自動氣象觀測系統無線通信傳輸方式在民航系統中的應用

姜莉洋，黃順利，徐 陽

（民航新疆空中交通管理局阿克蘇站，新疆 阿克蘇 843000）

阿克蘇空管站現有自動氣象觀測系統作為保障航空正常運行的重要氣象設備發揮著至關重要的作用，主要對外提供跑道三端的風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、云高、能見度、跑道視程、天氣現象等重要氣象要素數據，其通信方式使用有線傳輸。

為確保自動氣象觀測系統的穩定運行，不間斷為用戶提供各類氣象要素數據，避免施工等不安全因素造成有線數據中斷無法提供氣象要素數據的現象，同時滿足《民用航空自動氣象觀測系統技術規范》（AP-117-TM-2018-03R1）要求，可為自動氣象觀測系統增加無線通信傳輸方式，實現有線數據為主用，無線數據為備用，且二者自動切換的功能，為航空安全運行提供可靠保障。

本文結合空管站實際情況，綜合考慮信號質量、實施復雜程度、預算費用等因素，確定了本站自動氣象觀測系統實施無線通信傳輸的技術方案，總結了實施中出現的問題及解決方法。

1 自動氣象觀測系統無線通信傳輸功能的實現方式

經與部分機場、空管單位溝通，實現無線通信傳輸功能的方式有多種，硬件實現方式主要可分為無線網橋和4G傳輸兩種方式，軟件實現方式主要可分為修改配置文件和安裝線路監控軟件兩種方式。

1.1 硬件實現方式

無線網橋[1]方式實現無線數據通信是指用無線網橋來連接分別位于不同建筑物中兩個固定的網絡，它可在兩個網絡之間搭起通信的橋梁。自動氣象觀測系統便可在傳感器端和服務器端分別搭建無線網橋，相對定向放置，并保證二者之間可視，以實現自觀數據的無線通信傳輸。

1.1.2 利用4G傳輸實現無線數據通信

4G傳輸方式實現無線數據通信是指利用運營商4G網絡實現自動氣象觀測系統的無線數據通信。此通信方式不受傳輸距離限制，但需確保設備所在區域4G信號良好，同時在傳感器端和服務器端分別安裝4G傳輸收發模塊，便可實現自觀數據的無線通信傳輸。

1.2 軟件實現方式

（1）通過修改自動氣象觀測系統底層配置，將無線通信傳輸引接的傳感器數據作為虛擬傳感器引入自動氣象觀測系統，以實現有線數據、無線數據的互備。

（2）通過線路監控軟件使用UDP協議不同端口號接收有線和無線兩路數據，將有線和無線兩路數據進行無縫切換，最終將其中一路數據推送至自動氣象觀測系統。

2 自動氣象觀測系統無線通信傳輸設計方案考慮因素

結合現狀，考慮以下六方面因素，并綜合分析兩種硬件實現方式的優缺點，制定最優技術方案。

2.1 信號質量

使用5.8 GHz頻段的無線網橋搭建的無線局域網絡，相比2.4 GHz頻段的無線局域網絡具有更高的傳輸速率，傳輸距離更遠，抗干擾性更強[2]，穩定性更好。而4G傳輸方式的傳輸速率依賴于運營商，需運營商4G信號覆蓋，其傳輸信號的實時性、準確性、穩定性均低于無線網橋方式。

2.2 傳感器端實現方式

使用無線網橋方式，需在跑道旁傳感器端安裝通信機箱引接各路傳感器數據，再將各路傳感器信號轉換為網絡信號引接至無線網橋。目前跑道三端傳感器數據均有數據匯聚點，通信機箱可安裝在三端自動氣象站風桿上，因而三端均需要傳感器數據匯聚點至自動氣象站的通信線纜。目前，三端傳感器數據匯聚點至自動氣象站均有空余線芯，無線通信傳輸可利用目前的空余線芯進行信號引接，供電取自本端自動氣象站，不需單獨鋪設通信及供電線纜，不涉及場內土建工程，且信號引接為并接，安裝時不影響自動氣象觀測系統正常運行，無須不停航施工。但若無空余線芯能正常使用，則需考慮部分土建工程及不停航施工等因素。

