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使用统计分析检测通信丢失的系统和方法
申请号	CN201210041213.X	申请日	2012-01-21	公开(公告)号	CN102761381B	公开(公告)日	2016-03-02
申请人	霍尼韦尔国际公司;			发明人	P·路德维希; T·F·麦古芬; P·布塔尼;
摘要	本发明涉及使用统计分析检测通信丢失的系统和方法。提供了用于检测飞机和地面站之间的通信丢失的系统和方法。在一个实施例中，用于为飞机检测通信丢失的系统包括：作为应用驻留在飞机通信管理单元(CMU)上的通信检测软件模块；与通信检测软件模块通信的CMU消息路由器；与通信管理单元耦合的至少一个无线电设备；用于与地面站相关联的RF区的通信业务密度的统计模型；其中，所述通信检测软件模块对所述至少一个无线电设备观测到的无线电通信的当前通信业务密度执行统计分析，以确定该飞机何时失去与地面站的通信链路。
权利要求	1.一种用于为飞机（105）检测通信丢失的系统，该系统包括：作为应用驻留于飞机(105)通信管理单元（CMU）（120）上的通信检测软件模块（110）；与通信检测软件模块（110）通信的CMU消息路由器（125）；耦合于通信管理单元（120）的至少一个无线电设备（130）；用于与地面站（212）相关联的RF区（210）的由至少一个无线电观测的无线电通信的历史通信业务密度的统计模型（112），其中通信检测软件模块（110）构建统计模型（112）；其中，所述通信检测软件模块（110）相对于统计模型对所述至少一个无线电设备（130）所观测到的无线电通信的当前通信业务密度执行统计分析，以确定飞机（105）何时丢失与地面站（212）的通信链路。 2.如权利要求1的系统，其中，通过观测一个或多个其他飞机与地面站（212）之间的通信来确定当前通信业务密度；且其中当飞机行进通过RF区（210）时，通信检测软件模块（110）为与地面站（212）相关联的RF区（210）建立通信业务密度的统计模型（112）。 3.一种用于为交通工具检测通信丢失的方法，该方法包括：分析在交通工具的无线电设备（130）处接收的输入无线电数据，以检测在一个或多个其他交通工具与地面站（212）之间的通信事件；基于检测到的通信事件，为地面站（212）的RF区（210）建立通信业务密度的统计模型（112）；基于通信业务密度的统计模型（112）和输入无线电数据执行统计分析，其中所述统计分析确定有关该交通工具是否仍处于RF区（210）内的概率；并且当统计分析指示该交通工具已离开RF区（210）时，提供通信丢失的输出；其中建立通信业务密度的统计模型（112）进一步包括当该交通工具行进通过RF区（210）时，从输入无线电数据建立通信业务密度的统计模型（112）。
说明书全文	使用统计分析检测通信丢失的系统和方法背景技术 [0001] 商用飞机通常通过地面站阵列与地面控制器和航线操作保持飞行中的VHF无线电通信。当飞机沿着其航线行进时，其将离开一个地面站的射频(RF)信号区域且进入下一个地面站的RF信号区域。由于商用飞机飞行的高度和速度，并且由于无线电信号的传播特性，当飞机离开地面站的射频(RF)信号区域时，来自地面站的传输的信号强度将会迅速地下降以致在对飞行机组人员没有任何告警的情况下，通信连接迅速地丢失(loss)。因此，今天的商用飞机即使在下一个地面站的RF范围内，也会在与下一个地面站建立连接之前的多达4到5分钟内不与任何地面站连接。在该间隔期间，飞行机组人员未意识到通信已丢失且可能漏掉重要信息。 [0002] 由于以上所述的原因以及以下所述的本领域的技术人员在阅读和理解说明书后将会变得显而易见的其他原因，本领域中存在对用于检测飞机和地面站之间通信丢失的改进的系统和方法的需求。发明内容 [0003] 本发明的实施例提供了使用统计分析来检测飞机和地面站之间的通信丢失的方法和系统，并且这些实施例将通过阅读和学习下面的说明书而得以理解。 [0004] 在一个实施例中，一种用于为飞机检测通信丢失的系统包括：作为应用驻留在飞机通信管理单元(CMU)上的通信检测软件模块；与通信检测软件模块通信的CMU消息路由器；与通信管理单元耦合的至少一个无线电设备；用于与地面站相关联的RF区的通信业务(traffic)密度的统计模型；其中，该通信检测软件模块对所述至少一个无线电设备观测到的无线电通信的当前通信业务密度执行统计分析，以确定该飞机何时丢失与地面站的通信链路。附图说明 [0005] 鉴于优选实施例的描述和以下附图进行考虑时，本发明的实施例可以更容易理解，并且因此进一步的优势和用途更加明显，其中： [0006] 图1是本发明的一个实施例的系统的框图； [0007] 图2是示出当从一个RF区越到另一个时，利用本发明的一个实施例的飞机的图示；并且 [0008] 图3是本发明的一个实施例的方法的流程图。 [0009] 根据通常的惯例，所描述的各种特征不是按比例绘制的，而是为了强调与本发明相关的特征而绘制。附图标记贯穿整个附图和文本表示类似元素。具体实施方式 [0010] 在下述具体描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过本发明可以被实施的特定的说明性实施例来示出。为了使得本领域的技术人员能够实施本发明，这些实施例被足够详细地描述，并且可以理解，可以利用其他实施例并且可以在不偏离本发明的范围的情况下做出逻辑、机械和电气改变。因此下面的详细描述将不视为是限制性的。 [0011] 通过为飞机提供基于地面站的RF信号区域中的RF通信的统计模型快速确定其何时离开甚高频(VHF)地面站的RF信号区域(同样被称为RF区)的手段，本发明的实施例解决了检测与地面站的连接丢失的问题。当该飞机仍在地面站的RF信号区域内时，来自其他商用飞机通信的与该地面站的上行链路通信可以被监视、存储以及用来创建该RF信号区域内的RF通信的统计模型。该统计模型可以编译统计量，如每秒观测到的平均传输数量。当所监视的的来自其他商用飞机的通信速率开始偏离为该区建立的统计模型时(例如，当发生统计上的长时期的RF静默(silence)时)，那么本发明的实施例可以确定该飞机是否仍在与该地面站的通信范围内的概率。基于所确定的概率，该飞机将确定其是否已不在该地面站的范围之内，并且在至少一个实施例中，其尝试与另一VHF地面站或者与替代的通信源，如通过高频(HF)无线电或者卫星建立连接。即，VHF无线电当前是最便宜的通信选择。尽管如此，在VHF无线电不可用的场合(例如，在公海的区域上)，一旦检测到与VHF地面站的通信丢失，就可以利用替代的系统。 [0012] 发生在飞机和地面站之间的VHF通信的类型可以包括，但不局限于，航线业务通信(AOC)，如天气报告、着陆、起飞、登机或维护信息、飞行计划或公告，或者任何RF消息或协议消息，如确认，或者空中交通管制消息，例如但不局限于CPDLC消息。 [0013] 图1是示出本发明的一个实施例中用于为飞机105检测通信丢失的系统100 的框图。在图1示出的实施例中，系统100使用作为应用驻留在飞机105的通信管理单元(CMU)120上的检测软件110来实现。CMU 120经由至少通过VHF无线电设备130建立的通信链路来与地面通信。典型地，CMU 120将可以使用额外的无线电装备135来建立其他通信链路，例如，但不局限于卫星通信(SATCOM)或高频数据链路(HFDL)通信。这里用到的术语，通信管理单元(CMU)是指通过飞机通信寻址与报告系统(ACARS)和/或航空电信网(ATN)对飞机执行数据链路路由功能的机载计算机系统。CMU标准在ARINC规范758中定义。当检测到通信丢失时，以发起从一个地面站到下一个通信服务的切换为目的，检测软件110与CMU 120的消息路由器125进行通信。 [0014] 进一步如图2所示，当飞机105在与一个特定VHF地面站212相关联的第一RF区210中飞行时，将存在一定量的该RF区210中的各个其他飞机(如飞机214所示)与地面站212的正常的外界的VHF通信业务。由于这些其他飞机214中的每一个都将使用与飞机 105相同的VHF 频率与地面站212通信，因此它们能够容易地监视彼此的与地面站212的VHF通信。因此，当飞机105进入区210时，它的无线电设备130将拾取(pick up)地面站 212与其他飞机214之间的无线电业务。