潘云飛 李艾婷
(1.中國(guó)民用航空華北地區(qū)空中交通管理局內(nèi)蒙古分局 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010070)
(2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010051)
對(duì)于民用航空而言,隨著飛機(jī)數(shù)目的激增,地空話音信息交換頻度加大。在某些終端區(qū),話音頻段資源已經(jīng)嚴(yán)重匱乏。另外由于受到人員語言表達(dá)能力、發(fā)音準(zhǔn)確程度、吐詞清晰程度等方面的限制,接收方在接收指令時(shí)可能出現(xiàn)聽不懂、聽不清甚至出錯(cuò)的情況,影響信息傳輸?shù)乃俣群途?,而且不易?shí)現(xiàn)航空情報(bào)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、共享和管理,也妨礙了空中交通管理系統(tǒng)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。未來空中航行系統(tǒng)(Future Air Navigation System,F(xiàn)ANS)是通過地空數(shù)據(jù)鏈為載體為空中交通管理提供數(shù)字化管制服務(wù),是空中交通管理發(fā)展的重要戰(zhàn)略要素。基于地空數(shù)據(jù)鏈通信的FANS 技術(shù),逐步替代傳統(tǒng)的話音管制服務(wù),能夠大幅減少管制員與飛行員的通信時(shí)間,提升ATC 服務(wù)的安全性、可靠性和準(zhǔn)確性,改善管制頻率資源緊缺與擁堵,優(yōu)化由于航路流量飽和、惡略天氣等原因?qū)е嘛w行計(jì)劃航路調(diào)整的管制復(fù)雜性,因此航空數(shù)據(jù)鏈開始在民航領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。
目前,數(shù)據(jù)鏈通信可以選擇的傳輸媒介有甚高頻(VНF)、衛(wèi)星、高頻(НF)、二次監(jiān)視雷達(dá)的S 模式。機(jī)組會(huì)根據(jù)所處的位置自主選擇最經(jīng)濟(jì)有效的數(shù)據(jù)傳輸媒介,通過地空數(shù)據(jù)鏈在飛機(jī)和地面系統(tǒng)間自動(dòng)傳輸飛機(jī)實(shí)時(shí)位置、氣象信息、管制指令、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等數(shù)據(jù)。在幾種傳輸媒介中,VНF地空數(shù)據(jù)鏈相對(duì)于НF地空數(shù)據(jù)鏈,具有通信速率快、延遲小、可靠性高的特點(diǎn)。而相對(duì)于衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈和S 模式數(shù)據(jù)鏈,VНF 地空數(shù)據(jù)鏈的機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、低廉;易于機(jī)載設(shè)備安裝、系統(tǒng)升級(jí)。地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。
如果把甚高頻數(shù)據(jù)鏈中的飛機(jī)比作移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)用戶的話,那么遙控地面站(Remote Ground Station,RGS)的作用就好比是電信網(wǎng)絡(luò)中的基站,每個(gè)RGS 的覆蓋范圍是半徑大約為200km至400km 的圓形區(qū)域(隨著飛機(jī)高度層的不同覆蓋半徑不同)。所有的RGS 在接收到飛機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)之后,都通過專用網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)控中心。網(wǎng)控中心的網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)處理入庫后,根據(jù)數(shù)據(jù)中的地址信息和自己的路由表將報(bào)文通過專用網(wǎng)絡(luò)再傳送到目的用戶。ACARS 是典型的飛機(jī)與地面間的甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈,它是基于一種面向字符型的VНF 數(shù)據(jù)鏈。其所采用的ARINC618 協(xié)議和ARINC620 協(xié)議是典型的文本電報(bào)字符格式,但是為了建立端到端的應(yīng)答式通信鏈接,采用了CAT-A和CAT-B 兩種典型的地空通信鏈控制模式。另外,ACARS 數(shù)據(jù)鏈還采用了MSK 調(diào)制方式。
圖1:地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖
