自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信傳輸方式在民航系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜莉洋，黃順利，徐 陽

（民航新疆空中交通管理局阿克蘇站，新疆 阿克蘇 843000）

阿克蘇空管站現(xiàn)有自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)作為保障航空正常運(yùn)行的重要?dú)庀笤O(shè)備發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，主要對(duì)外提供跑道三端的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量、云高、能見度、跑道視程、天氣現(xiàn)象等重要?dú)庀笠財(cái)?shù)據(jù)，其通信方式使用有線傳輸。

為確保自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，不間斷為用戶提供各類氣象要素?cái)?shù)據(jù)，避免施工等不安全因素造成有線數(shù)據(jù)中斷無法提供氣象要素?cái)?shù)據(jù)的現(xiàn)象，同時(shí)滿足《民用航空自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（AP-117-TM-2018-03R1）要求，可為自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)增加無線通信傳輸方式，實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)為主用，無線數(shù)據(jù)為備用，且二者自動(dòng)切換的功能，為航空安全運(yùn)行提供可靠保障。

本文結(jié)合空管站實(shí)際情況，綜合考慮信號(hào)質(zhì)量、實(shí)施復(fù)雜程度、預(yù)算費(fèi)用等因素，確定了本站自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)施無線通信傳輸?shù)募夹g(shù)方案，總結(jié)了實(shí)施中出現(xiàn)的問題及解決方法。

1 自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信傳輸功能的實(shí)現(xiàn)方式

經(jīng)與部分機(jī)場(chǎng)、空管單位溝通，實(shí)現(xiàn)無線通信傳輸功能的方式有多種，硬件實(shí)現(xiàn)方式主要可分為無線網(wǎng)橋和4G傳輸兩種方式，軟件實(shí)現(xiàn)方式主要可分為修改配置文件和安裝線路監(jiān)控軟件兩種方式。

1.1 硬件實(shí)現(xiàn)方式

無線網(wǎng)橋[1]方式實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信是指用無線網(wǎng)橋來連接分別位于不同建筑物中兩個(gè)固定的網(wǎng)絡(luò)，它可在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信的橋梁。自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)便可在傳感器端和服務(wù)器端分別搭建無線網(wǎng)橋，相對(duì)定向放置，并保證二者之間可視，以實(shí)現(xiàn)自觀數(shù)據(jù)的無線通信傳輸。

1.1.2 利用4G傳輸實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信

4G傳輸方式實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信是指利用運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信。此通信方式不受傳輸距離限制，但需確保設(shè)備所在區(qū)域4G信號(hào)良好，同時(shí)在傳感器端和服務(wù)器端分別安裝4G傳輸收發(fā)模塊，便可實(shí)現(xiàn)自觀數(shù)據(jù)的無線通信傳輸。

1.2 軟件實(shí)現(xiàn)方式

（1）通過修改自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)底層配置，將無線通信傳輸引接的傳感器數(shù)據(jù)作為虛擬傳感器引入自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)、無線數(shù)據(jù)的互備。

（2）通過線路監(jiān)控軟件使用UDP協(xié)議不同端口號(hào)接收有線和無線兩路數(shù)據(jù)，將有線和無線兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫切換，最終將其中一路數(shù)據(jù)推送至自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)。

2 自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信傳輸設(shè)計(jì)方案考慮因素

結(jié)合現(xiàn)狀，考慮以下六方面因素，并綜合分析兩種硬件實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，制定最優(yōu)技術(shù)方案。

2.1 信號(hào)質(zhì)量

使用5.8 GHz頻段的無線網(wǎng)橋搭建的無線局域網(wǎng)絡(luò)，相比2.4 GHz頻段的無線局域網(wǎng)絡(luò)具有更高的傳輸速率，傳輸距離更遠(yuǎn)，抗干擾性更強(qiáng)[2]，穩(wěn)定性更好。而4G傳輸方式的傳輸速率依賴于運(yùn)營(yíng)商，需運(yùn)營(yíng)商4G信號(hào)覆蓋，其傳輸信號(hào)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性均低于無線網(wǎng)橋方式。

2.2 傳感器端實(shí)現(xiàn)方式

使用無線網(wǎng)橋方式，需在跑道旁傳感器端安裝通信機(jī)箱引接各路傳感器數(shù)據(jù)，再將各路傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引接至無線網(wǎng)橋。目前跑道三端傳感器數(shù)據(jù)均有數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)，通信機(jī)箱可安裝在三端自動(dòng)氣象站風(fēng)桿上，因而三端均需要傳感器數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)至自動(dòng)氣象站的通信線纜。目前，三端傳感器數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)至自動(dòng)氣象站均有空余線芯，無線通信傳輸可利用目前的空余線芯進(jìn)行信號(hào)引接，供電取自本端自動(dòng)氣象站，不需單獨(dú)鋪設(shè)通信及供電線纜，不涉及場(chǎng)內(nèi)土建工程，且信號(hào)引接為并接，安裝時(shí)不影響自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，無須不停航施工。但若無空余線芯能正常使用，則需考慮部分土建工程及不停航施工等因素。

