重慶江北機場自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸升級方案

聶增臻,宋 超,謝英偉

(民航重慶空管分局,重慶 401120)

0 引言

重慶江北機場二跑道自動氣象觀測系統(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氣象觀測系統(tǒng)AVIMET 6.0。2017年7月,一、三跑道新建自動氣象觀測系統(tǒng),與二跑道自動氣象觀測系統(tǒng)融合形成現(xiàn)役自動氣象觀測系統(tǒng)AVIMET 7.0。

二跑道每端傳感器采用Modem信號,通過光端機的方式進行透傳至核心機房,最終由端口服務(wù)器MCU111對二跑道整條跑道的傳感器原始數(shù)據(jù)進行封裝,傳送至服務(wù)器進行處理。目前該傳輸模式已運行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落后,端口服務(wù)器MCU111的故障會導致二跑道整條跑道的自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中斷。同時,端口服務(wù)器MCU111設(shè)置于無人值守的原中心機房,這會延長故障搶修時間。為保證航空氣象高質(zhì)量運行,化解潛在風險,重慶空管分局氣象臺對二跑道傳輸進行升級,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

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

二跑道自動氣象觀測系統(tǒng)傳感器包括自動氣象站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,通過光端設(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,發(fā)送給服務(wù)器。AVIMET系統(tǒng)Sensor IO服務(wù)通過傳感器IP和端口送至對應的數(shù)據(jù)處理進程[3]。當前傳感器 IP與端口規(guī)劃如表1所示。

表1 當前傳感器IP與端口規(guī)劃

二跑道當前自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 二跑道當前自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

1.2 現(xiàn)存問題

二跑道自動氣象觀測系統(tǒng)采用單一光纖傳輸方式,不滿足《民用航空自動氣象觀測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第九條“民用航空自動氣象觀測系統(tǒng)應當具有通過有線和無線的通信方式遠程傳輸實時數(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串口服務(wù)器MCU111對數(shù)據(jù)進行集成,通信節(jié)點過于集中,MCU111故障將導致整條跑道數(shù)據(jù)丟失。同時,MCU111為單電源設(shè)備,無法進行供電備份,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,系統(tǒng)數(shù)據(jù)擴容能力較差,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鏈路中斷恢復后無法建立載波的風險。

2 項目設(shè)計

此次升級項目分為傳感器輸出改造、系統(tǒng)配置改造和無線改造3個部分[4]。MOXA IP與端口規(guī)劃見表2所示。

表2 MOXA IP與端口規(guī)劃

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

圖2 二跑道自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程改造圖

2.1 傳感器輸出改造設(shè)計

調(diào)整傳感器配置,將二跑道自動氣象觀測系統(tǒng)的Modem信號輸出改為RS-485。數(shù)據(jù)利用原Modem信號大對數(shù)線纜回傳至下滑臺機房,從下滑臺避雷器后端并接出兩路RS-485信號。必要時,可購置RS-485整形器將RS-485信號延長。

在跑道南、北、中3端分別設(shè)置有線、無線MOXA設(shè)備,替換原集中式端口服務(wù)器MCU111,分散傳輸節(jié)點風險[5]。

2.2 系統(tǒng)配置改造設(shè)計

在實施硬件改造前,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預留。邏輯上,A路優(yōu)先級高于B路。B路配置可根據(jù)本項目實施階段不同需求進行動態(tài)調(diào)整。

2.3 無線改造設(shè)計

如圖3所示,塔臺可通視二跑道南(02R)、中(MID2)、北(20L)3端自動氣象觀測系統(tǒng)設(shè)備站址,對應距離分別為1932、819和992 m。可在塔臺設(shè)立全向天線,跑道各端架設(shè)無線網(wǎng)橋。無線網(wǎng)橋接收無線MOXA的UDP數(shù)據(jù);塔臺無線網(wǎng)橋通過塔臺接入交換機實現(xiàn)接入氣象核心交換網(wǎng),完成無線備份鏈路的傳輸。

圖3 塔臺通視二跑道傳感器距離

2.3.1 頻段選擇

2.4 G和5.8 G為無線傳輸常用頻段,無需取得無線電臺執(zhí)照。5.8 G采用正交頻分復用技術(shù)和直接序列擴頻技術(shù),信道較多、頻率較高,抗干擾能力較強。2.4 G信號頻寬較窄,無線環(huán)境更加擁擠,干擾較大。相較于2.4 G信號,自動氣象觀測系統(tǒng)對實時性要求高,使用5.8 G信號更加合適[6-7]。