圖2:ACARS 系統(tǒng)組成示意圖
ACARS 系統(tǒng)主要由五部分組成:機(jī)載設(shè)備、網(wǎng)控和數(shù)據(jù)處理中心、地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)、VНF 遙控地面站、用戶子系統(tǒng),如圖2 所示。
2.1.1 機(jī)載設(shè)備
機(jī)載設(shè)備的核心是通信管理單元(Management Unit, MU)。MU 一方面與機(jī)載VНF 收發(fā)信機(jī)相連,另一方面通過ARINC429總線與其他機(jī)載數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)終端設(shè)備相聯(lián),如飛行管理系統(tǒng)(Flight Management System,F(xiàn)MS)、維護(hù)計(jì)算機(jī)及駕駛艙終端等,完成數(shù)據(jù)采集、報(bào)文處理、調(diào)制解調(diào)、數(shù)模信道切換等功能,是VНF 數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的空中節(jié)點(diǎn)。主要功能是將機(jī)載系統(tǒng)采集的各種飛行參數(shù)信息通過地空數(shù)據(jù)鏈發(fā)送到地面RGS 站,并接收地面網(wǎng)通過RGS 站轉(zhuǎn)發(fā)來的信息。
2.1.2 網(wǎng)控和數(shù)據(jù)處理中心 (Network Management Data Processing System, NMDPS)
網(wǎng)控和數(shù)據(jù)處理中心是VНF 地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的核心。它采用以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議,與各地的RGS 站構(gòu)成一個(gè)廣域網(wǎng),地面通信網(wǎng)采用X.25 協(xié)議。主要功能是執(zhí)行對(duì)RGS 站的監(jiān)測(cè)與控制,完成數(shù)據(jù)包的尋址、路由選擇等處理;實(shí)施對(duì)射頻信道的分配;進(jìn)行輸入輸出通信的管理以及整個(gè)子系統(tǒng)的管理。它是一個(gè)開放式的體系結(jié)構(gòu),可以靈活地根據(jù)用戶的需求擴(kuò)展功能。
2.1.3 地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)
地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)包括RGS 與NMDPS 之間的傳輸鏈路以及NMDPS 與用戶子系統(tǒng)之間的傳輸鏈路。其中,RGS 站與NMDPS之間的傳輸采用“一地一空”的冗余方式,即地面專線 (自動(dòng)撥號(hào)連接 )和專用衛(wèi)星通信網(wǎng),主用衛(wèi)星通信鏈路。而NMDPS 與用戶子系統(tǒng)之間的傳輸鏈路主要采用地面數(shù)據(jù)通信服務(wù)商提供的專用地面網(wǎng)絡(luò)。
2.1.4 VНF 遙控地面站RGS
RGS 是甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的地面節(jié)點(diǎn),是連接飛機(jī)與NMDPS的地面橋梁。它包括甚高頻收發(fā)信機(jī)、集成控制單元、與地面網(wǎng)連接的路由器和調(diào)制解調(diào)器、GPS 授時(shí)模塊及天線、單板計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。主要功能是通過地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò),將機(jī)載ACARS 設(shè)備發(fā)送的下行數(shù)據(jù),以及NMDPS 發(fā)送的上行鏈路報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)載。RGS目前均為半雙工方式,使用同一頻率進(jìn)行對(duì)空接收和發(fā)射數(shù)據(jù),傳輸速率為2.4Kbps。
2.1.5 用戶子系統(tǒng)
按照應(yīng)用對(duì)象,ACARS 用戶子系統(tǒng)主要為面向空管部門的空中交通管制服務(wù)(ATS)與面向航空公司的運(yùn)營(yíng)管理(AOC)。
ACARS 數(shù)據(jù)鏈采用地面宿主處理模式,即RGS 站收到飛機(jī)的報(bào)文以后,傳輸?shù)降孛嫠拗魈幚砥鬟M(jìn)行處理,再由宿主處理器分發(fā)到空管部門或航空公司進(jìn)行處理。當(dāng)管制部門或航空公司簽派部門需要向飛機(jī)發(fā)送上行報(bào)文時(shí),先將報(bào)文發(fā)送到宿主處理器,再由宿主處理器根據(jù)下行報(bào)文的歷史記錄查出飛機(jī)可能的位置,通過將此報(bào)文傳送到離飛機(jī)位置最近的RGS,再由RGS 將報(bào)文發(fā)送至飛機(jī)。