[17]Five years on,Wenzhou is still trying to clean up the mess.（2016-06-11）

使用4G傳輸方式，因4G傳輸模塊較小，可考慮直接放置在每個(gè)傳感器設(shè)備機(jī)箱中，也可在三端傳感器信號(hào)匯聚箱中安裝4G傳輸模塊，將各路傳感器信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為4G信號(hào)，供電取自各傳感器設(shè)備機(jī)箱或信號(hào)匯聚箱，無須單獨(dú)鋪設(shè)通信及供電線纜，不涉及場(chǎng)內(nèi)土建工程，且信號(hào)引接為并接，安裝時(shí)不影響自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，無須不停航施工。

2.3 服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)方式

使用無線網(wǎng)橋方式需在服務(wù)器端選擇一個(gè)與傳感器端可視的地理位置，安裝基座搭建接收桿，將跑道三端對(duì)應(yīng)的接收端無線網(wǎng)橋安裝在接收桿上，匯聚三端傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后將無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引入自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

使用4G傳輸方式需在服務(wù)器端機(jī)房?jī)?nèi)安裝4G收發(fā)傳輸單元，接收各路傳感器4G信號(hào)并轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)，將RS-485信號(hào)接入串口服務(wù)器，在串口服務(wù)器中將RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換為有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引入自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

2.4 改擴(kuò)建搬遷方式

因阿克蘇空管站正在實(shí)施二期改擴(kuò)建相關(guān)工程，后期需將自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器端整體搬遷。

若采用無線網(wǎng)橋傳輸方式，需考慮無線網(wǎng)橋的作用距離是否滿足后期搬遷需求，有兩種方案可解決。（1）由于無線網(wǎng)橋作用距離可選，可根據(jù)實(shí)際距離選擇合適的無線網(wǎng)橋。結(jié)合阿克蘇機(jī)場(chǎng)現(xiàn)狀，可考慮選用10km作用距離無線網(wǎng)橋，待后期搬遷時(shí)選擇接收端附近與跑道三端可視的地理位置安裝無線網(wǎng)橋，連同服務(wù)器端一起搬遷。（2）可考慮通過增加中繼的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

若采用4G傳輸方式，可將服務(wù)器端4G傳輸設(shè)備同自觀服務(wù)器端整體搬遷至新機(jī)房，由于4G傳輸方式不受距離限制，只需覆蓋4G信號(hào)，便可滿足傳輸需求。

2.5 與氣象雷達(dá)是否相互干擾

阿克蘇空管站氣象雷達(dá)使用頻率為5.47 GHz，若自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信使用4G傳輸方式，利用運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)，則不會(huì)產(chǎn)生干擾；若使用5.8 GHz無線網(wǎng)橋方式，二者頻率較為接近，若無線網(wǎng)橋質(zhì)量有瑕疵，有可能出現(xiàn)雜波干擾。為此本站開展了一個(gè)月的測(cè)試工作。

由于阿克蘇機(jī)場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)跑道主降端無線網(wǎng)橋朝向氣象雷達(dá)方向，故選用主降端進(jìn)行測(cè)試。在跑道主降端自動(dòng)氣象站風(fēng)桿上安裝發(fā)射端無線網(wǎng)橋，在航管樓選擇合適位置安裝接收端無線網(wǎng)橋，二者之間可視，引接部分自觀傳感器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋傳輸至航管樓。通過監(jiān)測(cè)雷達(dá)回波和自觀無線網(wǎng)橋傳回的傳感器數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)回波干擾和傳感器數(shù)據(jù)亂碼的現(xiàn)象，故判斷二者之間不存在干擾現(xiàn)象。

2.6 預(yù)算費(fèi)用

無線網(wǎng)橋傳輸方式和4G傳輸方式整體預(yù)算費(fèi)用相差不大。由于無線網(wǎng)橋傳輸方式是用公用頻段的無線網(wǎng)橋搭建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，后期不涉及費(fèi)用問題。但使用4G傳輸方式，需每年繳納運(yùn)營(yíng)商資費(fèi)。

2.7 無線網(wǎng)橋方式和4G傳輸方式對(duì)比

綜合無線網(wǎng)橋方式和4G傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮當(dāng)?shù)刈詣?dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，選用合理的通信方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的無線通信傳輸。兩種傳輸方案對(duì)比見表1。

表1 無線網(wǎng)橋方式和4G傳輸方式對(duì)比

3 阿克蘇空管站自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信傳輸技術(shù)方案

結(jié)合運(yùn)行現(xiàn)狀及上述考慮因素，擬定了無線通信傳輸技術(shù)方案。采用5.8 GHz無線網(wǎng)橋（作用距離10km）的硬件方式和安裝線路監(jiān)控軟件的軟件方式實(shí)現(xiàn)自觀系統(tǒng)無線通信傳輸。

