，因此信號可以傳播很遠的距離，可達數千海里，但高頻的傳輸距離及使用頻率受電離層的影響，反射的距離隨時間和射頻的不同而有所改變。飛機上一般裝有1套或2套高頻通信系統，由高頻通信收發(fā)機、高頻天線耦合器及天線組成。

衛(wèi)星通信系統是指利用空間的人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)無線電信號，以實現兩個或多個地球站之間的通信。與甚高頻、高頻通信相比，雖然衛(wèi)星通信的發(fā)射和控制技術比較復雜，有較大的信號傳播延遲和回波干擾，但具備通信距離遠、覆蓋面積大、通信頻帶寬、傳輸容量大等優(yōu)點，因此在甚高頻通信無法實現或高頻通信不能保證的區(qū)域，選擇衛(wèi)星通信為飛行員和乘客提供一個全球覆蓋的寬頻語音和數據通信，以保證通信的全天候使用。

2 衛(wèi)星通信系統設計考慮

2.1 衛(wèi)星通信系統的指導標準

以下標準適用于衛(wèi)星通信系統的設計批準，包括衛(wèi)星通信設備功能的性能、軟件、硬件、環(huán)境要求、記錄以及音頻等方面的指導。

1)最低性能標準。TSO-C159b“新一代衛(wèi)星系統(NGSS)設備”[1]和 TSO-C132“地球同步軌道航空移動衛(wèi)星服務(AMSS)飛機地面站設備”[2]規(guī)定了衛(wèi)星通信設備為取得相應的TSOA所必須滿足的最低性能標準。

2)軟件符合性。應遵循AC 20-115C “機載軟件保證”[3]，該咨詢通告認可DO-178B/C“機載系統和設備合格審定中的軟件考慮”作為民用航空機載軟件研制和審定可接受的符合性方法。

3)硬件符合性。應遵循AC 20-152“航空無線電技術委員會公司文件RTCA/DO-254”[4]，該咨詢通告認可DO-254“機載電子硬件設計保證指南”作為民用航空電子硬件研制和審定可接受的符合性方法。

4)環(huán)境要求。應遵循DO-160“機載設備的環(huán)境要求和試驗程序”，表明衛(wèi)星通信系統設備完成了低溫、高溫、沖擊碰撞等鑒定試驗，試驗結果滿足要求。

5)駕駛艙語音記錄器(CVR)。如果安裝了駕駛艙語音記錄器，應提供在內存中記錄所有機組人員衛(wèi)星語音通信的方法。

6)音頻管理系統。應提供與音頻管理系統的接口。這些接口能增強機組人員的感知能力、協調性以及與高頻通信系統相當的探測語言錯誤的能力。

7)操作界面要求。應提供與顯示系統的接口，這些接口能實現衛(wèi)星通信系統的顯示、日志測試、自測試等功能。

8)天線布置。應遵循ARINC 781-4“航空衛(wèi)星通信系統”，選擇合適的衛(wèi)星通信天線。按照不同的增益，可劃分為高增益天線、中增益天線、低增益天線。

2.2 設計考慮

2014年12月23號FAA發(fā)布了AC 20-150B“支持空中交通服務的衛(wèi)星語音設備的適航批準”[5]， 對衛(wèi)星通信系統的呼叫、通告、控制等設計提出了以下考慮：

1)衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級。設定和接收衛(wèi)星語音通信的優(yōu)先級順序如表1所示，根據對飛行安全的影響分為4個等級，優(yōu)先級1代表緊急的呼叫，如飛機快速下降或為躲避惡劣天氣進行緊急回避時的呼叫。按照以下方法處理衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級。

①如果衛(wèi)星通信系統是單通道的，當通道正用于一個較低優(yōu)先級的呼叫，然后飛機接收到一個較高優(yōu)先級的呼叫，系統應對正在使用的通道進行清除，然后接收該優(yōu)先級較高的呼叫；

