可重構無線電技術在全球范圍內追蹤航班

可重構無線電技術在全球范圍內追蹤航班

Reconf i gurable Radio Tracks Flights Worldwide

當馬來西亞航空公司的MH370航班2014年在印度洋上空消失時，其飛行位置已經遠遠超出了雷達的有效追蹤范圍。得益于與美國國家航空航天局（NASA）合作開發的可重構無線電技術，利用新的天基追蹤系統，將不再有飛機從監測網絡中消失。

NASA采用無線電技術與衛星、探測器和宇航員進行通信。這些設備使人們能夠看到冥王星表面冰火山的照片，也可以受到從國際空間站發出的各種信息。近年來，NASA通過研究確定，其需要開發更高頻率、更大帶寬、可遠程重構的無線電技術，以更快地收發大量數據。

Thomas Kacpura是NASA格倫研究中心先進通信項目部的經理。他解釋說：“采用可重構的無線電通信設備，工程師能夠在任務周期內根據要求或環境的變化改變無線電設備的運行方式，還能夠簡便地通過增加新的軟件對其進行升級，以便更好地完成未來的任務。”

過去，由于測試要求，工程師并不愿意為太空任務開發可重構的無線電設備。因為，在太空任務中，他們需要在所有能夠想到的情況下對設備進行測試評估，以確保無論在太空中發生任何情況，無線電設備都能夠正常工作。這種測試對于可重構無線電設備而言非常困難，因為工程師無法對尚未確定的功能進行測試。

Thomas Kacpura說：“然而，NASA近期的任務要求開發一種更大尺寸、更高功率而不增加質量的可重構無線電系統。此外，人們的思想也發生了改變，對于太空任務的更改也變得更為適應。這使得NASA決定與位于美國佛羅里達州的哈里斯（Harris）公司合作，設計、開發一種新型、可重構、高帶寬的無線電設備。雙方簽署了合作協議，對半分攤開發成本。”

該項合作開發的無線電設備作為空間通信和導航（SCaN）測試平臺的一部分進行了測試。SCaN測試平臺是國際空間站上的一套試驗通信系統。SCaN測試平臺項目由NASA格倫研究中心牽頭，聯合噴氣推進實驗室、戈達德空間飛行中心、約翰遜航天中心，以及其他工業界、學術界和國際空間機構合作開展。

哈里斯公司開發的SDR（軟件定義的無線電）設備是世界上首臺宇航級以軟件定義的Ka波段無線電設備。與以往的標準波段相比，設備在Ka波段的數據傳輸速率更快，Ka波段被認為是未來NASA空間通信的關鍵波段。目前，該無線電設備已在地面和太空中通過了全面測試，也進行了重構和重新編程，運行狀態良好。2013年，該項技術作為當年最重要的100項創新成果之一，被授予“R&D 100”獎。

Thomas Kacpura說：“這是一次巨大的飛躍。僅需基于測試運行結果進行微調和升級，該無線電設備就可以變身為任何航天器上的高速數據通信設備。這有助于太空數據更快速地傳送回地球，也可使NASA太空科研成果更加顯著。”

哈里斯公司知道，與NASA的合作將會從其他客戶那得到回報，哈里斯公司的系統工程師杰夫?安德森（Jeff Anderson）說：“哈里斯公司清楚，與NASA的合作也將幫助他們從其他客戶那里獲得收益。但是，老實說，開發人員和客戶對這項技術的被接受速度和被接受程度讓我們倍感驚訝。”

該新型無線電設備的最大的賣點在于其靈活性。其軟件和硬件都可完全重構，這意味著哈里斯公司可以通過快速、低成本地重構，滿足任何客戶的需求。哈里斯公司的項目經理凱文?莫蘭（Kevin Moran）解釋說：“簡單來說，該設備就像一個盒子，盒子里插滿了各種各樣的‘卡’，包括電源卡、處理器卡，以及為特定任務設計的其它卡。因此，當客戶需要完成不同的任務時，我們僅需更換盒子里的一個硬件子設備即可。”哈里斯公司為該新型無線電設備申請了商標，命名為“Harris APPSTAR”。目前，該新型無線電設備已在多個領域實現了銷售。

目前，哈里斯公司簽訂的最大的訂單之一來自于艾瑞恩（Aireon）有限責任公司。雙方合作為銥星通信公司的新衛星設計開發有效載荷。在過去的20多年里，銥星公司運行著近地軌道上的一系列衛星，這使得與地球上最偏遠的地區進行通話和數據傳輸成為可能。與其它衛星不同的是，每個交聯軌道飛行器都可與其它衛星進行通信，這就意味著地球上的每個點都在網絡的覆蓋范圍內。

