通信传输技术在民航气象设备中的应用

通信传输技术在民航气象设备中的应用

刘晋宏

中国民用航空华北地区空中交通管理局内蒙古分局 内蒙古 呼和浩特市 010000

摘要：随着民航事业的快速发展，用户对服务质量也在逐步提升，为保障气象设备能够及时、准确和可靠的给管制、预报、观测等用户提供气象要素数据，气象设备的每个节点都至关重要，若某一节点出现故障，则气象数据将会中断从而影响用户的使用，其中数据通信传输在业务运行中尤为重要，本文主要分析研究数据通信传输方式在气象设备中的应用。

关键词：气象设备，无线网桥，4G/5G通信

1 引言

目前呼和浩特机场现有自动气象观测系统等重要保障设备，该系统主要给管制、预报、观测等用户提供08号跑道，26号跑道及跑道中间点的风向、风速、温度、湿度、气压、雨量、云高、能见度、跑道视程、天气现象等重要气象要素数据。

呼和浩特机场自动气象观测系统由VAISALA 公司生产的MIDAS IV AWOS，在运行过程中，出现过一些疑难故障，其中数据通信传输故障为其中之一，传感器采集到的数据未能通过传输链路将数据传送到各用户终端。2008年呼和浩特机场自动气象观测系统建设时，传输链路均采用电缆传输，该传输链路存在数据损耗较大，容易受到外界环境干扰等问题，而且近些年机场施工改造过程中多次将其损坏导致气象数据中断。鉴于上述问题，2020年对呼和浩特机场自动气象观测系统传输链路进行改造，新建光缆传输链路。考虑到单一传输链路仍然存在中断风险，导致数据丢失，为确保自动气象观测系统能够稳定可靠的运行，不间断的为管制，预报，观测等用户准确的提供气象要素数据，需在满足行业技术规范标准的前提下，增设无线通信的传输方式，使得有线传输及无线传输互为备份，可实现传输方式的自动切换。

本文结合分局实际运行情况，综合考虑信号质量、实施复杂程度、预算费用等因素，确定了本站自动气象观测系统实施无线通信传输的技术方案，为了进一步保障气象设备能够准确无误的为用户提供优质的服务。

2 现有通信传输链路方案

2.1 电缆传输方案

呼和浩特机场自动气象观测系统建设较早，自动气象观测系统传感器输出信号为RS232信号，由于RS232信号传输距离仅仅只有几十米，自动气象观测系统建设初期采用电缆传输链路将RS232信号转换成Modem信号进行远距离传输。

自动气象观测系统数据流为传感器采集输出RS232信号，通过DMX501调制解调模块将其转换为Modem信号，通过电缆将RS232信号传送至航管楼机房，利用DXL421模块将Modem信号转换为RS232信号，然后接入串口服务器将RS232信号转换为网络信号，最后送给CDU服务器进行处理，最后推送给各用户终端。电缆传输链路方案如图1-1所示。

图1-1 电缆传输方案

电缆传输链路存在的缺点主要有传输速率较低，仅仅可以达到每秒56Kb，多芯电缆的抗干扰能力较差，随着使用年限的不断递增，电缆的阻抗也会随之增大，信号衰减也会增大，同时数据丢包也会不断增多。如果通信电缆被切断，则会导致自动气象观测系统所提供的风向、风速、温湿、压力、RVR等数据全部丢失，因此急需对自动气象观测系统的传输链路进行改造。

2.2 光缆传输方案

根据上级下发文件中不安全事件标准提到的因自动气象观测系统故障，导致不能够正确的提供RVR，造成在相应的天气标准下无法实施Ⅱ类、Ⅰ类运行，达到1小时（含）以上不足2小时为气象一般差错。因自动气象观测系统故障，导致不能够正确的提供RVR，造成在相应的天气标准下无法实施Ⅱ类、Ⅰ类运行，达到2小时（含）以上不足3小时为气象严重差错。考虑到呼和浩特机场目前只有一条电缆传输链路，没有相应的备份手段，电缆使用年限较长，抗干扰能力急速下降，而且电缆一旦故障，用户将无法通过自动气象观测系统终端获取本场RVR、风向风速、温度、湿度、压力等数据，而且最终造成气象一般差错、气象严重差错不安全事件的发生。于是2020年呼和浩特机场对自动气象观测系统的传输链路进行升级改造，新建一条光缆传输链路。