随后，当飞机105开始离开区210时，观测到的业务密度将显著地变少并且最终消失。 [0015] 基于区域内通常的商业空中交通量，不同地理区域中的地面站将存在不同的统计量。例如，美国东海岸北大两洋沿线的RF信号区域平均将比国内人口较少的地区中的RF区拥有更高密度的商业空中交通通信密度。于是，在一个实施例中，当飞机行进通过RF区时，检测软件110建立通信业务密度的统计模型112。在一个实施例中，统计模型112保存在CMU 120的存储器113中。 [0016] 检测软件110使用统计模型112来执行VHF无线电设备130接收到的当前通信业务密度的统计分析，以确定飞机105何时丢失了其与地面站210的通信链路。当前通信业务密度通过观测其它飞机214与地面站210之间的VHF通信来确定。在一个实施例中，除了观测飞机214与地面站210之间的通信，检测软件110同样观测飞机105自身与地面站210的通信。例如，假设为区210编译的统计模型112指示VHF通信将通过无线电设备130平均每5秒观测一次。在一个实施例中，检测软件110将使用当前通信业务密度来确定飞机105何时已丢失其通信链路的概率。例如，在一个实施方式中，根据统计模型112，VHF 通信将通过无线电设备130平均每5秒观测一次。在这种情况下，检测软件110可以确定当在30秒时段之后都没有检测到VHF通信时，飞机105没有与地面站210通信的可能性为 90％。在一个实施例中，仅仅在特定信号水平上的无线电通信被视为“观测到”。如果作为替代，统计模型112指示将平均每15秒观测一次VHF通信，则检测软件110通过统计分析可以确定当在20秒的时段之后都没有观测到消息时，飞机没有与地面站210通信的概率为 20％，当在60秒之后都没有观测到消息时，有99％的概率。正如本领域的普通技术人员在学习该说明书后可以理解的那样，上面提供的概率数字仅仅用作说明的目的。 [0017] 在一个实施例中，例如，检测软件110利用基于通过统计模型112生成的泊松分布的统计分析。即，泊松分布由接收VHF通信的预期平均周期(例如，每15秒通信一次)来生成。统计分析于是将提供自从接收上一次VHF通信以来t秒的时间将接收到VHF通信的数字概率。当为预定时间段所计算的概率超出了预定义阈值(例如，95％)并且在该时间段内没有观测到VHF通信时，检测软件110推断出发生通信丢失。 [0018] 在一个实施例中，当检测软件110推断出已经发生通信丢失(例如，当预定概率阈值被触发)，检测软件110产生到CMU120上的其他通信管理应用115的告警，用以评估用于飞机105建立下一个通信链路的其他可用的通信选择是什么。例如，在一个实施例中，当检测软件110检测到通信丢失时，其将发信号通知CMU消息路由器来发起从地面站212到下一个适合飞机105的飞行路径的RF区(例如，地面站242的RF区240)的VHF频率的切换，或者当VHF不可用时，可替换地，管理到如SATCOM或者HFDL之类的另一个通信服务的切换。 [0019] 在执行如从RF区210到240的切换的情况下，产生新的软件模型112来表示RF区240的预期通信业务密度。在一个实施例中，一旦飞机离开RF区，就清除为该RF区开发的任何统计模型。在其他实施例中，该模型被存储，以供将在飞机再次进入该区时作为参考。 [0020] 图3是示出本发明的一个实施例的方法300的流程图。在一个实施例中，方法300的一个或多个元素被实施为由飞机CMU(如CMU 120)存储和执行的计算机可执行代码。进一步的，虽然图3的方法提供了采用飞机作为对象交通工具的方法实施例的示例，但本领域的技术人员在阅读本说明书时将可以理解，所描述的方法可以应用于其他交通工具以及交通工具类型的组合。因而，本发明的实施例不限于仅包括飞机的交通工具。 [0021] 该方法开始于310，其中分析在飞机的无线电设备处接收到的输入无线电数据来检测在一个或多个其他飞机与地面站之间的通信事件。在一个实施例中，该无线电设备是VHF无线电设备。VHF无线电信号由飞机的VHF无线电设备接收，并且在一个实施例中，被数字化以创建通过软件应用进行处理的输入VHF无线电数据。