潘云飛 李艾婷

（1.中國民用航空華北地區空中交通管理局內蒙古分局 內蒙古自治區呼和浩特市 010070）

（2.內蒙古工業大學航空學院 內蒙古自治區呼和浩特市 010051）

1 概述

對于民用航空而言，隨著飛機數目的激增，地空話音信息交換頻度加大。在某些終端區，話音頻段資源已經嚴重匱乏。另外由于受到人員語言表達能力、發音準確程度、吐詞清晰程度等方面的限制，接收方在接收指令時可能出現聽不懂、聽不清甚至出錯的情況，影響信息傳輸的速度和精度，而且不易實現航空情報數據的采集、傳輸、處理、共享和管理，也妨礙了空中交通管理系統自動化的進一步發展。未來空中航行系統（Future Air Navigation System，FANS）是通過地空數據鏈為載體為空中交通管理提供數字化管制服務，是空中交通管理發展的重要戰略要素?；诘乜諗祿溚ㄐ诺腇ANS 技術，逐步替代傳統的話音管制服務，能夠大幅減少管制員與飛行員的通信時間，提升ATC 服務的安全性、可靠性和準確性，改善管制頻率資源緊缺與擁堵，優化由于航路流量飽和、惡略天氣等原因導致飛行計劃航路調整的管制復雜性，因此航空數據鏈開始在民航領域廣泛運用。

目前，數據鏈通信可以選擇的傳輸媒介有甚高頻(VНF)、衛星、高頻（НF）、二次監視雷達的S 模式。機組會根據所處的位置自主選擇最經濟有效的數據傳輸媒介，通過地空數據鏈在飛機和地面系統間自動傳輸飛機實時位置、氣象信息、管制指令、發動機狀態等數據。在幾種傳輸媒介中，VНF地空數據鏈相對于НF地空數據鏈，具有通信速率快、延遲小、可靠性高的特點。而相對于衛星數據鏈和S 模式數據鏈，VНF 地空數據鏈的機載設備和地面設備相對簡單、低廉；易于機載設備安裝、系統升級。地空數據鏈系統示意圖如圖1 所示。

2 ACARS地空數據鏈通信系統組成及工作原理

如果把甚高頻數據鏈中的飛機比作移動通信網絡中的手機用戶的話，那么遙控地面站(Remote Ground Station，RGS)的作用就好比是電信網絡中的基站,每個RGS 的覆蓋范圍是半徑大約為200km至400km 的圓形區域（隨著飛機高度層的不同覆蓋半徑不同）。所有的RGS 在接收到飛機下發的數據之后，都通過專用網絡將這些數據傳送到網控中心。網控中心的網絡管理和數據處理系統將這些數據處理入庫后，根據數據中的地址信息和自己的路由表將報文通過專用網絡再傳送到目的用戶。ACARS 是典型的飛機與地面間的甚高頻地空數據鏈,它是基于一種面向字符型的VНF 數據鏈。其所采用的ARINC618 協議和ARINC620 協議是典型的文本電報字符格式，但是為了建立端到端的應答式通信鏈接，采用了CAT-A和CAT-B 兩種典型的地空通信鏈控制模式。另外，ACARS 數據鏈還采用了MSK 調制方式。

圖1：地空數據鏈系統示意圖

圖2：ACARS 系統組成示意圖

2.1 ACARS系統組成及功能

ACARS 系統主要由五部分組成：機載設備、網控和數據處理中心、地面傳輸網絡、VНF 遙控地面站、用戶子系統，如圖2 所示。

2.1.1 機載設備

機載設備的核心是通信管理單元(Management Unit, MU)。MU 一方面與機載VНF 收發信機相連，另一方面通過ARINC429總線與其他機載數字數據終端設備相聯，如飛行管理系統(Flight Management System，FMS)、維護計算機及駕駛艙終端等，完成數據采集、報文處理、調制解調、數模信道切換等功能，是VНF 數據鏈通信系統的空中節點。主要功能是將機載系統采集的各種飛行參數信息通過地空數據鏈發送到地面RGS 站，并接收地面網通過RGS 站轉發來的信息。

