可重构无线电技术在全球范围内追踪航班

可重构无线电技术在全球范围内追踪航班

Reconf i gurable Radio Tracks Flights Worldwide

当马来西亚航空公司的MH370航班2014年在印度洋上空消失时，其飞行位置已经远远超出了雷达的有效追踪范围。得益于与美国国家航空航天局（NASA）合作开发的可重构无线电技术，利用新的天基追踪系统，将不再有飞机从监测网络中消失。

NASA采用无线电技术与卫星、探测器和宇航员进行通信。这些设备使人们能够看到冥王星表面冰火山的照片，也可以受到从国际空间站发出的各种信息。近年来，NASA通过研究确定，其需要开发更高频率、更大带宽、可远程重构的无线电技术，以更快地收发大量数据。

Thomas Kacpura是NASA格伦研究中心先进通信项目部的经理。他解释说：“采用可重构的无线电通信设备，工程师能够在任务周期内根据要求或环境的变化改变无线电设备的运行方式，还能够简便地通过增加新的软件对其进行升级，以便更好地完成未来的任务。”

过去，由于测试要求，工程师并不愿意为太空任务开发可重构的无线电设备。因为，在太空任务中，他们需要在所有能够想到的情况下对设备进行测试评估，以确保无论在太空中发生任何情况，无线电设备都能够正常工作。这种测试对于可重构无线电设备而言非常困难，因为工程师无法对尚未确定的功能进行测试。

Thomas Kacpura说：“然而，NASA近期的任务要求开发一种更大尺寸、更高功率而不增加质量的可重构无线电系统。此外，人们的思想也发生了改变，对于太空任务的更改也变得更为适应。这使得NASA决定与位于美国佛罗里达州的哈里斯（Harris）公司合作，设计、开发一种新型、可重构、高带宽的无线电设备。双方签署了合作协议，对半分摊开发成本。”

该项合作开发的无线电设备作为空间通信和导航（SCaN）测试平台的一部分进行了测试。SCaN测试平台是国际空间站上的一套试验通信系统。SCaN测试平台项目由NASA格伦研究中心牵头，联合喷气推进实验室、戈达德空间飞行中心、约翰逊航天中心，以及其他工业界、学术界和国际空间机构合作开展。

哈里斯公司开发的SDR（软件定义的无线电）设备是世界上首台宇航级以软件定义的Ka波段无线电设备。与以往的标准波段相比，设备在Ka波段的数据传输速率更快，Ka波段被认为是未来NASA空间通信的关键波段。目前，该无线电设备已在地面和太空中通过了全面测试，也进行了重构和重新编程，运行状态良好。2013年，该项技术作为当年最重要的100项创新成果之一，被授予“R&D 100”奖。

Thomas Kacpura说：“这是一次巨大的飞跃。仅需基于测试运行结果进行微调和升级，该无线电设备就可以变身为任何航天器上的高速数据通信设备。这有助于太空数据更快速地传送回地球，也可使NASA太空科研成果更加显著。”

哈里斯公司知道，与NASA的合作将会从其他客户那得到回报，哈里斯公司的系统工程师杰夫•安德森（Jeff Anderson）说：“哈里斯公司清楚，与NASA的合作也将帮助他们从其他客户那里获得收益。但是，老实说，开发人员和客户对这项技术的被接受速度和被接受程度让我们倍感惊讶。”

该新型无线电设备的最大的卖点在于其灵活性。其软件和硬件都可完全重构，这意味着哈里斯公司可以通过快速、低成本地重构，满足任何客户的需求。哈里斯公司的项目经理凯文•莫兰（Kevin Moran）解释说：“简单来说，该设备就像一个盒子，盒子里插满了各种各样的‘卡’，包括电源卡、处理器卡，以及为特定任务设计的其它卡。因此，当客户需要完成不同的任务时，我们仅需更换盒子里的一个硬件子设备即可。”哈里斯公司为该新型无线电设备申请了商标，命名为“Harris APPSTAR”。目前，该新型无线电设备已在多个领域实现了销售。

目前，哈里斯公司签订的最大的订单之一来自于艾瑞恩（Aireon）有限责任公司。双方合作为铱星通信公司的新卫星设计开发有效载荷。在过去的20多年里，铱星公司运行着近地轨道上的一系列卫星，这使得与地球上最偏远的地区进行通话和数据传输成为可能。与其它卫星不同的是，每个交联轨道飞行器都可与其它卫星进行通信，这就意味着地球上的每个点都在网络的覆盖范围内。