[17]Five years on,Wenzhou is still trying to clean up the mess.（2016-06-11）

使用4G傳輸方式，因4G傳輸模塊較小，可考慮直接放置在每個傳感器設備機箱中，也可在三端傳感器信號匯聚箱中安裝4G傳輸模塊，將各路傳感器信號分別轉換為4G信號，供電取自各傳感器設備機箱或信號匯聚箱，無須單獨鋪設通信及供電線纜，不涉及場內土建工程，且信號引接為并接，安裝時不影響自動氣象觀測系統正常運行，無須不停航施工。

2.3 服務器端實現方式

使用無線網橋方式需在服務器端選擇一個與傳感器端可視的地理位置，安裝基座搭建接收桿，將跑道三端對應的接收端無線網橋安裝在接收桿上，匯聚三端傳感器的無線網絡信號后將無線網絡信號轉換為有線網絡信號引入自動氣象觀測系統網絡。

使用4G傳輸方式需在服務器端機房內安裝4G收發傳輸單元，接收各路傳感器4G信號并轉換為RS-485信號，將RS-485信號接入串口服務器，在串口服務器中將RS-485信號轉換為有線網絡信號引入自動氣象觀測系統網絡。

2.4 改擴建搬遷方式

因阿克蘇空管站正在實施二期改擴建相關工程，后期需將自動氣象觀測系統服務器端整體搬遷。

若采用無線網橋傳輸方式，需考慮無線網橋的作用距離是否滿足后期搬遷需求，有兩種方案可解決。（1）由于無線網橋作用距離可選，可根據實際距離選擇合適的無線網橋。結合阿克蘇機場現狀，可考慮選用10km作用距離無線網橋，待后期搬遷時選擇接收端附近與跑道三端可視的地理位置安裝無線網橋，連同服務器端一起搬遷。（2）可考慮通過增加中繼的方式實現遠距離傳輸。

若采用4G傳輸方式，可將服務器端4G傳輸設備同自觀服務器端整體搬遷至新機房，由于4G傳輸方式不受距離限制，只需覆蓋4G信號，便可滿足傳輸需求。

2.5 與氣象雷達是否相互干擾

阿克蘇空管站氣象雷達使用頻率為5.47 GHz，若自動氣象觀測系統無線通信使用4G傳輸方式，利用運營商4G網絡，則不會產生干擾；若使用5.8 GHz無線網橋方式，二者頻率較為接近，若無線網橋質量有瑕疵，有可能出現雜波干擾。為此本站開展了一個月的測試工作。

由于阿克蘇機場自動氣象觀測系統跑道主降端無線網橋朝向氣象雷達方向，故選用主降端進行測試。在跑道主降端自動氣象站風桿上安裝發射端無線網橋，在航管樓選擇合適位置安裝接收端無線網橋，二者之間可視，引接部分自觀傳感器數據通過無線網橋傳輸至航管樓。通過監測雷達回波和自觀無線網橋傳回的傳感器數據，未發現回波干擾和傳感器數據亂碼的現象，故判斷二者之間不存在干擾現象。

2.6 預算費用

無線網橋傳輸方式和4G傳輸方式整體預算費用相差不大。由于無線網橋傳輸方式是用公用頻段的無線網橋搭建無線傳輸網絡，后期不涉及費用問題。但使用4G傳輸方式，需每年繳納運營商資費。

2.7 無線網橋方式和4G傳輸方式對比

綜合無線網橋方式和4G傳輸方式的優缺點，應統籌考慮當地自動氣象觀測系統的現狀，選用合理的通信方式實現自動氣象觀測系統的無線通信傳輸。兩種傳輸方案對比見表1。

表1 無線網橋方式和4G傳輸方式對比

3 阿克蘇空管站自動氣象觀測系統無線通信傳輸技術方案

結合運行現狀及上述考慮因素，擬定了無線通信傳輸技術方案。采用5.8 GHz無線網橋（作用距離10km）的硬件方式和安裝線路監控軟件的軟件方式實現自觀系統無線通信傳輸。

