民機數據鏈系統的設計考慮

宋金澤 解麗榮

摘 要：數據鏈系統作為當代及未來民用飛機上的重要系統之一，相比傳統的語音通信方式，具有傳輸速度快、消除口音歧義、便于回讀等優勢，不但在空中交通管理領域應用廣泛，對航空公司提高運營效率、減少成本也起到巨大作用。該文站在設計的角度，首先闡述了數據鏈系統的必要性，然后講解系統的傳輸媒介和基本組成，接著從應用設計、人機界面、與機上其他系統的接口進行描述，并說明了測試方面的工作，最后展望了民機數據鏈系統的發展趨勢。

關鍵詞：數據鏈 應用 接口 趨勢

中圖分類號：TN914 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0088-02

民機數據鏈系統通過數據通信網絡建立飛機與地面信息化系統之間的連接，實現雙向實時的地空數據通信，它主要取決于兩方面的需求：（1）空中交通管理：數據鏈系統能夠降低對日益擁堵的語音信道的依賴與占用，消除不清晰的話音和噪音，消除話音通信中方言引起的理解問題，提升管理效率，減少飛機等待時間，增加交通容量；（2）航空公司管理：航空公司能通過數據鏈系統實時掌握飛機的運行、健康狀態，提高運營效率。

各國民航當局都在加大對數據鏈基礎設施的投入，并逐漸提高對在其轄區內運營飛機的要求。航空公司出于航路運營資格的考慮與自身對機隊管理的需要，在選購新飛機時非常重視數據鏈系統。

1 數據鏈系統的傳輸媒介

目前應用最廣泛的數據鏈傳輸媒介有三種，分別是甚高頻通信、高頻通信和衛星通信（包括海事衛星和銥星）。通過選擇支持數據鏈功能的機載端系統收發機，可以在提供語音通信功能的同時構成數據鏈子網絡，傳輸飛機通信尋址與報告系統（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）報文。

由于甚高頻通信是視距傳播，甚高頻數據鏈的使用受地面臺站覆蓋程度的影響很大。在地面臺站不能覆蓋的地區，需要把信息暫時存儲，直至飛行到地面臺站覆蓋區才能繼續傳輸。對于選裝有高頻或者衛星數據鏈的飛機，則可避免甚高頻通信傳輸距離近的不足。[1]需要注意的是，海事衛星覆蓋區域不包括地球兩極地區。

ATN（Aeronautical Telecommunication Network）是全球地空一體化的航空專用網絡，采用開放式體系結構的VDL（Very High Frequency Data Link）設計標準，在其四種技術： VDL Mode1、VDL Mode 2、VDL Mode 3和VDL Mode 4中，VDL Mode2以其對現有ACARS網絡的兼容性、和對未來ATN網絡的無縫隙結合而成為當前數據鏈技術的重要選擇。[2]

當前主流的民機都安裝有甚高頻數據鏈系統，且同時兼容ACARS與VDL Mode2模式，高頻與衛星數據鏈系統可視客戶需求選裝。為了獲得市場競爭力，新研飛機的設計應至少與主流民機保持一致的水平。

2 數據鏈系統基本組成

通信管理（路由）功能是機載數據鏈系統的核心，它的一端是甚高頻、高頻和衛通等收發機，發揮著與外界收發信息的作用，另一端是機上用戶，包括ATS/ATC/AOC等報文應用和各種機上終端。通信管理可以通過單獨的設備來實現，稱為通信管理單元（CMU），也可以通過在綜合模塊化航空電子（IMA）的通用處理模塊中駐留的軟件實現，稱為通信管理功能（CMF）。[3]選擇CMU或者CMF是整機航電系統架構設計與權衡的結果。

機載數據鏈系統的另外兩個功能分別是“操作與顯示”功能（人機接口），用于發送和查看報文，和“配置與維護”功能，用于設置飛機尾號、ICAO代碼、監控目前每個子網絡的數據鏈路狀態、監控外設狀態、測試鏈路、選擇數據鏈服務提供商（DSP）等。

