是谁在播报飞机在哪里

钟一

中国民航局消息发布消息称：自2016年12月1日起，中国民航全面实现客机全球追踪监控，要求所有中国民航客机每15分钟或在更短时间周期内，通过现有机载设备自动向地面运行控制部门发送飞机所在经度、纬度、高度和位置信息，以确保地面实时掌握飞行中的客机的准确位置。

北京时间2016年1月6日11时24分东亚与西太平洋上空实时航班动态，图片来源www.flightradar24.com。任意点击图中黄色的飞机图标，右侧即可显示该航班的基本状态。如图中的国航CA932，网站可显示航班计划（起降地、计划与实际起降时间、大圆里程），飞机型号（机型、注册号、机龄等），详细飞行数据（地速、真空速、表速、高度、航向等，部分信息需付费），最下面则是应答机相关信息。然而，flightradar24通过民间用户自行架设ADS-B接收机获得这些飞行数据，如果飞机没有安装或没开启ADS-B，民间就无法看到这些信息了。空管局则通过官方架设的ADS-B接收机，以及二次雷达一起监控天上的飞机。这样，天上所有飞行器都在地面管制部门的掌控之中了。图中还可看出，飞机在天上也是按照固定的航路飞行，左上为北京飞往欧洲的两条主要航路，右上为联络亚洲与北美的航路，中国境内飞机也是按照固定的航路飞行，航路中间的空隙多为限制区或禁飞区。

“位置监控”四个字写起来简单，但天空中高速飞行的飞机位置到底怎么追踪，地面又是如何監控的呢？

提到“飞机位置监控”，人们首先想到的恐怕就是2014年的马航MH370事件，这架先进的波音777-200ER飞机消失在浩瀚的南太平洋之后，一个非常专业，且此前只在业界熟知的单词——ACARS——被媒体传播开来。但解释“ACARS”是“Aircraft Communication Addressing and Reporting System”（飞机通讯寻址和报告系统）的缩写，对大众来说毫无意义，这就好像人们每天使用的4G手机，没多少人会关心LTE是什么。因为通信技术的最终目的还是为用户服务，ACARS也是如此。那么一下我们就用一个更通俗的名词来称呼它——数据链。也许此时你会恍然大悟：原来这就是一个航空界的无线电通信技术！的确如此，这种通信技术已经有40多年的历史了。

笔者曾有幸与这套系统的“父亲级”工程师共事几年，工作期间也听说或经历过不少关于这套系统的趣事，关于数据链就有一个不得不提的细节，数据链发明的初衷其实并非用于追踪定位飞机，而是为了解决航空公司飞行小时汇报日益提升的需求时，所导致的航空无线电公司不断增加的人工负荷之间的矛盾。要知道，当时全美国所有航班起落时间的汇总，都是通过人工接听飞行员无线电报话后，由地面人员记录并通过地面电报网络传输给航空公司的。形象地说，那时就是民航业的BP机时代。

现代民航数据通信早已离开了无线电报话这种低效、原始的时代。大家可能还记得2009年6月1日法航AF447航班事件，那架A330客机装备了先进的航电系统，虽然在大西洋上空消失，但消失前该机通过数据链下发了含有位置信息的报文，这些报文为日后的搜寻工作提供了至关重要的依据。那么飞机的位置报文是如何下发的？它的数据链是由什么组成的呢？

目前，数据链的媒介主要由高频（HF，3兆赫兹～30兆赫兹）、甚高频（VHF，30兆赫兹～300兆赫兹）和卫星微波信号（UHF/SHF/EHF，300兆赫兹～300吉赫兹）组成，它们保证了数据链网络无论在陆地还是洋区，都可以很好的覆盖，即便在极地这种海事卫星（信号覆盖范围南、北纬82度以内）无法企及的高纬度区域，也可以通过高频或铱星覆盖。因此，数据链通信是目前唯一能做到全球实时监控飞机位置的手段。民航局对所有中国民航客机实施的全球监控使用的就是这种数据链通信方式。

除此之外，目前对民航飞机定位的技术还有二次雷达和ADS-B，前者主要通过陆基雷达定位和问询，将飞机的身份信息与雷达扫描的信息结合在一起，从而确切知道飞机位置;而ADS-B，其本质与通过数据链发送位置报文的方法有相似之处，但由于目前ADS-B只基于UHF波段的地面基站接收，因此其应用范围仅局限在陆基跟踪，无法获得跨洋航班的信息。ADS-B的优点是通过秒级的广播形式汇报位置，在空管单位中应用较多。著名的FlightRadar24网站所使用的大部分飞机数据也是基于ADS-B所广播的位置信息。

认识了飞机与地面之间数据通信的桥梁后，再来看看走在桥梁上的重要“货物”——位置报文。

AF447航班最终能被发现，是因为准确的位置报文信息，报文信息是如何生成的呢？

位置报文由经纬度、高度、时间信息组成。其中，要获得飞机经纬度信息，飞机上需要一个非常重要的航电设备——惯性参考系统（IRS），其内核是一个陀螺仪，与小时候玩的陀螺原理一样，IRS利用陀螺的特性可以感知3个方向的加速度，并通过积分原理，以及初始化时飞行员输入的经纬度信息获得飞机当前的位置。当然任何量具都有误差，陀螺也不例外，其漂移误差一般可通过提高精度改进，此外还需要其他导航设备为IRS不断修正位置信息，例如飞机上另一件非常重要的航电设备，有“飞机大脑”之称的飞行管理系统（FMS），它会将陆基导航系统的信息转变成经纬度信息，或者是GPS信息提供给惯性参考系统进行位置修正，以确保报文数据中的经纬度准确无误。此时，最重要的二维平面上的经纬度信息已经获得，第三维度——高度信息可以通过飞机上的气压高度计获得。这样位置报文中最重要的3个信息就齐全了，再加上一个时间戳，一份像样的位置报文就形成了。

