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飛航定位與報告系統

No.41   1996 June.   p79~83,   by 林茂榮 / BV5OC



    踏話頭:本文所提到的名詞 ACARS 是對飛航定位與報告系統的稱呼,為了行文上的自然及方便,本文中有時直稱 ACARS,有時又稱飛航定位與報告系統,並無一致,違背了一般文章的原則,假使這樣對讀者有所不便,還請見諒。……林茂榮 BV5OC



前言

    飛機一但飛上天,可以說已經自成一個獨立系統,與外界的聯絡完全要依靠無線電通訊,因此無線電通訊對飛航的重要性可想而知,舉凡飛航氣象狀況、航路的異狀報告、飛航路徑的定點報告、飛行安全管制等,都是透過無線電才能保持訊息通暢,下面是一個典型的飛航通訊電文 (後頭的中文是我加註的):

    CATHAY 229 CALLING SAN FRANCISCO ARINC ON 129.35. (國泰 229 班機在129.35MHz呼叫舊金山的 ARINC)

    THIS IS SAN FRANCISCO, GO AHEAD CATHAY 229. (這裡是舊金山的 ARINC,國泰 229 班機請講)

    CATHAY 229 WAS OUT AT ORD AT 14:01 AND OFF AT 14:09. WE WERE ON AT ST. LOUIS AT 15:10 AND IN AT 15:20. OUT ST. LOUIS AT 16:30, OFF AT 16:44. DELAY DUE TO WAIT FOR LATE CONNECTING PASSENGERS. FUEL ON BOARD IS 28.0 ESTIMATING LAS VEGAS AT 18:25 PLEASE RELAY TO COMPANY AT ORD.

    ROGER, CATHAY 229: OUT OF ORD AT 14:01 OFF AT 14:09. ON ST LOUIS AT 15:10 AND IN AT 15:20. OUT ST. LOIUS AT 16:30 AND OFF AT 16:44. DELAY DUE TO WAIT FOR LATE CONNECTING PASSENGERS. FUEL ON BOARD IS 28.0 ETA LAS VEGAS AT 18:25 WILL RELAY TO COMPANY AT ORD. HAVE A GOOD FLIGHT.

    THAT'S AFFIRMATIVE. THANKS, ARINC. GOOD DAY.

    上面這一段電文,若是經由熟練的操作者以飛航話務無線電來做對話,平均大約要花掉一分鐘左右的時間,如果計算實際應用時整個的通訊時程,恐怕會因為電台忙碌而等待,那就要花更多的時間了;如果以更宏觀的角度去看,通訊時可能包括更換工作頻率或是其他因素的干擾,都會使整個通訊時間加長,因此這樣的一份電文,大約要佔去 3 ~ 5 分鐘的通訊時間。

    像上面這類經由 ARINC 頻道呼叫而進行的話務通訊電文,每一天平均大概要有一千次以上,一個月下來就將近會有三萬次這類的通訊,這一數字聽來真是嚇人,但是有了飛航定位與報告系統之後,每天像這樣的電文就大量萎縮,剩下十幾通了。

    飛航定位與報告系統是 Aircraft Addressing and Reporting System 的縮寫;成為 ACARS;上面這類話務電文內容,如果經由 ACARS 系統以數據方式來傳送,一般只需要花費 1/3 秒左右。


ACARS 的起源

    飛航定位與報告系統是於 1970 年代中期,由飛航無線電公司 (ARINC) 所研究發展出來的一套系統,專供飛行工業用途。此系統發展上市之初,表現便很成功,因此就有許許多多的航空公司把所屬的航隊飛機上裝配了 ACARS 系統。