3 數據鏈系統應用設計

數據鏈系統應用可分為空中交通服務（ATS）、空中交通管制（ATC）和航空公司運營控制（AOC）三大類。

常用的ATS應用有四種：（1）航站自動信息服務（ATIS）報告；（2）越洋放行報告；（3）離港前放行報告；（4）駕駛員航站天氣信息報告（TWIP）；

ATC應用則與飛管系統有緊密的交聯，它分為運行在ACARS網絡的FANS 1/A+（CPDLC、ADS-C和AFN）與運行在ATN網絡的LINK2000+（CM、CPDLC）。為了降低與飛管系統交聯的接口復雜度，在IMA系統中將飛管與CPDLC功能一同開發是比較好的選擇。FANS 1/A+服務在北美和中國使用，LINK2000+則在歐洲使用。為了提高飛機的通用性與市場競爭力，設計時最好同時具備FANS 1/A+與LINK2000+能力。

AOC應用允許航空公司管理運行、氣象、延誤、維護以及其他相關的運營活動，種類繁多，且可由航空公司自行定義，典型的AOC報文包括：（1）OOOI報；（2）飛行狀態、延誤及變更報；（3）氣象報請求；（4）維護報文；（5）客艙服務請求（輪椅、醫療等）；（6）橋位請求；（7）其他自由報文。

以波音公司開發的實時監控系統AHM與空客公司開發的AIRMAN為代表，航空業越來越重視利用數據鏈系統實現飛機狀態的實時監控和分析。[4]實時監控的核心就是AOC報文，它帶來的自由度使航空公司實施集中簽派放行、集中配載、飛機遠程在線故障報告與診斷等成為可能，為航空公司提高安全保障水平、節省運行成本和提高旅客服務質量提供了有效手段。[5]

在系統設計時，AOC應用的設計保障等級為E級，使用獨立的分區，與ATS/ATC應用隔離，使得對AOC的更改不影響系統安全，不需要適航當局再次介入。AOC應用需方便航空公司修改與加載，一般應能將修改后的文件通過ARINC 615加載機加載到飛機上。

4 數據鏈系統人機界面

大多數飛機數據鏈系統的人機交互界面為基于ARINC 739的MCDU（多功能控制顯示組件），機組按壓MCDU上的行選鍵，通過菜單層層進入數據鏈應用界面，使用MCDU上的鍵盤在便簽欄輸入信息，再通過行選鍵輸入到指定的位置。

由于MCDU屏幕小，先進的民用飛機開始使用基于ARINC 661的多功能顯示器作為交互界面，輔以鍵盤、觸摸屏或鼠標滾輪等更符合人們日常習慣的操作方式，獲得世界一線制造商、航電設備供應商的支持，已被成功應用于B787、A380、A350等一系列航空項目中。令人憧憬的是，新的顯示機制使得顯示格式可以完全自定義，如上傳的圖形格式氣象報文可以直接疊加在顯示器的航圖上，而這在MCDU界面上是做不到的。基于ARINC 661的大屏幕顯示器作為先進飛機駕駛艙最直觀的特征，最終會在民用飛機上普遍應用。[6]

5 數據鏈系統機上接口

傳統航空電子系統數據通信主要采用ARINC429及MIL-STD-153等協議，這些數據通信協議具有可靠性高、通信質量穩定等特點，在當代航空、航海等軍事通信領域得到了廣泛應用。[7]

目前國際上新研的大型民用飛機，如B787、A380、A350等均采用了綜合化、模塊化的航電系統結構，其基礎是采用飛機數據通信網絡，實現航電系統核心處理、導航、通信等分系統之間的信息交換。經充分的研究、仿真和試驗，歐洲與美國選擇ARINC 664—— 航空全雙工交換以太網（AFDX）構建航電系統主干網絡。[8]AFDX以傳統的IEEE802.3以太網物理層標準為基礎，通過虛鏈路、帶寬分配策略保證了網絡傳輸延時的確定性，增加了余度管理提高網絡容錯能力與可靠性，適應了航空電子實時分布式的通信要求。與傳統的飛機總線相比，AFDX在傳輸速率和通信帶寬，拓撲結構的靈活性，數據幀（包）協議，網絡重量、體積、布線的復雜度等各方面具有絕對的優勢。

