基于海事衛(wèi)星的AreoSBB中繼的信息傳輸系統(tǒng)

解玉龍 龐天婷

摘 要 近年來飛機(jī)事故頻發(fā)，而飛機(jī)通信存儲(chǔ)介質(zhì)單一，只能依靠黑匣子來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，我們通過可為飛機(jī)提供完全的TCP/IP連接和速率為432kbps的AreoSBB（Aero SwiftBroadband）系統(tǒng)，研究出一款基于海事衛(wèi)星的AreoSBB中繼的信息傳輸系統(tǒng)，利用海事衛(wèi)星傳輸通信終端設(shè)備，實(shí)時(shí)的將飛機(jī)的位置、速度、方向、姿態(tài)等狀態(tài)信息和飛行綜合數(shù)據(jù)信息通過海事衛(wèi)星航空站傳輸?shù)街笓]中心監(jiān)控平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】AreoSBB系統(tǒng) 海事衛(wèi)星 自恢復(fù) 保險(xiǎn)絲nand-flash樹形結(jié)構(gòu)

1 概述

隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，最新的第四代海事衛(wèi)星提供的AreoSBB（Aero SwiftBroadband）系統(tǒng)已成為全球運(yùn)行最穩(wěn)定、通信功能最強(qiáng)大的航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可為飛機(jī)提供完全的TCP/IP連接和速率為432kbps的高寬帶通信。它不僅可以解決飛機(jī)在航行時(shí)的撥打電話、收發(fā)傳真，并可以實(shí)現(xiàn)空對(duì)地、地對(duì)空和空對(duì)空的通信業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)包括實(shí)時(shí)視頻通信、實(shí)時(shí)位置監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

作為世界上最便捷的交通工具-飛機(jī)，已經(jīng)逐漸成為人們首選出行方式。但是近年來飛機(jī)事故頻發(fā)，而出事故原因好多成為不解的謎團(tuán)。這是由于飛機(jī)通信存儲(chǔ)介質(zhì)單一，只能依靠黑匣子來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。距離我們最近一次的飛機(jī)失聯(lián)事故馬航370航班，通過各國(guó)專家努力搜尋多個(gè)月依然下落不明，多家航空公司機(jī)師表示，在撈出黑匣子前無法完全確定馬航飛機(jī)失事的真正原因。為此，我們通過可為飛機(jī)提供完全的TCP/IP連接和速率為432kbps的AreoSBB系統(tǒng)，研究出一款基于海事衛(wèi)星的AreoSBB中繼的信息傳輸系統(tǒng)，利用海事衛(wèi)星傳輸通信終端設(shè)備，實(shí)時(shí)的將飛機(jī)的位置、速度、方向、姿態(tài)等狀態(tài)信息和飛行綜合數(shù)據(jù)信息通過海事衛(wèi)星航空站傳輸?shù)街笓]中心監(jiān)控平臺(tái)。

系統(tǒng)研制的重點(diǎn)目標(biāo)是應(yīng)用飛機(jī)上已安裝的海事衛(wèi)星Aero SBB系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中與指揮中心的實(shí)時(shí)視頻通信；實(shí)現(xiàn)地面指揮中心實(shí)時(shí)的獲取執(zhí)行任務(wù)飛機(jī)的飛行位置狀態(tài)和飛行綜合數(shù)據(jù)；使地面指揮中心實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的掌握飛行狀況。從而大幅提高飛機(jī)在全球范圍執(zhí)行緊急任務(wù)的通信保障和實(shí)時(shí)信息傳輸能力。

系統(tǒng)研制的重點(diǎn)任務(wù)包括兩項(xiàng)：

（1）航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端設(shè)備和機(jī)載視頻通信設(shè)備研制；

（2）指揮中心平臺(tái)軟件研發(fā)和平臺(tái)建設(shè)。

2 系統(tǒng)組成

如圖1所示，本項(xiàng)目應(yīng)用系統(tǒng)組成包括：飛機(jī)和機(jī)載設(shè)備、空間和地面網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、指揮中心網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)三大部分。

2.1 飛機(jī)和機(jī)載設(shè)備

本項(xiàng)目應(yīng)用在飛機(jī)上的機(jī)載設(shè)備包括：

（1）機(jī)載海事衛(wèi)星通信終端；

（2）機(jī)載音視頻通信終端；

（3）機(jī)載航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端。

2.2 空間和地面網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

本項(xiàng)目應(yīng)用海事衛(wèi)星空間和地面網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)保障飛機(jī)與地面指揮中心的通信，使用位于同步靜止軌道的海事衛(wèi)星第四代通信衛(wèi)星與北京海事衛(wèi)星地面站建立網(wǎng)絡(luò)通信連接，通過建設(shè)北京海事衛(wèi)星地面站到指揮中心的網(wǎng)絡(luò)專線，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)經(jīng)海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)到指揮中心的網(wǎng)絡(luò)通信連接。

