可重構(gòu)無線電技術(shù)在全球范圍內(nèi)追蹤航班

Reconf i gurable Radio Tracks Flights Worldwide

當(dāng)馬來西亞航空公司的MH370航班2014年在印度洋上空消失時，其飛行位置已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了雷達(dá)的有效追蹤范圍。得益于與美國國家航空航天局（NASA）合作開發(fā)的可重構(gòu)無線電技術(shù)，利用新的天基追蹤系統(tǒng)，將不再有飛機(jī)從監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中消失。

NASA采用無線電技術(shù)與衛(wèi)星、探測器和宇航員進(jìn)行通信。這些設(shè)備使人們能夠看到冥王星表面冰火山的照片，也可以受到從國際空間站發(fā)出的各種信息。近年來，NASA通過研究確定，其需要開發(fā)更高頻率、更大帶寬、可遠(yuǎn)程重構(gòu)的無線電技術(shù)，以更快地收發(fā)大量數(shù)據(jù)。

Thomas Kacpura是NASA格倫研究中心先進(jìn)通信項(xiàng)目部的經(jīng)理。他解釋說：“采用可重構(gòu)的無線電通信設(shè)備，工程師能夠在任務(wù)周期內(nèi)根據(jù)要求或環(huán)境的變化改變無線電設(shè)備的運(yùn)行方式，還能夠簡便地通過增加新的軟件對其進(jìn)行升級，以便更好地完成未來的任務(wù)?！?/p>

過去，由于測試要求，工程師并不愿意為太空任務(wù)開發(fā)可重構(gòu)的無線電設(shè)備。因?yàn)?，在太空任?wù)中，他們需要在所有能夠想到的情況下對設(shè)備進(jìn)行測試評估，以確保無論在太空中發(fā)生任何情況，無線電設(shè)備都能夠正常工作。這種測試對于可重構(gòu)無線電設(shè)備而言非常困難，因?yàn)楣こ處煙o法對尚未確定的功能進(jìn)行測試。

Thomas Kacpura說：“然而，NASA近期的任務(wù)要求開發(fā)一種更大尺寸、更高功率而不增加質(zhì)量的可重構(gòu)無線電系統(tǒng)。此外，人們的思想也發(fā)生了改變，對于太空任務(wù)的更改也變得更為適應(yīng)。這使得NASA決定與位于美國佛羅里達(dá)州的哈里斯（Harris）公司合作，設(shè)計(jì)、開發(fā)一種新型、可重構(gòu)、高帶寬的無線電設(shè)備。雙方簽署了合作協(xié)議，對半分?jǐn)傞_發(fā)成本。”

該項(xiàng)合作開發(fā)的無線電設(shè)備作為空間通信和導(dǎo)航（SCaN）測試平臺的一部分進(jìn)行了測試。SCaN測試平臺是國際空間站上的一套試驗(yàn)通信系統(tǒng)。SCaN測試平臺項(xiàng)目由NASA格倫研究中心牽頭，聯(lián)合噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、戈達(dá)德空間飛行中心、約翰遜航天中心，以及其他工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和國際空間機(jī)構(gòu)合作開展。

哈里斯公司開發(fā)的SDR（軟件定義的無線電）設(shè)備是世界上首臺宇航級以軟件定義的Ka波段無線電設(shè)備。與以往的標(biāo)準(zhǔn)波段相比，設(shè)備在Ka波段的數(shù)據(jù)傳輸速率更快，Ka波段被認(rèn)為是未來NASA空間通信的關(guān)鍵波段。目前，該無線電設(shè)備已在地面和太空中通過了全面測試，也進(jìn)行了重構(gòu)和重新編程，運(yùn)行狀態(tài)良好。2013年，該項(xiàng)技術(shù)作為當(dāng)年最重要的100項(xiàng)創(chuàng)新成果之一，被授予“R&D 100”獎。