設(shè)施聯(lián)通、貿(mào)易暢通和資金融通是“一帶一路”建設(shè)的重點(diǎn),而這些專業(yè)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)離不開相關(guān)行業(yè)企業(yè)與高校的密切合作。周谷平等認(rèn)為身處“一帶一路”建設(shè)第一線的產(chǎn)業(yè)界最清楚沿線國(guó)家的經(jīng)濟(jì)需求以及與之相匹配的人才需求,因此加強(qiáng)兩者間的合作既要求產(chǎn)業(yè)界要及時(shí)向高校傳遞人才需求信息,也要求高校主動(dòng)與產(chǎn)業(yè)界協(xié)同制定人才規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、聯(lián)合開展人才培養(yǎng)培訓(xùn)[6]。
2.2.1 ACARS 下行數(shù)據(jù)鏈路
機(jī)載終端通過載波偵聽多址訪問(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)來實(shí)現(xiàn)機(jī)載終端的無線接入。機(jī)載ACARS 應(yīng)用設(shè)備需要發(fā)送下行數(shù)據(jù)時(shí),首先通過機(jī)載總線傳輸給機(jī)載MU 單元;機(jī)載MU單元按照ARINC-618規(guī)范生成相應(yīng)下行鏈路ACARS報(bào)文,并封裝為ACARS 物理幀,完成ACARS 信號(hào)的MSK 調(diào)制;然后將信號(hào)送入機(jī)載甚高頻發(fā)射機(jī)進(jìn)行AM 調(diào)制、上變頻、功率放大,最后送入機(jī)載甚高頻發(fā)射天線。
圖3:ACARS 下行數(shù)據(jù)鏈路原理圖
圖4:MSK 的歸一化頻譜圖
RGS 站的甚高頻接收機(jī)接收空間的下行ACARS 射頻信號(hào),完成射頻接收、下變頻、AM 解調(diào);單板計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的MSK解調(diào),從ACARS 物理幀中提取ACARS 報(bào)文,提交給設(shè)備接口單元;設(shè)備接口單元將ACARS 報(bào)文數(shù)據(jù)提交給RGS 站的路由器;路由器將TCP/IP 報(bào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為X.25 報(bào)文數(shù)據(jù),通過衛(wèi)星專線或地面專線傳輸給ACARS 系統(tǒng)的NMDPS;NMDPS 接收到RGS 傳輸?shù)腁CARS 報(bào)文后,按照ARINC-620 規(guī)范完成報(bào)文格式轉(zhuǎn)換;NMDPS 通過地地專線發(fā)送給ACARS 地面應(yīng)用子系統(tǒng)(空管、航空公司應(yīng)用子系統(tǒng))。ACARS 下行數(shù)據(jù)鏈路如圖3 所示。
2.2.2 ACARS 上行數(shù)據(jù)鏈路
與下行鏈路相反,ACARS 地面應(yīng)用子系統(tǒng)(空管、航空公司應(yīng)用子系統(tǒng))按照ARINC-620 規(guī)范產(chǎn)生報(bào)文;并通過地面專線發(fā)送給ACARS 系統(tǒng)NMDPS;NMDPS 接收到ACARS 應(yīng)用系統(tǒng)傳輸?shù)腁CARS 報(bào)文后,按照ARINC-618 規(guī)范完成報(bào)文格式轉(zhuǎn)換;格式轉(zhuǎn)換后的ACARS 報(bào)文數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星專線或地面專線傳輸?shù)较鄳?yīng)的RGS 站;RGS 站收到ACARS 報(bào)文后,通過空地上行鏈路將報(bào)文傳輸給機(jī)載MU 單元;機(jī)載MU 單元根據(jù)上行鏈路報(bào)文類型,將報(bào)文分發(fā)給相應(yīng)機(jī)載設(shè)備進(jìn)一步處理顯示。
在ACARS 系統(tǒng)采用二次調(diào)制技術(shù)。先對(duì)碼元進(jìn)行最小移頻鍵控(MSK)數(shù)字調(diào)制,再用一個(gè)固定分配的頻率作為載波對(duì)MSK已調(diào)信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)幅(AM)。
圖5:AM 的頻譜圖
圖6:VHF 數(shù)據(jù)鏈在航務(wù)管理中的應(yīng)用
2.3.1 ACARS 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的時(shí)域分析
