重慶江北機(jī)場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳輸升級(jí)方案

聶增臻,宋 超,謝英偉

(民航重慶空管分局,重慶 401120)

0 引言

重慶江北機(jī)場(chǎng)二跑道自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)傳感器于2013年1月投產(chǎn)使用,與一跑道原MIDAS IV傳感器融合形成自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)AVIMET 6.0。2017年7月,一、三跑道新建自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng),與二跑道自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)融合形成現(xiàn)役自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)AVIMET 7.0。

二跑道每端傳感器采用Modem信號(hào),通過(guò)光端機(jī)的方式進(jìn)行透?jìng)髦梁诵臋C(jī)房,最終由端口服務(wù)器MCU111對(duì)二跑道整條跑道的傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,傳送至服務(wù)器進(jìn)行處理。目前該傳輸模式已運(yùn)行10 a,相較于一、三跑道每端傳感器采用RS-485搭MOXA的傳輸方式,二跑道通信傳輸模式相對(duì)落后,端口服務(wù)器MCU111的故障會(huì)導(dǎo)致二跑道整條跑道的自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中斷。同時(shí),端口服務(wù)器MCU111設(shè)置于無(wú)人值守的原中心機(jī)房,這會(huì)延長(zhǎng)故障搶修時(shí)間。為保證航空氣象高質(zhì)量運(yùn)行,化解潛在風(fēng)險(xiǎn),重慶空管分局氣象臺(tái)對(duì)二跑道傳輸進(jìn)行升級(jí),優(yōu)化二跑道自觀傳輸環(huán)節(jié),提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-2]。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 系統(tǒng)配置

除自動(dòng)氣象站外,二跑道傳感器均由設(shè)備主板輸出Modem信號(hào)。自動(dòng)氣象站通過(guò)數(shù)采器QML201輸出RS-232信號(hào),經(jīng)DXL421調(diào)制后輸出Modem信號(hào)。

二跑道自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)傳感器包括自動(dòng)氣象站MAWS301、云高儀CL31、大氣透射儀LT31和前向散射儀FS11P等。傳感器輸出的V.21 FSK Modem信號(hào),通過(guò)光端設(shè)備傳輸至集中式串口服務(wù)器MCU111,由MCU111解調(diào)并轉(zhuǎn)換為UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號(hào),發(fā)送給服務(wù)器。AVIMET系統(tǒng)Sensor IO服務(wù)通過(guò)傳感器IP和端口送至對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理進(jìn)程[3]。當(dāng)前傳感器 IP與端口規(guī)劃如表1所示。

表1 當(dāng)前傳感器IP與端口規(guī)劃

二跑道當(dāng)前自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 二跑道當(dāng)前自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

1.2 現(xiàn)存問(wèn)題

二跑道自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)采用單一光纖傳輸方式,不滿足《民用航空自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第九條“民用航空自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有通過(guò)有線和無(wú)線的通信方式遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)監(jiān)控信息的功能”的要求。

二跑道整條跑道傳感器通過(guò)串口服務(wù)器MCU111對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成,通信節(jié)點(diǎn)過(guò)于集中,MCU111故障將導(dǎo)致整條跑道數(shù)據(jù)丟失。同時(shí),MCU111為單電源設(shè)備,無(wú)法進(jìn)行供電備份,其內(nèi)部設(shè)備TS16的直流供電模塊芯片和電容也因品質(zhì)缺陷,易受熱老化。

二跑道傳感器輸出Modem信號(hào),系統(tǒng)數(shù)據(jù)擴(kuò)容能力較差,不利于傳感器數(shù)據(jù)并線分接。此外,MCU111內(nèi)部調(diào)制解調(diào)模塊DMX501也存在Modem鏈路中斷恢復(fù)后無(wú)法建立載波的風(fēng)險(xiǎn)。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

此次升級(jí)項(xiàng)目分為傳感器輸出改造、系統(tǒng)配置改造和無(wú)線改造3個(gè)部分[4]。MOXA IP與端口規(guī)劃見(jiàn)表2所示。

表2 MOXA IP與端口規(guī)劃

二跑道自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程改造如圖2所示。

圖2 二跑道自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程改造圖

2.1 傳感器輸出改造設(shè)計(jì)

調(diào)整傳感器配置,將二跑道自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的Modem信號(hào)輸出改為RS-485。數(shù)據(jù)利用原Modem信號(hào)大對(duì)數(shù)線纜回傳至下滑臺(tái)機(jī)房,從下滑臺(tái)避雷器后端并接出兩路RS-485信號(hào)。必要時(shí),可購(gòu)置RS-485整形器將RS-485信號(hào)延長(zhǎng)。

