基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控系統(tǒng)

毛新勝，許歡，潘路平

(1.中電科航空電子有限公司,成都 611731；2.上海飛機設計研究院,上海 200135)

0 引言

航空器的追蹤監(jiān)控是指通過技術(shù)手段獲取航空器的位置、高度、速度等參數(shù)，并將獲取的數(shù)據(jù)信息不間斷傳輸?shù)降孛?，確保管理部門和航空公司及時掌握航空器的飛行狀態(tài)與動向，實現(xiàn)對風險進行及時有效的識別、預警、緩解和消除[1].在緊急情況下，搜救等應急單位可以及時獲得準確事故地點等信息，做出相應部署.實現(xiàn)航空器全球范圍內(nèi)全時的追蹤監(jiān)控，在保障航空運行安全、遇險搜救和飛行事故調(diào)查等方面都具有重要意義.傳統(tǒng)的航空器追蹤監(jiān)控主要是通過飛機通信尋址與報告系統(tǒng)(ACARS)、廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)等地基空地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)，位置源信息通常來自機載GPS，飛機下傳數(shù)據(jù)的接收依賴于地面布設的通信設施.受限于地面站的部署，傳統(tǒng)的追蹤監(jiān)控手段難以實現(xiàn)全球無縫覆蓋[2].

2014 年3 月MH370 失聯(lián)后，國際航空運輸協(xié)會(IATA)組織成立航空器追蹤任務組，旨在研究使用現(xiàn)有技術(shù)在短期內(nèi)解決航空器的追蹤問題.國內(nèi)學者也提出了利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)功能實現(xiàn)航行追蹤及遇險救援的方案[3].隨后，國際民航組織(ICAO)協(xié)調(diào)各成員國及全球業(yè)界開始系統(tǒng)推進航空器追蹤監(jiān)控工作.2015 年11 月，ICAO 理事會通過了《國際民航公約》附件6 第I 部分的第39 次修訂，制定了例行航空器追蹤規(guī)范，并強制要求航空承運人實現(xiàn)對其海洋區(qū)域運行至少每15 min 通過自動報告對航空器位置進行追蹤[4].中國民航局2016 年發(fā)布了《航空承運人航空器追蹤監(jiān)控實施指南》，隨后在2017 年7 月發(fā)布了《中國民航航空器追蹤監(jiān)控體系建設實施路線圖》，路線圖中指出，到2025 年底要建成基于自主知識產(chǎn)權(quán)的航空器全球追蹤監(jiān)控系統(tǒng)，并形成相關標準[5].2018 年7 月，中國民航局聯(lián)合中國國航、中國民航大學、北京飛機工程維修有限公司啟動了基于BDS 的運輸航空示范應用項目，推動以北斗為代表的自主裝備在中國民航的應用，開啟了基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控在中國民航的首次應用.2019 年12 月，中國民航局發(fā)布的《中國民航北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用實施路線圖》明確指出[6]，推動以“北斗”為代表的國產(chǎn)裝備在民航的應用，積極推進自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)和標準在國際上的應用與引領.因此，建立以BDS 定位信息為核心的航空器追蹤監(jiān)控能力，推動基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控應用，對實現(xiàn)我國自主可控的航空器追蹤監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義.

基于中國民航航空器追蹤監(jiān)控應用需求，以北斗短報文通信方式為基礎，設計了一套完整可用于航空器全球追蹤監(jiān)控的系統(tǒng)解決方案.該方案通過在飛機上加裝符合中國民航發(fā)布的技術(shù)標準規(guī)定的機載BDS 設備[6-7]，將航空器BDS 位置、地球表面運動速度和通過機載總線獲取的GPS 位置、飛機燃油量等信息按照設計的通信協(xié)議通過BDS 短報文功能傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心，然后通過地面網(wǎng)絡分發(fā)給最終用戶，實現(xiàn)以BDS 位置信息為核心的航空器追蹤監(jiān)控應用，所設計的協(xié)議具有良好的靈活性，兼容北斗二號(BDS-2)區(qū)域短報文、北斗三號(BDS-3)區(qū)域短報文和全球短報文通信方式.

