衛(wèi)星數(shù)字通信技術(shù)在民航空管領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

王兆欣

（中國(guó)民用航空華北地區(qū)空中交通管理局，北京 100015）

自20世紀(jì)60年代，地球同步衛(wèi)星成功發(fā)射并首次接收到同步衛(wèi)星傳回地球的信號(hào)以來(lái)，衛(wèi)星通信逐步從以軍備競(jìng)賽、科學(xué)研究為目的的活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N必要的通信手段。在通信系統(tǒng)中使用衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)生活中非常普遍的現(xiàn)象，從最基本最簡(jiǎn)單的用于接受衛(wèi)星電視信號(hào)的碟形天線就可以看出衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用的普遍程度非同一般。由于衛(wèi)星通信有著一些其他通信方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如一顆衛(wèi)星可以覆蓋地球地面很大一片區(qū)域，對(duì)于遠(yuǎn)距離通信成本不敏感等特點(diǎn)，衛(wèi)星通信也作為民航空管“兩地一空”中的應(yīng)急管制手段于2002年正式加入我所在的民航華北空管局這個(gè)大家庭。

一般來(lái)說(shuō)，民航空管技術(shù)保障包括主要的兩大部分，一個(gè)是管制員的眼睛，即雷達(dá)。航空器上的高頻天線（HF）不斷與地面工作站（BGS）中心通過地空數(shù)據(jù)鏈的方式實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，將下行的飛行數(shù)據(jù)（FDR）以飛機(jī)標(biāo)牌的方式呈現(xiàn)給管制員。第二個(gè)，便是甚高頻語(yǔ)音傳輸（VHF），目前是通過PCM 技術(shù)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的將管制的指令傳送到制定的甚高頻臺(tái)站，發(fā)送給覆蓋區(qū)域內(nèi)的被識(shí)別的航空器。通常情況下，這兩大管制手段只需要微波技術(shù)和傳統(tǒng)的敷設(shè)線纜通信技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，而且多為雙鏈路冗余，自動(dòng)倒切。

但出于民航空管行業(yè)的特殊性，航空器上的任何異常都會(huì)讓管制員、機(jī)務(wù)員異常緊張，更不可能允許出現(xiàn)雷達(dá)、VHF 因傳輸鏈路中斷而導(dǎo)致的真空期，所以民航空管領(lǐng)域引入了衛(wèi)星通信技術(shù)作為地面路由全部失效后的應(yīng)急手段。同樣，對(duì)于國(guó)家與國(guó)家之間，涉及管制移交溝通的時(shí)候，因傳統(tǒng)的電話網(wǎng)技術(shù)落后，會(huì)導(dǎo)致?lián)芴?hào)時(shí)間較長(zhǎng)、呼損率高等問題，且涉及電信運(yùn)營(yíng)商等外單位溝通的問題，也使用衛(wèi)星電話作為主要溝通方式。

衛(wèi)星通信技術(shù)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，如上述的一顆同步衛(wèi)星便可覆蓋一大片區(qū)域，且通信成本花費(fèi)與物理位置遠(yuǎn)近幾乎沒有線性關(guān)系，但衛(wèi)星通信技術(shù)也有著一些標(biāo)志性的致命缺點(diǎn)，如天氣因素、天文因素、大氣損耗等對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?，這些缺點(diǎn)在地面?zhèn)鬏斨惺遣淮嬖?。衛(wèi)星是有源的，而衛(wèi)星的供電只能依靠太陽(yáng)能，當(dāng)發(fā)生完全日蝕時(shí)，太陽(yáng)能電池板不能接受到太陽(yáng)能，衛(wèi)星的工作只能靠本身的蓄電池供電。而如果此時(shí)，衛(wèi)星處理的連接數(shù)較多，工作量較大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致耗電過快，導(dǎo)致衛(wèi)星蓄電池電壓過低等極端情況發(fā)生。而在日凌期間，太陽(yáng)擋住了衛(wèi)星，就像一個(gè)極大的噪聲源，完全淹沒了衛(wèi)星傳輸給地球的信號(hào)，也會(huì)導(dǎo)致通信中斷。同樣，衛(wèi)星天線發(fā)出的射頻，是以電磁波的形式發(fā)射到衛(wèi)星的接收天線，在此期間的雨雪冰雹等含水量較大的介質(zhì)，會(huì)使大氣折射率發(fā)生改變，形成雨衰等不利因素，影響通信質(zhì)量。