有了数据通信的桥梁——数据链，有了桥上的货物——位置报文，还需要一个打包分发货物的设备，将这些数据汇总，并按照一定规则下发才行。

这个打包分发报文数据的设备是ACARS的核心，由于每个航电设备制造商对其都有不同的称呼，在此我们暂且将其称为——数据链组件。

这个组件十分厉害，它有点像家里的无线路由器，对外，它连接着卫星通信设备、甚高频和高频电台，对飞机内部，它又像一个智能家居系统的总控，连接着飞行管理计算机、数据采集单元、中央故障诊断系统、打印机、显示器、键盘，甚至起落架的状态、门和刹车的传感器。数据链组件将获取的信息根据事先定义好的规则打包成一份份报文，并根据当前可用媒介的情况及优先顺序，将这些报文下传到地面的数据链服务提供商，再经由它们的网络发往各个目的地收报地址。当然，这个数据链组件有时还要负责传输其他航电设备生成的报文，这其中被媒体提及最多的应属发动机参数了，这些参数由飞机的健康管理系统生成，类似于现代大型医院配备的远程医疗诊断系统，飞机维修工程师可以在地面上实时掌握飞机的状况，为潜在的故障做好提前准备。

至此，位置报文等数据本身——货物，数据链组件——货物打包分发器，数据链——桥梁这三者就说完了。但上文提到的ADS-B与数据链具体又有哪些区别呢？

ADS-B也是通过IRS和气压高度表获取三維信息，但它是由另外一个设备——空中防撞系统（TCAS）来完成报文组合和广播的。ADS-B全称为“Automatic Dependent Surveillance”（自动相关监视），B为“Broadcast”（广播），与ADS-C（Contract，合同）相比，后者本质上属于ACARS报文，与由TCAS产生的ADS-B报文完全不同。ADS-C报文是基于某种约定而下发的，它最初是由支持新航行系统（FANS）的飞行管理计算机（FMC）产生，经过数据链组件发往地面，其中不仅包含位置信息，还有ADS-B中不具备的导航点信息，甚至包括飞机当前所处环境的大气信息。ADS-C报文的提出，实际上是为了解决洋区和一些偏远地区管制单位二次雷达无法覆盖的飞行航路的问题。但是，这个“C”有时候也会让航空公司头疼，因为每一份数据链报文都需要付费，而有些管制单位，为了“更清楚”地看到你，将这个“Contract”定义为1分钟！当然这个是题外话了。

讲到这里，我们来梳理一下数据链的位置报文，总的来说有两种，一种是FMS产生的符合FANS的位置报文，以ADS-C为代表;另一种是，例如由霍尼韦尔研发的通信管理单元Mark II CMU、罗克韦尔柯林斯研发的DLM-900等数据链组件生成的位置报文，这类报文格式可由航空公司自主定义，一般除了时间戳、经纬度、高度信息外，还会有油量、预计到达时间等航空公司认为有用的信息，这个类型的报文目前航空公司使用率最高。以上就是目前主流的位置报文了。

未来的位置报文会基于目前的技术，更大程度解决“预测”的功能，如霍尼韦尔的全新空中交通解决方案中，其中的飞行管理系统（FMS）能让显示在空管部门眼前的不仅是实时的位置信息，还有预计到达每一个导航点的精确时间，而空管单位也可以根据此类信息，动态调配飞机与飞机之间的间距，在保障安全的前提下，最大程度地利用空域。这些，都要基于数据链和飞行管理计算机来实现，进而从目前的3D走向4D。这里的4D会在原有3D信息的基础上，增加了后续每一个飞越的导航点、飞越时候的预计高度及预计飞越时间的信息，这与日常用的车载导航系统非常类似，但是，飞行管理计算机给出的预计飞越的时间，是非常精准的，这些4D信息，是基于飞机的性能参数、预设的飞行计划及实时的高空风温数据，经过飞机的“大脑”计算得出。这有点像小时候经常遇到的已知船速与水流速度，计算船的预计到达时间的数学考试题一样。当然，人算不如机算。

在4D运行过程中，还有一个非常重要的环节——调配。目前的调配是由飞行员与管制员之间的语音通信，通过接收指令、确认指令的形式来完成。但在未来的运行中，这种调配过程，将会有飞机的“大脑”参与，FMS会根据飞机的全重、燃油剩余情况结合飞行的性能，帮助飞行员判断地面管制员给出的数字指令是否可以执行，而通信过程将会基于数据链通信网络的大数据分析。这就像物联网一样，当然，飞行员在整个的飞行过程中，对飞机还是有绝对控制权的，所有的地面指令在发到飞行管理计算机后，必须由飞行员最后判断是否执行，不会出现地面遥控飞机的情况。

现在，大家应该明白了飞机是如何实现全球化追踪与定位了。正是有了这些技术，你在天空的飞行才会更加安全，更加高效。

责任编辑：陈肖