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航空ACARS系統接收解碼與其安全性

來源:本站整理 作者:佚名 時間:2019-04-10 TAG: 我要投稿

MH370 出事之后,伴隨著這個航班的話題一直是熱門,航空的安全問題也引起了全球人們的關注。事發之后,英國Inmarsat公司提供了MH370飛機與衛星的握手數據,并提供了技術支持,對飛機可能失事的位置進行了估算。

Inmarsat為英國衛星電信公司。此公司所經營的商業通信衛星,無論在航海、航空、通信都有著廣泛的應用,目前已經發展到第五代Inmarsat衛星。Inmarsat所有衛星分布在距離地球35700km左右的地球同步軌道上,屬于高軌道衛星,通信覆蓋范圍非常廣,一直都是船舶在大海中與外界通聯的重要通信衛星。其實不僅僅在海事領域,航空領域也有著重要的應用。很多人知道飛機在飛行的時候有一個ADS-B自動報告系統,不斷發送自己的實時位置,這個系統是防撞系統的一部分,而另一個比較重要的系統便是ACARS。ACARS是通信尋址報告系統,是飛機與航空公司通信的一個重要途徑。此系統會將飛機的4D數據(經緯度、海拔、速度等)還有各種傳感器數據經過此鏈路發送給航空公司,讓航空公司實時得到飛機的一些數據,比如發動機健康狀態、飛機艙門的打開關關閉狀態等等信息,對飛機進行維護和調度等工作。
MH370跟衛星通信的便是ACARS服務,ACARS的通信鏈路有HF、VHF、L波段三條鏈路,其中VHF一般為近地時使用,由于VHF波段的特性,傳輸距離受到限制,HF在此方面會彌補一些不足。當飛機遠離大陸的時候,比如跨海洋飛行,就只能靠L波段的衛星通信鏈路來與地面控制中心進行聯系。飛機可以通過Inmarsat衛星提供的AERO鏈路進行短消息、語音還有自動報告系統的相互通信。其飛機到衛星的上行頻率為:1545~1547MHz之間,衛星與地面站的下行鏈路采用的為C波段3.6GHz。

當然,租用衛星鏈路的費用是非常昂貴的。事發當時,MH370的衛星服務已經過期,所屬航空公司沒有續費,按照常理來說,MH370是沒有衛星通信數據的。但是,此系統有個重要特性,那就是衛星載荷屬于透明轉發。簡單來說,飛機到衛星的數據,衛星是不經過處理的,直接變頻以C波段3.6GHz的頻率大功率下傳,而地面站會不斷接收信號后,進行解調和解碼工作,得到飛機發送的原始數據并存儲到數據庫中。當系統對數據進行檢索,如果發現某飛機并沒有開通服務或者服務到期沒有續費后,便不會把這些數據發送給航空公司。所以Inmarsat公司完全沒有責任提供MH370的信息,而事發后,Inmarsat公司對MH370提供了原始數據支持,從數據庫中調取了MH370與衛星通信的數據,與MH370通信的衛星便是位于東經64.5°附近的Inmarat3-F1衛星,此衛星為Inmarsat第三代通信衛星,于1996年發射,重量為2068kg。
以下是馬來西亞政府給失聯人員親屬報告中公開的衛星數據,報告并非衛星原始數據,而是經過篩選出一些有用信息的數據。

真正的衛星原始數據(來源Inmarsat公司某高管):


在搜索MH370的時候,搜索隊唯一可靠的數據參考便是這份衛星數據,可以根據數據大概推算出飛機失事的時間。我們可以看到最后一次飛機通過AERO的R通道發送握手數據包的時間為UTC 0:19分,而后續再也沒有跟衛星進行通信。MH370飛機的AES ID為35200217 ,澳大利亞地面站的GES ID為305。搜索隊根據衛星數據中的時間、BFO、BTO數據,來進行粗略的飛機飛行路徑估算,向著可能墜毀的方向進行了大面積的搜尋,最后結果是大家眾所周知的:一無所獲。
那么什么是BTO呢,BTO(Burst Timing Offset,瞬時時間偏移)就是信號由飛機發送后,到達衛星產生的時間偏差。由于飛機發送握手數據時,會附帶上發送數據的時間,這個時間是非常精確的,取自飛機上GPS授時系統。而無線電的傳輸速度為固定的光速,這樣就可以根據BTO的數據,大概計算出飛機到衛星之間的距離。
BFO(Burst Frequency Offset,瞬時頻率偏移),簡單來說就是衛星接收到的頻率與標準頻率產生的頻率偏移量。為什么會產生偏移呢?這里牽扯的知識就是著名的多普勒頻移,可能都多少了解些多普勒頻移,常用的例子就是火車由遠至近產生的聲音變化,也就是所說的紅移和藍移。在無線電通信中,多普勒頻移為非常常見的現象。應用范圍也非常廣泛,比如多普勒雷達。飛機在飛行時,速度會非常快,這時候會產生一個隨飛機速度變化而變化的頻移現象。根據多普勒頻移計算公式,由于發射頻率f,無線電傳播速度C還有頻率偏移 △f都為已知,飛行速度可以估算,可以計算得到飛機相對于衛星位置的余弦角度,再結合別的數據進行了推算,并且做了大量飛機飛行數據的對比,目前推測出了飛機可能墜毀于印度洋。

其實,Inmarsat3-F1的衛星軌道并非是固定不變的,Inmarsat3-F1這顆衛星的軌道相較于赤道平面傾斜角度大概為4.94°,這就意味著它的軌道平面跟赤道并非完全平行。也就是說,隨著時間變化,它在地面的垂直投影會呈現一個以赤道為中心的南北移動的8字形,衛星也是在以一個相對于地面較小的速度的移動。所以在計算時也要考慮這部分數據,并且飛機處在一個立體位置,飛機的高度上升下降都會造成多普勒頻移現象。

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