北京區(qū)域管制中心（簡(jiǎn)稱北京ACC）于2002年建成C 波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，頻段范圍4-8GHz 使用中星10號(hào)衛(wèi)星，C 波段衛(wèi)星通信設(shè)備由室內(nèi)單元、室外單元和一口直徑為4.5米的天線三部分組成。室外單元主要由低噪聲放大器、功率放大器、變頻器、射頻線纜、天線幾部分組成，主要用于我局所轄華北管制區(qū)與外蒙管制進(jìn)行國(guó)境管制移交的C 波段衛(wèi)星電話，同時(shí)也作為外地遠(yuǎn)端與區(qū)管中心之間傳輸甚高頻和雷達(dá)信號(hào)的備用路由。

圖1 C波段上行頻率、下行頻率、衰減

北京ACCC 波段衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)采用的是美國(guó)Huge 休斯公司旗下的TESHDC2-AC 型號(hào)，該型號(hào)產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)多年，室外單元中變頻器和功率放大器幾經(jīng)保養(yǎng)維修，但效果不佳，目前處于設(shè)備疲勞期，面臨的最大問題是設(shè)備老化導(dǎo)致的上星功率較低，目前技術(shù)人員已將上下行衰減均調(diào)整為0，但在特殊惡劣天氣，如雨、雪、霧，還是會(huì)對(duì)上星功率產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)下線，從而導(dǎo)致外蒙管制移交衛(wèi)星電話失效，只能改用其他手段。而地面路由由于存在涉及外單位較多，路由跳數(shù)過多導(dǎo)致的延遲加大和與境外外單位部門協(xié)調(diào)等諸多問題，不容易把控，不利于找到故障點(diǎn)并排障。

圖2 北京ACC衛(wèi)星電話傳輸路由

從圖2中可以看出，一通打到外蒙古管制中心的電話需要經(jīng)過兩次上星，且還需要經(jīng)過北京網(wǎng)控中心機(jī)房交換機(jī)的處理，存在單一節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致整條鏈路失效的可能，且衛(wèi)星通信可以直接下行到外蒙地面衛(wèi)星站天線，而由于統(tǒng)一布局等政策問題，北京出局的方向唯一出口目前只設(shè)立在北京網(wǎng)控中心，這樣無(wú)法最大限度利用衛(wèi)星通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，存在冗余與中轉(zhuǎn)路由增加的問題，為排除故障定位故障點(diǎn)帶來(lái)不便。再加上北京ACC 室外單元高功率放大器年久老化的問題，對(duì)C 波段衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)進(jìn)行改造成為目前最最迫切的需求！

我認(rèn)為，衛(wèi)星MODEM 技術(shù)，也就是衛(wèi)星上網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)，可以更好的解決這個(gè)問題。相比于現(xiàn)在的64K 同步衛(wèi)星鏈路，衛(wèi)星MODEM 技術(shù)第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是帶寬速度高，最高速度可以達(dá)到15Mbps，這對(duì)于僅需6.4Kbps 帶寬的外蒙衛(wèi)星電話業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)是綽綽有余的。同時(shí)，衛(wèi)星MODEM 技術(shù)只需要在原有的衛(wèi)星天線及ODU 基礎(chǔ)上，在室內(nèi)單元加裝一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)PCI板卡，即可完成衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)的部署，無(wú)需重新硬化土地假設(shè)額外的天線以及ODU 設(shè)備，避免不必要的開銷。ComtechEFData 公司生產(chǎn)的CDM-570L 是一臺(tái)L 波段中頻的調(diào)制解調(diào)器，支持連接LNB 和BUC 射頻設(shè)備。支持快捕解調(diào)，可通過升級(jí)支持Turbo Product Codec 編碼，也可升級(jí)到支持8PSK 和16-QAM 調(diào)制。

