衛星數字通信技術在民航空管領域的應用與展望

王兆欣

（中國民用航空華北地區空中交通管理局，北京 100015）

自20世紀60年代，地球同步衛星成功發射并首次接收到同步衛星傳回地球的信號以來，衛星通信逐步從以軍備競賽、科學研究為目的的活動轉變為一種必要的通信手段。在通信系統中使用衛星通信技術已經成為現實生活中非常普遍的現象，從最基本最簡單的用于接受衛星電視信號的碟形天線就可以看出衛星通信技術應用的普遍程度非同一般。由于衛星通信有著一些其他通信方式不可比擬的優點，如一顆衛星可以覆蓋地球地面很大一片區域，對于遠距離通信成本不敏感等特點，衛星通信也作為民航空管“兩地一空”中的應急管制手段于2002年正式加入我所在的民航華北空管局這個大家庭。

一般來說，民航空管技術保障包括主要的兩大部分，一個是管制員的眼睛，即雷達。航空器上的高頻天線（HF）不斷與地面工作站（BGS）中心通過地空數據鏈的方式實時交互數據，將下行的飛行數據（FDR）以飛機標牌的方式呈現給管制員。第二個，便是甚高頻語音傳輸（VHF），目前是通過PCM 技術，點對點的將管制的指令傳送到制定的甚高頻臺站，發送給覆蓋區域內的被識別的航空器。通常情況下，這兩大管制手段只需要微波技術和傳統的敷設線纜通信技術即可實現，而且多為雙鏈路冗余，自動倒切。

但出于民航空管行業的特殊性，航空器上的任何異常都會讓管制員、機務員異常緊張，更不可能允許出現雷達、VHF 因傳輸鏈路中斷而導致的真空期，所以民航空管領域引入了衛星通信技術作為地面路由全部失效后的應急手段。同樣，對于國家與國家之間，涉及管制移交溝通的時候，因傳統的電話網技術落后，會導致撥號時間較長、呼損率高等問題，且涉及電信運營商等外單位溝通的問題，也使用衛星電話作為主要溝通方式。

衛星通信技術雖然有諸多優點，如上述的一顆同步衛星便可覆蓋一大片區域，且通信成本花費與物理位置遠近幾乎沒有線性關系，但衛星通信技術也有著一些標志性的致命缺點，如天氣因素、天文因素、大氣損耗等對電磁波傳輸的影響，這些缺點在地面傳輸中是不存在。衛星是有源的，而衛星的供電只能依靠太陽能，當發生完全日蝕時，太陽能電池板不能接受到太陽能，衛星的工作只能靠本身的蓄電池供電。而如果此時，衛星處理的連接數較多，工作量較大時，就會導致耗電過快，導致衛星蓄電池電壓過低等極端情況發生。而在日凌期間，太陽擋住了衛星，就像一個極大的噪聲源，完全淹沒了衛星傳輸給地球的信號，也會導致通信中斷。同樣，衛星天線發出的射頻，是以電磁波的形式發射到衛星的接收天線，在此期間的雨雪冰雹等含水量較大的介質，會使大氣折射率發生改變，形成雨衰等不利因素，影響通信質量。

北京區域管制中心（簡稱北京ACC）于2002年建成C 波段衛星通信系統，頻段范圍4-8GHz 使用中星10號衛星，C 波段衛星通信設備由室內單元、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與外蒙管制進行國境管制移交的C 波段衛星電話，同時也作為外地遠端與區管中心之間傳輸甚高頻和雷達信號的備用路由。

圖1 C波段上行頻率、下行頻率、衰減

北京ACCC 波段衛星傳輸系統采用的是美國Huge 休斯公司旗下的TESHDC2-AC 型號，該型號產品已經停產多年，室外單元中變頻器和功率放大器幾經保養維修，但效果不佳，目前處于設備疲勞期，面臨的最大問題是設備老化導致的上星功率較低，目前技術人員已將上下行衰減均調整為0，但在特殊惡劣天氣，如雨、雪、霧，還是會對上星功率產生影響，嚴重時可導致整個衛星節點下線，從而導致外蒙管制移交衛星電話失效，只能改用其他手段。而地面路由由于存在涉及外單位較多，路由跳數過多導致的延遲加大和與境外外單位部門協調等諸多問題，不容易把控，不利于找到故障點并排障。

