鐘一

中國民航局消息發(fā)布消息稱：自2016年12月1日起，中國民航全面實現(xiàn)客機全球追蹤監(jiān)控，要求所有中國民航客機每15分鐘或在更短時間周期內(nèi)，通過現(xiàn)有機載設備自動向地面運行控制部門發(fā)送飛機所在經(jīng)度、緯度、高度和位置信息，以確保地面實時掌握飛行中的客機的準確位置。

北京時間2016年1月6日11時24分東亞與西太平洋上空實時航班動態(tài)，圖片來源www.flightradar24.com。任意點擊圖中黃色的飛機圖標，右側(cè)即可顯示該航班的基本狀態(tài)。如圖中的國航CA932，網(wǎng)站可顯示航班計劃（起降地、計劃與實際起降時間、大圓里程），飛機型號（機型、注冊號、機齡等），詳細飛行數(shù)據(jù)（地速、真空速、表速、高度、航向等，部分信息需付費），最下面則是應答機相關(guān)信息。然而，flightradar24通過民間用戶自行架設ADS-B接收機獲得這些飛行數(shù)據(jù)，如果飛機沒有安裝或沒開啟ADS-B，民間就無法看到這些信息了?？展芫謩t通過官方架設的ADS-B接收機，以及二次雷達一起監(jiān)控天上的飛機。這樣，天上所有飛行器都在地面管制部門的掌控之中了。圖中還可看出，飛機在天上也是按照固定的航路飛行，左上為北京飛往歐洲的兩條主要航路，右上為聯(lián)絡亞洲與北美的航路，中國境內(nèi)飛機也是按照固定的航路飛行，航路中間的空隙多為限制區(qū)或禁飛區(qū)。

“位置監(jiān)控”四個字寫起來簡單，但天空中高速飛行的飛機位置到底怎么追蹤，地面又是如何監(jiān)控的呢？

提到“飛機位置監(jiān)控”，人們首先想到的恐怕就是2014年的馬航MH370事件，這架先進的波音777-200ER飛機消失在浩瀚的南太平洋之后，一個非常專業(yè)，且此前只在業(yè)界熟知的單詞——ACARS——被媒體傳播開來。但解釋“ACARS”是“Aircraft Communication Addressing and Reporting System”（飛機通訊尋址和報告系統(tǒng)）的縮寫，對大眾來說毫無意義，這就好像人們每天使用的4G手機，沒多少人會關(guān)心LTE是什么。因為通信技術(shù)的最終目的還是為用戶服務，ACARS也是如此。那么一下我們就用一個更通俗的名詞來稱呼它——數(shù)據(jù)鏈。也許此時你會恍然大悟：原來這就是一個航空界的無線電通信技術(shù)！的確如此，這種通信技術(shù)已經(jīng)有40多年的歷史了。

筆者曾有幸與這套系統(tǒng)的“父親級”工程師共事幾年，工作期間也聽說或經(jīng)歷過不少關(guān)于這套系統(tǒng)的趣事，關(guān)于數(shù)據(jù)鏈就有一個不得不提的細節(jié)，數(shù)據(jù)鏈發(fā)明的初衷其實并非用于追蹤定位飛機，而是為了解決航空公司飛行小時匯報日益提升的需求時，所導致的航空無線電公司不斷增加的人工負荷之間的矛盾。要知道，當時全美國所有航班起落時間的匯總，都是通過人工接聽飛行員無線電報話后，由地面人員記錄并通過地面電報網(wǎng)絡傳輸給航空公司的。形象地說，那時就是民航業(yè)的BP機時代。

現(xiàn)代民航數(shù)據(jù)通信早已離開了無線電報話這種低效、原始的時代。大家可能還記得2009年6月1日法航AF447航班事件，那架A330客機裝備了先進的航電系統(tǒng)，雖然在大西洋上空消失，但消失前該機通過數(shù)據(jù)鏈下發(fā)了含有位置信息的報文，這些報文為日后的搜尋工作提供了至關(guān)重要的依據(jù)。那么飛機的位置報文是如何下發(fā)的？它的數(shù)據(jù)鏈是由什么組成的呢？

