重慶江北機場自動氣象觀測系統無線傳輸升級方案

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傳感器于2013年1月投產使用,與一跑道原MIDAS IV傳感器融合形成自動氣象觀測系統AVIMET 6.0。2017年7月,一、三跑道新建自動氣象觀測系統,與二跑道自動氣象觀測系統融合形成現役自動氣象觀測系統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,最終由端口服務器MCU111對二跑道整條跑道的傳感器原始數據進行封裝,傳送至服務器進行處理。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,端口服務器MCU111的故障會導致二跑道整條跑道的自動氣象觀測系統數據中斷。同時,端口服務器MCU111設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,優化二跑道自觀傳輸環節,提升系統的穩定性[1-2]。

1 系統現狀

1.1 系統配置

除自動氣象站外,二跑道傳感器均由設備主板輸出Modem信號。自動氣象站通過數采器QML201輸出RS-232信號,經DXL421調制后輸出Modem信號。

二跑道自動氣象觀測系統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,通過光端設備傳輸至集中式串口服務器MCU111,由MCU111解調并轉換為UDP協議的網絡信號,發送給服務器。AVIMET系統Sensor IO服務通過傳感器IP和端口送至對應的數據處理進程[3]。當前傳感器 IP與端口規劃如表1所示。

表1 當前傳感器IP與端口規劃

二跑道當前自動氣象觀測系統數據流程如圖1所示。

圖1 二跑道當前自動氣象觀測系統數據流程圖

1.2 現存問題

二跑道自動氣象觀測系統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技術規范》第九條“民用航空自動氣象觀測系統應當具有通過有線和無線的通信方式遠程傳輸實時數據及系統監控信息的功能”的要求。

二跑道整條跑道傳感器通過串口服務器MCU111對數據進行集成,通信節點過于集中,MCU111故障將導致整條跑道數據丟失。同時,MCU111為單電源設備,無法進行供電備份,其內部設備TS16的直流供電模塊芯片和電容也因品質缺陷,易受熱老化。

二跑道傳感器輸出Modem信號,系統數據擴容能力較差,不利于傳感器數據并線分接。此外,MCU111內部調制解調模塊DMX501也存在Modem鏈路中斷恢復后無法建立載波的風險。

2 項目設計

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

表2 MOXA IP與端口規劃

二跑道自動氣象觀測系統數據流程改造如圖2所示。

圖2 二跑道自動氣象觀測系統數據流程改造圖

2.1 傳感器輸出改造設計

調整傳感器配置,將二跑道自動氣象觀測系統的Modem信號輸出改為RS-485。數據利用原Modem信號大對數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端分別設置有線、無線MOXA設備,替換原集中式端口服務器MCU111,分散傳輸節點風險[5]。

2.2 系統配置改造設計

在實施硬件改造前,修改Sensor IO服務Sensors.ini,Ports.ini等配置文件,獲取同一傳感器的兩路數據。通過Dualserv.ini的配置,將二跑道數據輸入改為A,B兩路,A為有線MOXA預留。邏輯上,A路優先級高于B路。B路配置可根據本項目實施階段不同需求進行動態調整。

2.3 無線改造設計

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設備站址,對應距離分別為1932、819和992 m?？稍谒_設立全向天線,跑道各端架設無線網橋。無線網橋接收無線MOXA的UDP數據;塔臺無線網橋通過塔臺接入交換機實現接入氣象核心交換網,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照。5.8 G采用正交頻分復用技術和直接序列擴頻技術,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,自動氣象觀測系統對實時性要求高,使用5.8 G信號更加合適[6-7]。

2.3.2 設備選型

根據圖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,有利于后期無線網絡擴容。本方案塔臺端全向天線選型為UBNT AMO-5G13,塔臺無線網橋選型為UBNT R5AC-Lite,接收二跑道三端傳感器數據,通過POE連接氣象交換網。二跑道南、中、北端傳感器無線發射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。

無線設備頻譜在5080 MHz～ 5120 MHz。設備在PtMP鏈接模式下收發數據。兩套設備的峰值功率小于27 dBm。設備頻譜范圍和功率情況全部滿足《工業和信息化部關于加強和規范2400 MHz、5100 MHz和5800 MHz頻段無線電管理有關事宜的通知》規定要求[8-9]。

3 項目實施

項目實施前期,機務人員可提前更新配置文件,在保證原有鏈路運行基礎上,新增有線MOXA線路。此外,機務人員可提前架設、調試端口服務器MOXA和無線設備,利用無線通路和現有光纖鏈路,將有線、無線MOXA接入氣象交換網內,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、風等關鍵氣象數據。上述設備改造應在天氣條件穩定較好時進行,并啟用備份數據,必要時恢復原始鏈路模式。為減小對用戶的影響,機務人員可從次降端、次要設備開始調整。

特別地,大氣透射儀LT31、前向散射儀FS11P、云高儀CL31等光學設備可通過指令設置和接口調整實現RS-485輸出。自動氣象站MAWS301經數采器QML201輸出采集數據。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,機務人員可通過調整QML201端口直接實現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進行數據A/D轉換與數據輸出。通過指令設置數據模式,實現中間端獨立風站數據由COM0口或COM1口的RS-485輸出[10]。

3.2 系統配置實施

方案設計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,自動氣象觀測系統保留原MCU111承載的Modem鏈路,將其調整為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輸出調整期間,機務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據的影響[11]。

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

3.3 無線改造實施

機務人員可通過網頁方式配置無線AP和Station的SSID、頻寬、網絡工作模式、信道、發射功率以及加密方式。

塔臺全向天線架設在塔臺頂部的西向外環,距離二跑道道面約95 m。根據技術手冊,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后,機務人員可依次在傳感器端設置定向AP天線。根據收發設備方向和距離位置關系,調整AP天線方位與仰角。機務人員可通過設備配置頁面的SCAN功能掃描AP信號,對AP天線指向進行調整。特別地,UBNT設備也可根據信號強度自動上鎖。

3.4 主備鏈路切換測試

對于AVIMET服務來說,主備A,B兩路互為備份冗余且數據同步。系統服務器CDU負責主備鏈路的監視、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 結束語

自動氣象觀測系統是民航運營的重要氣象保障。若無法保證系統鏈路的可靠性,則有可能出現運營癱瘓,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的穩定性。該方案根據項目實施階段不同,動態調整主備A,B鏈路的配置,很大程度上減小了改造過程對用戶數據使用的影響,最終實現自動氣象觀測系統無線備份功能,滿足氣象高質量發展需求。目前中國民航系統仍有部分機場采用集中式通信控制器MCU111的鏈路模式,系統通信風險集中且鏈路形式單一。自動氣象觀測系統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無線傳輸改造提供參考。