Thomas Kacpura說：“這是一次巨大的飛躍。僅需基于測試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行微調(diào)和升級，該無線電設(shè)備就可以變身為任何航天器上的高速數(shù)據(jù)通信設(shè)備。這有助于太空數(shù)據(jù)更快速地傳送回地球，也可使NASA太空科研成果更加顯著?！?/p>

哈里斯公司知道，與NASA的合作將會從其他客戶那得到回報(bào)，哈里斯公司的系統(tǒng)工程師杰夫?安德森（Jeff Anderson）說：“哈里斯公司清楚，與NASA的合作也將幫助他們從其他客戶那里獲得收益。但是，老實(shí)說，開發(fā)人員和客戶對這項(xiàng)技術(shù)的被接受速度和被接受程度讓我們倍感驚訝。”

該新型無線電設(shè)備的最大的賣點(diǎn)在于其靈活性。其軟件和硬件都可完全重構(gòu)，這意味著哈里斯公司可以通過快速、低成本地重構(gòu)，滿足任何客戶的需求。哈里斯公司的項(xiàng)目經(jīng)理凱文?莫蘭（Kevin Moran）解釋說：“簡單來說，該設(shè)備就像一個盒子，盒子里插滿了各種各樣的‘卡’，包括電源卡、處理器卡，以及為特定任務(wù)設(shè)計(jì)的其它卡。因此，當(dāng)客戶需要完成不同的任務(wù)時，我們僅需更換盒子里的一個硬件子設(shè)備即可。”哈里斯公司為該新型無線電設(shè)備申請了商標(biāo)，命名為“Harris APPSTAR”。目前，該新型無線電設(shè)備已在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了銷售。

目前，哈里斯公司簽訂的最大的訂單之一來自于艾瑞恩（Aireon）有限責(zé)任公司。雙方合作為銥星通信公司的新衛(wèi)星設(shè)計(jì)開發(fā)有效載荷。在過去的20多年里，銥星公司運(yùn)行著近地軌道上的一系列衛(wèi)星，這使得與地球上最偏遠(yuǎn)的地區(qū)進(jìn)行通話和數(shù)據(jù)傳輸成為可能。與其它衛(wèi)星不同的是，每個交聯(lián)軌道飛行器都可與其它衛(wèi)星進(jìn)行通信，這就意味著地球上的每個點(diǎn)都在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)。

2016年，銥星通信公司開始發(fā)射其NEXT衛(wèi)星。新衛(wèi)星具有更高的帶寬和更強(qiáng)大的功能，其中包括搭載了哈里斯公司開發(fā)的AppSTAR無線電設(shè)備。艾瑞恩公司是一家由多家公司投資成立的合資企業(yè)。該公司利用銥星星座，將利用無線電通信技術(shù)建設(shè)世界首個空基全球空中交通控制系統(tǒng)。

數(shù)十年來，飛機(jī)一直依賴于雷達(dá)監(jiān)測，需要建立地面雷達(dá)站實(shí)現(xiàn)信號的接收與傳輸。這就造成了巨大的監(jiān)測空白，尤其是在海洋上空，無法獲得飛機(jī)位置和航向的實(shí)時信息。為了解決這一問題，飛行員需要提交詳細(xì)的飛行計(jì)劃，按要求在規(guī)定的航線內(nèi)按照不同的高度飛行，這樣，空中交通管制員就可以估算飛機(jī)的位置，并確保飛機(jī)不會在空中發(fā)生碰撞事故。

當(dāng)搭載著哈里斯公司開發(fā)的AppSTAR無線電設(shè)備的66顆NEXT銥衛(wèi)星發(fā)射入軌后，這一切都將改變。AppSTAR無線電設(shè)備能夠從新的飛機(jī)無線電收發(fā)機(jī)——廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）設(shè)備接收到其自動發(fā)射的航班號、航班位置、航向等其它詳細(xì)信息。

目前，類似的數(shù)據(jù)信息通常被傳輸?shù)教幱谕瑓^(qū)域的其它飛機(jī)上，并由地面接收器進(jìn)行收集。然而，地面接收器需要在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行通信，因此，當(dāng)飛機(jī)越過地平線時，地面接收器就不能再探測到信號了。因此，采用這種方法根本無法追蹤那些飛越海洋和其它偏遠(yuǎn)地區(qū)的飛機(jī)。

