黃躍智 張利輝 / HUANG Yuezhi ZHANG Lihui

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

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民用飛機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計和適航驗(yàn)證考慮

黃躍智 張利輝 / HUANG Yuezhi ZHANG Lihui

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

隨著我國航空事業(yè)的快速發(fā)展，關(guān)于機(jī)載衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)需求越來越強(qiáng)烈。衛(wèi)星通信覆蓋面積大、通信容量大、通信距離遠(yuǎn)、機(jī)動靈活、傳輸線路穩(wěn)定可靠，是克服現(xiàn)有甚高頻、高頻通信系統(tǒng)局限性的最佳選擇。首先對衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行了概述，在此基礎(chǔ)上全面論述了衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計過程的考慮事項(xiàng)、并提出適航符合性驗(yàn)證的方法建議，為民用飛機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的適航批準(zhǔn)提供支持。

衛(wèi)星通信；設(shè)計考慮；適航驗(yàn)證

0 引言

甚高頻通信提供機(jī)組成員與地面塔臺之間視距范圍內(nèi)的語音和數(shù)據(jù)通信。高頻通信提供遠(yuǎn)距離的語音和數(shù)據(jù)通信，但由于高頻通信受電離層影響較大，無法保證通信質(zhì)量。為保證通信的全天候使用，在長距離通信系統(tǒng)中使用衛(wèi)星通信設(shè)備，作為現(xiàn)有高頻和甚高頻系統(tǒng)的補(bǔ)充，以提供全球覆蓋的寬頻語音和數(shù)據(jù)通信鏈路。通過對衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)的適航標(biāo)準(zhǔn)和咨詢通告進(jìn)行研究，為民用飛機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計和適航驗(yàn)證提供支持。

1 語音通信系統(tǒng)概述

民用飛機(jī)語音通信通常是由甚高頻、高頻和衛(wèi)星通信子系統(tǒng)組成的。

甚高頻通信系統(tǒng)是最重要也是應(yīng)用最為廣泛的飛機(jī)無線電通信系統(tǒng)，主要用于飛機(jī)在起飛、著陸期間以及飛機(jī)通過管制空域時與地面交通管制人員之間的雙向語音通信。甚高頻系統(tǒng)的工作頻段通常為118MHz～136.975MHz，波道間隔為25kHz和8.33kHz。甚高頻信號只能以直達(dá)波的形式在視距內(nèi)傳播，所以甚高頻通信的距離較近，并受飛行高度的影響。當(dāng)飛行高度為10 000ft時，通信距離約為123 n mile；若飛行高度為1 000ft時，則通信距離約為40 n mile。甚高頻通信系統(tǒng)由收發(fā)機(jī)組和天線組成。

高頻通信系統(tǒng)為飛機(jī)與飛機(jī)之間或地面站與飛機(jī)之間提供語音通信。高頻系統(tǒng)占用2MHz～30MHz的高頻頻段，波道間隔通常選擇為100Hz。高頻系統(tǒng)利用地球表面信號來回反射和電離層反射傳播，因此信號可以傳播很遠(yuǎn)的距離，可達(dá)數(shù)千海里，但高頻的傳輸距離及使用頻率受電離層的影響，反射的距離隨時間和射頻的不同而有所改變。飛機(jī)上一般裝有1套或2套高頻通信系統(tǒng)，由高頻通信收發(fā)機(jī)、高頻天線耦合器及天線組成。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指利用空間的人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，以實(shí)現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信。與甚高頻、高頻通信相比，雖然衛(wèi)星通信的發(fā)射和控制技術(shù)比較復(fù)雜，有較大的信號傳播延遲和回波干擾，但具備通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、通信頻帶寬、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，因此在甚高頻通信無法實(shí)現(xiàn)或高頻通信不能保證的區(qū)域，選擇衛(wèi)星通信為飛行員和乘客提供一個全球覆蓋的寬頻語音和數(shù)據(jù)通信，以保證通信的全天候使用。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計考慮

2.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)

以下標(biāo)準(zhǔn)適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計批準(zhǔn)，包括衛(wèi)星通信設(shè)備功能的性能、軟件、硬件、環(huán)境要求、記錄以及音頻等方面的指導(dǎo)。