2.3.2 設(shè)備選型

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

無線設(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)于加強和規(guī)范2400 MHz、5100 MHz和5800 MHz頻段無線電管理有關(guān)事宜的通知》規(guī)定要求[8-9]。

3 項目實施

項目實施前期,機務(wù)人員可提前更新配置文件,在保證原有鏈路運行基礎(chǔ)上,新增有線MOXA線路。此外,機務(wù)人員可提前架設(shè)、調(diào)試端口服務(wù)器MOXA和無線設(shè)備,利用無線通路和現(xiàn)有光纖鏈路,將有線、無線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。項目實施主要包含傳感器輸出改造、系統(tǒng)配置、無線改造和主備鏈路切換測試4個部分。

3.1 傳感器輸出改造實施

兩端大氣透射儀LT31和自動氣象站MAWS301輸出的改造,將影響跑道視程、風等關(guān)鍵氣象數(shù)據(jù)。上述設(shè)備改造應在天氣條件穩(wěn)定較好時進行,并啟用備份數(shù)據(jù),必要時恢復原始鏈路模式。為減小對用戶的影響,機務(wù)人員可從次降端、次要設(shè)備開始調(diào)整。

特別地,大氣透射儀LT31、前向散射儀FS11P、云高儀CL31等光學設(shè)備可通過指令設(shè)置和接口調(diào)整實現(xiàn)RS-485輸出。自動氣象站MAWS301經(jīng)數(shù)采器QML201輸出采集數(shù)據(jù)。改造前,需檢查原自動氣象站*.adc配置文件。若配置預留RS-485輸出模式,機務(wù)人員可通過調(diào)整QML201端口直接實現(xiàn)RS-485輸出,否則應修改為正確的自動氣象站*.adc配置文件。二跑道中間風采用WAT501進行數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸出。通過指令設(shè)置數(shù)據(jù)模式,實現(xiàn)中間端獨立風站數(shù)據(jù)由COM0口或COM1口的RS-485輸出[10]。

3.2 系統(tǒng)配置實施

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

RS-485輸出改造實施前期,自動氣象觀測系統(tǒng)保留原MCU111承載的Modem鏈路,將其調(diào)整為B路,保證本項目具備回退機制,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,機務(wù)人員可對傳感器逐臺實施改造,很大程度地減小了項目升級過程中對用戶數(shù)據(jù)的影響[11]。

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

3.3 無線改造實施

機務(wù)人員可通過網(wǎng)頁方式配置無線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。

塔臺全向天線架設(shè)在塔臺頂部的西向外環(huán),距離二跑道道面約95 m。根據(jù)技術(shù)手冊,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。機務(wù)人員可通過設(shè)備配置頁面的SCAN功能掃描AP信號,對AP天線指向進行調(diào)整。特別地,UBNT設(shè)備也可根據(jù)信號強度自動上鎖。

3.4 主備鏈路切換測試

對于AVIMET服務(wù)來說,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負責主備鏈路的監(jiān)視、切換控制和告警工作。主備鏈路切換測試應逐端進行,項目包括主備鏈路故障告警情況、A路故障時B路自動接管的情況、A路恢復時A路自動接管情況和手動切換A,B鏈路的情況[12-15]。

4 結(jié)束語

自動氣象觀測系統(tǒng)是民航運營的重要氣象保障。若無法保證系統(tǒng)鏈路的可靠性,則有可能出現(xiàn)運營癱瘓,甚至威脅機上乘客生命安全。有線、無線主備的冗余機制能夠提升自動氣象觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方案根據(jù)項目實施階段不同,動態(tài)調(diào)整主備A,B鏈路的配置,很大程度上減小了改造過程對用戶數(shù)據(jù)使用的影響,最終實現(xiàn)自動氣象觀測系統(tǒng)無線備份功能,滿足氣象高質(zhì)量發(fā)展需求。目前中國民航系統(tǒng)仍有部分機場采用集中式通信控制器MCU111的鏈路模式,系統(tǒng)通信風險集中且鏈路形式單一。自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸升級方案已在重慶萬州機場完成驗證,保證了萬州機場航管樓搬遷工作順利完成,可為民航機場自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸改造提供參考。