把接收器送入太空軌道可解決這個問題。杰夫?安德森說：“采用AppSTAR無線電設(shè)備，在幾秒內(nèi)，就能夠追蹤到世界上所有的飛機(jī)。”多家空中交通管制機(jī)構(gòu)已與艾瑞恩公司簽訂了合同，在系統(tǒng)于2018年上線運(yùn)行后將這種空基系統(tǒng)集成到他們的飛行監(jiān)測系統(tǒng)中。

加拿大民航服務(wù)運(yùn)營商N(yùn)av Canada是艾瑞恩公司的投資創(chuàng)始人之一，也是最早采用AppSTAR無線電通信設(shè)備的企業(yè)。凱文?莫蘭說：“以加拿大為例，要實(shí)現(xiàn)998萬多平方千米國土面積的全覆蓋，利用傳統(tǒng)的ADS-B系統(tǒng)，就必須在非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的地面建設(shè)。而天基監(jiān)測系統(tǒng)是一種理想的替代方案。”其他國家的許多機(jī)構(gòu)，包括美國聯(lián)邦航空管理局對這種空基監(jiān)測系統(tǒng)也表示了興趣。

通過實(shí)時的全球追蹤，航空公司能夠優(yōu)化他們的空中交通管制模式。飛機(jī)需要的飛行間隔更小，也可以選擇更短的直線飛行，這樣，就能夠大幅改善公共安全，并降低燃料成本。

當(dāng)發(fā)生事故時，搜索和救援團(tuán)隊(duì)就可獲取詳細(xì)的搜救位置信息，因?yàn)樾l(wèi)星能夠接收每架飛機(jī)的飛行信息，包括那些沒有納入艾瑞恩追蹤系統(tǒng)的區(qū)域。杰夫?安德森說：“艾瑞恩公司將提供一種免費(fèi)服務(wù)——艾瑞恩ALERT（飛機(jī)定位和應(yīng)急響應(yīng)追蹤服務(wù)）。通過這種服務(wù)，當(dāng)航班發(fā)生事故時，他們就可以提供系統(tǒng)中最后的線索?！?/p>

在銥衛(wèi)星上使用的AppSTAR無線電設(shè)備還設(shè)計(jì)了預(yù)留空間，因此，哈里斯公司還能夠?yàn)槠涮砑恿硪豁?xiàng)功能：哈里斯公司與其合作伙伴exactEarth聯(lián)合開發(fā)的船舶全球?qū)崟r追蹤系統(tǒng)——exactAIS RealTime。

杰夫?安德森說：“我們對AppSTAR無線電設(shè)備中的處理器卡進(jìn)行了微調(diào)，對其進(jìn)行了升級，使其適用于對海上的甚高頻通信波進(jìn)行接收，從而實(shí)現(xiàn)了船舶的自動定位。目前，在公海上，船舶可以相互進(jìn)行通信，但不能與陸地系統(tǒng)通信。僅需在銥星搭載的AppSTAR無線電設(shè)備中添加一張‘卡’，就能夠使任何一家航運(yùn)公司在全球航線上追蹤其航運(yùn)船舶?！?/p>

由于AppSTAR無線電系統(tǒng)的軟件能夠遠(yuǎn)程重新配置，所以，艾瑞恩公司的系統(tǒng)和exactAIS系統(tǒng)都能夠在發(fā)射入軌后進(jìn)行升級。杰夫?安德森說：“如果需要對其進(jìn)行重新配置，或者需要改變其架構(gòu)或格式，以適應(yīng)未來的變化，我們就可以很方便地遠(yuǎn)程完成這一任務(wù)?！倍@一切都源于與NASA無線電設(shè)備相類似的盒子、處理器和電源卡。

哈里斯公司與NASA的合作，不僅推動了NASA的科學(xué)研究，也將使航空和航海更加安全。

(唐 甜)