1 基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控應用

1.1 航空器追蹤監(jiān)控應用場景與需求

航空器追蹤監(jiān)控應用需求主要源自中國民航適航規(guī)章、標準規(guī)范要求以及航空承運人日常運行監(jiān)控對飛機相關信息和機載系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控需求.主要涉及文件包括：《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》(CCAR-121-R7 條國內(nèi)定期載客運行的運行控制責任、第121.533 條飛機追蹤、第121.555條飛行中燃油管理等條款)和《航空承運人航空器追蹤監(jiān)控實施指南》AC-121-FS-2016-127.主要應用場景即是航空承運人、監(jiān)管方對于航空器位置追蹤和航空器運行過程中重要參數(shù)信息的實時監(jiān)控，包括：正常航班例行追蹤、燃油監(jiān)控、計劃路線與實際飛行路線對比、計劃飛行剖面與實際飛行剖面對比、飛行動態(tài)監(jiān)控、異常機動監(jiān)控等.為確保飛機運行過程中運行信息被及時接收，飛機與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息交互需要滿足監(jiān)控頻次間隔不超過15 min，實際應用中通常監(jiān)控頻次會更高.

1.2 基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控系統(tǒng)

基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示，整個系統(tǒng)主要由安裝在飛機上的機載BDS設備、空間的BDS 星座、BDS 地面中心站、行業(yè)BDS 數(shù)據(jù)中心(主/備)、專線網(wǎng)絡以及各類用戶接入網(wǎng)絡及應用系統(tǒng)組成.系統(tǒng)主要用于滿足我國航空器運行過程中自主可控的追蹤監(jiān)控需求，基本的追蹤監(jiān)控要素包括：飛機身份信息、BDS/GPS 經(jīng)緯度、高度、磁航向、地速、俯仰角、橫滾角、飛機燃油量等.

圖1 基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

此外，支持用戶根據(jù)需求定制傳輸氣象信息、飛行動態(tài)、異常機應答機編碼、重要的故障信息等.對基本追蹤監(jiān)控要素，機載BDS 設備按60 s 間隔自動發(fā)送，對重要突發(fā)信息和監(jiān)控的異常狀態(tài)，由機載設備自動觸發(fā)，以單獨的報文報送或附加在基本監(jiān)控要素的報文內(nèi)容之后傳輸.除機載BDS 設備自動下發(fā)外，用戶地面系統(tǒng)還具備主動查詢當前BDS 坐標、機上燃油量、設備狀態(tài)等信息的功能.機載BDS設備還預留了接口，支持與機上顯控設備集成，實現(xiàn)空地雙向報文通信.

2 機載BDS 設計

機載BDS 的設計需要符合中國民航局發(fā)布的技術(shù)標準規(guī)定的要求.機載BDS 主要基于BDS 定位功能對航空器進行實時定位，并使用短報文功能將解算的BDS 位置信息、存儲的航空器識別號和從飛機系統(tǒng)得到的航班號、機載燃油量、飛行姿態(tài)信息等參數(shù)按照設定的發(fā)送頻次周期性地發(fā)送給地面站臺.機載BDS 由收發(fā)機和天線組成，收發(fā)機和天線之間通過射頻同軸電纜連接，天線由收發(fā)機供電，具備抗干擾和防雷功能.收發(fā)機內(nèi)設計了飛機身份信息模塊，用于存儲飛機身份信息，包括航空器識別號、通信目的地址、飛機總線接口特性配置及機型特定的構(gòu)型配置信息等.

2.1 機載BDS 收發(fā)機

機載BDS 收發(fā)機用于實現(xiàn)BDS 定位、通信和機載總線數(shù)據(jù)的獲取和解析等功能，主要由綜合處理模塊、BDS 通信模塊、BDS 定位模塊、電源模塊和接口模塊等組成.圖2 給出了機載BDS 收發(fā)機組成框圖，各組成模塊功能介紹如下：