在跑道南、北、中3端分別設(shè)置有線、無(wú)線MOXA設(shè)備,替換原集中式端口服務(wù)器MCU111,分散傳輸節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)[5]。

2.2 系統(tǒng)配置改造設(shè)計(jì)

在實(shí)施硬件改造前,修改Sensor IO服務(wù)Sensors.ini,Ports.ini等配置文件,獲取同一傳感器的兩路數(shù)據(jù)。通過(guò)Dualserv.ini的配置,將二跑道數(shù)據(jù)輸入改為A,B兩路,A為有線MOXA預(yù)留。邏輯上,A路優(yōu)先級(jí)高于B路。B路配置可根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)施階段不同需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.3 無(wú)線改造設(shè)計(jì)

如圖3所示,塔臺(tái)可通視二跑道南(02R)、中(MID2)、北(20L)3端自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)備站址,對(duì)應(yīng)距離分別為1932、819和992 m?？稍谒_(tái)設(shè)立全向天線,跑道各端架設(shè)無(wú)線網(wǎng)橋。無(wú)線網(wǎng)橋接收無(wú)線MOXA的UDP數(shù)據(jù);塔臺(tái)無(wú)線網(wǎng)橋通過(guò)塔臺(tái)接入交換機(jī)實(shí)現(xiàn)接入氣象核心交換網(wǎng),完成無(wú)線備份鏈路的傳輸。

圖3 塔臺(tái)通視二跑道傳感器距離

2.3.1 頻段選擇

2.4 G和5.8 G為無(wú)線傳輸常用頻段,無(wú)需取得無(wú)線電臺(tái)執(zhí)照。5.8 G采用正交頻分復(fù)用技術(shù)和直接序列擴(kuò)頻技術(shù),信道較多、頻率較高,抗干擾能力較強(qiáng)。2.4 G信號(hào)頻寬較窄,無(wú)線環(huán)境更加擁擠,干擾較大。相較于2.4 G信號(hào),自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高,使用5.8 G信號(hào)更加合適[6-7]。

2.3.2 設(shè)備選型

根據(jù)圖3可知,二跑道南、北兩端與塔臺(tái)夾角較大,約為112°。若使用扇面天線接收跑道傳感器信號(hào),可能覆蓋不全。因此,在塔臺(tái)端選址全向天線接收跑道信號(hào),有利于后期無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。本方案塔臺(tái)端全向天線選型為UBNT AMO-5G13,塔臺(tái)無(wú)線網(wǎng)橋選型為UBNT R5AC-Lite,接收二跑道三端傳感器數(shù)據(jù),通過(guò)POE連接氣象交換網(wǎng)。二跑道南、中、北端傳感器無(wú)線發(fā)射AP選型為UBNT LBE-5AC-Gen2,通過(guò)POE連接無(wú)線MOXA。塔臺(tái)全向天線工作在5.8 G頻段,增益13 dBi,場(chǎng)面各站點(diǎn)均在主波束范圍內(nèi)。

無(wú)線設(shè)備頻譜在5080 MHz～ 5120 MHz。設(shè)備在PtMP鏈接模式下收發(fā)數(shù)據(jù)。兩套設(shè)備的峰值功率小于27 dBm。設(shè)備頻譜范圍和功率情況全部滿足《工業(yè)和信息化部關(guān)于加強(qiáng)和規(guī)范2400 MHz、5100 MHz和5800 MHz頻段無(wú)線電管理有關(guān)事宜的通知》規(guī)定要求[8-9]。

3 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施前期,機(jī)務(wù)人員可提前更新配置文件,在保證原有鏈路運(yùn)行基礎(chǔ)上,新增有線MOXA線路。此外,機(jī)務(wù)人員可提前架設(shè)、調(diào)試端口服務(wù)器MOXA和無(wú)線設(shè)備,利用無(wú)線通路和現(xiàn)有光纖鏈路,將有線、無(wú)線MOXA接入氣象交換網(wǎng)內(nèi),待傳感器RS-485輸出改造完成,可直接接入MOXA。項(xiàng)目實(shí)施主要包含傳感器輸出改造、系統(tǒng)配置、無(wú)線改造和主備鏈路切換測(cè)試4個(gè)部分。

3.1 傳感器輸出改造實(shí)施

兩端大氣透射儀LT31和自動(dòng)氣象站MAWS301輸出的改造,將影響跑道視程、風(fēng)等關(guān)鍵氣象數(shù)據(jù)。上述設(shè)備改造應(yīng)在天氣條件穩(wěn)定較好時(shí)進(jìn)行,并啟用備份數(shù)據(jù),必要時(shí)恢復(fù)原始鏈路模式。為減小對(duì)用戶的影響,機(jī)務(wù)人員可從次降端、次要設(shè)備開(kāi)始調(diào)整。