因在跑道三端（主降、次降、MID）分別建有自觀設(shè)備，可使用三對(duì)無線網(wǎng)橋分別將三端傳感器的數(shù)據(jù)引入自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)。傳感器端，在自動(dòng)氣象站風(fēng)桿上安裝通信機(jī)箱和無線網(wǎng)橋，利用自觀信號(hào)匯聚點(diǎn)至自動(dòng)氣象站線纜中的空余線芯，將各傳感器的RS-485信號(hào)引接至通信機(jī)箱中，通過串口服務(wù)器將傳感器的RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引接至無線網(wǎng)橋。服務(wù)器端，選取可視位置架立接收桿安裝三端傳感器的接收端無線網(wǎng)橋，將三端傳感器的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋之間的無線通信鏈路傳回至接收端，再將此無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸至自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí)在CDUA和CDUB服務(wù)器上安裝線路監(jiān)控軟件，使用UDP協(xié)議不同端口號(hào)接收有線和無線兩路數(shù)據(jù)，將有線和無線兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫切換，最終將其中一路數(shù)據(jù)推送至自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)主用，無線數(shù)據(jù)備用的運(yùn)行模式。整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信傳輸整體架構(gòu)

4 設(shè)備安裝中存在的問題及解決方案

4.1 傳感器信號(hào)并接異常

本站自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)跑道三端9套傳感器數(shù)據(jù)均為RS-485信號(hào)輸出，考慮兩線制RS-485信號(hào)可使用并接方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)一分二，故在跑道三端信號(hào)匯聚點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)并接。但使用五類雙絞線并接信號(hào)失敗，無法在信號(hào)線末端收到數(shù)據(jù)或亂碼。

經(jīng)排查測(cè)試，發(fā)現(xiàn)信號(hào)匯聚點(diǎn)線架使用時(shí)間較長(zhǎng)存在老化現(xiàn)象，在信號(hào)并接過程中若線芯過細(xì)，則無法利用線架并接信號(hào)。最終選用線徑較粗的六類雙絞線成功并接信號(hào)，在信號(hào)線末端測(cè)試正常。

4.2 無線網(wǎng)橋接收到的傳感器數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼

將自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)三端傳感器RS-485數(shù)據(jù)分別引入串口服務(wù)器，在轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引入無線網(wǎng)絡(luò)的過程中，發(fā)現(xiàn)天氣現(xiàn)象傳感器FD12P信號(hào)存在亂碼。

在排查過程中發(fā)現(xiàn)若前端并接一路RS-485數(shù)據(jù)，通過RS-485轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器連接至筆記本終端，同時(shí)監(jiān)控串口數(shù)據(jù)和串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換之后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并無亂碼；若將并接信號(hào)的RS-485轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器去掉則網(wǎng)絡(luò)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)亂碼；測(cè)量天氣現(xiàn)象傳感器FD12P RS-485數(shù)據(jù)輸出端口兩線之間電壓較低。故判斷可能由于使用年限較久，數(shù)據(jù)輸出端口兩線電壓較低，信號(hào)較弱，信號(hào)在傳輸線末端形成反射波，干擾原信號(hào)，故產(chǎn)生亂碼現(xiàn)象。在測(cè)試中，利用RS-485轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器并接信號(hào)接入筆記本電腦時(shí)相當(dāng)于增加了信號(hào)末端終端電阻[3]，有效增強(qiáng)了信號(hào)強(qiáng)度。

由于串口服務(wù)器NP6450可調(diào)節(jié)終端電阻，最終通過增加串口服務(wù)器NP6450FD12P端口終端電阻的方式，有效消除了FD12P數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸過程中出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信傳輸功能。

5 結(jié)束語

綜合阿克蘇空管站自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)及使用現(xiàn)狀，考慮用戶對(duì)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性需求以及設(shè)備保障人員的后期維護(hù)工作，采用無線網(wǎng)橋方式實(shí)現(xiàn)無線通信傳輸更能滿足運(yùn)行需求，也為自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性提供可靠保障。同時(shí)采用安裝線路監(jiān)控軟件的方式實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)的互備和自動(dòng)切換，無需改變?cè)凶詣?dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及配置，便于后期維護(hù)。

綜合上述各方面考慮因素及實(shí)際安裝過程中可能出現(xiàn)的問題，各地可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的無線通信傳輸方式，制定切合實(shí)際的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線通信傳輸功能，確保有線數(shù)據(jù)、無線數(shù)據(jù)互為備份，在有線數(shù)據(jù)中斷時(shí)無縫切換至無線數(shù)據(jù)，提升民航氣象服務(wù)質(zhì)量，為空管安全、民航安全提供助力。