目前，數(shù)據(jù)鏈的媒介主要由高頻（HF，3兆赫茲～30兆赫茲）、甚高頻（VHF，30兆赫茲～300兆赫茲）和衛(wèi)星微波信號（UHF/SHF/EHF，300兆赫茲～300吉赫茲）組成，它們保證了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡無論在陸地還是洋區(qū)，都可以很好的覆蓋，即便在極地這種海事衛(wèi)星（信號覆蓋范圍南、北緯82度以內(nèi)）無法企及的高緯度區(qū)域，也可以通過高頻或銥星覆蓋。因此，數(shù)據(jù)鏈通信是目前唯一能做到全球?qū)崟r監(jiān)控飛機位置的手段。民航局對所有中國民航客機實施的全球監(jiān)控使用的就是這種數(shù)據(jù)鏈通信方式。

除此之外，目前對民航飛機定位的技術(shù)還有二次雷達和ADS-B，前者主要通過陸基雷達定位和問詢，將飛機的身份信息與雷達掃描的信息結(jié)合在一起，從而確切知道飛機位置;而ADS-B，其本質(zhì)與通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送位置報文的方法有相似之處，但由于目前ADS-B只基于UHF波段的地面基站接收，因此其應用范圍僅局限在陸基跟蹤，無法獲得跨洋航班的信息。ADS-B的優(yōu)點是通過秒級的廣播形式匯報位置，在空管單位中應用較多。著名的FlightRadar24網(wǎng)站所使用的大部分飛機數(shù)據(jù)也是基于ADS-B所廣播的位置信息。

認識了飛機與地面之間數(shù)據(jù)通信的橋梁后，再來看看走在橋梁上的重要“貨物”——位置報文。

AF447航班最終能被發(fā)現(xiàn)，是因為準確的位置報文信息，報文信息是如何生成的呢？

位置報文由經(jīng)緯度、高度、時間信息組成。其中，要獲得飛機經(jīng)緯度信息，飛機上需要一個非常重要的航電設備——慣性參考系統(tǒng)（IRS），其內(nèi)核是一個陀螺儀，與小時候玩的陀螺原理一樣，IRS利用陀螺的特性可以感知3個方向的加速度，并通過積分原理，以及初始化時飛行員輸入的經(jīng)緯度信息獲得飛機當前的位置。當然任何量具都有誤差，陀螺也不例外，其漂移誤差一般可通過提高精度改進，此外還需要其他導航設備為IRS不斷修正位置信息，例如飛機上另一件非常重要的航電設備，有“飛機大腦”之稱的飛行管理系統(tǒng)（FMS），它會將陸基導航系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)變成經(jīng)緯度信息，或者是GPS信息提供給慣性參考系統(tǒng)進行位置修正，以確保報文數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度準確無誤。此時，最重要的二維平面上的經(jīng)緯度信息已經(jīng)獲得，第三維度——高度信息可以通過飛機上的氣壓高度計獲得。這樣位置報文中最重要的3個信息就齊全了，再加上一個時間戳，一份像樣的位置報文就形成了。

有了數(shù)據(jù)通信的橋梁——數(shù)據(jù)鏈，有了橋上的貨物——位置報文，還需要一個打包分發(fā)貨物的設備，將這些數(shù)據(jù)匯總，并按照一定規(guī)則下發(fā)才行。

這個打包分發(fā)報文數(shù)據(jù)的設備是ACARS的核心，由于每個航電設備制造商對其都有不同的稱呼，在此我們暫且將其稱為——數(shù)據(jù)鏈組件。

這個組件十分厲害，它有點像家里的無線路由器，對外，它連接著衛(wèi)星通信設備、甚高頻和高頻電臺，對飛機內(nèi)部，它又像一個智能家居系統(tǒng)的總控，連接著飛行管理計算機、數(shù)據(jù)采集單元、中央故障診斷系統(tǒng)、打印機、顯示器、鍵盤，甚至起落架的狀態(tài)、門和剎車的傳感器。數(shù)據(jù)鏈組件將獲取的信息根據(jù)事先定義好的規(guī)則打包成一份份報文，并根據(jù)當前可用媒介的情況及優(yōu)先順序，將這些報文下傳到地面的數(shù)據(jù)鏈服務提供商，再經(jīng)由它們的網(wǎng)絡發(fā)往各個目的地收報地址。當然，這個數(shù)據(jù)鏈組件有時還要負責傳輸其他航電設備生成的報文，這其中被媒體提及最多的應屬發(fā)動機參數(shù)了，這些參數(shù)由飛機的健康管理系統(tǒng)生成，類似于現(xiàn)代大型醫(yī)院配備的遠程醫(yī)療診斷系統(tǒng)，飛機維修工程師可以在地面上實時掌握飛機的狀況，為潛在的故障做好提前準備。