1)最低性能標(biāo)準(zhǔn)。TSO-C159b“新一代衛(wèi)星系統(tǒng)(NGSS)設(shè)備”[1]和 TSO-C132“地球同步軌道航空移動衛(wèi)星服務(wù)(AMSS)飛機(jī)地面站設(shè)備”[2]規(guī)定了衛(wèi)星通信設(shè)備為取得相應(yīng)的TSOA所必須滿足的最低性能標(biāo)準(zhǔn)。

2)軟件符合性。應(yīng)遵循AC 20-115C “機(jī)載軟件保證”[3]，該咨詢通告認(rèn)可DO-178B/C“機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備合格審定中的軟件考慮”作為民用航空機(jī)載軟件研制和審定可接受的符合性方法。

3)硬件符合性。應(yīng)遵循AC 20-152“航空無線電技術(shù)委員會公司文件RTCA/DO-254”[4]，該咨詢通告認(rèn)可DO-254“機(jī)載電子硬件設(shè)計保證指南”作為民用航空電子硬件研制和審定可接受的符合性方法。

4)環(huán)境要求。應(yīng)遵循DO-160“機(jī)載設(shè)備的環(huán)境要求和試驗(yàn)程序”，表明衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備完成了低溫、高溫、沖擊碰撞等鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

5)駕駛艙語音記錄器(CVR)。如果安裝了駕駛艙語音記錄器，應(yīng)提供在內(nèi)存中記錄所有機(jī)組人員衛(wèi)星語音通信的方法。

6)音頻管理系統(tǒng)。應(yīng)提供與音頻管理系統(tǒng)的接口。這些接口能增強(qiáng)機(jī)組人員的感知能力、協(xié)調(diào)性以及與高頻通信系統(tǒng)相當(dāng)?shù)奶綔y語言錯誤的能力。

7)操作界面要求。應(yīng)提供與顯示系統(tǒng)的接口，這些接口能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的顯示、日志測試、自測試等功能。

8)天線布置。應(yīng)遵循ARINC 781-4“航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)”，選擇合適的衛(wèi)星通信天線。按照不同的增益，可劃分為高增益天線、中增益天線、低增益天線。

2.2 設(shè)計考慮

2014年12月23號FAA發(fā)布了AC 20-150B“支持空中交通服務(wù)的衛(wèi)星語音設(shè)備的適航批準(zhǔn)”[5]， 對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的呼叫、通告、控制等設(shè)計提出了以下考慮：

1)衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級。設(shè)定和接收衛(wèi)星語音通信的優(yōu)先級順序如表1所示，根據(jù)對飛行安全的影響分為4個等級，優(yōu)先級1代表緊急的呼叫，如飛機(jī)快速下降或?yàn)槎惚軔毫犹鞖膺M(jìn)行緊急回避時的呼叫。按照以下方法處理衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級。

①如果衛(wèi)星通信系統(tǒng)是單通道的，當(dāng)通道正用于一個較低優(yōu)先級的呼叫，然后飛機(jī)接收到一個較高優(yōu)先級的呼叫，系統(tǒng)應(yīng)對正在使用的通道進(jìn)行清除，然后接收該優(yōu)先級較高的呼叫；

②如果衛(wèi)星通信系統(tǒng)是多通道的，當(dāng)所有可用的通道都在使用時，系統(tǒng)應(yīng)讓出優(yōu)先級最低的通道，以支持優(yōu)先級較高的呼叫；

③衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置駕駛艙的呼叫優(yōu)先級默認(rèn)為2級；

④衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須使機(jī)組人員具備單獨(dú)設(shè)置呼叫優(yōu)先級的能力，允許機(jī)組人員將他們的呼叫請求置于隊列的頂部。操作程序應(yīng)定義機(jī)組人員如何設(shè)置優(yōu)先級的說明。

表1 衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級

2)衛(wèi)星語音呼叫的路由。衛(wèi)星語音設(shè)備在收到“地-空”語音呼叫時應(yīng)驗(yàn)證優(yōu)先級。以下優(yōu)先級決定呼叫路由：

①如果衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級是1級到3級，將該呼叫發(fā)送到駕駛艙。

②如果衛(wèi)星語音呼叫的優(yōu)先級是4級，將該呼叫發(fā)送到客艙。

3)駕駛艙通告。衛(wèi)星通信系統(tǒng)不正常條件下的告警必須符合規(guī)章25.1322的要求，告警準(zhǔn)則應(yīng)與飛機(jī)的駕駛艙理念保持一致。根據(jù)AC 25.1322-1“機(jī)組告警”和AC 25-11B“電子飛行顯示設(shè)備”，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通告應(yīng)符合以下準(zhǔn)則：