2.1.2 網控和數據處理中心 (Network Management Data Processing System, NMDPS)

網控和數據處理中心是VНF 地空數據通信系統的核心。它采用以太網拓撲結構，使用標準的TCP/IP 協議，與各地的RGS 站構成一個廣域網，地面通信網采用X.25 協議。主要功能是執行對RGS 站的監測與控制,完成數據包的尋址、路由選擇等處理；實施對射頻信道的分配；進行輸入輸出通信的管理以及整個子系統的管理。它是一個開放式的體系結構，可以靈活地根據用戶的需求擴展功能。

2.1.3 地面傳輸網絡

地面傳輸網絡包括RGS 與NMDPS 之間的傳輸鏈路以及NMDPS 與用戶子系統之間的傳輸鏈路。其中，RGS 站與NMDPS之間的傳輸采用“一地一空”的冗余方式，即地面專線 (自動撥號連接 )和專用衛星通信網，主用衛星通信鏈路。而NMDPS 與用戶子系統之間的傳輸鏈路主要采用地面數據通信服務商提供的專用地面網絡。

2.1.4 VНF 遙控地面站RGS

RGS 是甚高頻數據鏈系統的地面節點，是連接飛機與NMDPS的地面橋梁。它包括甚高頻收發信機、集成控制單元、與地面網連接的路由器和調制解調器、GPS 授時模塊及天線、單板計算機和相應的系統軟件。主要功能是通過地面傳輸網絡，將機載ACARS 設備發送的下行數據，以及NMDPS 發送的上行鏈路報文進行轉載。RGS目前均為半雙工方式，使用同一頻率進行對空接收和發射數據，傳輸速率為2.4Kbps。

2.1.5 用戶子系統

按照應用對象，ACARS 用戶子系統主要為面向空管部門的空中交通管制服務(ATS)與面向航空公司的運營管理(AOC)。

2.2 ACARS數據鏈信號流程

ACARS 數據鏈采用地面宿主處理模式，即RGS 站收到飛機的報文以后，傳輸到地面宿主處理器進行處理，再由宿主處理器分發到空管部門或航空公司進行處理。當管制部門或航空公司簽派部門需要向飛機發送上行報文時，先將報文發送到宿主處理器，再由宿主處理器根據下行報文的歷史記錄查出飛機可能的位置，通過將此報文傳送到離飛機位置最近的RGS，再由RGS 將報文發送至飛機。

設施聯通、貿易暢通和資金融通是“一帶一路”建設的重點，而這些專業領域人才的培養離不開相關行業企業與高校的密切合作。周谷平等認為身處“一帶一路”建設第一線的產業界最清楚沿線國家的經濟需求以及與之相匹配的人才需求，因此加強兩者間的合作既要求產業界要及時向高校傳遞人才需求信息，也要求高校主動與產業界協同制定人才規格標準、聯合開展人才培養培訓[6]。

2.2.1 ACARS 下行數據鏈路

機載終端通過載波偵聽多址訪問(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)來實現機載終端的無線接入。機載ACARS 應用設備需要發送下行數據時，首先通過機載總線傳輸給機載MU 單元；機載MU單元按照ARINC-618規范生成相應下行鏈路ACARS報文，并封裝為ACARS 物理幀，完成ACARS 信號的MSK 調制；然后將信號送入機載甚高頻發射機進行AM 調制、上變頻、功率放大，最后送入機載甚高頻發射天線。

圖3：ACARS 下行數據鏈路原理圖

圖4：MSK 的歸一化頻譜圖

RGS 站的甚高頻接收機接收空間的下行ACARS 射頻信號，完成射頻接收、下變頻、AM 解調；單板計算機完成信號的MSK解調，從ACARS 物理幀中提取ACARS 報文，提交給設備接口單元；設備接口單元將ACARS 報文數據提交給RGS 站的路由器；路由器將TCP/IP 報數據轉換為X.25 報文數據，通過衛星專線或地面專線傳輸給ACARS 系統的NMDPS；NMDPS 接收到RGS 傳輸的ACARS 報文后，按照ARINC-620 規范完成報文格式轉換；NMDPS 通過地地專線發送給ACARS 地面應用子系統（空管、航空公司應用子系統）。ACARS 下行數據鏈路如圖3 所示。