圖2 機載北斗收發(fā)機組成框圖

a) BDS 通信模塊

BDS 通信模塊處理來自BDS 天線的射頻信號，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理和電文解算等，并將解析內(nèi)容發(fā)送給綜合處理模塊；同時將來自綜合處理模塊處理后需要發(fā)送的短報文數(shù)據(jù)內(nèi)容進行信號處理、變頻、數(shù)模變換為射頻信號后，發(fā)送給BDS 天線，實現(xiàn)報文信號的發(fā)送和接收.

b) BDS 定位模塊

BDS 定位模塊處理來自BDS 天線的射頻信號，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理和電文解算等，將解算獲得的定位等信息送到綜合處理模塊.

c)接口處理模塊

接口處理模塊實現(xiàn)與機上機載總線進行數(shù)據(jù)交互，對外接口包括：ARINC 429 總線接口、離散量輸入/輸出接口、以太網(wǎng)總線接口和電源接口.

d)綜合處理模塊

綜合處理模塊實現(xiàn)北斗收發(fā)機自檢、接收來自通信和定位模塊的數(shù)據(jù)并處理、接收來自接口處理模塊信息并處理，并將信息按照通信協(xié)議打包后通過通信模塊發(fā)送出去.

e)飛機身份信息模塊

飛機身份信息模塊通過接口處理模塊與綜合處理模塊實現(xiàn)信息的交互，主要用于存儲飛機身份信息、北斗用戶卡的讀寫等功能.

f)電源模塊

北斗收發(fā)機采用28 V 直流供電，電源模塊處理后為設備的各組成模塊供電，實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換、浪涌保護、儲能等功能，同時為機載北斗天線供電.

2.2 機載北斗天線

如圖3 所示，機載北斗天線主要由天線振子、濾波器、功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、合路器、雙工器、電源模塊組成，其中：

圖3 機載北斗天線組成框圖

a) 天線振子：實現(xiàn)空間電磁波與傳輸線電磁波的轉(zhuǎn)換功能；

b) 濾波器：完成發(fā)射信號的濾波，減小對其他設備的影響程度；

c) PA：將發(fā)射信號放大至所需水平，滿足上行發(fā)射要求；

d) LNA：在可接受的信噪比惡化條件下，放大接收信號；

e) 合路器：通過合路器實現(xiàn)各頻點接收信號的復用；

f) 雙工器：通過雙節(jié)環(huán)路器實現(xiàn)收發(fā)雙工；

g) 電源模塊：通過電源模塊實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和電源濾波.

2.3 航電系統(tǒng)集成

北斗收發(fā)機通過安裝支架固定在飛機客艙的長桁上，北斗天線通過四顆緊固螺釘安裝在飛機蒙皮外.整個機載北斗系統(tǒng)從取電面板接引28 V 直流供電，并通過ARINC 429 總線與飛機航電系統(tǒng)連接，從航電系統(tǒng)獲取航班號、機載燃油量、航向、橫滾角、俯仰角等信息，通過離散信號接口從飛機系統(tǒng)獲取空地狀態(tài)指示信號，當飛機離地后自動開始向地面發(fā)送報文信息，落地后自動停止發(fā)送，機載北斗系統(tǒng)與航電系統(tǒng)的集成方案如圖4 所示.

圖4 航電系統(tǒng)集成方案

2.4 通信協(xié)議設計

北斗二號(BDS-2)短報文民用三級授權(quán)單次報文長度為628 bit，北斗三號(BDS-3)區(qū)域短報文通信(RSMC)單次報文最大長度為14 000 bit，北斗三代全球短報文通信(GSMC)單次報文最大長度為560 bit[8].根據(jù)系統(tǒng)限制以及應用需求，設計了一套具備良好擴展性的通信協(xié)議，通信協(xié)議兼容BDS-2 和BDS-3.表1 中給出了用于航空器追蹤監(jiān)控的通信協(xié)議各字段定義.

表1 基于BDS 的航空器追蹤監(jiān)控通信協(xié)議

3 BDS 地面系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設計

為滿足高并發(fā)訪問和大數(shù)據(jù)分析需求，BDS 地面系統(tǒng)采用微服務分布式架構(gòu)設計，系統(tǒng)具備云能力開放架構(gòu)，便于后續(xù)與不同廠家、平臺和業(yè)務進行對接與集成.整個軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)集成層、傳輸層、服務層、發(fā)布層、代理層、展示層組成，軟件架構(gòu)如圖5 所示.