2.3 指揮中心網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)

指揮中心由網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)兩大部分組成，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施包括：海事衛(wèi)星專線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)防火墻和交換機(jī)設(shè)備等；平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)包括：飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)、飛行位置狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)和視頻通信應(yīng)用系統(tǒng)。

本項(xiàng)目的實(shí)施需要建設(shè)指揮中心的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；搭建平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)的地理信息服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，視頻通信服務(wù)器、飛行監(jiān)控位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)；部署應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和大屏幕顯示系統(tǒng)，開發(fā)飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)軟件、飛行位置狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)軟件、視頻通信應(yīng)用系統(tǒng)軟件。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 機(jī)載設(shè)備的設(shè)計(jì)方案

機(jī)載設(shè)備的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

機(jī)載設(shè)備有兩項(xiàng)：

（1）航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端；

（2）適合本系統(tǒng)應(yīng)用的視頻通信終端。

項(xiàng)目研究過程中需要完成終端的產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)和嵌入式軟件設(shè)計(jì)。

3.1.1 硬件設(shè)計(jì)

航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的硬件組成如圖3所示。

（1）應(yīng)用接口。航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端設(shè)計(jì)了一路RSC232接口，用于連接海事衛(wèi)星航空站終端，使用航空展終端指令，獲取GPS位置、速度、方向、狀態(tài)等信息。

航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端設(shè)計(jì)了一路RJ45以太網(wǎng)接口，在進(jìn)行常規(guī)通信時(shí)，將終端的以太網(wǎng)端口直接與海事衛(wèi)星航空站的RJ45以太網(wǎng)口連接。

航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的設(shè)計(jì)三路標(biāo)準(zhǔn)的RS-422通信接口，通過RS-422接口與機(jī)載的數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，獲取需要的機(jī)載數(shù)據(jù)信息。

（2）電源設(shè)計(jì)。航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的電源按照機(jī)載電子設(shè)備的電源接口標(biāo)準(zhǔn)和電氣性能要求設(shè)計(jì)，支持機(jī)上直流27V的電源。

航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的電源設(shè)計(jì)輸入極性保護(hù)電路，能夠?qū)﹄娫礃O性接反故障提供保護(hù)，當(dāng)發(fā)生電源極性接反的時(shí)候，斷開電源輸入電路，當(dāng)電源輸入恢復(fù)至正確的極性連接時(shí)，接通電源輸入，提供穩(wěn)壓電路供電。

航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的電源設(shè)計(jì)輸入過流保護(hù)電路，能夠防止終端故障影響機(jī)上電源的正常工作，接入終端的電源提供保護(hù)。當(dāng)終端發(fā)生電源故障引起過流時(shí)，串連在供電回路中的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲溫度升高，其導(dǎo)電特性由導(dǎo)體變?yōu)楦咦杩沟碾娮瑁兂蓴嚅_引起過流的電路。為確保過流保護(hù)電路安全有效，終端設(shè)備的電源還設(shè)計(jì)使用陶瓷保險(xiǎn)熔斷器，作為二級(jí)的過流保護(hù)電路。

（3）處理器電路設(shè)計(jì)。航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的控制處理器的設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面：一是運(yùn)行速度滿足數(shù)據(jù)采集和信息處理的要求，二是內(nèi)核小、啟動(dòng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，三是接口能夠滿足要求并且低功耗。

3.1.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)兩部分。

（1）嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。考慮到系統(tǒng)的成熟性、開放性、安全性等因素，擬選用開源的uC/OS II系統(tǒng)作為航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端的操作系統(tǒng)。

（2）嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端嵌入式應(yīng)用軟件按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)服務(wù)功能特點(diǎn)，內(nèi)建了海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊用于數(shù)據(jù)采集；內(nèi)建機(jī)載設(shè)備信息采集模塊，用于從機(jī)載電子設(shè)備讀取狀態(tài)信息；內(nèi)建監(jiān)控控制參數(shù)管理模塊，用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置；位置狀態(tài)信息處理模塊用于對(duì)采集的信息的處理，將不同的屬性類型的數(shù)據(jù)信息處理后，形成協(xié)議格式數(shù)據(jù)，提交通信傳輸模塊，傳輸?shù)街笓]中心；位置監(jiān)控信息服務(wù)模塊用于信息記錄、查詢服務(wù)等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成采集數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)記錄。