ACARS 使通話量減少了

    ACARS 系統出現後,最大的衝擊是傳統的話務通訊,這自動系統介入之後,以往的話務通訊量迅速萎縮,而用在這方面通訊的人力也迅速減少了。

    此系統之所以會有很高的效率,是因為 ACARS 系統使用單一頻率,這頻率是選用 VHF 飛航頻率之一。不論是地對空或是空對地都使用相同的頻率,全球各地的地面電台也都使用同一頻率。如果要解釋此一系統,可以使用包封通訊來說明,這就像是世界各地的飛行路徑上,都有使用同一頻率的包封電台,而地面的電台則透過各種網路連線在一起,因此配備有 ACARS 的飛航機,透過 ACARS 隨時都可以和公司保持聯繫,公司也可以掌握每一架次的飛航情況。

    ACARS 系統使用不久後,每個月的訊息量便激增達三百萬次,由於配備 ACARS 的各家航空公司要求的服務項目不斷增加,同時配備 ACARS 的飛機也不斷竄升,因此後來又不得不開闢了另一個頻率。之所以有越來越多的航空公司願意配備 ACARS 系統,這並不是一窩蜂現象,而是 ACARS 有很實用的價值,加上 ACARS 系統與現行飛機上的通訊設備都可相容,也就是不必更新通訊設備,這樣一來,不必浪費老闆們的荷包,自然就更受歡迎了。最重要的是,發展飛航定位與報告系統之初,就已經考慮到下一代飛機的需要了,這也使得整個飛航工業更有效率。

    但是要細心觀察的是,不論怎麼樣的情況下,總是會有必要以語音通訊的資料要進行,因此飛航定位與報告系統並不能代替一切,但是有了飛航定位與報告系統之後,飛行的資訊不需要飛行員的勞心,飛航情報一切都可以自動收集,並且轉發給地面的航站電台,這可以減少 128.825MHz 到 132.000MHz 之間的話務量,自然在有需要時以話務做通訊,也可以讓這頻率間的通訊進行得更從容悠閒。


OOOI

    配備有 ACARS 系統的飛航機,只要加強飛機上的一些感測裝置的自動化之後,並且與 ACARS 連線,如此一來當飛行員做一些程序調整時,不需要人工介入,飛航定位與報告系統就能自動把訊息資料傳送給地面電台。例如飛機從登機閘門退出時、飛機起飛時、飛機著陸、及飛機抵達登機閘門,不論這飛機是抵達終點站或只是中途停靠,都可以由飛航定位與報告系統自動報告給航空公司,以航空術語來說,飛機從登機閘門退出時 (Out)、飛機起飛時 (Off)、飛機著陸 (On)、及飛機抵達登機閘門 (In) 這幾個程序加在一起,稱為 OOOI (發音 OO-EE),這是從每個動作的第一個字母加起來的字。

    實際上,飛航定位與報告系統也就是針對這些瑣脆的訊息做自動傳送而設計的,但是後來發現 ACARS 系統對於其他的相關訊息傳送也很有效率,也就使得 ACARS 的內容也越來越豐富,雖然 ACARS 以來自自動感測收集系統的資料為主,甚至有些傳送資料可以由飛行員以手工鍵入。

    簡單的說,ACARS 就是一種地 - 空之間的通訊網路,這可以使飛航機就像是一個終端用戶,而成為一個很好的指揮與控制 (C2) 及處理系統,透過無線電數據網路,從分佈在世界各地的飛航定位與報告系統地面電台,可以蒐集到飛航機的重要飛航資訊。

    地面電台接收到了飛航定位與報告系統訊號之後,先經由中央電腦處理,再把這些數據資料轉換成一般的文字,經由 ARINC 的電子交換系統 (ESS),可以很快地把資訊送給各航空公司。

Fig 01
圖 1:ACARS 系統網路由三個主要結構組成。

    ACARS 系統網路由三個主要結構組成,參看圖 1,包括有:

  • 飛行器的次系統,也就是裝設在飛航機上,包括有管理與控制單元。
  • ARINC 地面次系統,包括 VHF 飛航定位與報告系統網路”飛航定位與報告系統的前端處理系統 (AFEPS)、以及 ARINC 的電子交換系統。
  • 攜帶有命令與控制及管理單元的次系統,包括地面飛行工作、維修中心、派遣調度中心等。