自动气象观测系统中传感器采集数据输出RS232信号和RS485信号，通过PCM接入设备的通信协议，将RS232和RS485两种信号传送至航管楼机房的PCM，然后利用DXL421将外场信号转换为RS232信号和RS485信号，然后接入端口服务器将RS232信号和RS485信号转换为网络信号，送给CDU服务器进行处理，最后推送给各用户终端，使得用户可以实时查看本场天气状况。光缆传输链路具有抗干扰能力强，信号衰减小，受外界环境影响小，相比于通信电缆传输更加可靠。光缆传输链路方案如图1-2所示。

图1-2 光缆传输方案

由于通信控制单元MCU111已经达到了使用寿命，TS16串口服务器供电模块老化，维修更换相对复杂，且串口服务器无备份设备等问题，串口服务器作为传输链路节点上的关键设备，一旦故障，同样导致自动气象观测系统数据丢失，造成不安全事件的发生。因此，目前光缆传输链路中使用MOXA-2650端口服务器进行串口信号和网络信号的转换，TS16串口服务器作为备份设备，相比于TS16串口服务器更加稳定可靠。

3 无线通信传输链路方案

3.1 无线网桥传输方案

为了使得自动气象观测系统传输链路实现“一主”、“二备”、“三应急”的理念，2021年呼和浩特机场对自动气象观测系统传输链路进一步升级改造，新建无线通信传输链路，通过无线网桥的形式将数据引接至航管楼机房。

呼和浩特机场08号跑道、26号跑道、跑道中间点自动气象观测系统中自动站MAWS301传感器采集数据输出RS232信号，云高仪CL31和大气透射仪LT31输出Modem信号。首先利用DXL421调制解调模块将Modem信号转换为RS232信号，然后利用MOXA 6450端口服务器将RS232信号装换为网络信号，将所有信号汇集至08号风杆上安装的无线通信箱，最后通过无线信号发射器将信号分别发送到航管楼明环对应的无线信号接收器，再利用楼宇互通进一步将信号引接至航管楼机房，通过航管楼机房CDU服务器进行监控处理，实现有线链路和无线链路的自动切换。

图1-3 无线网桥传输方案

航管楼机房CDU服务器需要安装线路监控软件，使用UDP协议不同的端口号接收有线链路和无线链路数据，有线链路定义为主用传输链路，无线链路定义为备用传输链路，当其中一路中断则CDU服务器会从另外一路读取传感器数据，实现有线链路和无线链路数据的无缝切换。

3.2 4G/5G传输方案

自动气象观测系统传输链路采用4G通信或5G通信的前提是，机场周边4G或5G信号覆盖范围要较广，利用上述通信方式无需考虑距离问题，若涉及到设备改扩建可将其随自动气象观测系统整体进行搬迁。

4G LTE移动网络传输方式可以将4G模块放置于08号跑道、26号跑道、跑道中间点自动气象观测系统的设备机箱中，通过协议转换将RS232信号和RS485信号转换为4G信号，利用4G发射单元将自动气象观测系统传感器采集到的信号传送到航管楼机房4G接收单元，然后再将其转换为RS232信号和RS485信号送入端口服务器，利用端口服务器将RS232信号和RS485信号转换为网络信号送入自动气象观测系统网络中，最后推送给各用户终端。

相比于4G LTE通信，5G通信的带宽增大，时间延迟降低，传输速率也有所增大，可达到每秒10Gb，在5G通信的背景下，利用大规模天线阵列解决高频问题，利用抗干扰算法解决频率干扰，利用小蜂窝Small Cell的概念，将机房内的设备组建成小的蜂窝网络实现设备与设备之间的互联互通。若未来建设新机场，可以利用5G通信打造智慧机场，通过各项5G智能应用，将有力提升呼和浩特机场的通信及信息化管理和服务水平。

3.3 预算费用

由于4G或5G通信后期需缴纳运营商相应的费用，无线网桥技术则仅仅在现有的频率段上搭建无线网桥传输链路，后期无需支付运营费用。考虑到预算以及建设成本开销，呼和浩特机场采用无线网桥技术实现自动气象观测系统的通信传输，未来可以将5G通信以及5G通信领域智慧产品纳入行业建设项目。

4 结束语

结合呼和浩特机场实际运行情况，为了保障设备能够给用户提供准确的、实时的气象要素数据，通过改进自动气象观测系统通信传输链路实现有线链路和无线链路的自动切换，无需改变自动气象观测系统的系统结构以及配置，方便后期维护。

综上所述，通信链路的改进，实现主备无缝切换，进一步消除了因传输线路故障导致数据中断的安全隐患，提升民航气象服务质量，为民航安全提供保障。本文仅仅分析了自动气象观测系统电缆、光纤、无线、4G等传输方式，未来通信领域的快速发展，可能将会引进更加先进的通信技术。

参考文献：

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