让飞机“永不失联”
<p> 2014年12月20日，百度发布了一款基于大数据的APP“百度天眼”，并率先上线苹果APP Store，在该应用中，只要输入国内在途航班的航班号，即可显示出该飞机的各项状态指标（如下图），尽管该应用在2015年10月已经无法查询到任何实时数据，但网友们依然在网上提出了各种关于百度天眼的问题：“百度是如何获取这些数据的？”、“这些数据准确吗？”、“百度开发这样一款应用的目的只是为大众查询航班信息吗”？“这与‘飞常准’、‘航旅纵横’等网站有什么区别？”</p><p align="center"></p><p> 百度天眼ZH9675航班的实时航迹图</p><p> 诸多问题的答案，全部指向一个焦点：全球航班跟踪系统（Global Flight Tracking System），即在全球范围内实时获取所有航班即时位置等飞行信息的系统。以下三个关键词可以完美阐述这一系统的独特价值：</p><p> ★全球范围</p><p> ★实时数据</p><p> ★所有航班</p><p> 现有的技术手段，包括前面提到的通信卫星、遥感卫星、雷达、GPS，都不能同时满足以上三个条件，时至今日，这种应用仍旧是一种尚未实现的设想；幸运的是，在产业界，全球航班跟踪系统的概念已不新鲜，早在2013年国际上就已开始研究；马航370失联事件则成为全球范围内推动其发展的关键里程碑；此后，从系统规划、国际规则、频率资源、产品研制与实验等各个方面迅速推进，卫星更是在其中扮演了不可或缺的角色。</p><p> 本文基于近几年来对全球航空飞行跟踪系统的研究，特别是卫星在其中的地位和作用，探讨这项听起来似乎不可能的应用的发展现状及趋势，并进一步对其中一些问题带来的思考进行讨论。</p><p> <strong>发展全球航空飞行跟踪系统的意义</strong></p><p> 航空，特别是民航业务，尽管始终占据着最安全的运输工具的第一位，但由于民航的国际影响力和灾难发生的生还率较低，无论何时何地出现空难后的社会舆论总是大于任何一种运输工具出现灾难后的情形。马航370客机失联后的两周内，几乎世界所有媒体都对该事件进行了持续报道，一旦出现疑似客机动向的新闻，都能立刻被推上头条。</p><p> 让“飞机永不失联”，是乘客的需要，是航空公司的需要，是政府管理的需要，是在全球范围内的普遍需要，是真正的“刚需”。因此，对飞机安全的需要，决定了全球航空飞行跟踪系统最重要的意义，世界上所有运营、使用航空系统的国家或机构，都无法拒绝建立全球航空飞行跟踪系统的倡议，国际电联2015年世界无线电通信大会为此临时设置议题并迅速获得通过也说明了这一点。</p><p> 另一方面，通过近几年来对于全球航空飞行跟踪系统的跟踪研究，笔者也发现，在“安全”这一基础功能背后，更加丰富的数据应用场景被开发，许多大数据公司对全球航空飞行数据的需求日益迫切，特别是基于互联网应用层面的业务模式，已引起欧美等国的高度关注，使全球航空飞行跟踪系统展现出特有的、颇具潜力的商业价值。</p><p> <strong>全球航空飞行跟踪需求</strong></p><p> 如前所述，全球航空飞行跟踪系统需要满足以下功能：</p><p> （1）跟踪内容</p><p> ★位置跟踪，这也是需要进行航空飞行跟踪最基本的跟踪内容。</p><p> ★状态跟踪，这是在位置跟踪基础上更丰富的跟踪内容，与位置不同，飞行状态是判断飞行中故障、操作等的重要依据。</p><p> （2）跟踪要求</p><p> ★连续性。航空飞行跟踪具有一定的特殊性，以目前最长的跨洋航班为例，其总时间长度也不会超过15个小时，因此小时级，甚至更高频度的跟踪是有必要的，目前ICAO规定的航班飞行跟踪频度约在15分钟左右，针对特定需求也已经有公司给出了分钟级，甚至秒级的跟踪方案。</p><p> ★全球性。要求被跟踪的航空器具有一定的全球普适的特征，也就意味着航空器上应有标准统一，强制安装的位置、状态传感器和能够在海洋和陆地都提供跟踪的手段。