北斗的安全实时监控技术分析范文

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发生于2014年3月8日的马航事件引起了我国政府的高度重视，动用了海上、空中甚至太空卫星等资源全力搜救，其他参与搜救的国家达到11个，但仍未找到失事客机确切下落，该事件引发了全世界对民航安全隐患的担忧。结合国际民航领域现有安全监控技术，马航事件反映出民航安全实时监控领域主要存在以下不足：“黑匣子”数据虽然全面但是无法远程传回和监控，只能事后查看；飞行记录仪，俗称“黑匣子”中所记录的数据信息较为全面，它的存在帮助还原了很多飞行事故的真相，但只能用于事后查看数据，无法向外发射数据。此外，“黑匣子”内自身脉冲信号（起到自身位置定位作用）发射器的电力续航时间只有30d左右，且信号传输距离有限。

对目标飞机位置及关键状态信息监控单一且力度不够；多数民航系统都使用二次雷达结合空管系统实现对飞机位置的监控，但二次雷达易受到飞机高度、距离、周边环境等的影响，并且跨境空管系统及二次雷达存在管控衔接等问题。基于ADS－A/B/C技术的地面辅助系统在海域或陆地无人区覆盖面有限。ADS－A/B/C系统在民航安全监控与管控中发挥着巨大的作用，ADS－A/C基于点对点式航空电信网数据链通道，多用于海洋和内陆边远距离，ADS－B多用于本场和较近距离。对以上问题，问题1和问题3是系统设计以及应用成本的局限性所致，对于问题2我们可以通过增加辅助的远程监控功能，使民航飞机多一种安全监控的途径和方法。

国外大的航空公司以及设备制造商已经开展基于民航飞机的健康诊断管理系统（PHM）技术研究，如GE生产的发动机内部就安装了飞机发动机健康管理系统（EHM），可实时将发动机的主要参数通过卫星通讯链路传输给地面站数据中心进行分析和监控。北斗短报文通信是我国自主研发的北斗导航定位系统所特有的一项技术，可实现将目标定位信息及其它关键数据通过卫星通信转发到地面接收站，其民用技术指标为：数据长度为60个汉字（120字节），发送频率1～4次/分，军用发送频率更高。作为应用研究，本文选择发送频率4次/分的北斗收发芯片，实际应用建议使用更高发送频率的产品或者申请使用北斗军用产品。针对马航事件所暴露出的民机安全监控问题，本文提出了基于北斗短报文通信技术对民航飞机飞行位置及部分飞机平台及发动机系统、航电系统等关键参数进行实时传输和监控的技术研究。

一、系统设计

总体设计本系统主要利用北斗短报文技术远程（超过PCM有效传输距离300km）转发功能，将飞机位置信息及飞机部分关键状态数据发送到地面接收设备，通过解析后进行实时位置及状态监控。系统需满足以下基本功能：①能够接收北斗系统的定位信息及时间信息；②能够实现从目标飞机到地面监控系统的北斗短报文通信传输；③能够将飞机平台部分关键参数（不超过30个参数）转发给北斗机载模块，与目标飞机定位信息以北斗短报文方式下发到地面北斗接收设备；④地面部分能够接收北斗短报文数据并能实时解析及显示监控。系统硬件组成系统主要由机载部分和地面接收监控部分组成，系统组成框图如图1所示。机载部分主要由机载采集子系统、上位机、北斗机载模块组成。系统核心设备是北斗收发模块，目前主流市场上同时支持北斗1和北斗2的一体接收机产品较多，本文选择了一款基于TD3020C北斗接收芯片以及BM3005基带芯片的产品，该一体机具有体积小，收发一体，同时兼容GPS定位功能，支持多对一短报文通信功能并可建立通信组（每组最多8个单元），同时支持北斗的导航定位功能和短报文通信功能等优点。机载采集子系统作用是从飞机飞控、惯导、动力系统、航电系统等各类预留总线接口中对飞机部分关键参数进行采集。上位机为嵌入式计算机，主要作用是通过网口接收采集器子系统转发的数据并以串口通信方式及北斗接收机模块可识别的数据格式转发给机载北斗模块，机载北斗模块将关键参数和自身的定位信息数据一起组成短报文信息包通过自身发射天线经由北斗通信卫星链路以短报文方式发送到地面北斗接收模块，发送数据为原码值。地面接收监控部分主要由北斗收发机、解算计算机、监控客户端等组成。地面的北斗收发模块与机载模块相同，除短报文通信功能外，配合模块控制软件还可实现短报文通信组管理功能。解算计算机主要实现从北斗收发模块串口接收数据，并对数据进行处理将原码值转换成工程物理量并通过广播/组播方式发送给监控计算机。地面实时监控系统主要根据需要对解算计算机发送的飞机位置信息数据、飞机状态参数等工程物理量数据进行实时监控。

