基于BDS 的航空器追蹤監控系統

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

航空器的追蹤監控是指通過技術手段獲取航空器的位置、高度、速度等參數，并將獲取的數據信息不間斷傳輸到地面，確保管理部門和航空公司及時掌握航空器的飛行狀態與動向，實現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.實現航空器全球范圍內全時的追蹤監控，在保障航空運行安全、遇險搜救和飛行事故調查等方面都具有重要意義.傳統的航空器追蹤監控主要是通過飛機通信尋址與報告系統(ACARS)、廣播式自動相關監視系統(ADS-B)等地基空地數據傳輸系統實現，位置源信息通常來自機載GPS，飛機下傳數據的接收依賴于地面布設的通信設施.受限于地面站的部署，傳統的追蹤監控手段難以實現全球無縫覆蓋[2].

2014 年3 月MH370 失聯后，國際航空運輸協會(IATA)組織成立航空器追蹤任務組，旨在研究使用現有技術在短期內解決航空器的追蹤問題.國內學者也提出了利用北斗衛星導航系統(BDS)功能實現航行追蹤及遇險救援的方案[3].隨后，國際民航組織(ICAO)協調各成員國及全球業界開始系統推進航空器追蹤監控工作.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范，并強制要求航空承運人實現對其海洋區域運行至少每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 年發布了《航空承運人航空器追蹤監控實施指南》，隨后在2017 年7 月發布了《中國民航航空器追蹤監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權的航空器全球追蹤監控系統，并形成相關標準[5].2018 年7 月，中國民航局聯合中國國航、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 的航空器追蹤監控在中國民航的首次應用.2019 年12 月，中國民航局發布的《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》明確指出[6]，推動以“北斗”為代表的國產裝備在民航的應用，積極推進自主知識產權技術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控能力，推動基于BDS 的航空器追蹤監控應用，對實現我國自主可控的航空器追蹤監控系統具有重要意義.

基于中國民航航空器追蹤監控應用需求，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控的系統解決方案.該方案通過在飛機上加裝符合中國民航發布的技術標準規定的機載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議通過BDS 短報文功能傳輸到地面數據處理中心，然后通過地面網絡分發給最終用戶，實現以BDS 位置信息為核心的航空器追蹤監控應用，所設計的協議具有良好的靈活性，兼容北斗二號(BDS-2)區域短報文、北斗三號(BDS-3)區域短報文和全球短報文通信方式.

1 基于BDS 的航空器追蹤監控應用

1.1 航空器追蹤監控應用場景與需求

航空器追蹤監控應用需求主要源自中國民航適航規章、標準規范要求以及航空承運人日常運行監控對飛機相關信息和機載系統參數監控需求.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則》(CCAR-121-R7 條國內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控實施指南》AC-121-FS-2016-127.主要應用場景即是航空承運人、監管方對于航空器位置追蹤和航空器運行過程中重要參數信息的實時監控，包括：正常航班例行追蹤、燃油監控、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、飛行動態監控、異常機動監控等.為確保飛機運行過程中運行信息被及時接收，飛機與地面監控系統之間的信息交互需要滿足監控頻次間隔不超過15 min，實際應用中通常監控頻次會更高.

1.2 基于BDS 的航空器追蹤監控系統

基于BDS 的航空器追蹤監控系統總體架構如圖1 所示，整個系統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BDS 數據中心(主/備)、專線網絡以及各類用戶接入網絡及應用系統組成.系統主要用于滿足我國航空器運行過程中自主可控的追蹤監控需求，基本的追蹤監控要素包括：飛機身份信息、BDS/GPS 經緯度、高度、磁航向、地速、俯仰角、橫滾角、飛機燃油量等.

圖1 基于BDS 的航空器追蹤監控系統總體架構

此外，支持用戶根據需求定制傳輸氣象信息、飛行動態、異常機應答機編碼、重要的故障信息等.對基本追蹤監控要素，機載BDS 設備按60 s 間隔自動發送，對重要突發信息和監控的異常狀態，由機載設備自動觸發，以單獨的報文報送或附加在基本監控要素的報文內容之后傳輸.除機載BDS 設備自動下發外，用戶地面系統還具備主動查詢當前BDS 坐標、機上燃油量、設備狀態等信息的功能.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布的技術標準規定的要求.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得到的航班號、機載燃油量、飛行姿態信息等參數按照設定的發送頻次周期性地發送給地面站臺.機載BDS 由收發機和天線組成，收發機和天線之間通過射頻同軸電纜連接，天線由收發機供電，具備抗干擾和防雷功能.收發機內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型配置信息等.

2.1 機載BDS 收發機

機載BDS 收發機用于實現BDS 定位、通信和機載總線數據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 收發機組成框圖，各組成模塊功能介紹如下：

圖2 機載北斗收發機組成框圖

a) BDS 通信模塊

BDS 通信模塊處理來自BDS 天線的射頻信號，完成模數轉換、信號處理和電文解算等，并將解析內容發送給綜合處理模塊；同時將來自綜合處理模塊處理后需要發送的短報文數據內容進行信號處理、變頻、數模變換為射頻信號后，發送給BDS 天線，實現報文信號的發送和接收.

b) BDS 定位模塊

BDS 定位模塊處理來自BDS 天線的射頻信號，完成模數轉換、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

接口處理模塊實現與機上機載總線進行數據交互，對外接口包括：ARINC 429 總線接口、離散量輸入/輸出接口、以太網總線接口和電源接口.

d)綜合處理模塊

綜合處理模塊實現北斗收發機自檢、接收來自通信和定位模塊的數據并處理、接收來自接口處理模塊信息并處理，并將信息按照通信協議打包后通過通信模塊發送出去.

