重庆江北机场自动气象观测系统无线传输升级方案

聂增臻,宋 超,谢英伟

(民航重庆空管分局,重庆 401120)

0 引言

重庆江北机场二跑道自动气象观测系统传感器于2013年1月投产使用,与一跑道原MIDAS IV传感器融合形成自动气象观测系统AVIMET 6.0。2017年7月,一、三跑道新建自动气象观测系统,与二跑道自动气象观测系统融合形成现役自动气象观测系统AVIMET 7.0。

二跑道每端传感器采用Modem信号,通过光端机的方式进行透传至核心机房,最终由端口服务器MCU111对二跑道整条跑道的传感器原始数据进行封装,传送至服务器进行处理。目前该传输模式已运行10 a,相较于一、三跑道每端传感器采用RS-485搭MOXA的传输方式,二跑道通信传输模式相对落后,端口服务器MCU111的故障会导致二跑道整条跑道的自动气象观测系统数据中断。同时,端口服务器MCU111设置于无人值守的原中心机房,这会延长故障抢修时间。为保证航空气象高质量运行,化解潜在风险,重庆空管分局气象台对二跑道传输进行升级,优化二跑道自观传输环节,提升系统的稳定性[1-2]。

1 系统现状

1.1 系统配置

除自动气象站外,二跑道传感器均由设备主板输出Modem信号。自动气象站通过数采器QML201输出RS-232信号,经DXL421调制后输出Modem信号。

二跑道自动气象观测系统传感器包括自动气象站MAWS301、云高仪CL31、大气透射仪LT31和前向散射仪FS11P等。传感器输出的V.21 FSK Modem信号,通过光端设备传输至集中式串口服务器MCU111,由MCU111解调并转换为UDP协议的网络信号,发送给服务器。AVIMET系统Sensor IO服务通过传感器IP和端口送至对应的数据处理进程[3]。当前传感器 IP与端口规划如表1所示。

表1 当前传感器IP与端口规划

二跑道当前自动气象观测系统数据流程如图1所示。

图1 二跑道当前自动气象观测系统数据流程图

1.2 现存问题

二跑道自动气象观测系统采用单一光纤传输方式,不满足《民用航空自动气象观测系统技术规范》第九条“民用航空自动气象观测系统应当具有通过有线和无线的通信方式远程传输实时数据及系统监控信息的功能”的要求。

二跑道整条跑道传感器通过串口服务器MCU111对数据进行集成,通信节点过于集中,MCU111故障将导致整条跑道数据丢失。同时,MCU111为单电源设备,无法进行供电备份,其内部设备TS16的直流供电模块芯片和电容也因品质缺陷,易受热老化。

二跑道传感器输出Modem信号,系统数据扩容能力较差,不利于传感器数据并线分接。此外,MCU111内部调制解调模块DMX501也存在Modem链路中断恢复后无法建立载波的风险。

2 项目设计

此次升级项目分为传感器输出改造、系统配置改造和无线改造3个部分[4]。MOXA IP与端口规划见表2所示。

表2 MOXA IP与端口规划

二跑道自动气象观测系统数据流程改造如图2所示。

图2 二跑道自动气象观测系统数据流程改造图

2.1 传感器输出改造设计

调整传感器配置,将二跑道自动气象观测系统的Modem信号输出改为RS-485。数据利用原Modem信号大对数线缆回传至下滑台机房,从下滑台避雷器后端并接出两路RS-485信号。必要时,可购置RS-485整形器将RS-485信号延长。

在跑道南、北、中3端分别设置有线、无线MOXA设备,替换原集中式端口服务器MCU111,分散传输节点风险[5]。

2.2 系统配置改造设计

在实施硬件改造前,修改Sensor IO服务Sensors.ini,Ports.ini等配置文件,获取同一传感器的两路数据。通过Dualserv.ini的配置,将二跑道数据输入改为A,B两路,A为有线MOXA预留。逻辑上,A路优先级高于B路。B路配置可根据本项目实施阶段不同需求进行动态调整。

2.3 无线改造设计

如图3所示,塔台可通视二跑道南(02R)、中(MID2)、北(20L)3端自动气象观测系统设备站址,对应距离分别为1932、819和992 m。可在塔台设立全向天线,跑道各端架设无线网桥。无线网桥接收无线MOXA的UDP数据;塔台无线网桥通过塔台接入交换机实现接入气象核心交换网,完成无线备份链路的传输。

图3 塔台通视二跑道传感器距离

2.3.1 频段选择

2.4 G和5.8 G为无线传输常用频段,无需取得无线电台执照。5.8 G采用正交频分复用技术和直接序列扩频技术,信道较多、频率较高,抗干扰能力较强。2.4 G信号频宽较窄,无线环境更加拥挤,干扰较大。相较于2.4 G信号,自动气象观测系统对实时性要求高,使用5.8 G信号更加合适[6-7]。