圖5 航空器追蹤監(jiān)控地面系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1)數(shù)據(jù)集成層：地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成層采用數(shù)據(jù)集群的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫、運算、存儲高并發(fā)，包含Cache Persistence、SQLDB Cluster、Memory Cache Cluster 三部分內(nèi)容.

2)傳輸層：負責數(shù)據(jù)集成層與服務層實現(xiàn)分布式進程通信功能，包含：Spring Cloud Bus 消息總線、Spring Cloud Task 任務調(diào)度、Spring Cloud Stream 數(shù)據(jù)流操作等.

3)服務層：主要實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)集群服務、數(shù)據(jù)采集服務、數(shù)據(jù)處理服務、數(shù)據(jù)分析服務、運營管理服務、系統(tǒng)維護服務和數(shù)據(jù)共享服務等功能，由Spring Boot、Eureka 服務治理、Config 配置管理、Sleuth 鏈路跟蹤、Turbine 集群監(jiān)控和Hystrix 容錯保護組成.

4)服務層：通過Zuul 服務網(wǎng)關實現(xiàn)客戶端直接與多個微服務通信，從而實現(xiàn)多業(yè)務調(diào)用.

5)發(fā)布層：采用Tomcat+Docker 搭建系統(tǒng)分布式發(fā)布服務集群，將不同微服務業(yè)務分開，實現(xiàn)地面系統(tǒng)的高并發(fā)負載均衡能力.

6)代理層：地面系統(tǒng)的代理層采用Nginx+Keepalived 反向代理技術(shù)與發(fā)布層進行通信，搭建分布式Web 高并發(fā)負載均衡框架.代理層的故障檢測策略包括：采用六臺虛擬機，在Keepalived 配置Nginx的Master、Backup 主備關系，保證有三臺服務器同時工作；當一臺Nginx 代理服務出現(xiàn)故障時，訪問轉(zhuǎn)移到另一臺上繼續(xù)工作，保證訪問不間斷.

7)展示層：地面系統(tǒng)的展示層采用瀏覽器/服務器架構(gòu)，用戶可以通過網(wǎng)站實現(xiàn)前端訪問數(shù)據(jù)展示功能，前端設計兼容目前主流瀏覽器.

3.2 系統(tǒng)硬件拓撲

BDS 地面系統(tǒng)硬件拓撲如圖6 所示，主要包括數(shù)據(jù)采集服務器、運行管理服務器、數(shù)據(jù)處理服務器、運維服務器、核心交換機、防火墻、北斗指揮機、數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)分析終端、運營管理終端、系統(tǒng)維護終端、光纖交換機、存儲陣列、操作臺、KVM、機柜和大屏幕顯示系統(tǒng)等.系統(tǒng)網(wǎng)絡采用經(jīng)典的星形拓撲建設，局域網(wǎng)內(nèi)各個服務器和終端均是千兆帶寬，足以滿足服務器之間的內(nèi)部通信.控制網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡物理隔離，確?；ゲ挥绊?為保障平臺運行網(wǎng)絡安全，采取以下網(wǎng)絡安全措施：

圖6 基于BDS 的航空追蹤監(jiān)控地面系統(tǒng)硬件拓撲

1)防火墻設備：對信息網(wǎng)絡進行邊界隔離，嚴格控制網(wǎng)絡中各個安全區(qū)域的訪問，明確訪問的來源、訪問的對象及訪問的類型，確保合法訪問的正常進行，杜絕非法及越權(quán)訪問；同時有效預防、發(fā)現(xiàn)、處理異常的網(wǎng)絡訪問，確保信息網(wǎng)絡正常訪問.

2)網(wǎng)關服務：對所有訪問系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)行為均按照安全規(guī)則進行管理，并對系統(tǒng)安全進行周期性評估.針對信息網(wǎng)絡中使用的操作系統(tǒng)，要保障服務器及終端的安全和正常運行，為應用系統(tǒng)提供及時多樣的服務，不受到病毒惡意侵害或未經(jīng)授權(quán)的存取與修改及對系統(tǒng)的攻擊行為.