系统软件组成该系统软件主要由上位机转发软件，北斗收发机地面控制软件、地面解析软件、地面监控软件等组成。上位机转发软件主要完成对采集器转发网络数据进行解包、挑选所需参数、按照收发机所需串口通信格式转发数据。地面解析软件主要完成接收地面北斗收发机通过串口发出的数据，按照北斗短报文通信格式及串口协议进行解析并按照数据的ICD文件进行工程物理量转换并以广播/组播方式发出。地面监控软件主要实现按照广播/组播协议接收解析计算机发出的工程物理量数据并在实时监控软件中实时显示。北斗收发机地面控制软件主要实现对北斗收发模块通信ID、短报文字节数、目标飞机短报文通信分组、串口通信设置等功能，这些设置均可在地面提前设置好。按照数据的流程，整个系统软件的流程图如图2所示。串口通信设置及上位机软件界面如图3所示，串口数据通信协议及数据格式如图4所示。虚线以下为上位机串口通信协议，虚线以上为北斗收发机发出数据格式及地面数据解析协议。两个实线箭头所指表示从上位机转发的部分飞机平台关键参数在北斗收发机发送数据包中的位置，如图4虚箭头所示，加速度X放在Par_1位置，其他参数依次排放。

二、验证实验

本实验采用金杯9坐车进行跑车验证试验。实验分两个部分，主要验证北斗短报文通信数据的正确性以及远距离传输的可靠性（超过传统PCM最大传输距离350km）。实验方法如下将一个北斗收发机固定在监控大厅楼顶空旷处，四周无高层建筑物遮挡，数据线连接地面解析计算机串口；将一个北斗收发机固定在金杯车顶，采用蓄电池供电，笔记本回放模拟数据作为机载采集子系统输出数据，收发机串口数据线与上位机连接。监控大厅楼顶收发机位置不变，将另一个收发机带到400km以外处，采用笔记本回放模拟数据作为机载采集子系统输出数据，测量短报文通信是否正常接收。

三、实验结果与分析

GPS定位系统技术及应用已非常成熟，在实验时同时记录GPS数据，用单点GPS数据与北斗短报文数据的位置信息进行对比，检验北斗短报文位置信息数据的正确性。实验数据结果如图5所示。实验过程中，实时监控软件数据显示如图6所示，目标位置信息数据、模拟关键参数与显示结果一致，在直线距离525km处，短报文通信数据传输正常，数据显示正确。同一时刻，目标飞机位置信息的北斗短报文数据与GPS高度及北向速度数据对比如图7所示。

四、结语

本文设计了基于北斗短报文通信的民航安全监控系统，并进行了地面跑车验证实验，实验结果表明，通过北斗短报文通信的卫星链路可以将运动目标的位置信息及其他重要信息传输到地面监控系统进行监控，传输距离超过传统PCM数据的最大有效传输距离300km，并且北斗短报文数据的位置信息数据精度接近GPS数据，该技术在民航远程安全监控领域有一定的应用价值。

作者：张国旺 单位：中国飞行试验研究院