公式(1)中,ωc=2πfc代表MSK 調(diào)制載波角頻率,fc分別為2400Нz 和1200Нz,通過該兩種頻率的不同組合,表示二進(jìn)制信號(hào)“0”和“1”;TS為碼元寬度;φk表示第k 個(gè)碼元的起始相位;αk代表第k 個(gè)碼元發(fā)送符號(hào),當(dāng)發(fā)送碼元為1 時(shí),αk取值為+1,當(dāng)發(fā)送碼元為0 時(shí),αk取值為-1。
AM 是模擬通信中一種幅度調(diào)制,使載波的振幅按照所需傳送信號(hào)的變化規(guī)律而變化,但頻率保持不變的。其已調(diào)信號(hào)的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
公式(2)中,ω0=2πf0為AM 調(diào)制的載波角頻率,中國(guó)地區(qū)ACARS 系統(tǒng)基頻頻率f0為131.45MНz。
2.3.2 ACARS 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的頻域分析
MSK 調(diào)制與其他調(diào)制方式相比,MSK 信號(hào)具有恒包絡(luò)特性,其優(yōu)勢(shì)在于MSK 調(diào)制信號(hào)的功率譜密度更加緊湊,第一個(gè)零點(diǎn)即其主瓣寬度在0.75/TS 處,在主瓣帶寬之外,功率譜旁瓣的下降更為迅速,占據(jù)的射頻帶寬較窄,對(duì)領(lǐng)道干擾也較小,頻帶利用率高,相干檢測(cè)時(shí)的誤碼率性能較普通頻移鍵控好3dB 以上,因此適合民航空間無線電的窄帶傳輸。MSK 的歸一化頻譜圖如圖4 所示。
AM 普通調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)仍然反映了調(diào)制信號(hào)的變化, 其頻譜上邊帶與下邊帶呈對(duì)稱狀分別置于載頻的兩旁, 總頻帶寬度仍為調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍。AM 的頻譜圖如圖5 所示。
通過對(duì)MSK 與AM 的頻譜分析,在ACARS 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,由于采用了二次調(diào)制技術(shù),因此當(dāng)一次調(diào)制的MSK 信號(hào),作為二次AM 調(diào)制的輸入信號(hào)時(shí),最終在空間形成的無線電頻譜與民航甚高頻傳統(tǒng)單一采用的AM 調(diào)制有著本質(zhì)的區(qū)別,因此在民航無線電監(jiān)測(cè)時(shí)需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)采集與論證。
目前,VНF 數(shù)據(jù)鏈通信的主要應(yīng)用集中在空管部門的空中交通管制應(yīng)用和航空公司的航務(wù)管理應(yīng)用??罩薪煌ü苤婆c服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)包括:數(shù)字化起飛前放行系統(tǒng)(Departure Clearance Delivery, DCL)、數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)化航站信息通播服務(wù)(DataLink Automatic Terminal Information Service, D-ATIS)、管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信 (Controller Pilot Data Link Communication, CPDLC)等。航空公司的應(yīng)用主要是:飛行運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、飛機(jī)維修與遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和故障終端系統(tǒng)、地面服務(wù)和支持系統(tǒng)等。
民航數(shù)字空管系統(tǒng)由DCL與D-ATIS組成。設(shè)備由DCL服務(wù)器、ACARS 網(wǎng)關(guān)、AFTN 網(wǎng)關(guān)、ATM 路由器、撥號(hào)路由器、PDC 用戶終端、D-ATIS 用戶終端等組成。
DCL 技術(shù)通過甚高頻數(shù)據(jù)鏈,實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制員對(duì)飛機(jī)的放行許可。當(dāng)飛機(jī)需要起飛時(shí),飛行員向塔臺(tái)管制員發(fā)出請(qǐng)求,由塔臺(tái)發(fā)出飛機(jī)放行許可信息,機(jī)載設(shè)備接收到放行許可信息,并顯示在機(jī)載多功能顯示單元。DCL 有效的解決了目前人工語音預(yù)放行服務(wù)中出現(xiàn)的語音通信頻道擁擠、語音歧義性等問題,顯著提高大型機(jī)場(chǎng)管制服務(wù)效率和信息服務(wù)水平。DCL 服務(wù)信息在包含所有傳統(tǒng)服務(wù)信息的基礎(chǔ)上,還增加了如報(bào)文服務(wù)信息、飛行員和管制員自由信息等其他服務(wù)信息,在放行過程中增大了飛行員和管制員的通信自由度。