①優(yōu)先級高的呼叫相比優(yōu)先級低的呼叫，可能會要求單獨(dú)的、更多的通告。為優(yōu)先級1、2或3的空中交通服務(wù)(ATS)“地-空”呼叫提供符合25.1322的聽覺和視覺告警。為優(yōu)先級4的非ATS通信通告提供視覺告警即可；

②當(dāng)連接上衛(wèi)星語音呼叫時，系統(tǒng)應(yīng)提供聽覺和視覺指示，將呼叫的優(yōu)先級和呼叫者的ID信息顯示給機(jī)組人員；

③當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用駕駛艙呼叫優(yōu)先功能時，系統(tǒng)應(yīng)向機(jī)組人員提供視覺指示；

④如果當(dāng)前呼叫被更高優(yōu)先級的呼叫占先時，系統(tǒng)應(yīng)向機(jī)組人員提供指示；

⑤在關(guān)鍵的飛機(jī)階段，如起飛和著陸階段，應(yīng)禁止用于呼叫的語音通告；

⑥當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)不能正常工作時，系統(tǒng)應(yīng)向機(jī)組人員提供探測到機(jī)載系統(tǒng)失效的告警方式；

⑦當(dāng)呼叫異常終止或連接失敗時，系統(tǒng)應(yīng)向機(jī)組人員提供指示；

⑧當(dāng)呼叫結(jié)束時，系統(tǒng)應(yīng)清除衛(wèi)星語音設(shè)備的呼叫地址，以避免機(jī)組人員繼續(xù)使用時出現(xiàn)困惑。

4)控制。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的控制應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則：

①每一機(jī)組人員對衛(wèi)星通信系統(tǒng)有足夠的控制權(quán)限，在執(zhí)行其他的駕駛艙任務(wù)時能方便地接聽呼叫；

②應(yīng)提供機(jī)組人員終止呼叫的方式，應(yīng)考慮通過按壓簡單的按鈕就能終止呼叫；

③機(jī)組人員應(yīng)可以使用快速撥號，也可選擇手動鍵入衛(wèi)星語音呼叫號碼；

④機(jī)組人員在不終止衛(wèi)星語音呼叫的情況下，可以使用其他的無線電通道；

⑤向機(jī)組人員提供衛(wèi)星語音系統(tǒng)的構(gòu)型，如系統(tǒng)運(yùn)行的軟件版本、數(shù)據(jù)庫版本、部件號、零件號。

3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的適航驗(yàn)證

為了向?qū)彶榉奖砻餍l(wèi)星通信系統(tǒng)滿足適用條款的要求，需要采用不同的方法進(jìn)行說明和驗(yàn)證。常用的符合性方法根據(jù)實(shí)施的符合性工作形式可分為10種[6]：MOC0——符合性聲明，MOC1——說明性文件，MOC2——分析和計算，MOC3——安全性評估，MOC4——試驗(yàn)室試驗(yàn)，MOC5——機(jī)上地面試驗(yàn)，MOC6——飛行試驗(yàn)，MOC7——機(jī)上檢查，MOC8——模擬器試驗(yàn)，MOC9——設(shè)備鑒定。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)通?？刹捎迷O(shè)計符合性說明、計算分析、安全性評估、機(jī)上地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)等驗(yàn)證方法來表明符合性。

1)MOC1設(shè)計符合性說明。該方法是通過提交圖紙、技術(shù)文件等型號設(shè)計資料來確定有關(guān)設(shè)計是否符合相應(yīng)的適航條款要求，可包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)備清單、設(shè)備安裝圖清單、線束安裝圖清單、軟件清單及相關(guān)的軟硬件合格審定文件。

2)MOC2計算分析。該方法是通過分析和計算的手段來證明有關(guān)設(shè)計符合相應(yīng)的適航條款要求。應(yīng)通過對衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備的供電線路分析，表明在可能的運(yùn)行條件下，衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備端的系統(tǒng)電壓均能保持在該設(shè)備的設(shè)計限制范圍之內(nèi)。