3)安全保密：采取多種技術(shù)手段保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄?、真實性和完整性，包括用戶賬戶網(wǎng)絡認證和訪問控制技術(shù)、密鑰交換與數(shù)據(jù)加密技術(shù)等.所有需要通過對外接口上報的數(shù)據(jù)進行加密傳送，保護本系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?

4 BDS 試驗數(shù)據(jù)分析

BDS 地面系統(tǒng)主界面如圖7 所示，通過BDS 傳輸?shù)暮娇掌魑恢玫葦?shù)據(jù)所生成的圖形化信息實時顯示在用戶界面上，用戶可通過瀏覽器遠程訪問.在用戶界面中，地面系統(tǒng)接收到的BDS 位置信息、機載燃油量、俯仰角、橫滾角、航向等信息經(jīng)地面系統(tǒng)處理后可實現(xiàn)對航空器的位置追蹤、燃油消耗監(jiān)控、飛行動態(tài)監(jiān)控等應用.

圖7 航空器追蹤監(jiān)控地面系統(tǒng)主界面

4.1 通信情況分析

機載北斗設備完成裝機后開展了飛行試驗，圖8中給出了十六次不同日期飛行試驗中地面系統(tǒng)統(tǒng)計的通信成功率，平均通信成功率為96.51%.圖9 為不同高度層飛行時的丟包情況分析，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在3 km 以下丟包相對顯著，可能是受地面電磁環(huán)境影響且飛機處于爬升過程中所致；其他飛行高度時并無顯著規(guī)律，尚有待進一步積累數(shù)據(jù)進行分析.

圖8 通信成功率分析

圖9 不同飛行高度丟包數(shù)量占比

4.2 BDS 和GPS 數(shù)據(jù)對比

由于BDS 使用的是CGCS2000 坐標系，GPS 使用的是WGS-84 坐標系，考慮到WGS-84 坐標系與CGCS2000 坐標系之間差別極小[9]，對比較BDS 和GPS 航跡一致性的影響可以忽略不計.圖10 繪制了一次完整飛行試驗中機載北斗設備內(nèi)部存儲的BDS定位數(shù)據(jù)和機上記錄設備存儲的機載GPS 接收機定位數(shù)據(jù)所生成的航跡，可見BDS 航跡和GPS 航跡具有良好的一致性.

圖10 BDS 與GPS 航跡 對比

5 結(jié)束語

本文基于BDS 定位與短報文通信功能設計的航空器追蹤監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了自主可控的航空器追蹤監(jiān)控，利用BDS 的定位功能對航空器進行實時定位，通過機載ARINC 429 總線實時采集機載系統(tǒng)重要參數(shù)，通過BDS 通信鏈路周期性下傳，為航空公司提供了對航空器位置追蹤和飛行狀態(tài)的感知能力.機載系統(tǒng)通過擴展可與機上人機接口(如便攜式電子飛行包或機載顯示終端)互聯(lián)，實現(xiàn)空地雙向報文通信，對航空器的追蹤與監(jiān)控和應急通信具有重要價值.文中介紹的機載北斗設備支持BDS 全球定位功能和短報文通信功能，采用大功率發(fā)射信號瞬時隔離、衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)，解決了在RSMC 信號發(fā)射和機載復雜電磁環(huán)境下可靠連續(xù)定位的問題；采用無內(nèi)置電池的電能存儲技術(shù)實現(xiàn)了收發(fā)機熱啟動場景下的時間保持問題；采用載波相位和碼相位補償、短報文功能優(yōu)化、最優(yōu)波束選擇技術(shù)提高了高動態(tài)場景下的短報文通信成功率.本文所設計的系統(tǒng)已在國內(nèi)航空公司運營的現(xiàn)役飛機上實際應用，后續(xù)將開展基于BDS 的異常航班追蹤研究和基于BDS 全球短報文的航空器全球追蹤監(jiān)控應用，并實現(xiàn)BDS 數(shù)據(jù)與監(jiān)視雷達、廣播自動相關監(jiān)視數(shù)據(jù)的融合處理應用驗證.