②如果衛(wèi)星通信系統是多通道的，當所有可用的通道都在使用時，系統應讓出優(yōu)先級最低的通道，以支持優(yōu)先級較高的呼叫；

③衛(wèi)星通信系統應設置駕駛艙的呼叫優(yōu)先級默認為2級；

④衛(wèi)星通信系統必須使機組人員具備單獨設置呼叫優(yōu)先級的能力，允許機組人員將他們的呼叫請求置于隊列的頂部。操作程序應定義機組人員如何設置優(yōu)先級的說明。

表1 衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級

2)衛(wèi)星語音呼叫的路由。衛(wèi)星語音設備在收到“地-空”語音呼叫時應驗證優(yōu)先級。以下優(yōu)先級決定呼叫路由：

①如果衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級是1級到3級，將該呼叫發(fā)送到駕駛艙。

②如果衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級是4級，將該呼叫發(fā)送到客艙。

3)駕駛艙通告。衛(wèi)星通信系統不正常條件下的告警必須符合規(guī)章25.1322的要求，告警準則應與飛機的駕駛艙理念保持一致。根據AC 25.1322-1“機組告警”和AC 25-11B“電子飛行顯示設備”，衛(wèi)星通信系統的通告應符合以下準則：

①優(yōu)先級高的呼叫相比優(yōu)先級低的呼叫，可能會要求單獨的、更多的通告。為優(yōu)先級1、2或3的空中交通服務(ATS)“地-空”呼叫提供符合25.1322的聽覺和視覺告警。為優(yōu)先級4的非ATS通信通告提供視覺告警即可；

②當連接上衛(wèi)星語音呼叫時，系統應提供聽覺和視覺指示，將呼叫的優(yōu)先級和呼叫者的ID信息顯示給機組人員；

③當衛(wèi)星通信系統使用駕駛艙呼叫優(yōu)先功能時，系統應向機組人員提供視覺指示；

④如果當前呼叫被更高優(yōu)先級的呼叫占先時，系統應向機組人員提供指示；

⑤在關鍵的飛機階段，如起飛和著陸階段，應禁止用于呼叫的語音通告；

⑥當衛(wèi)星通信系統不能正常工作時，系統應向機組人員提供探測到機載系統失效的告警方式；

⑦當呼叫異常終止或連接失敗時，系統應向機組人員提供指示；

⑧當呼叫結束時，系統應清除衛(wèi)星語音設備的呼叫地址，以避免機組人員繼續(xù)使用時出現困惑。

4)控制。衛(wèi)星通信系統的控制應滿足以下準則：

①每一機組人員對衛(wèi)星通信系統有足夠的控制權限，在執(zhí)行其他的駕駛艙任務時能方便地接聽呼叫；

②應提供機組人員終止呼叫的方式，應考慮通過按壓簡單的按鈕就能終止呼叫；

③機組人員應可以使用快速撥號，也可選擇手動鍵入衛(wèi)星語音呼叫號碼；

④機組人員在不終止衛(wèi)星語音呼叫的情況下，可以使用其他的無線電通道；

⑤向機組人員提供衛(wèi)星語音系統的構型，如系統運行的軟件版本、數據庫版本、部件號、零件號。

3 衛(wèi)星通信系統的適航驗證

為了向審查方表明衛(wèi)星通信系統滿足適用條款的要求，需要采用不同的方法進行說明和驗證。常用的符合性方法根據實施的符合性工作形式可分為10種[6]：MOC0——符合性聲明，MOC1——說明性文件，MOC2——分析和計算，MOC3——安全性評估，MOC4——試驗室試驗，MOC5——機上地面試驗，MOC6——飛行試驗，MOC7——機上檢查，MOC8——模擬器試驗，MOC9——設備鑒定。

衛(wèi)星通信系統通?？刹捎迷O計符合性說明、計算分析、安全性評估、機上地面試驗、飛行試驗等驗證方法來表明符合性。

1)MOC1設計符合性說明。該方法是通過提交圖紙、技術文件等型號設計資料來確定有關設計是否符合相應的適航條款要求，可包括衛(wèi)星通信系統的設備清單、設備安裝圖清單、線束安裝圖清單、軟件清單及相關的軟硬件合格審定文件。