2.2.2 ACARS 上行數據鏈路

與下行鏈路相反，ACARS 地面應用子系統（空管、航空公司應用子系統）按照ARINC-620 規范產生報文；并通過地面專線發送給ACARS 系統NMDPS；NMDPS 接收到ACARS 應用系統傳輸的ACARS 報文后，按照ARINC-618 規范完成報文格式轉換；格式轉換后的ACARS 報文數據通過衛星專線或地面專線傳輸到相應的RGS 站；RGS 站收到ACARS 報文后，通過空地上行鏈路將報文傳輸給機載MU 單元；機載MU 單元根據上行鏈路報文類型，將報文分發給相應機載設備進一步處理顯示。

2.3 ACARS系統的調制技術

在ACARS 系統采用二次調制技術。先對碼元進行最小移頻鍵控（MSK）數字調制，再用一個固定分配的頻率作為載波對MSK已調信號進行模擬調幅（AM）。

圖5：AM 的頻譜圖

圖6：VHF 數據鏈在航務管理中的應用

2.3.1 ACARS 數據鏈信號的時域分析

公式（1）中，ωc=2πfc代表MSK 調制載波角頻率，fc分別為2400Нz 和1200Нz，通過該兩種頻率的不同組合，表示二進制信號“0”和“1”；TS為碼元寬度；φk表示第k 個碼元的起始相位；αk代表第k 個碼元發送符號，當發送碼元為1 時，αk取值為+1，當發送碼元為0 時，αk取值為-1。

AM 是模擬通信中一種幅度調制，使載波的振幅按照所需傳送信號的變化規律而變化,但頻率保持不變的。其已調信號的時域數學表達式為：

公式（2）中，ω0=2πf0為AM 調制的載波角頻率，中國地區ACARS 系統基頻頻率f0為131.45MНz。

2.3.2 ACARS 數據鏈信號的頻域分析

MSK 調制與其他調制方式相比，MSK 信號具有恒包絡特性，其優勢在于MSK 調制信號的功率譜密度更加緊湊，第一個零點即其主瓣寬度在0.75/TS 處，在主瓣帶寬之外，功率譜旁瓣的下降更為迅速，占據的射頻帶寬較窄，對領道干擾也較小，頻帶利用率高，相干檢測時的誤碼率性能較普通頻移鍵控好3dB 以上，因此適合民航空間無線電的窄帶傳輸。MSK 的歸一化頻譜圖如圖4 所示。

AM 普通調幅信號的包絡仍然反映了調制信號的變化, 其頻譜上邊帶與下邊帶呈對稱狀分別置于載頻的兩旁, 總頻帶寬度仍為調制信號帶寬的兩倍。AM 的頻譜圖如圖5 所示。

通過對MSK 與AM 的頻譜分析，在ACARS 數據鏈系統中，由于采用了二次調制技術，因此當一次調制的MSK 信號，作為二次AM 調制的輸入信號時，最終在空間形成的無線電頻譜與民航甚高頻傳統單一采用的AM 調制有著本質的區別，因此在民航無線電監測時需要進一步的數據采集與論證。

3 VHF數據鏈通信的主要應用

目前，VНF 數據鏈通信的主要應用集中在空管部門的空中交通管制應用和航空公司的航務管理應用。空中交通管制與服務應用系統包括：數字化起飛前放行系統(Departure Clearance Delivery, DCL)、數據鏈自動化航站信息通播服務(DataLink Automatic Terminal Information Service, D-ATIS)、管制員飛行員數據鏈通信 (Controller Pilot Data Link Communication, CPDLC)等。航空公司的應用主要是：飛行運行監控系統、飛機維修與遠程狀態監控和故障終端系統、地面服務和支持系統等。

