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發(fā)生于2014年3月8日的馬航事件引起了我國(guó)政府的高度重視，動(dòng)用了海上、空中甚至太空衛(wèi)星等資源全力搜救，其他參與搜救的國(guó)家達(dá)到11個(gè)，但仍未找到失事客機(jī)確切下落，該事件引發(fā)了全世界對(duì)民航安全隱患的擔(dān)憂。結(jié)合國(guó)際民航領(lǐng)域現(xiàn)有安全監(jiān)控技術(shù)，馬航事件反映出民航安全實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域主要存在以下不足：“黑匣子”數(shù)據(jù)雖然全面但是無(wú)法遠(yuǎn)程傳回和監(jiān)控，只能事后查看；飛行記錄儀，俗稱“黑匣子”中所記錄的數(shù)據(jù)信息較為全面，它的存在幫助還原了很多飛行事故的真相，但只能用于事后查看數(shù)據(jù)，無(wú)法向外發(fā)射數(shù)據(jù)。此外，“黑匣子”內(nèi)自身脈沖信號(hào)（起到自身位置定位作用）發(fā)射器的電力續(xù)航時(shí)間只有30d左右，且信號(hào)傳輸距離有限。

對(duì)目標(biāo)飛機(jī)位置及關(guān)鍵狀態(tài)信息監(jiān)控單一且力度不夠；多數(shù)民航系統(tǒng)都使用二次雷達(dá)結(jié)合空管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)位置的監(jiān)控，但二次雷達(dá)易受到飛機(jī)高度、距離、周邊環(huán)境等的影響，并且跨境空管系統(tǒng)及二次雷達(dá)存在管控銜接等問(wèn)題。基于ADS－A/B/C技術(shù)的地面輔助系統(tǒng)在海域或陸地?zé)o人區(qū)覆蓋面有限。ADS－A/B/C系統(tǒng)在民航安全監(jiān)控與管控中發(fā)揮著巨大的作用，ADS－A/C基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式航空電信網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈通道，多用于海洋和內(nèi)陸邊遠(yuǎn)距離，ADS－B多用于本場(chǎng)和較近距離。對(duì)以上問(wèn)題，問(wèn)題1和問(wèn)題3是系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用成本的局限性所致，對(duì)于問(wèn)題2我們可以通過(guò)增加輔助的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，使民航飛機(jī)多一種安全監(jiān)控的途徑和方法。

國(guó)外大的航空公司以及設(shè)備制造商已經(jīng)開展基于民航飛機(jī)的健康診斷管理系統(tǒng)（PHM）技術(shù)研究，如GE生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部就安裝了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)（EHM），可實(shí)時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)通過(guò)衛(wèi)星通訊鏈路傳輸給地面站數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析和監(jiān)控。北斗短報(bào)文通信是我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)所特有的一項(xiàng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)將目標(biāo)定位信息及其它關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收站，其民用技術(shù)指標(biāo)為：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為60個(gè)漢字（120字節(jié)），發(fā)送頻率1～4次/分，軍用發(fā)送頻率更高。作為應(yīng)用研究，本文選擇發(fā)送頻率4次/分的北斗收發(fā)芯片，實(shí)際應(yīng)用建議使用更高發(fā)送頻率的產(chǎn)品或者申請(qǐng)使用北斗軍用產(chǎn)品。針對(duì)馬航事件所暴露出的民機(jī)安全監(jiān)控問(wèn)題，本文提出了基于北斗短報(bào)文通信技術(shù)對(duì)民航飛機(jī)飛行位置及部分飛機(jī)平臺(tái)及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和監(jiān)控的技術(shù)研究。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要利用北斗短報(bào)文技術(shù)遠(yuǎn)程（超過(guò)PCM有效傳輸距離300km）轉(zhuǎn)發(fā)功能，將飛機(jī)位置信息及飛機(jī)部分關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接收設(shè)備，通過(guò)解析后進(jìn)行實(shí)時(shí)位置及狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)需滿足以下基本功能：①能夠接收北斗系統(tǒng)的定位信息及時(shí)間信息；②能夠?qū)崿F(xiàn)從目標(biāo)飛機(jī)到地面監(jiān)控系統(tǒng)的北斗短報(bào)文通信傳輸；③能夠?qū)w機(jī)平臺(tái)部分關(guān)鍵參數(shù)（不超過(guò)30個(gè)參數(shù)）轉(zhuǎn)發(fā)給北斗機(jī)載模塊，與目標(biāo)飛機(jī)定位信息以北斗短報(bào)文方式下發(fā)到地面北斗接收設(shè)備；④地面部分能夠接收北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)并能實(shí)時(shí)解析及顯示監(jiān)控。系統(tǒng)硬件組成系統(tǒng)主要由機(jī)載部分和地面接收監(jiān)控部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。機(jī)載部分主要由機(jī)載采集子系統(tǒng)、上位機(jī)、北斗機(jī)載模塊組成。系統(tǒng)核心設(shè)備是北斗收發(fā)模塊，目前主流市場(chǎng)上同時(shí)支持北斗1和北斗2的一體接收機(jī)產(chǎn)品較多，本文選擇了一款基于TD3020C北斗接收芯片以及BM3005基帶芯片的產(chǎn)品，該一體機(jī)具有體積小，收發(fā)一體，同時(shí)兼容GPS定位功能，支持多對(duì)一短報(bào)文通信功能并可建立通信組（每組最多8個(gè)單元），同時(shí)支持北斗的導(dǎo)航定位功能和短報(bào)文通信功能等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)載采集子系統(tǒng)作用是從飛機(jī)飛控、慣導(dǎo)、動(dòng)力系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等各類預(yù)留總線接口中對(duì)飛機(jī)部分關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集。上位機(jī)為嵌入式計(jì)算機(jī)，主要作用是通過(guò)網(wǎng)口接收采集器子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)并以串口通信方式及北斗接收機(jī)模塊可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)載北斗模塊，機(jī)載北斗模塊將關(guān)鍵參數(shù)和自身的定位信息數(shù)據(jù)一起組成短報(bào)文信息包通過(guò)自身發(fā)射天線經(jīng)由北斗通信衛(wèi)星鏈路以短報(bào)文方式發(fā)送到地面北斗接收模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)為原碼值。地面接收監(jiān)控部分主要由北斗收發(fā)機(jī)、解算計(jì)算機(jī)、監(jiān)控客戶端等組成。地面的北斗收發(fā)模塊與機(jī)載模塊相同，除短報(bào)文通信功能外，配合模塊控制軟件還可實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信組管理功能。解算計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)從北斗收發(fā)模塊串口接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理將原碼值轉(zhuǎn)換成工程物理量并通過(guò)廣播/組播方式發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。地面實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要根據(jù)需要對(duì)解算計(jì)算機(jī)發(fā)送的飛機(jī)位置信息數(shù)據(jù)、飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)等工程物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