特別地,大氣透射儀LT31、前向散射儀FS11P、云高儀CL31等光學(xué)設(shè)備可通過(guò)指令設(shè)置和接口調(diào)整實(shí)現(xiàn)RS-485輸出。自動(dòng)氣象站MAWS301經(jīng)數(shù)采器QML201輸出采集數(shù)據(jù)。改造前,需檢查原自動(dòng)氣象站*.adc配置文件。若配置預(yù)留RS-485輸出模式,機(jī)務(wù)人員可通過(guò)調(diào)整QML201端口直接實(shí)現(xiàn)RS-485輸出,否則應(yīng)修改為正確的自動(dòng)氣象站*.adc配置文件。二跑道中間風(fēng)采用WAT501進(jìn)行數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸出。通過(guò)指令設(shè)置數(shù)據(jù)模式,實(shí)現(xiàn)中間端獨(dú)立風(fēng)站數(shù)據(jù)由COM0口或COM1口的RS-485輸出[10]。

3.2 系統(tǒng)配置實(shí)施

方案設(shè)計(jì)2次配置文件更新。第1次更新在RS-485輸出改造實(shí)施前進(jìn)行,完成二跑道所有傳感器RS-485輸出調(diào)整后,進(jìn)行第2次配置更新。

RS-485輸出改造實(shí)施前期,自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)保留原MCU111承載的Modem鏈路,將其調(diào)整為B路,保證本項(xiàng)目具備回退機(jī)制,涉及核心配置文件為dualserv.ini和ports.ini。在傳感器RS-485輸出調(diào)整期間,機(jī)務(wù)人員可對(duì)傳感器逐臺(tái)實(shí)施改造,很大程度地減小了項(xiàng)目升級(jí)過(guò)程中對(duì)用戶數(shù)據(jù)的影響[11]。

所有傳感器RS-485輸出調(diào)整完成后,機(jī)務(wù)人員需再次修改配置文件,將B路調(diào)整為無(wú)線鏈路,涉及主要配置文件為ports.ini。

3.3 無(wú)線改造實(shí)施

機(jī)務(wù)人員可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)方式配置無(wú)線AP和Station的SSID、頻寬、網(wǎng)絡(luò)工作模式、信道、發(fā)射功率以及加密方式。

塔臺(tái)全向天線架設(shè)在塔臺(tái)頂部的西向外環(huán),距離二跑道道面約95 m。根據(jù)技術(shù)手冊(cè),全向天線為仰角,波束寬度7°,下傾角2°。在完成全向天線架設(shè)后,機(jī)務(wù)人員可依次在傳感器端設(shè)置定向AP天線。根據(jù)收發(fā)設(shè)備方向和距離位置關(guān)系,調(diào)整AP天線方位與仰角。機(jī)務(wù)人員可通過(guò)設(shè)備配置頁(yè)面的SCAN功能掃描AP信號(hào),對(duì)AP天線指向進(jìn)行調(diào)整。特別地,UBNT設(shè)備也可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)上鎖。

3.4 主備鏈路切換測(cè)試

對(duì)于AVIMET服務(wù)來(lái)說(shuō),主備A,B兩路互為備份冗余且數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)服務(wù)器CDU負(fù)責(zé)主備鏈路的監(jiān)視、切換控制和告警工作。主備鏈路切換測(cè)試應(yīng)逐端進(jìn)行,項(xiàng)目包括主備鏈路故障告警情況、A路故障時(shí)B路自動(dòng)接管的情況、A路恢復(fù)時(shí)A路自動(dòng)接管情況和手動(dòng)切換A,B鏈路的情況[12-15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)是民航運(yùn)營(yíng)的重要?dú)庀蟊Ｕ?。若無(wú)法保證系統(tǒng)鏈路的可靠性,則有可能出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)癱瘓,甚至威脅機(jī)上乘客生命安全。有線、無(wú)線主備的冗余機(jī)制能夠提升自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方案根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施階段不同,動(dòng)態(tài)調(diào)整主備A,B鏈路的配置,很大程度上減小了改造過(guò)程對(duì)用戶數(shù)據(jù)使用的影響,最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)線備份功能,滿足氣象高質(zhì)量發(fā)展需求。目前中國(guó)民航系統(tǒng)仍有部分機(jī)場(chǎng)采用集中式通信控制器MCU111的鏈路模式,系統(tǒng)通信風(fēng)險(xiǎn)集中且鏈路形式單一。自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳輸升級(jí)方案已在重慶萬(wàn)州機(jī)場(chǎng)完成驗(yàn)證,保證了萬(wàn)州機(jī)場(chǎng)航管樓搬遷工作順利完成,可為民航機(jī)場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳輸改造提供參考。