3.1 民航數字空管系統應用

民航數字空管系統由DCL與D-ATIS組成。設備由DCL服務器、ACARS 網關、AFTN 網關、ATM 路由器、撥號路由器、PDC 用戶終端、D-ATIS 用戶終端等組成。

DCL 技術通過甚高頻數據鏈，實現機場塔臺管制員對飛機的放行許可。當飛機需要起飛時，飛行員向塔臺管制員發出請求，由塔臺發出飛機放行許可信息，機載設備接收到放行許可信息，并顯示在機載多功能顯示單元。DCL 有效的解決了目前人工語音預放行服務中出現的語音通信頻道擁擠、語音歧義性等問題，顯著提高大型機場管制服務效率和信息服務水平。DCL 服務信息在包含所有傳統服務信息的基礎上，還增加了如報文服務信息、飛行員和管制員自由信息等其他服務信息，在放行過程中增大了飛行員和管制員的通信自由度。

D-ATIS 技術根據飛行員的請求，地面系統自動將請求機場的機場信息（包括：起降機場的氣象、溫度、風向、風速、跑道信息等）發送到機載多功能顯示單元。D-ATIS 有效解決使用單一自動語音通播服務時間占用長、誤聽概率大、服務范圍小等問題；大幅度降低了管制員與飛行員的工作強度和工作壓力，提高空中管制效率和安全性。D-ATIS 通過合成語音技術完全兼容已有的自動語音通播系統，并能夠通過簡單文字錄入的方式實現臨時語音合成通播等功能。

3.2 CPDLC功能

管制員 /飛行員數據鏈通信(CPDLC)是利用甚高頻或者衛星傳輸媒介，將數據報文替代語音進行空中交通管制的通信手段，從而完成管制員與飛行員之間信息交換。包括與管制過程相對應的一系列的放行、信息、請求等報文元素，如高度分配、穿越時間、航路變更和放行、速度分配、無線電頻率分配以及各種信息的請求。飛行員可以通過報文做出響應、申請放行、報告信息、宣布/放棄緊急狀態。管制員可以通過報文來實現放行、請求報告、分配頻率等幾乎所有的管制操作。指令和請求均以數據報文的形式傳輸，可以彌補語音通信的信道擁擠、誤解、聽錯、信號失真和破壞等缺陷。同時，CPDLC 還為管制員和飛行員提供了自由格式報文的功能。CPDLC 功能已經在我國的L888 航路得到使用。

3.3 航空公司航務管理應用

航空公司的運營系統通過與VНF 地空數據鏈的連接，為其多項業務提供準確、快捷的信息服務，包括飛行運行、機務維修和工程技術支持等。飛行運行動態地圖顯示處理系統從ACARS 報文中獲得飛機的經緯度數據，將數據轉換為可用于地圖顯示的數據格式，在地圖窗口顯示飛行動態，根據OOOI 狀態報 (推出Out、離地Off、著陸On、?？縄nto)、飛越報、過境報、FPL 報、CPL 報等數據信息模擬計算，模擬顯示飛機的飛行情況，確保航空公司對運行進行有效的管理。發動機監控和報告使得正常情況下的實時監控和應急情況下對飛機作出及時的判斷與處理成為可能，減少了航班延誤以及降低了機務人員的工作負荷。氣象服務可讓飛機離地后，飛行員還能及時掌握航路和目的地天氣，可以及時作出備降返航的決策或提前做好準備。飛行人員還可以使用很多其他功能，如飛行計劃、艙單、起飛數據的上傳和確認、定期的位置報告、預計到達時間和飛行進程報告等。VНF 數據鏈在航務管理中的應用如圖6所示。

4 結語

地空數據鏈通信與傳統地空語音通信相比，克服了航空話音通信系統傳輸速度慢、占用信道時間長、可靠性差等缺點，并且具有抗干擾能力強、誤碼率低的特點。同事可顯著降低飛行員對地面管制員語音信號的誤解而產生的錯誤，降低管制員的勞動強度。地空數據鏈通信有助于實現空中交通指揮的自動化，提高航空運輸的安全性、航空運輸企業的經濟效益，因此已經成為航空通信系統發展的主導方向。