Fig 02
圖 2:飛航機上的 ACARS 次系統,包括管理單元及控制單元,以及圍繞這兩單元的週邊配合設備。

    圖 2 更詳細地說明了飛航機上的次系統,包括管理單元及控制單元,以及圍繞這兩單元的週邊配合設備。圖 3 則是控制單元的外貌,經過這個單元,可以成為飛行員操作板上與 ACARS 系統之間的介面,它可以讓飛行員以手工輸入飛機的起飛及抵達時間以及預定的抵達時間,飛行員甚至可以輸入一個地址 (例如電話號碼) 要求做電話轉接通訊等。注意 ACARS 控制器上的顯示面板,這在輸入資料時可以顯示鍵入訊息、平時可以顯示通訊頻率、也可以儲存 OOOI 時間、飛行航班編號、以及國際標準時間,也可以指示系統的狀態,以及地對 空的通訊要求。

Fig 03
圖 3:飛機上 ACARS 控制單元的外貌,飛行員可以經過這個單元以手工輸入飛機的起飛及抵達時間以及預定的抵達時間,或是其他資料。
Fig 04
圖 4:典型的 ACARS 地面電台設備。

    雖然這種老式的 ACARS 系統控制器上只有米字形顯示器 8 組,一次只能顯示 8 個字母或數字,實在很不方便。另外也有一些新的 ACARS 系統裝備,這些更完備的系統包括有陰極顯示管的螢幕,並且連接有列表機,但是因為昂貴,配備這類控制器的飛機並不多。

    前面提到過,ACARS 系統出現之後,民航的空 - 地話務聯絡頓然減少許多,在 ACARS 系統未引進之前,大約有 70% 以上的通訊都是與抵達及啟程有關 (也就是 OOOI 時間)。ACARS 系統減少了許多寶貴的通訊時間,但是除了 OOOI 訊息外,飛航定位與報告系統也可以做下列的通訊項目:

  • 配備有精密可靠儀器的航空器,可以做氣象的觀測報告。
  • 更新最新的氣象資料。
  • 更新抵達目的地預定時間 (ETA)。
  • 起飛推力 (Takeoff thrust)。
  • 選呼式的呼叫。例如選呼控制器失效時,可以透過飛航定位與報告系統告知在某個頻率上有話務要聯絡。
  • 機長時程訊息。
  • 油料狀態或是需要訊息。
  • 飛行管理電腦的訊息更新。
  • 其他以電腦為基礎的訊息服務。

    ACARS 系統的前途無可限量,它的主要限制就是技術創新,因為基本上 ACARS 系統可以算是一般用途的數據網路,自然它一定備有足夠的容量以供擴展的空間,也可以隨著需求成長而拓展出更多服務項目。

    提供有飛航定位與報告系統的機場會有一 VHF 電台與飛航定位與報告系統網路相接通,可惜這在亞洲使用還不是很普遍,目前 ACARS 系統地面電台超過二百座以上,以美洲為例,整個飛航定位與報告系統網路除了連遍美國本土外,也銜接了加拿大、夏威夷、及墨西哥等地。而在亞洲,雖然使用量遠不如歐美地區,目前在 ACARS 系統的 VHF 頻道上,也幾乎隨時可以聽到飛航定位與報告系統訊號。

    參看圖4 是典型的ACARS 地面電台設備。


與 ACARS 相容的 AIRCOM

    另外與 ARINC 相類似的 SITA 航空通訊服務公司,也發展有一套與飛航定位與報告系統相同的服務,但稱之為 AIRCOM,這大都是歐洲的國家使用,有許多這類電台遍及歐洲,目前這套系統服務的範圍包括有南大西洋、東南亞等,而飛航定位與報告系統與 AIRCOM 是相容的,配備有飛航定位與報告系統的航空器,也可以使用 AIRCOM 系統。