VHF通信事件包括其他飞机与地面站之间的VHF通信。由于其他飞机中的每一个都使用与执行方法300的飞机相同的VHF频率与地面站通信，因此它们能够容易地监视每个其他飞机与地面站之间的VHF通信。因此，当飞机进入地面站的RF区时，它的VHF无线电设备将拾取地面站与其他飞机之间的无线电业务。随后，当飞机离开RF区时，观测到的业务密度将会显著地降低并且最终消失。 [0022] 该方法在320继续，其中基于检测到的通信事件，建立RF区的通信业务密度统计模型。正如上面所解释的，不同地理区域内的RF区基于该区域内通常的空中交通量将拥有不同的统计量。因此，在一个实施例中，当飞机行进通过RF区时，软件应用建立通信业务密度的统计模型。在一个实施例中，该统计模型保存在飞机的CMU的存储器中。 [0023] 该方法在330继续，其中基于通信业务密度的统计模型和输入的无线电数据执行统计分析，其中该统计分析确定飞机是否仍处于该RF区内的概率。在一个实施例中，使用该统计模型，该软件应用执行如输入无线电数据指示的当前通信业务密度的统计分析。如上面关于图1和图2的所解释的，在一个实施例中，该软件应用将使用当前的通信业务密度来确定指示飞机是否已经离开地面站的RF区且因此丢失其通信链路的概率。在一个实施例中，执行统计分析采用基于通过统计模型生成的泊松分布的统计分析来得出通信丢失是否发生的结论。在一个实施例中，该结论基于所述概率是否超过预定阈值。 [0024] 该方法在340继续，其中当该统计分析指示飞机已经离开RF区时，提供通信丢失的输出。在一个实施例中，当该方法推断出发生了通信丢失(例如，当预定概率阈值被触发)，产生告警。在一个实施例中，产生到CMU上的其他应用的输出来发起关于对为飞机建立下一个通信链路而言可用的其他通信选择是什么的评估。例如，在一个实施例中，当块340确定发生通信丢失时，软件应用发信号通知CMU消息路由器来发起到下一个RF区的另一个VHF频率的切换，或者可替换地，当VHF不可用时，到另一个通信服务的切换，如SATCOM或者HFDL。 [0025] 在一个实施例中，当执行到新的RF区的切换(在350处确定)时，该方法在块310处继续并且在320处产生新的软件模型来代表新的RF区的通信业务密度。在一个实施例中，一旦飞机离开RF区，就清除为该RF区开发的任何统计模型。在其他实施例中，该方法包括存储先前的模型，以供将来在飞机稍后再次进入RF区时作为参考。 [0026] 在阅读该说明书后，本领域的普通技术人员将可以理解，所描述的系统和方法同样可以被应用于除了VHF无线电之外的其他RF通信技术。因而，本发明的实施例不局限于检测VHF通信丢失，而是包括其他通信技术的范围，例如，但不局限于，高频(HF)通信以及卫星通信(SATCOM)。 [0027] 若干种装置可用于实施本说明书中讨论的系统和方法。这些装置包括，但不局限于，数字计算机系统、微处理器、通用计算机、可编程控制器以及现场可编程门阵列(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)。因此本发明的其他实施例是驻留在计算机可读介质上的程序指令，所述程序指令当通过这些装置实施时，使得其实现本发明的实施例。计算机可读介质包括任何形式的物理计算机存储设备。这样的物理计算机存储设备的示例包括，但不局限于穿孔卡、磁盘或磁带、光数据存储系统、只读闪存(ROM)、非易失性ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(E-PROM)、随机存取存储器(RAM)，或者任何其他形式的永久、半永久或者临时的存储系统或者设备。程序指令包括，但不局限于由计算机系统处理器执行的计算机可执行指令，以及硬件描述语言如甚高速集成电路(VHSIC)硬件描述语言(VHDL)。 [0028] 虽然此处示出且描述了特定的实施例，但是本领域的技术人员将能够理解为任何达到相同目的所计算的任何布置可以代替示出的特定实施例。这种应用意在涵盖本发明的任何适配或变化。因此，显然本发明意在仅由权利要求和其等同变化来限制。

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