D-ATIS 技術(shù)根據(jù)飛行員的請(qǐng)求,地面系統(tǒng)自動(dòng)將請(qǐng)求機(jī)場(chǎng)的機(jī)場(chǎng)信息(包括:起降機(jī)場(chǎng)的氣象、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、跑道信息等)發(fā)送到機(jī)載多功能顯示單元。D-ATIS 有效解決使用單一自動(dòng)語音通播服務(wù)時(shí)間占用長(zhǎng)、誤聽概率大、服務(wù)范圍小等問題;大幅度降低了管制員與飛行員的工作強(qiáng)度和工作壓力,提高空中管制效率和安全性。D-ATIS 通過合成語音技術(shù)完全兼容已有的自動(dòng)語音通播系統(tǒng),并能夠通過簡(jiǎn)單文字錄入的方式實(shí)現(xiàn)臨時(shí)語音合成通播等功能。
管制員 /飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC)是利用甚高頻或者衛(wèi)星傳輸媒介,將數(shù)據(jù)報(bào)文替代語音進(jìn)行空中交通管制的通信手段,從而完成管制員與飛行員之間信息交換。包括與管制過程相對(duì)應(yīng)的一系列的放行、信息、請(qǐng)求等報(bào)文元素,如高度分配、穿越時(shí)間、航路變更和放行、速度分配、無線電頻率分配以及各種信息的請(qǐng)求。飛行員可以通過報(bào)文做出響應(yīng)、申請(qǐng)放行、報(bào)告信息、宣布/放棄緊急狀態(tài)。管制員可以通過報(bào)文來實(shí)現(xiàn)放行、請(qǐng)求報(bào)告、分配頻率等幾乎所有的管制操作。指令和請(qǐng)求均以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式傳輸,可以彌補(bǔ)語音通信的信道擁擠、誤解、聽錯(cuò)、信號(hào)失真和破壞等缺陷。同時(shí),CPDLC 還為管制員和飛行員提供了自由格式報(bào)文的功能。CPDLC 功能已經(jīng)在我國(guó)的L888 航路得到使用。
航空公司的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)通過與VНF 地空數(shù)據(jù)鏈的連接,為其多項(xiàng)業(yè)務(wù)提供準(zhǔn)確、快捷的信息服務(wù),包括飛行運(yùn)行、機(jī)務(wù)維修和工程技術(shù)支持等。飛行運(yùn)行動(dòng)態(tài)地圖顯示處理系統(tǒng)從ACARS 報(bào)文中獲得飛機(jī)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用于地圖顯示的數(shù)據(jù)格式,在地圖窗口顯示飛行動(dòng)態(tài),根據(jù)OOOI 狀態(tài)報(bào) (推出Out、離地Off、著陸On、停靠Into)、飛越報(bào)、過境報(bào)、FPL 報(bào)、CPL 報(bào)等數(shù)據(jù)信息模擬計(jì)算,模擬顯示飛機(jī)的飛行情況,確保航空公司對(duì)運(yùn)行進(jìn)行有效的管理。發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控和報(bào)告使得正常情況下的實(shí)時(shí)監(jiān)控和應(yīng)急情況下對(duì)飛機(jī)作出及時(shí)的判斷與處理成為可能,減少了航班延誤以及降低了機(jī)務(wù)人員的工作負(fù)荷。氣象服務(wù)可讓飛機(jī)離地后,飛行員還能及時(shí)掌握航路和目的地天氣,可以及時(shí)作出備降返航的決策或提前做好準(zhǔn)備。飛行人員還可以使用很多其他功能,如飛行計(jì)劃、艙單、起飛數(shù)據(jù)的上傳和確認(rèn)、定期的位置報(bào)告、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間和飛行進(jìn)程報(bào)告等。VНF 數(shù)據(jù)鏈在航務(wù)管理中的應(yīng)用如圖6所示。
地空數(shù)據(jù)鏈通信與傳統(tǒng)地空語音通信相比,克服了航空話音通信系統(tǒng)傳輸速度慢、占用信道時(shí)間長(zhǎng)、可靠性差等缺點(diǎn),并且具有抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低的特點(diǎn)。同事可顯著降低飛行員對(duì)地面管制員語音信號(hào)的誤解而產(chǎn)生的錯(cuò)誤,降低管制員的勞動(dòng)強(qiáng)度。地空數(shù)據(jù)鏈通信有助于實(shí)現(xiàn)空中交通指揮的自動(dòng)化,提高航空運(yùn)輸?shù)陌踩?、航空運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,因此已經(jīng)成為航空通信系統(tǒng)發(fā)展的主導(dǎo)方向。