</p><p> 综合以上需求不难发现，常用的诸如遥感、雷达等方法仅能够解决全球航空飞行跟踪的一部分要求。例如遥感卫星可通过光学或微波探测器获取一些参数，其位置信息并不精确，又如雷达尽管能够提供位置信息，但在状态信息上无法提供更多参考。通信被认为解决全球飞行跟踪最好的手段，而对于全球性的要求，特别是海洋上空的航班显然无法通过部署在航线附近的陆基通信设备来解决。基于此，通过卫星为全球航空飞行跟踪系统提供通信支持，是该系统实现的的唯一方法，这在全球范围内已成为普遍共识。</p><p> <strong>全球飞行跟踪系统发展</strong></p><p> 卫星通信被认为是在全球航空飞行跟踪中切实可行的唯一方法，而传统的卫星通信技术主要包括高轨和低轨移动通信两种方式。以Inmarsat为代表的高轨通信卫星服务和以Iridium为代表的低轨通信卫星服务目前确实被许多航空公司选为进行全球航空飞行跟踪的手段，但目前仍存在各公司标准并不一致，数据格式不统一，各地航班数据不共享，非全球航空公司皆有的局面。</p><p> ADS（AutomaticDependentSurveillance，自动相关监视）系统的出现，似乎提供了一种解决上述问题的可行性。</p><p> ADS系统是一项随着民航对于飞行跟踪和飞行状态监视而产生的新体制，其发展过程中出现了两种不同的体制，ADS-B与ADS-C。</p><p> 两者有相似的地方，也有一定的区别。相似之处在于其都包含了自动、相关和监视的特点，即飞机系统根据自身的传感器，自动的将用于监视的信息发送出去；区别在于“-B”是Broadcast，即不论对方是否接收都会自动广播，而“-C”是Contract，需要接收方给予确认或“握手”后才能继续通信。</p><p> <strong>1．当前飞行跟踪系统使用的ADS-B技术</strong></p><p> ADS-B技术原本是一项用于地面的技术，目前ADS-B包括三种数据链技术，分别是S模式超长电文（1090ES）、通用访问收发机（UAT）和模式4甚高频数据链（VDL-4）。由于ADS-B中“-B”的特性，意味着只要任意用户具有与发射体制相同的接收机，就能够在链路条件允许的情况下，接收到飞机发射的ADS-B报文。</p><p> ADS-B的报文包括如下内容：</p><p> 1）飞机标识，飞机地址包括航班号、ICAO的24bit全球唯一的地址编码；</p><p> 2）位置（经度/纬度）；</p><p> 3）位置完好性/位置精度；</p><p> 4）气压高度和几何高度；</p><p> 5）垂直升降率（垂直/爬升速率）；</p><p> 6）航迹角与地速；</p><p> 7）紧急情况指示（选择紧急代码时）；</p><p> 8）特殊位置识别（Special position><p> 其中的位置信息，是通过飞机的GNSS接收机获取的飞机实时高精度位置信息，这意味着其位置精度是与GNSS系统的位置精度一致的。把该位置与之前所述地面雷达获取位置的精度信息进行一个比较（如下图）。</p><p align="center"></p><p> ADS-B与雷达轨迹图对比</p><p align="center"></p><p> 被测物与基站(雷达)距离与被测物位置精度关系图</p><p> 如上图所示，ADS-B与雷达比较的两大优势：一是雷达反馈是每12秒一次，飞机位置是不连续的，而ADS-B是每秒一次，相对雷达来说位置信息连续性更好；二是雷达的精度与ADS-B相比较低，这是由于雷达测量原理本身决定的，其精度是与被测物体到雷达的距离成反比的，因此当飞机与雷达距离达到100NM后，雷达的精度仅能达到500m，而ADS-B由于广播的是GNSS接收机解算出的精确位置，其与基站的距离跟精度完全无关。</p><p> 如果没有FlightRadar24和百度天眼，不会有这么多的人关注到ADS-B这项只在航空领域应用的技术。