3)MOC3安全性評估。該方法是通過故障樹分析、失效模式影響分析、特定風(fēng)險分析等手段對有關(guān)設(shè)計進(jìn)行安全性評估，驗(yàn)證其對于相應(yīng)適航條款的符合性。應(yīng)對衛(wèi)星通信系統(tǒng)在預(yù)期環(huán)境下的運(yùn)行進(jìn)行評估，確定系統(tǒng)失效狀態(tài)的影響等級，表明衛(wèi)星通信系統(tǒng)不存在會引起災(zāi)難性后果的單點(diǎn)故障，也不存在會引起災(zāi)難性后果的潛在故障。

4)MOC5機(jī)上地面試驗(yàn)。該方法是在飛機(jī)停在地面時進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)來驗(yàn)證有關(guān)設(shè)計對于相應(yīng)適航要求的符合性。驗(yàn)證衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備裝機(jī)后顯示、控制和提示功能正常，日志測試、自測試和語音功能測試能滿足要求。

5)MOC6飛行試驗(yàn)。該方法是通過飛機(jī)在飛行中進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)來驗(yàn)證有關(guān)設(shè)計對于相應(yīng)適航要求的符合性。驗(yàn)證衛(wèi)星通信系統(tǒng)控制、提示、顯示功能正常；飛機(jī)巡航、加/減速期間，衛(wèi)星通信能夠接通，雙向語音通話清晰。此外，還應(yīng)考慮電磁兼容性，通過評估或檢查確認(rèn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與其他系統(tǒng)不存在干擾現(xiàn)象，如正副駕駛員分別同時使用衛(wèi)星通信和甚高頻通信時，檢查衛(wèi)星通信與甚高頻通信的電磁兼容性。

6)MOC7機(jī)上檢查。該方法是通過在飛機(jī)上進(jìn)行檢查的方式來驗(yàn)證有關(guān)設(shè)計對于相應(yīng)適航要求的符合性。檢查衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安裝，確認(rèn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的布置安裝依照總體布局定義，并且參考了每個設(shè)備的安裝環(huán)境要求，同時充分考慮了可達(dá)性及維護(hù)性要求。檢查衛(wèi)星通信系統(tǒng)安裝的每項(xiàng)設(shè)備用標(biāo)牌表明了設(shè)備的名稱、功能或使用限制。

7)MOC9設(shè)備鑒定。該方法是通過提交設(shè)備的合格證明文件的方式來表明對于相應(yīng)適航要求的符合性，一般用于裝機(jī)設(shè)備的符合性驗(yàn)證。如衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)備是TSO產(chǎn)品，提交相應(yīng)的TSOA表明符合性，否則通過設(shè)備鑒定報告等文件表明衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備滿足了相關(guān)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

衛(wèi)星通信系統(tǒng)在飛機(jī)上的安裝使用必須取得審定局方的適航批準(zhǔn)。前提是衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須表明系統(tǒng)的設(shè)計和驗(yàn)證滿足相關(guān)規(guī)章的要求，并按照局方的要求提供相應(yīng)的符合性證據(jù)。本文通過對適航標(biāo)準(zhǔn)和咨詢通告的研究，提出衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計考慮和符合性驗(yàn)證思路，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的適航工作提供參考。

[1] TSO-C159b, Next Generation Satellite Systems (NGSS) Equipment, 2014.

[2] TSO-C132, Geosynchronous Orbit Aeronautical Mobile Satellite Services Aircraft Earth Station Equipment, 2004.

[3] FAA Advisory Circular AC 20-115C, Airborne Software Assurance, 2013.

[4] FAA Advisory Circular AC 20-152, RTCA, Inc., Document RTCA/DO-254, Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware, 2005.

[5] FAA Advisory Circular 20-150B, Airworthiness Approval of Satellite Voice Equipment Supporting Air Traffic Service (ATS) Communication, 2014.

[6] AP-21-03-R4.型號合格審定程序[S].航空器適航審定司，2011，03，18.

Design Consideration and Airworthiness Validation of the Satellite Communication System for Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

With the rapid development of the civil aviation, the airborne satellite communication is used more widely. According to the larger coverage area, it is the best choice to supplement the very high frequency and high frequency communication system. This paper firstly describes the satellite communication, and provides a general design consideration and means of compliance, in order to support the airworthiness approval of the satellite equipment.

satellite communication;design consideration;airworthiness validation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.016

V243.1

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