數據鏈系統需要與大量的機載外圍設備接口，用于收集飛機數據和發送數據鏈報文到外部終端系統應用，這些系統包括：航電系統、電源系統、發動機系統、燃油系統和起落架系統等，其中僅航電系統就可以繼續細分為：機載維護系統、飛行管理系統、通信系統、指示記錄系統、客艙系統、信息系統、導航系統、航電核心處理系統等。諸多的外部系統導致數據鏈系統涉及的總線可能有傳統的ARINC 429，也可能有ARINC 664，因此在設計時需注意對相關的數據進行協議轉換。

6 數據鏈系統的測試

數據鏈系統交聯復雜，完整的測試包括試驗臺測試，飛機下線前測試、地面測試與飛行測試，其中后兩步是適航當局關注的測試。根據國內首款按照CCAR25部進行審定的民用飛機ARJ21-700飛機的設計研發經驗，建議后兩步測試與國內的數據鏈網絡運營商——民航數據通信有限責任公司（ADCC）進行合作，其不僅是國內唯一的數據鏈網絡運營商，其豐富的網絡運營經驗也可以在測試時減少失誤，節約時間與成本。

7 數據鏈系統發展趨勢

數據鏈系統的設計需要考慮技術與市場的發展。如今民航地面網絡建設朝著ATN的方向發展，不具備FANS 1/A+和LINK2000+功能的飛機將會被市場淘汰。VDL Mode2可以實現ACARS到ATN的平穩過渡，但VDL Mode3與VDL Mode4也是具有潛力的傳輸手段，雖然目前尚沒有大規模的應用，仍值得保持關注。

數據鏈系統的設計還要關注政策法規的動向。比如銥星數據鏈雖然在費率上比海事衛星數據鏈便宜，世界上的使用率也很高，但在國內由于與中國自主研發的北斗衛星系統頻率相近，未來不排除國內禁用銥星數據鏈的可能。

另外，客艙寬帶接入服務一直非常熱門，旅客希望能通過話音、電子郵件和視頻等應用與外部連接，航空市場增值業務的需求正在迅速增長。出于安全考慮，針對客艙的數據上網系統與機載數據鏈系統分開，與ATS/ATC/AOC應用無關，往往是一套獨立的衛星通信系統。駕駛艙中的數據鏈系統可以節約成本，而客艙中的數據鏈系統則可以創造利潤，如果將上網終端植入旅客座椅，可以吸引更多的客戶乘坐飛機，并能實現有針對性的廣告傳播與空中銷售。

參考文獻

[1]魏光興.甚高頻地空數據通信及對當前系統的改進[J].空中交通管理，2005（4）：30-33.

[2]程擎，楊榮盛，羅軍.地空數據通信系統及其在中國民航的應用與發展[J].通信與信息技術，2010（2）：66-68.

[3]劉天華.民用飛機數據鏈通信管理技術[J].電訊技術，2010（5）：84-88.

[4]鄧雪云.地空數據鏈系統在航空運行中的應用研究[J].科技展望，2014（10）：157.

[5]郭靜.中國民航地空數據鏈的建設、發展與應用[J].中國民用航空，2006（3）：64-66.

[6]陸曉剛.現代民用飛機ATC數據鏈人機交互界面研究與設計[J].科技創新導報，2012（26）：23-24.

[7]石改輝，張原，李達.全雙工交換式以太網研究[J].信息安全與通信保密，2007（5）：51-52.

[8]趙永庫，李貞，唐來勝.AFDX網絡協議研究[J].計算機測量與控制，2012，20（1）：8-10，30.