至此，位置報文等數(shù)據(jù)本身——貨物，數(shù)據(jù)鏈組件——貨物打包分發(fā)器，數(shù)據(jù)鏈——橋梁這三者就說完了。但上文提到的ADS-B與數(shù)據(jù)鏈具體又有哪些區(qū)別呢？

ADS-B也是通過IRS和氣壓高度表獲取三維信息，但它是由另外一個設備——空中防撞系統(tǒng)（TCAS）來完成報文組合和廣播的。ADS-B全稱為“Automatic Dependent Surveillance”（自動相關(guān)監(jiān)視），B為“Broadcast”（廣播），與ADS-C（Contract，合同）相比，后者本質(zhì)上屬于ACARS報文，與由TCAS產(chǎn)生的ADS-B報文完全不同。ADS-C報文是基于某種約定而下發(fā)的，它最初是由支持新航行系統(tǒng)（FANS）的飛行管理計算機（FMC）產(chǎn)生，經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈組件發(fā)往地面，其中不僅包含位置信息，還有ADS-B中不具備的導航點信息，甚至包括飛機當前所處環(huán)境的大氣信息。ADS-C報文的提出，實際上是為了解決洋區(qū)和一些偏遠地區(qū)管制單位二次雷達無法覆蓋的飛行航路的問題。但是，這個“C”有時候也會讓航空公司頭疼，因為每一份數(shù)據(jù)鏈報文都需要付費，而有些管制單位，為了“更清楚”地看到你，將這個“Contract”定義為1分鐘！當然這個是題外話了。

講到這里，我們來梳理一下數(shù)據(jù)鏈的位置報文，總的來說有兩種，一種是FMS產(chǎn)生的符合FANS的位置報文，以ADS-C為代表;另一種是，例如由霍尼韋爾研發(fā)的通信管理單元Mark II CMU、羅克韋爾柯林斯研發(fā)的DLM-900等數(shù)據(jù)鏈組件生成的位置報文，這類報文格式可由航空公司自主定義，一般除了時間戳、經(jīng)緯度、高度信息外，還會有油量、預計到達時間等航空公司認為有用的信息，這個類型的報文目前航空公司使用率最高。以上就是目前主流的位置報文了。

未來的位置報文會基于目前的技術(shù)，更大程度解決“預測”的功能，如霍尼韋爾的全新空中交通解決方案中，其中的飛行管理系統(tǒng)（FMS）能讓顯示在空管部門眼前的不僅是實時的位置信息，還有預計到達每一個導航點的精確時間，而空管單位也可以根據(jù)此類信息，動態(tài)調(diào)配飛機與飛機之間的間距，在保障安全的前提下，最大程度地利用空域。這些，都要基于數(shù)據(jù)鏈和飛行管理計算機來實現(xiàn)，進而從目前的3D走向4D。這里的4D會在原有3D信息的基礎上，增加了后續(xù)每一個飛越的導航點、飛越時候的預計高度及預計飛越時間的信息，這與日常用的車載導航系統(tǒng)非常類似，但是，飛行管理計算機給出的預計飛越的時間，是非常精準的，這些4D信息，是基于飛機的性能參數(shù)、預設的飛行計劃及實時的高空風溫數(shù)據(jù)，經(jīng)過飛機的“大腦”計算得出。這有點像小時候經(jīng)常遇到的已知船速與水流速度，計算船的預計到達時間的數(shù)學考試題一樣。當然，人算不如機算。

在4D運行過程中，還有一個非常重要的環(huán)節(jié)——調(diào)配。目前的調(diào)配是由飛行員與管制員之間的語音通信，通過接收指令、確認指令的形式來完成。但在未來的運行中，這種調(diào)配過程，將會有飛機的“大腦”參與，F(xiàn)MS會根據(jù)飛機的全重、燃油剩余情況結(jié)合飛行的性能，幫助飛行員判斷地面管制員給出的數(shù)字指令是否可以執(zhí)行，而通信過程將會基于數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡的大數(shù)據(jù)分析。這就像物聯(lián)網(wǎng)一樣，當然，飛行員在整個的飛行過程中，對飛機還是有絕對控制權(quán)的，所有的地面指令在發(fā)到飛行管理計算機后，必須由飛行員最后判斷是否執(zhí)行，不會出現(xiàn)地面遙控飛機的情況。

現(xiàn)在，大家應該明白了飛機是如何實現(xiàn)全球化追蹤與定位了。正是有了這些技術(shù)，你在天空的飛行才會更加安全，更加高效。

責任編輯：陳肖