ACARS 不能使用於高頻

    原先發展 ACARS 系統時,雖然是針對 VHF 頻道的通訊,但是計畫中也想把 ACARS 系統帶到高頻去,可惜這計畫一直未能實現,直到目前為止,ACARS 系統還未能與現存的高頻航空通訊設備相容。


ACARS 訊號頻譜

    如果你監聽到 VHF 的 ACARS 系統訊號,它聽起來就像是高速的 RTTY 訊號,或者是 PACKET 訊號的蛙叫聲,但是這訊號無法以 RTTY 或者是 PACKET 解讀。目前在台灣地區可以監聽到的 ACARS 訊號在質與量方面都相當可觀,唯此地區似乎只使用單一頻率,後來開放的第二個頻率在這區域內好像尚未啟用。參看圖 5 是 ACARS 訊號頻譜。

Fig 05
圖 5:ACARS 訊號頻譜。



哪裡可以聽到 ACARS 訊號

    監聽 ACARS 訊號可以採用 VHF 的 AM 模式,主要的使用頻道如下:

    131.550MHz:這是 ACARS 系統的主要頻率,除歐洲外,世界各地主要地面電台都使用這個頻率,目前在台灣只可以在這個頻率上監聽到 ACARS 訊號。

    130.025MHz:這是在 ACARS 訊號忙碌地區採用的副頻率,目前台灣地區還沒有監聽到的記錄。

    129.125MHz:在非常忙碌地區中使用的第三順位頻率。

    131.475MNz:這是加拿大航空公司自行裝設的 ACARS 系統頻率。

    131.725MHz:這是歐洲地區 ACARS 系統的主要頻率。


監聽結果

    以在台灣中部而言,經過最近幾個月的監聽結果,每一天大約可以監聽到 600 筆至 700 筆左右的資料。發出 ACARS 訊號時機以離開機場後,或是進入機場 (指接近進場) 最頻繁。至於巡航高度極高的飛機在飛越「飛航情報區」時,也常會以 ACARS 訊號發出訊息。

    ACARS 訊號最常見的內容有:啟航以及抵達的相關訊息、氣象報告、提前抵達通告、飛航計畫資料、風向變化、載重以其相關訊息、引擎資料及燃油料剩餘量、飛航位置報告、飛航誤點 (時間延遲)、飛機保養相關資料、及私人訊息等。

    可以監聽到的航機,包括有:加拿大航空公司、西北航空公司、聯合航空公司、大陸航空公司、環球航空公司、法國航空公司、大英航空公司、荷蘭航空公司、德國航空公司、日本航空公司、韓國航空公司、瑞士航空公司、中華航空公司、及大日本航空公司等。


如何監聽 ACARS 訊號

    首先必須備有可以監聽 VHF 航空頻道的接收機,頻率是 118MHz 到 136MHz,使用的 MODE 也是 AM,國內可以買到現成的接收機很多,有各種廠牌的寬頻帶接收機,甚至是許多單頻手機或是雙頻手機也都可以接收;至於叫做 SCANNER 的,不論是桌上型的如 AOR 廠牌 AR-3000 或是手持型的 AR-8000 也都可以接收。

    再者就是天線,我建議一種稱為 SLIM - JIM 的天線,此天線不僅容易製作,材料也容易取得,更重要的是性能頗佳 (航空波段用 SLIM - JIM 天線的詳細製作細節請參看本雜誌 28 期 80 頁「自製 SLIM - JIM 天線」)

    再來就是重頭戲,也就是 ACARS 訊號解碼器,因為 ACARS 訊號既不是 PACKET 也不是 RTTY,它是一種傳送速度 2400 鮑的同步訊號,因為傳送速度已經不像是高頻包封的 300 鮑,因此接收 ACARS 訊號時,必須要把「靜音」完全打開,也就是平常應該保持在突破靜音的狀態,否則靜音的延遲,會使資料不完整。目前 AEA 新開發出的 TNC 也都可以解出 ACARS 訊號,不過都不是標準配備,必須選購 ACARS 專用軟體才行。 END



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