北斗的安全實時監控技術分析范文

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發生于2014年3月8日的馬航事件引起了我國政府的高度重視，動用了海上、空中甚至太空衛星等資源全力搜救，其他參與搜救的國家達到11個，但仍未找到失事客機確切下落，該事件引發了全世界對民航安全隱患的擔憂。結合國際民航領域現有安全監控技術，馬航事件反映出民航安全實時監控領域主要存在以下不足：“黑匣子”數據雖然全面但是無法遠程傳回和監控，只能事后查看；飛行記錄儀，俗稱“黑匣子”中所記錄的數據信息較為全面，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據，無法向外發射數據。此外，“黑匣子”內自身脈沖信號（起到自身位置定位作用）發射器的電力續航時間只有30d左右，且信號傳輸距離有限。

對目標飛機位置及關鍵狀態信息監控單一且力度不夠；多數民航系統都使用二次雷達結合空管系統實現對飛機位置的監控，但二次雷達易受到飛機高度、距離、周邊環境等的影響，并且跨境空管系統及二次雷達存在管控銜接等問題。基于ADS－A/B/C技術的地面輔助系統在海域或陸地無人區覆蓋面有限。ADS－A/B/C系統在民航安全監控與管控中發揮著巨大的作用，ADS－A/C基于點對點式航空電信網數據鏈通道，多用于海洋和內陸邊遠距離，ADS－B多用于本場和較近距離。對以上問題，問題1和問題3是系統設計以及應用成本的局限性所致，對于問題2我們可以通過增加輔助的遠程監控功能，使民航飛機多一種安全監控的途徑和方法。

國外大的航空公司以及設備制造商已經開展基于民航飛機的健康診斷管理系統（PHM）技術研究，如GE生產的發動機內部就安裝了飛機發動機健康管理系統（EHM），可實時將發動機的主要參數通過衛星通訊鏈路傳輸給地面站數據中心進行分析和監控。北斗短報文通信是我國自主研發的北斗導航定位系統所特有的一項技術，可實現將目標定位信息及其它關鍵數據通過衛星通信轉發到地面接收站，其民用技術指標為：數據長度為60個漢字（120字節），發送頻率1～4次/分，軍用發送頻率更高。作為應用研究，本文選擇發送頻率4次/分的北斗收發芯片，實際應用建議使用更高發送頻率的產品或者申請使用北斗軍用產品。針對馬航事件所暴露出的民機安全監控問題，本文提出了基于北斗短報文通信技術對民航飛機飛行位置及部分飛機平臺及發動機系統、航電系統等關鍵參數進行實時傳輸和監控的技術研究。

一、系統設計

總體設計本系統主要利用北斗短報文技術遠程（超過PCM有效傳輸距離300km）轉發功能，將飛機位置信息及飛機部分關鍵狀態數據發送到地面接收設備，通過解析后進行實時位置及狀態監控。系統需滿足以下基本功能：①能夠接收北斗系統的定位信息及時間信息；②能夠實現從目標飛機到地面監控系統的北斗短報文通信傳輸；③能夠將飛機平臺部分關鍵參數（不超過30個參數）轉發給北斗機載模塊，與目標飛機定位信息以北斗短報文方式下發到地面北斗接收設備；④地面部分能夠接收北斗短報文數據并能實時解析及顯示監控。系統硬件組成系統主要由機載部分和地面接收監控部分組成，系統組成框圖如圖1所示。機載部分主要由機載采集子系統、上位機、北斗機載模塊組成。系統核心設備是北斗收發模塊，目前主流市場上同時支持北斗1和北斗2的一體接收機產品較多，本文選擇了一款基于TD3020C北斗接收芯片以及BM3005基帶芯片的產品，該一體機具有體積小，收發一體，同時兼容GPS定位功能，支持多對一短報文通信功能并可建立通信組（每組最多8個單元），同時支持北斗的導航定位功能和短報文通信功能等優點。機載采集子系統作用是從飛機飛控、慣導、動力系統、航電系統等各類預留總線接口中對飛機部分關鍵參數進行采集。上位機為嵌入式計算機，主要作用是通過網口接收采集器子系統轉發的數據并以串口通信方式及北斗接收機模塊可識別的數據格式轉發給機載北斗模塊，機載北斗模塊將關鍵參數和自身的定位信息數據一起組成短報文信息包通過自身發射天線經由北斗通信衛星鏈路以短報文方式發送到地面北斗接收模塊，發送數據為原碼值。地面接收監控部分主要由北斗收發機、解算計算機、監控客戶端等組成。地面的北斗收發模塊與機載模塊相同，除短報文通信功能外，配合模塊控制軟件還可實現短報文通信組管理功能。解算計算機主要實現從北斗收發模塊串口接收數據，并對數據進行處理將原碼值轉換成工程物理量并通過廣播/組播方式發送給監控計算機。地面實時監控系統主要根據需要對解算計算機發送的飛機位置信息數據、飛機狀態參數等工程物理量數據進行實時監控。