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，實現電源轉換、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：實現空間電磁波與傳輸線電磁波的轉換功能；

b) 濾波器：完成發射信號的濾波，減小對其他設備的影響程度；

c) PA：將發射信號放大至所需水平，滿足上行發射要求；

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：通過合路器實現各頻點接收信號的復用；

f) 雙工器：通過雙節環路器實現收發雙工；

g) 電源模塊：通過電源模塊實現電壓轉換和電源濾波.

2.3 航電系統集成

北斗收發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連接，從航電系統獲取航班號、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獲取空地狀態指示信號，當飛機離地后自動開始向地面發送報文信息，落地后自動停止發送，機載北斗系統與航電系統的集成方案如圖4 所示.

圖4 航電系統集成方案

2.4 通信協議設計

北斗二號(BDS-2)短報文民用三級授權單次報文長度為628 bit，北斗三號(BDS-3)區域短報文通信(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].根據系統限制以及應用需求，設計了一套具備良好擴展性的通信協議，通信協議兼容BDS-2 和BDS-3.表1 中給出了用于航空器追蹤監控的通信協議各字段定義.

表1 基于BDS 的航空器追蹤監控通信協議

3 BDS 地面系統

3.1 系統軟件架構設計

為滿足高并發訪問和大數據分析需求，BDS 地面系統采用微服務分布式架構設計，系統具備云能力開放架構，便于后續與不同廠家、平臺和業務進行對接與集成.整個軟件系統由數據集成層、傳輸層、服務層、發布層、代理層、展示層組成，軟件架構如圖5 所示.

圖5 航空器追蹤監控地面系統邏輯架構

1)數據集成層：地面數據采集系統的數據集成層采用數據集群的方式實現數據的讀寫、運算、存儲高并發，包含Cache Persistence、SQLDB Cluster、Memory Cache Cluster 三部分內容.

2)傳輸層：負責數據集成層與服務層實現分布式進程通信功能，包含：Spring Cloud Bus 消息總線、Spring Cloud Task 任務調度、Spring Cloud Stream 數據流操作等.

3)服務層：主要實現基礎數據集群服務、數據采集服務、數據處理服務、數據分析服務、運營管理服務、系統維護服務和數據共享服務等功能，由Spring Boot、Eureka 服務治理、Config 配置管理、Sleuth 鏈路跟蹤、Turbine 集群監控和Hystrix 容錯保護組成.

4)服務層：通過Zuul 服務網關實現客戶端直接與多個微服務通信，從而實現多業務調用.

5)發布層：采用Tomcat+Docker 搭建系統分布式發布服務集群，將不同微服務業務分開，實現地面系統的高并發負載均衡能力.

6)代理層：地面系統的代理層采用Nginx+Keepalived 反向代理技術與發布層進行通信，搭建分布式Web 高并發負載均衡框架.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 代理服務出現故障時，訪問轉移到另一臺上繼續工作，保證訪問不間斷.

7)展示層：地面系統的展示層采用瀏覽器/服務器架構，用戶可以通過網站實現前端訪問數據展示功能，前端設計兼容目前主流瀏覽器.

3.2 系統硬件拓撲

BDS 地面系統硬件拓撲如圖6 所示，主要包括數據采集服務器、運行管理服務器、數據處理服務器、運維服務器、核心交換機、防火墻、北斗指揮機、數據采集終端、數據分析終端、運營管理終端、系統維護終端、光纖交換機、存儲陣列、操作臺、KVM、機柜和大屏幕顯示系統等.系統網絡采用經典的星形拓撲建設，局域網內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部通信.控制網絡和數據存儲網絡物理隔離，確保互不影響.為保障平臺運行網絡安全，采取以下網絡安全措施：

圖6 基于BDS 的航空追蹤監控地面系統硬件拓撲

1)防火墻設備：對信息網絡進行邊界隔離，嚴格控制網絡中各個安全區域的訪問，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，杜絕非法及越權訪問；同時有效預防、發現、處理異常的網絡訪問，確保信息網絡正常訪問.

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

3)安全保密：采取多種技術手段保證數據傳輸的保密性、真實性和完整性，包括用戶賬戶網絡認證和訪問控制技術、密鑰交換與數據加密技術等.所有需要通過對外接口上報的數據進行加密傳送，保護本系統遠程數據傳輸的安全.

4 BDS 試驗數據分析

BDS 地面系統主界面如圖7 所示，通過BDS 傳輸的航空器位置等數據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、航向等信息經地面系統處理后可實現對航空器的位置追蹤、燃油消耗監控、飛行動態監控等應用.

圖7 航空器追蹤監控地面系統主界面

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統計的通信成功率，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，根據試驗數據統計，在3 km 以下丟包相對顯著，可能是受地面電磁環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律，尚有待進一步積累數據進行分析.

圖8 通信成功率分析

圖9 不同飛行高度丟包數量占比

4.2 BDS 和GPS 數據對比

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部存儲的BDS定位數據和機上記錄設備存儲的機載GPS 接收機定位數據所生成的航跡，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控系統實現了自主可控的航空器追蹤監控，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重要參數，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的感知能力.機載系統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，實現空地雙向報文通信，對航空器的追蹤與監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，采用大功率發射信號瞬時隔離、衛星導航信號抗干擾技術，解決了在RSMC 信號發射和機載復雜電磁環境下可靠連續定位的問題；采用無內置電池的電能存儲技術實現了收發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、短報文功能優化、最優波束選擇技術提高了高動態場景下的短報文通信成功率.本文所設計的系統已在國內航空公司運營的現役飛機上實際應用，后續將開展基于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控應用，并實現BDS 數據與監視雷達、廣播自動相關監視數據的融合處理應用驗證.