民航地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸機(jī)制的研究

姚 丹

（中國(guó)民用航空華北地區(qū)空中交通管理局 技術(shù)保障中心，北京 100621）

1 引言

近十年，民航運(yùn)輸業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，在高速發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)地空通信的快速性、安全性、準(zhǔn)確性、可靠性等方面要求更加苛刻。在民航飛行過(guò)程中，以地空數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)為支撐的飛機(jī)尋址與報(bào)告系統(tǒng)（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）[1]的應(yīng)用與飛行狀態(tài)最為密切相關(guān)。

傳統(tǒng)民航通信以語(yǔ)音通信為主，信號(hào)不穩(wěn)定，語(yǔ)音歧義多且傳輸速率較慢，ACARS是面向字符的地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，有著較快的傳輸速率、良好的抗干擾能力和極低的誤碼率，解決了語(yǔ)音通信帶來(lái)的諸多弊端并大大提高管制員、飛行員工作效率。

本課題在充分了解ACARS系統(tǒng)及地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合ARINC協(xié)議進(jìn)行消息傳輸機(jī)制的具體研究和分析，力爭(zhēng)清晰闡述系統(tǒng)消息傳輸機(jī)制。

2 ACARS系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

以地空數(shù)據(jù)鏈為支撐的ACARS系統(tǒng)是一種能處理面向字符型信息的通信系統(tǒng)[2]，主要組成有機(jī)載分系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)。其中，機(jī)載分系統(tǒng)由一系列機(jī)載設(shè)備組成，地面站網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)鏈服務(wù)提供商和地面處理系統(tǒng)組成。

2.1.1 機(jī)載系統(tǒng)介紹

機(jī)載分系統(tǒng)能生成并發(fā)送與飛行有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)報(bào)文到地面站，同時(shí)也能接收來(lái)自地面的報(bào)文信息，ACARS管理單元是機(jī)載系統(tǒng)的核心，它與機(jī)載終端設(shè)備之間的關(guān)系類似路由器和終端的關(guān)系，各終端是數(shù)據(jù)下行鏈路的起點(diǎn)，同時(shí)也是數(shù)據(jù)上行鏈路的終點(diǎn)。

2.1.2 數(shù)據(jù)鏈服務(wù)提供商描述

數(shù)據(jù)鏈服務(wù)提供商（Data Service Provider，DSP）是空地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，是地面通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，負(fù)責(zé)信息格式轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)發(fā)。地面通訊基站或遠(yuǎn)端地面站（Remote Ground Stations，RGS）接收到從飛機(jī)發(fā)出的ACARS下行報(bào)文，而后傳輸?shù)紻SP的數(shù)據(jù)處理中心，完成消息的空-地?cái)?shù)據(jù)格式到面向地-地通信格式的轉(zhuǎn)換，處理完成后，消息被傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)通訊網(wǎng)，通過(guò)通信網(wǎng)到達(dá)相應(yīng)的地面處理系統(tǒng)，最終到達(dá)各航空公司計(jì)算機(jī)工作站的顯示終端。

2.1.3 地面處理系統(tǒng)介紹

遠(yuǎn)端地面站（RGS）和地面數(shù)據(jù)通信網(wǎng)共同組成地面通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。RGS是連接飛機(jī)與地面通信網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)，地面處理系統(tǒng)與機(jī)載設(shè)備相對(duì)，是上傳數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)和下傳數(shù)據(jù)的終點(diǎn)，通常屬于空中交通管制局或者航空公司，它接收到來(lái)自數(shù)據(jù)服務(wù)提供商的數(shù)據(jù)處理中心轉(zhuǎn)化之后的信息報(bào)文，不同部門根據(jù)信息做出相應(yīng)處理。

2.2 ACARS系統(tǒng)工作原理

在地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸消息的整個(gè)過(guò)程中，任何階段都有相應(yīng)的通信協(xié)議規(guī)定其工作規(guī)范和數(shù)據(jù)格式。飛機(jī)電子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)格式由ARINC 429總線規(guī)范規(guī)定，它保證了飛機(jī)上電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和高速化。ARINC 618是基于字符傳輸?shù)目盏赝ㄐ艆f(xié)議，用于說(shuō)明ACARS機(jī)載設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)提供商（DSP）之間的數(shù)據(jù)傳輸格式的協(xié)議。ARINC 620協(xié)議是地面終端與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所要遵循的格式及規(guī)范，機(jī)載設(shè)備與DSP間的數(shù)據(jù)交換也在此協(xié)議中說(shuō)明[3]；

以下行鏈路傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文為例，當(dāng)機(jī)載ACARS設(shè)備得到指令需要發(fā)送報(bào)文，通過(guò)429總線從MU/CMU獲取需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理單元中內(nèi)置的路由選擇功能檢測(cè)到一條適合的通信子網(wǎng)絡(luò)用來(lái)傳遞報(bào)文，報(bào)文加載到相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)單元向下發(fā)送。