系統軟件組成該系統軟件主要由上位機轉發軟件，北斗收發機地面控制軟件、地面解析軟件、地面監控軟件等組成。上位機轉發軟件主要完成對采集器轉發網絡數據進行解包、挑選所需參數、按照收發機所需串口通信格式轉發數據。地面解析軟件主要完成接收地面北斗收發機通過串口發出的數據，按照北斗短報文通信格式及串口協議進行解析并按照數據的ICD文件進行工程物理量轉換并以廣播/組播方式發出。地面監控軟件主要實現按照廣播/組播協議接收解析計算機發出的工程物理量數據并在實時監控軟件中實時顯示。北斗收發機地面控制軟件主要實現對北斗收發模塊通信ID、短報文字節數、目標飛機短報文通信分組、串口通信設置等功能，這些設置均可在地面提前設置好。按照數據的流程，整個系統軟件的流程圖如圖2所示。串口通信設置及上位機軟件界面如圖3所示，串口數據通信協議及數據格式如圖4所示。虛線以下為上位機串口通信協議，虛線以上為北斗收發機發出數據格式及地面數據解析協議。兩個實線箭頭所指表示從上位機轉發的部分飛機平臺關鍵參數在北斗收發機發送數據包中的位置，如圖4虛箭頭所示，加速度X放在Par_1位置，其他參數依次排放。

二、驗證實驗

本實驗采用金杯9坐車進行跑車驗證試驗。實驗分兩個部分，主要驗證北斗短報文通信數據的正確性以及遠距離傳輸的可靠性（超過傳統PCM最大傳輸距離350km）。實驗方法如下將一個北斗收發機固定在監控大廳樓頂空曠處，四周無高層建筑物遮擋，數據線連接地面解析計算機串口；將一個北斗收發機固定在金杯車頂，采用蓄電池供電，筆記本回放模擬數據作為機載采集子系統輸出數據，收發機串口數據線與上位機連接。監控大廳樓頂收發機位置不變，將另一個收發機帶到400km以外處，采用筆記本回放模擬數據作為機載采集子系統輸出數據，測量短報文通信是否正常接收。

三、實驗結果與分析

GPS定位系統技術及應用已非常成熟，在實驗時同時記錄GPS數據，用單點GPS數據與北斗短報文數據的位置信息進行對比，檢驗北斗短報文位置信息數據的正確性。實驗數據結果如圖5所示。實驗過程中，實時監控軟件數據顯示如圖6所示，目標位置信息數據、模擬關鍵參數與顯示結果一致，在直線距離525km處，短報文通信數據傳輸正常，數據顯示正確。同一時刻，目標飛機位置信息的北斗短報文數據與GPS高度及北向速度數據對比如圖7所示。

四、結語

本文設計了基于北斗短報文通信的民航安全監控系統，并進行了地面跑車驗證實驗，實驗結果表明，通過北斗短報文通信的衛星鏈路可以將運動目標的位置信息及其他重要信息傳輸到地面監控系統進行監控，傳輸距離超過傳統PCM數據的最大有效傳輸距離300km，并且北斗短報文數據的位置信息數據精度接近GPS數據，該技術在民航遠程安全監控領域有一定的應用價值。

作者：張國旺 單位：中國飛行試驗研究院