圖3 衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器CDM-570L

CDM-570L 的設(shè)計(jì)是以固件和可編程門陣列為基礎(chǔ)，通過串口可容易地對(duì)內(nèi)部閃存進(jìn)行升級(jí)。在1U 的設(shè)備封裝里提供了高靈活性和出色的性能。CDM-570L 一項(xiàng)特殊的特性是對(duì)衛(wèi)星鏈路遠(yuǎn)端站進(jìn)行監(jiān)控，通過使用ComtechEFData 享有專利的專用報(bào)頭通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種幀模式叫做EDMAC（內(nèi)置式遠(yuǎn)端監(jiān)控）。用戶數(shù)據(jù)被分割成幀，然后添加額外的比特用來(lái)傳送控制、狀態(tài)和自動(dòng)上行鏈路控制信息，這個(gè)過程對(duì)用戶是完全透明的。遠(yuǎn)端站如選擇能接受FSK 控制的上變頻模塊，其遠(yuǎn)端狀態(tài)和控制也能通過EDMAC 信道來(lái)提供。操作員可以從前面板或通過監(jiān)控口來(lái)配置和監(jiān)控調(diào)制解調(diào)器。在調(diào)制解調(diào)器里可以存儲(chǔ)十套完全配置的參數(shù)。事件日志把告警和狀態(tài)信息存儲(chǔ)在非易失的RAM 里，同時(shí)鏈路統(tǒng)計(jì)日志存儲(chǔ)著鏈路特性信息，用于QoS 報(bào)告目的。除傳統(tǒng)的串口監(jiān)控以外，CDM-570L 提供一個(gè)10/100BaseT 的以太網(wǎng)接口用于設(shè)備管理，可以WebServer，SNMP 代理和Telnet等方式訪問。

同樣，在配置方面，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器技術(shù)也是非常方便，可以選擇telnet 或者console 兩種登陸方式，只需要像日常配置Vanguard 路由器一樣去配置，無(wú)需像CISCO 一樣的命令行，根據(jù)提示選擇數(shù)字即可。

衛(wèi)星上網(wǎng)技術(shù)需要租用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的鏈路，如民航空管等具有行業(yè)特殊性的業(yè)務(wù)，需要租用衛(wèi)星專線，此外還需重新對(duì)衛(wèi)星天線進(jìn)行極化和對(duì)星調(diào)整，從原有的中星10號(hào)衛(wèi)星調(diào)整為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的衛(wèi)星位置。如果衛(wèi)星上網(wǎng)系統(tǒng)部署成功，對(duì)于衛(wèi)星傳輸路由的優(yōu)化也可以進(jìn)一步加強(qiáng)，管制員摘機(jī)后所傳輸?shù)恼Z(yǔ)音指令會(huì)通過專用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)PCI 網(wǎng)卡轉(zhuǎn)換為用于衛(wèi)星傳輸?shù)姆纸M信息，經(jīng)衛(wèi)星室外單元處理發(fā)射到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的衛(wèi)星，經(jīng)過尋址轉(zhuǎn)發(fā)到目的地地面衛(wèi)星站，這之間的鏈路可以由原來(lái)的3跳減少為1跳，大大減少的延遲。

現(xiàn)我局也正在考慮采用衛(wèi)星MODEM 技術(shù)對(duì)C 波段衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以解決至外蒙衛(wèi)星電話設(shè)備老化問題，增加保障力度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。我相信衛(wèi)星數(shù)字通信技術(shù)的進(jìn)步將不斷深化到民航空管技術(shù)保障領(lǐng)域，為祖國(guó)的藍(lán)天護(hù)航大放光彩！