因在跑道三端（主降、次降、MID）分別建有自觀設備，可使用三對無線網橋分別將三端傳感器的數據引入自動氣象觀測系統。傳感器端，在自動氣象站風桿上安裝通信機箱和無線網橋，利用自觀信號匯聚點至自動氣象站線纜中的空余線芯，將各傳感器的RS-485信號引接至通信機箱中，通過串口服務器將傳感器的RS-485信號轉換為網絡信號引接至無線網橋。服務器端，選取可視位置架立接收桿安裝三端傳感器的接收端無線網橋，將三端傳感器的數據通過無線網橋之間的無線通信鏈路傳回至接收端，再將此無線網絡信號轉換為有線網絡信號傳輸至自動氣象觀測系統網絡。

同時在CDUA和CDUB服務器上安裝線路監控軟件，使用UDP協議不同端口號接收有線和無線兩路數據，將有線和無線兩路數據進行無縫切換，最終將其中一路數據推送至自動氣象觀測系統，實現有線數據主用，無線數據備用的運行模式。整體架構如圖1所示。

圖1 自動氣象觀測系統無線通信傳輸整體架構

4 設備安裝中存在的問題及解決方案

4.1 傳感器信號并接異常

本站自動氣象觀測系統跑道三端9套傳感器數據均為RS-485信號輸出，考慮兩線制RS-485信號可使用并接方式實現信號一分二，故在跑道三端信號匯聚點進行信號并接。但使用五類雙絞線并接信號失敗，無法在信號線末端收到數據或亂碼。

經排查測試，發現信號匯聚點線架使用時間較長存在老化現象，在信號并接過程中若線芯過細，則無法利用線架并接信號。最終選用線徑較粗的六類雙絞線成功并接信號，在信號線末端測試正常。

4.2 無線網橋接收到的傳感器數據出現亂碼

將自動氣象觀測系統三端傳感器RS-485數據分別引入串口服務器，在轉換為網絡信號引入無線網絡的過程中，發現天氣現象傳感器FD12P信號存在亂碼。

在排查過程中發現若前端并接一路RS-485數據，通過RS-485轉USB轉換器連接至筆記本終端，同時監控串口數據和串口服務器轉換之后的網絡數據，發現并無亂碼；若將并接信號的RS-485轉USB轉換器去掉則網絡信號會出現亂碼；測量天氣現象傳感器FD12P RS-485數據輸出端口兩線之間電壓較低。故判斷可能由于使用年限較久，數據輸出端口兩線電壓較低，信號較弱，信號在傳輸線末端形成反射波，干擾原信號，故產生亂碼現象。在測試中，利用RS-485轉USB轉換器并接信號接入筆記本電腦時相當于增加了信號末端終端電阻[3]，有效增強了信號強度。

由于串口服務器NP6450可調節終端電阻，最終通過增加串口服務器NP6450FD12P端口終端電阻的方式，有效消除了FD12P數據信號在傳輸過程中出現亂碼的現象，實現了自動氣象觀測系統無線通信傳輸功能。

5 結束語

綜合阿克蘇空管站自動氣象觀測系統的整體架構及使用現狀，考慮用戶對氣象要素數據的實時性、準確性、穩定性需求以及設備保障人員的后期維護工作，采用無線網橋方式實現無線通信傳輸更能滿足運行需求，也為自動氣象觀測系統無線數據的穩定性提供可靠保障。同時采用安裝線路監控軟件的方式實現有線數據和無線數據的互備和自動切換，無需改變原有自動氣象觀測系統軟件結構及配置，便于后期維護。

綜合上述各方面考慮因素及實際安裝過程中可能出現的問題，各地可根據實際情況選擇合適的無線通信傳輸方式，制定切合實際的技術方案，實現自動氣象觀測系統無線通信傳輸功能，確保有線數據、無線數據互為備份，在有線數據中斷時無縫切換至無線數據，提升民航氣象服務質量，為空管安全、民航安全提供助力。