2)MOC2計算分析。該方法是通過分析和計算的手段來證明有關設計符合相應的適航條款要求。應通過對衛(wèi)星通信系統設備的供電線路分析，表明在可能的運行條件下，衛(wèi)星通信系統設備端的系統電壓均能保持在該設備的設計限制范圍之內。

3)MOC3安全性評估。該方法是通過故障樹分析、失效模式影響分析、特定風險分析等手段對有關設計進行安全性評估，驗證其對于相應適航條款的符合性。應對衛(wèi)星通信系統在預期環(huán)境下的運行進行評估，確定系統失效狀態(tài)的影響等級，表明衛(wèi)星通信系統不存在會引起災難性后果的單點故障，也不存在會引起災難性后果的潛在故障。

4)MOC5機上地面試驗。該方法是在飛機停在地面時進行適當的試驗來驗證有關設計對于相應適航要求的符合性。驗證衛(wèi)星通信系統設備裝機后顯示、控制和提示功能正常，日志測試、自測試和語音功能測試能滿足要求。

5)MOC6飛行試驗。該方法是通過飛機在飛行中進行適當的試驗來驗證有關設計對于相應適航要求的符合性。驗證衛(wèi)星通信系統控制、提示、顯示功能正常；飛機巡航、加/減速期間，衛(wèi)星通信能夠接通，雙向語音通話清晰。此外，還應考慮電磁兼容性，通過評估或檢查確認衛(wèi)星通信系統與其他系統不存在干擾現象，如正副駕駛員分別同時使用衛(wèi)星通信和甚高頻通信時，檢查衛(wèi)星通信與甚高頻通信的電磁兼容性。

6)MOC7機上檢查。該方法是通過在飛機上進行檢查的方式來驗證有關設計對于相應適航要求的符合性。檢查衛(wèi)星通信系統的安裝，確認衛(wèi)星通信系統的布置安裝依照總體布局定義，并且參考了每個設備的安裝環(huán)境要求，同時充分考慮了可達性及維護性要求。檢查衛(wèi)星通信系統安裝的每項設備用標牌表明了設備的名稱、功能或使用限制。

7)MOC9設備鑒定。該方法是通過提交設備的合格證明文件的方式來表明對于相應適航要求的符合性，一般用于裝機設備的符合性驗證。如衛(wèi)星通信系統的設備是TSO產品，提交相應的TSOA表明符合性，否則通過設備鑒定報告等文件表明衛(wèi)星通信系統設備滿足了相關設計要求。

4 結論

衛(wèi)星通信系統在飛機上的安裝使用必須取得審定局方的適航批準。前提是衛(wèi)星通信系統必須表明系統的設計和驗證滿足相關規(guī)章的要求，并按照局方的要求提供相應的符合性證據。本文通過對適航標準和咨詢通告的研究，提出衛(wèi)星通信系統的設計考慮和符合性驗證思路，為衛(wèi)星通信系統的適航工作提供參考。

[1] TSO-C159b, Next Generation Satellite Systems (NGSS) Equipment, 2014.

[2] TSO-C132, Geosynchronous Orbit Aeronautical Mobile Satellite Services Aircraft Earth Station Equipment, 2004.

[3] FAA Advisory Circular AC 20-115C, Airborne Software Assurance, 2013.

[4] FAA Advisory Circular AC 20-152, RTCA, Inc., Document RTCA/DO-254, Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware, 2005.

[5] FAA Advisory Circular 20-150B, Airworthiness Approval of Satellite Voice Equipment Supporting Air Traffic Service (ATS) Communication, 2014.

[6] AP-21-03-R4.型號合格審定程序[S].航空器適航審定司，2011，03，18.

Design Consideration and Airworthiness Validation of the Satellite Communication System for Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

With the rapid development of the civil aviation, the airborne satellite communication is used more widely. According to the larger coverage area, it is the best choice to supplement the very high frequency and high frequency communication system. This paper firstly describes the satellite communication, and provides a general design consideration and means of compliance, in order to support the airworthiness approval of the satellite equipment.

satellite communication;design consideration;airworthiness validation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.016

V243.1

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