系統(tǒng)軟件組成該系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)軟件，北斗收發(fā)機(jī)地面控制軟件、地面解析軟件、地面監(jiān)控軟件等組成。上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)軟件主要完成對(duì)采集器轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、挑選所需參數(shù)、按照收發(fā)機(jī)所需串口通信格式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。地面解析軟件主要完成接收地面北斗收發(fā)機(jī)通過(guò)串口發(fā)出的數(shù)據(jù)，按照北斗短報(bào)文通信格式及串口協(xié)議進(jìn)行解析并按照數(shù)據(jù)的ICD文件進(jìn)行工程物理量轉(zhuǎn)換并以廣播/組播方式發(fā)出。地面監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)按照廣播/組播協(xié)議接收解析計(jì)算機(jī)發(fā)出的工程物理量數(shù)據(jù)并在實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件中實(shí)時(shí)顯示。北斗收發(fā)機(jī)地面控制軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗收發(fā)模塊通信ID、短報(bào)文字節(jié)數(shù)、目標(biāo)飛機(jī)短報(bào)文通信分組、串口通信設(shè)置等功能，這些設(shè)置均可在地面提前設(shè)置好。按照數(shù)據(jù)的流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件的流程圖如圖2所示。串口通信設(shè)置及上位機(jī)軟件界面如圖3所示，串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式如圖4所示。虛線以下為上位機(jī)串口通信協(xié)議，虛線以上為北斗收發(fā)機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)格式及地面數(shù)據(jù)解析協(xié)議。兩個(gè)實(shí)線箭頭所指表示從上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的部分飛機(jī)平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)在北斗收發(fā)機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包中的位置，如圖4虛箭頭所示，加速度X放在Par_1位置，其他參數(shù)依次排放。

二、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用金杯9坐車進(jìn)行跑車驗(yàn)證試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)部分，主要驗(yàn)證北斗短報(bào)文通信數(shù)據(jù)的正確性以及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃裕ǔ^(guò)傳統(tǒng)PCM最大傳輸距離350km）。實(shí)驗(yàn)方法如下將一個(gè)北斗收發(fā)機(jī)固定在監(jiān)控大廳樓頂空曠處，四周無(wú)高層建筑物遮擋，數(shù)據(jù)線連接地面解析計(jì)算機(jī)串口；將一個(gè)北斗收發(fā)機(jī)固定在金杯車頂，采用蓄電池供電，筆記本回放模擬數(shù)據(jù)作為機(jī)載采集子系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，收發(fā)機(jī)串口數(shù)據(jù)線與上位機(jī)連接。監(jiān)控大廳樓頂收發(fā)機(jī)位置不變，將另一個(gè)收發(fā)機(jī)帶到400km以外處，采用筆記本回放模擬數(shù)據(jù)作為機(jī)載采集子系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，測(cè)量短報(bào)文通信是否正常接收。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

GPS定位系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用已非常成熟，在實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)記錄GPS數(shù)據(jù)，用單點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)與北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)的位置信息進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)北斗短報(bào)文位置信息數(shù)據(jù)的正確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)顯示如圖6所示，目標(biāo)位置信息數(shù)據(jù)、模擬關(guān)鍵參數(shù)與顯示結(jié)果一致，在直線距離525km處，短報(bào)文通信數(shù)據(jù)傳輸正常，數(shù)據(jù)顯示正確。同一時(shí)刻，目標(biāo)飛機(jī)位置信息的北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)與GPS高度及北向速度數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。

四、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于北斗短報(bào)文通信的民航安全監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行了地面跑車驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)北斗短報(bào)文通信的衛(wèi)星鏈路可以將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置信息及其他重要信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，傳輸距離超過(guò)傳統(tǒng)PCM數(shù)據(jù)的最大有效傳輸距離300km，并且北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)的位置信息數(shù)據(jù)精度接近GPS數(shù)據(jù)，該技術(shù)在民航遠(yuǎn)程安全監(jiān)控領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。

作者：張國(guó)旺 單位：中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院