2016年，銥星通信公司開始發射其NEXT衛星。新衛星具有更高的帶寬和更強大的功能，其中包括搭載了哈里斯公司開發的AppSTAR無線電設備。艾瑞恩公司是一家由多家公司投資成立的合資企業。該公司利用銥星星座，將利用無線電通信技術建設世界首個空基全球空中交通控制系統。

數十年來，飛機一直依賴于雷達監測，需要建立地面雷達站實現信號的接收與傳輸。這就造成了巨大的監測空白，尤其是在海洋上空，無法獲得飛機位置和航向的實時信息。為了解決這一問題，飛行員需要提交詳細的飛行計劃，按要求在規定的航線內按照不同的高度飛行，這樣，空中交通管制員就可以估算飛機的位置，并確保飛機不會在空中發生碰撞事故。

當搭載著哈里斯公司開發的AppSTAR無線電設備的66顆NEXT銥衛星發射入軌后，這一切都將改變。AppSTAR無線電設備能夠從新的飛機無線電收發機——廣播式自動相關監視（ADS-B）設備接收到其自動發射的航班號、航班位置、航向等其它詳細信息。

目前，類似的數據信息通常被傳輸到處于同區域的其它飛機上，并由地面接收器進行收集。然而，地面接收器需要在一定的范圍內進行通信，因此，當飛機越過地平線時，地面接收器就不能再探測到信號了。因此，采用這種方法根本無法追蹤那些飛越海洋和其它偏遠地區的飛機。

把接收器送入太空軌道可解決這個問題。杰夫?安德森說：“采用AppSTAR無線電設備，在幾秒內，就能夠追蹤到世界上所有的飛機。”多家空中交通管制機構已與艾瑞恩公司簽訂了合同，在系統于2018年上線運行后將這種空基系統集成到他們的飛行監測系統中。

加拿大民航服務運營商Nav Canada是艾瑞恩公司的投資創始人之一，也是最早采用AppSTAR無線電通信設備的企業。凱文?莫蘭說：“以加拿大為例，要實現998萬多平方千米國土面積的全覆蓋，利用傳統的ADS-B系統，就必須在非常偏遠的地區進行大規模的地面建設。而天基監測系統是一種理想的替代方案。”其他國家的許多機構，包括美國聯邦航空管理局對這種空基監測系統也表示了興趣。

通過實時的全球追蹤，航空公司能夠優化他們的空中交通管制模式。飛機需要的飛行間隔更小，也可以選擇更短的直線飛行，這樣，就能夠大幅改善公共安全，并降低燃料成本。

當發生事故時，搜索和救援團隊就可獲取詳細的搜救位置信息，因為衛星能夠接收每架飛機的飛行信息，包括那些沒有納入艾瑞恩追蹤系統的區域。杰夫?安德森說：“艾瑞恩公司將提供一種免費服務——艾瑞恩ALERT（飛機定位和應急響應追蹤服務）。通過這種服務，當航班發生事故時，他們就可以提供系統中最后的線索。”

在銥衛星上使用的AppSTAR無線電設備還設計了預留空間，因此，哈里斯公司還能夠為其添加另一項功能：哈里斯公司與其合作伙伴exactEarth聯合開發的船舶全球實時追蹤系統——exactAIS RealTime。

杰夫?安德森說：“我們對AppSTAR無線電設備中的處理器卡進行了微調，對其進行了升級，使其適用于對海上的甚高頻通信波進行接收，從而實現了船舶的自動定位。目前，在公海上，船舶可以相互進行通信，但不能與陸地系統通信。僅需在銥星搭載的AppSTAR無線電設備中添加一張‘卡’，就能夠使任何一家航運公司在全球航線上追蹤其航運船舶。”

由于AppSTAR無線電系統的軟件能夠遠程重新配置，所以，艾瑞恩公司的系統和exactAIS系統都能夠在發射入軌后進行升級。杰夫?安德森說：“如果需要對其進行重新配置，或者需要改變其架構或格式，以適應未來的變化，我們就可以很方便地遠程完成這一任務。”而這一切都源于與NASA無線電設備相類似的盒子、處理器和電源卡。

哈里斯公司與NASA的合作，不僅推動了NASA的科學研究，也將使航空和航海更加安全。

(唐 甜)