2.3.2 设备选型

根据图3可知,二跑道南、北两端与塔台夹角较大,约为112°。若使用扇面天线接收跑道传感器信号,可能覆盖不全。因此,在塔台端选址全向天线接收跑道信号,有利于后期无线网络扩容。本方案塔台端全向天线选型为UBNT AMO-5G13,塔台无线网桥选型为UBNT R5AC-Lite,接收二跑道三端传感器数据,通过POE连接气象交换网。二跑道南、中、北端传感器无线发射AP选型为UBNT LBE-5AC-Gen2,通过POE连接无线MOXA。塔台全向天线工作在5.8 G频段,增益13 dBi,场面各站点均在主波束范围内。

无线设备频谱在5080 MHz～ 5120 MHz。设备在PtMP链接模式下收发数据。两套设备的峰值功率小于27 dBm。设备频谱范围和功率情况全部满足《工业和信息化部关于加强和规范2400 MHz、5100 MHz和5800 MHz频段无线电管理有关事宜的通知》规定要求[8-9]。

3 项目实施

项目实施前期,机务人员可提前更新配置文件,在保证原有链路运行基础上,新增有线MOXA线路。此外,机务人员可提前架设、调试端口服务器MOXA和无线设备,利用无线通路和现有光纤链路,将有线、无线MOXA接入气象交换网内,待传感器RS-485输出改造完成,可直接接入MOXA。项目实施主要包含传感器输出改造、系统配置、无线改造和主备链路切换测试4个部分。

3.1 传感器输出改造实施

两端大气透射仪LT31和自动气象站MAWS301输出的改造,将影响跑道视程、风等关键气象数据。上述设备改造应在天气条件稳定较好时进行,并启用备份数据,必要时恢复原始链路模式。为减小对用户的影响,机务人员可从次降端、次要设备开始调整。

特别地,大气透射仪LT31、前向散射仪FS11P、云高仪CL31等光学设备可通过指令设置和接口调整实现RS-485输出。自动气象站MAWS301经数采器QML201输出采集数据。改造前,需检查原自动气象站*.adc配置文件。若配置预留RS-485输出模式,机务人员可通过调整QML201端口直接实现RS-485输出,否则应修改为正确的自动气象站*.adc配置文件。二跑道中间风采用WAT501进行数据A/D转换与数据输出。通过指令设置数据模式,实现中间端独立风站数据由COM0口或COM1口的RS-485输出[10]。

3.2 系统配置实施

方案设计2次配置文件更新。第1次更新在RS-485输出改造实施前进行,完成二跑道所有传感器RS-485输出调整后,进行第2次配置更新。

RS-485输出改造实施前期,自动气象观测系统保留原MCU111承载的Modem链路,将其调整为B路,保证本项目具备回退机制,涉及核心配置文件为dualserv.ini和ports.ini。在传感器RS-485输出调整期间,机务人员可对传感器逐台实施改造,很大程度地减小了项目升级过程中对用户数据的影响[11]。

所有传感器RS-485输出调整完成后,机务人员需再次修改配置文件,将B路调整为无线链路,涉及主要配置文件为ports.ini。

3.3 无线改造实施

机务人员可通过网页方式配置无线AP和Station的SSID、频宽、网络工作模式、信道、发射功率以及加密方式。

塔台全向天线架设在塔台顶部的西向外环,距离二跑道道面约95 m。根据技术手册,全向天线为仰角,波束宽度7°,下倾角2°。在完成全向天线架设后,机务人员可依次在传感器端设置定向AP天线。根据收发设备方向和距离位置关系,调整AP天线方位与仰角。机务人员可通过设备配置页面的SCAN功能扫描AP信号,对AP天线指向进行调整。特别地,UBNT设备也可根据信号强度自动上锁。

3.4 主备链路切换测试

对于AVIMET服务来说,主备A,B两路互为备份冗余且数据同步。系统服务器CDU负责主备链路的监视、切换控制和告警工作。主备链路切换测试应逐端进行,项目包括主备链路故障告警情况、A路故障时B路自动接管的情况、A路恢复时A路自动接管情况和手动切换A,B链路的情况[12-15]。

4 结束语

自动气象观测系统是民航运营的重要气象保障。若无法保证系统链路的可靠性,则有可能出现运营瘫痪,甚至威胁机上乘客生命安全。有线、无线主备的冗余机制能够提升自动气象观测系统的稳定性。该方案根据项目实施阶段不同,动态调整主备A,B链路的配置,很大程度上减小了改造过程对用户数据使用的影响,最终实现自动气象观测系统无线备份功能,满足气象高质量发展需求。目前中国民航系统仍有部分机场采用集中式通信控制器MCU111的链路模式,系统通信风险集中且链路形式单一。自动气象观测系统无线传输升级方案已在重庆万州机场完成验证,保证了万州机场航管楼搬迁工作顺利完成,可为民航机场自动气象观测系统无线传输改造提供参考。