FlightRadar24和百度天眼恰好就是利用了ADS-B的特性，进行了ADS-B信号的接收。</p><p> 但是，在海洋等许多特殊地区，是无法在航线附近安装接收设施的，ADS-B面临的最突出问题就是无法实现全球监视，这也正是马航370失联后无法获知其精确位置的原因之一（见下图）。</p><p align="center"></p><p> 地基ADS-B系统覆盖区域的局限性</p><p> 注：红色圈定的区域为MH370疑似坠机区域，黄色区域为Aireon提供的地基ADS-B部署区域</p><p> <strong>2．卫星在ADS-C中的应用</strong></p><p> 根据ADS-C的服务提供方Inmarsat的官方报告来看，大多数宽体客机或跨洋航班的班机上都安装了ADS-C装置。ADS-C有两种主要报告形式，一是常规位置报告，这是一种周期性的报告，每隔一定时间长度ADS-C装置会自动发射给Inmarsat接收；另一种是自动触发的偏差报告，这是遇到特定事件后的突发报告，该报告不仅能够将偏差信息发送出去，还能够更改常规位置周期报告的周期。在2014年之前，常规周期性位置报告的周期在30－40分钟的间隔，2014年后改到了15分钟以内的间隔，随着跟踪系统需求的不断提升，未来有可能ICAO还会将间隔进一步降低到5－10分钟。</p><p> 读者都会产生一个新的疑问，马航370没有ADS-C吗？</p><p> 回顾该事件与ADS-C相关的细节，首先赤道附近的区域毫无疑问是Inmarsat的覆盖区，目前只要不是±75°以上的高纬度区域，Inmarsat卫星是能够完全覆盖的；再看马航370的机型，是Boeing 777，该机型是宽体客机，从事的是跨洋航班，为符合ICAO的标准，一定是有ADS-C装置的；最后看Inmarsat在最终的飞机搜救中“立功”的表现，Inmarsat声称收到了两次马航370“Ping”信号，根据两次“Ping”信号的多普勒信息，其确定了两条马航370的可能轨迹，最终引导着原先在越南海域搜救的各国队伍走向了印度洋。</p><p> 从整个的过程来看，确实没有任何关于ADS-C中周期性位置报告被接收的信息，如果从“Ping”信号这样的“信息中”，Inmarsat都能够分析出一定的轨迹信息，那么如果有了准确的位置信息，搜救难度应会大大降低才对。那这又是怎么回事呢？说好的位置信息去哪了？</p><p> 2014年5月12日，就在马航370失联两个月后，Inmarsat官网公布了一则新闻《Inmarsat将提供免费全球航班跟踪服务》；同一天，在网上出现了一位名为Jason Mick的评论员文章《MH370灾难之后 Inmarsat 为全部商业飞机提供免费卫星跟踪》，称“英国公司决定放弃追踪飞机带来的少许收入，因为这些收入在飞机失事带来的令人头疼和痛心的问题面前不值一提”，文章最后一句甚至给出了因为免费卫星跟踪服务的推出，Inmarsat的损失“超过一亿美元”。如此看来，卫星的飞机跟踪服务在MH370之前是收费的。但该跟踪服务是否是ADS-C呢？</p><p> Inmarsat在2014年的一份提及“ATM演进”的报告中提到了ADS-C技术，并将该技术定位为“ATM演进的重要因素”，其中有两个细节，一是在其中说明了“基础跟踪服务免费”，二是标明了“航线收费极低（约10美元/航班）”。从这两个细节看，Inmarsat在2014年5月12日宣布免费的服务，其实就是ADS-C的基础服务，即15分钟级别的位置跟踪报告。而马航370之所以并没有位置跟踪报告，仅有“Ping”信号，极有可能是马航的飞机有ADS-C装置但没有购买服务，导致只有“Ping”却没有“Contract”。</p><p> 上文选自《卫星应用》，如需详情请查阅该期刊。</p><br />
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