圖2 北京ACC衛星電話傳輸路由

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過兩次上星，且還需要經過北京網控中心機房交換機的處理，存在單一節點故障導致整條鏈路失效的可能，且衛星通信可以直接下行到外蒙地面衛星站天線，而由于統一布局等政策問題，北京出局的方向唯一出口目前只設立在北京網控中心，這樣無法最大限度利用衛星通信技術的優點，存在冗余與中轉路由增加的問題，為排除故障定位故障點帶來不便。再加上北京ACC 室外單元高功率放大器年久老化的問題，對C 波段衛星傳輸系統進行改造成為目前最最迫切的需求！

我認為，衛星MODEM 技術，也就是衛星上網調制解調器的技術，可以更好的解決這個問題。相比于現在的64K 同步衛星鏈路，衛星MODEM 技術第一個優點就是帶寬速度高，最高速度可以達到15Mbps，這對于僅需6.4Kbps 帶寬的外蒙衛星電話業務來說是綽綽有余的。同時，衛星MODEM 技術只需要在原有的衛星天線及ODU 基礎上，在室內單元加裝一個衛星網絡PCI板卡，即可完成衛星上網系統的部署，無需重新硬化土地假設額外的天線以及ODU 設備，避免不必要的開銷。ComtechEFData 公司生產的CDM-570L 是一臺L 波段中頻的調制解調器，支持連接LNB 和BUC 射頻設備。支持快捕解調，可通過升級支持Turbo Product Codec 編碼，也可升級到支持8PSK 和16-QAM 調制。

圖3 衛星調制解調器CDM-570L

CDM-570L 的設計是以固件和可編程門陣列為基礎，通過串口可容易地對內部閃存進行升級。在1U 的設備封裝里提供了高靈活性和出色的性能。CDM-570L 一項特殊的特性是對衛星鏈路遠端站進行監控，通過使用ComtechEFData 享有專利的專用報頭通道來實現。這種幀模式叫做EDMAC（內置式遠端監控）。用戶數據被分割成幀，然后添加額外的比特用來傳送控制、狀態和自動上行鏈路控制信息，這個過程對用戶是完全透明的。遠端站如選擇能接受FSK 控制的上變頻模塊，其遠端狀態和控制也能通過EDMAC 信道來提供。操作員可以從前面板或通過監控口來配置和監控調制解調器。在調制解調器里可以存儲十套完全配置的參數。事件日志把告警和狀態信息存儲在非易失的RAM 里，同時鏈路統計日志存儲著鏈路特性信息，用于QoS 報告目的。除傳統的串口監控以外，CDM-570L 提供一個10/100BaseT 的以太網接口用于設備管理，可以WebServer，SNMP 代理和Telnet等方式訪問。

同樣，在配置方面，衛星調制解調器技術也是非常方便，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，無需像CISCO 一樣的命令行，根據提示選擇數字即可。

衛星上網技術需要租用網絡服務商的鏈路，如民航空管等具有行業特殊性的業務，需要租用衛星專線，此外還需重新對衛星天線進行極化和對星調整，從原有的中星10號衛星調整為網絡服務商提供的衛星位置。如果衛星上網系統部署成功，對于衛星傳輸路由的優化也可以進一步加強，管制員摘機后所傳輸的語音指令會通過專用衛星網絡PCI 網卡轉換為用于衛星傳輸的分組信息，經衛星室外單元處理發射到網絡服務商的衛星，經過尋址轉發到目的地地面衛星站，這之間的鏈路可以由原來的3跳減少為1跳，大大減少的延遲。

現我局也正在考慮采用衛星MODEM 技術對C 波段衛星傳輸系統進行升級改造，以解決至外蒙衛星電話設備老化問題，增加保障力度，實現平穩運行。我相信衛星數字通信技術的進步將不斷深化到民航空管技術保障領域，為祖國的藍天護航大放光彩！