3.2 指揮中心的設(shè)計(jì)方案

3.2.1 指揮中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

指揮中心網(wǎng)絡(luò)主要由內(nèi)置防火墻的路由器、核心交換機(jī)和服務(wù)器組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用樹形結(jié)構(gòu)。樹型結(jié)構(gòu)是分級(jí)的集中控制式網(wǎng)絡(luò)，它的通信線路總長(zhǎng)度短，成本較低，節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充，尋找路徑比較方便；易于擴(kuò)充樹形結(jié)構(gòu)可以延伸出很多分支和子分支，這些新節(jié)點(diǎn)和新分支都能容易地加入網(wǎng)內(nèi)；故障隔離較容易，如果某一分支的節(jié)點(diǎn)或線路發(fā)生故障，很容易將故障分支與整個(gè)系統(tǒng)隔離開來。

3.2.2 指揮中心的設(shè)備組成

指揮中心的設(shè)備包括四類。第一類是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括防火墻和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；第二類是服務(wù)器，包括地理信息服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和飛行監(jiān)控位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)；第三類是應(yīng)用設(shè)備，包括視頻通信終端和應(yīng)用計(jì)算機(jī)設(shè)備；第四類是輔助設(shè)備，包括指揮中心大屏幕顯示和音響系統(tǒng)等。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

4.1 飛行中駕駛艙與地面指揮中心的音視頻通信

飛機(jī)在飛行過程中，可以通過視頻通信終端呼叫地面指揮中心，實(shí)現(xiàn)飛行中駕駛艙內(nèi)與地面的視頻會(huì)議。地面指揮中心也可以根據(jù)需要，隨時(shí)通過指揮中心的視頻通信設(shè)備呼叫飛機(jī)；建立視頻通信。

4.2 地面指揮中心對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控

指揮中心可通過呼叫實(shí)時(shí)獲得監(jiān)控飛機(jī)的地理位置、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度以及各種飛行狀態(tài)信息；也可通過定時(shí)報(bào)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間間隔的飛機(jī)位置狀態(tài)報(bào)告，并能保證連續(xù)的位置狀態(tài)監(jiān)控；也可在指揮中心的監(jiān)控屏幕上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤。監(jiān)控指揮中心位置服務(wù)平臺(tái)的功能主要有：實(shí)時(shí)位置顯示、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程管理配置、定位跟蹤回放等。

4.3 通信信息與地理信息系統(tǒng)的融合

通過將通信信息與地理信息系統(tǒng)平臺(tái)的融合，能夠把各類信息如位置數(shù)據(jù)記錄、飛行數(shù)據(jù)記錄、通信綜合數(shù)據(jù)信息等在GIS平臺(tái)上表現(xiàn)出來，形成與空間數(shù)據(jù)相關(guān)的地理信息匯總，詳細(xì)顯示目標(biāo)的位置和相應(yīng)的周邊地理信息、設(shè)施情況等，形成直觀的輔助信息，提高指揮員對(duì)各方面信息的準(zhǔn)確了解，為決策提供有力的信息支持。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)將全球范圍內(nèi)飛機(jī)在飛行中駕駛艙內(nèi)的視頻圖像傳至地面指揮中心，并結(jié)合指揮中心會(huì)議室音視頻軟硬件設(shè)備投影至大屏幕；系統(tǒng)利用飛機(jī)端的航空數(shù)據(jù)采集和記錄終端采集信息，利用海事衛(wèi)星傳輸通信終端設(shè)備，實(shí)時(shí)的將飛機(jī)的位置、速度、方向、姿態(tài)等狀態(tài)信息和飛行綜合數(shù)據(jù)信息通過海事衛(wèi)星航空站傳輸指揮中心監(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)的指揮監(jiān)控中心平臺(tái)可與全球區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的飛機(jī)駕駛艙內(nèi)進(jìn)行空對(duì)地的‘面對(duì)面的會(huì)議，也可以接收和主動(dòng)獲取飛機(jī)的采集數(shù)據(jù)，掌握?qǐng)?zhí)行任務(wù)飛機(jī)的飛行實(shí)況，通過指揮中心平臺(tái)的實(shí)況展現(xiàn)功能，在大屏實(shí)時(shí)顯示出二維電子地圖上對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，顯示各項(xiàng)采集的飛行數(shù)據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介

解玉龍（1972-），男，陜西省周至縣人。高級(jí)工程師，學(xué)士，從事海事衛(wèi)星通信技術(shù)研究。

作者單位

北京中交通信科技有限公司系統(tǒng)方案部 北京市 100011