地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，通過(guò)通信子網(wǎng)絡(luò)傳輸下來(lái)的包含相應(yīng)信息的數(shù)據(jù)報(bào)文首先被地面RGS接收，RGS接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，將其傳輸?shù)絉GS上，處理中心將數(shù)據(jù)報(bào)文空—地傳輸格式轉(zhuǎn)化為地—地傳輸格式后，將數(shù)據(jù)報(bào)文分發(fā)到各個(gè)地面處理系統(tǒng)。

3 消息處理機(jī)制分析

機(jī)載消息處理機(jī)制主要由ARINC 618協(xié)議和ARINC 750規(guī)范規(guī)定，ARINC 750中規(guī)定的ACARSIP消息協(xié)作機(jī)制，按ARINC 618協(xié)議中描述的方法和過(guò)程工作，從而實(shí)現(xiàn)了其中定義的功能。

ACARS消息協(xié)議包括：基礎(chǔ)信息協(xié)議、響應(yīng)消息協(xié)議、消息尋址、信息序列、重傳、多塊處理、信息優(yōu)先級(jí)等，共同定義并完成ACARS消息傳輸過(guò)程。

ACARS消息的字段根據(jù)國(guó)際民航組織（ICAO）附件10里規(guī)定的七個(gè)單元公約編碼而成。

下行消息塊結(jié)構(gòu)主要包含以下幾個(gè)部分，起始頭（Start Of Header，SOH）、模式字符、地址段、肯定的技術(shù)確認(rèn)、標(biāo)簽字段、下行消息塊標(biāo)識(shí)符、前導(dǎo)結(jié)束符、文本段、后綴、塊校驗(yàn)序列、BCS后綴。完整的下行報(bào)文格式如下表：

與下行鏈路信息一樣，上行鏈路單塊消息可容納的文本是220個(gè)字符，使用多塊消息能發(fā)送更長(zhǎng)的信息。包括：起始頭、模式字符、地址段、肯定的技術(shù)確認(rèn)、標(biāo)簽字段、上行消息塊標(biāo)識(shí)符、前導(dǎo)結(jié)束符、文本段、后綴、塊校驗(yàn)序列、BCS后綴。完整的上行報(bào)文格式如下表：

表1 空地下行報(bào)文格式

表2 空地上行報(bào)文格式

下圖以注冊(cè)號(hào)為G-VMEG的飛機(jī)于時(shí)間15:49從機(jī)場(chǎng)VHHH起飛，目的地為EGLL機(jī)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)空地起飛報(bào)文格式為例，更清楚的表現(xiàn)報(bào)文格式，該報(bào)文是在飛機(jī)離地的時(shí)候自動(dòng)發(fā)生的。

圖1 起飛報(bào)文格式

這個(gè)起飛報(bào)文很清晰的展示了報(bào)文格式，其中的VMEG為飛機(jī)注冊(cè)號(hào)，VHHH為起飛機(jī)場(chǎng)，EGLL為目的地機(jī)場(chǎng)，其余各位為各字符段信息。

以下行鏈路的信息發(fā)送為例，信息起始端為CMU，機(jī)組人員輸入的為通用命令，CMU依據(jù)ISO-5將通用信息編碼為二進(jìn)制信號(hào)，生成格式規(guī)范的消息塊結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)信息編碼為二進(jìn)制之后，CMU再將其調(diào)制，采用的調(diào)制方式是最小頻移鍵控（MSK），即用不同的頻率或相位表示二進(jìn)制數(shù)0和1。CMU將調(diào)制后的信息傳輸?shù)脚cCMU相連的機(jī)載VHF設(shè)備上，VHF設(shè)備具有下行消息處理、子網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、信道質(zhì)量檢測(cè)等功能，設(shè)備收到CMU的下行鏈路消息后，先進(jìn)行CSMA檢測(cè)以判斷下行鏈路是否空閑，如果信道空閑，便在消息塊前加VHF前導(dǎo)，而后通過(guò)下行消息處理機(jī)制發(fā)送該消息至無(wú)線信道。

地面網(wǎng)絡(luò)通過(guò)距離最近的RGS接收到飛機(jī)傳輸下來(lái)的信息，接收完整后將信息傳輸?shù)紻SP的主機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解調(diào)模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，恢復(fù)出相同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，根據(jù)ISO-5字符集將二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為通用信息，DSP依據(jù)路由表再將報(bào)文傳輸?shù)胶娇展净蚱渌康牡兀瑘?bào)文中含有相應(yīng)的路由信息，這為報(bào)文的目的性傳輸提供保障。航空公司收到報(bào)文會(huì)對(duì)報(bào)文中信息進(jìn)行處理，作出相應(yīng)反饋。

上行鏈路的消息傳輸與下行鏈路互為鏡像，在此不做過(guò)多贅述。