2016年，铱星通信公司开始发射其NEXT卫星。新卫星具有更高的带宽和更强大的功能，其中包括搭载了哈里斯公司开发的AppSTAR无线电设备。艾瑞恩公司是一家由多家公司投资成立的合资企业。该公司利用铱星星座，将利用无线电通信技术建设世界首个空基全球空中交通控制系统。

数十年来，飞机一直依赖于雷达监测，需要建立地面雷达站实现信号的接收与传输。这就造成了巨大的监测空白，尤其是在海洋上空，无法获得飞机位置和航向的实时信息。为了解决这一问题，飞行员需要提交详细的飞行计划，按要求在规定的航线内按照不同的高度飞行，这样，空中交通管制员就可以估算飞机的位置，并确保飞机不会在空中发生碰撞事故。

当搭载着哈里斯公司开发的AppSTAR无线电设备的66颗NEXT铱卫星发射入轨后，这一切都将改变。AppSTAR无线电设备能够从新的飞机无线电收发机——广播式自动相关监视（ADS-B）设备接收到其自动发射的航班号、航班位置、航向等其它详细信息。

目前，类似的数据信息通常被传输到处于同区域的其它飞机上，并由地面接收器进行收集。然而，地面接收器需要在一定的范围内进行通信，因此，当飞机越过地平线时，地面接收器就不能再探测到信号了。因此，采用这种方法根本无法追踪那些飞越海洋和其它偏远地区的飞机。

把接收器送入太空轨道可解决这个问题。杰夫•安德森说：“采用AppSTAR无线电设备，在几秒内，就能够追踪到世界上所有的飞机。”多家空中交通管制机构已与艾瑞恩公司签订了合同，在系统于2018年上线运行后将这种空基系统集成到他们的飞行监测系统中。

加拿大民航服务运营商Nav Canada是艾瑞恩公司的投资创始人之一，也是最早采用AppSTAR无线电通信设备的企业。凯文•莫兰说：“以加拿大为例，要实现998万多平方千米国土面积的全覆盖，利用传统的ADS-B系统，就必须在非常偏远的地区进行大规模的地面建设。而天基监测系统是一种理想的替代方案。”其他国家的许多机构，包括美国联邦航空管理局对这种空基监测系统也表示了兴趣。

通过实时的全球追踪，航空公司能够优化他们的空中交通管制模式。飞机需要的飞行间隔更小，也可以选择更短的直线飞行，这样，就能够大幅改善公共安全，并降低燃料成本。

当发生事故时，搜索和救援团队就可获取详细的搜救位置信息，因为卫星能够接收每架飞机的飞行信息，包括那些没有纳入艾瑞恩追踪系统的区域。杰夫•安德森说：“艾瑞恩公司将提供一种免费服务——艾瑞恩ALERT（飞机定位和应急响应追踪服务）。通过这种服务，当航班发生事故时，他们就可以提供系统中最后的线索。”

在铱卫星上使用的AppSTAR无线电设备还设计了预留空间，因此，哈里斯公司还能够为其添加另一项功能：哈里斯公司与其合作伙伴exactEarth联合开发的船舶全球实时追踪系统——exactAIS RealTime。

杰夫•安德森说：“我们对AppSTAR无线电设备中的处理器卡进行了微调，对其进行了升级，使其适用于对海上的甚高频通信波进行接收，从而实现了船舶的自动定位。目前，在公海上，船舶可以相互进行通信，但不能与陆地系统通信。仅需在铱星搭载的AppSTAR无线电设备中添加一张‘卡’，就能够使任何一家航运公司在全球航线上追踪其航运船舶。”

由于AppSTAR无线电系统的软件能够远程重新配置，所以，艾瑞恩公司的系统和exactAIS系统都能够在发射入轨后进行升级。杰夫•安德森说：“如果需要对其进行重新配置，或者需要改变其架构或格式，以适应未来的变化，我们就可以很方便地远程完成这一任务。”而这一切都源于与NASA无线电设备相类似的盒子、处理器和电源卡。

哈里斯公司与NASA的合作，不仅推动了NASA的科学研究，也将使航空和航海更加安全。

(唐 甜)