VHF 機載電臺ACARS 功能激活方法的研究

岳 猛，洪雪婷，蔣一陽，鄭 瀚

（中國民航大學a.安全科學與工程學院；b.電子信息與自動化學院，天津 300300）

飛機通信尋址與報告系統（ACARS，aircraft communication addressing and reporting system）是當前民航空地數據通信的方式之一。其應用非常成熟，已成為空中交通服務、航空公司運行控制、機務維修、航空行政管理等重要業務的實現手段。

近些年來，國內對ACARS 的研究主要集中在兩個方面，一是ACARS 接收設備的設計與實現。郭旭周[1]提出了便攜式地空數據鏈調制解調器的設計方案，開發出一種專用調制解調器，實現地空數據鏈通信；張淼等[2]提出了甚高頻數據鏈地面站優化設計思想，主要從算法復雜度和串口數據交互兩個方面進行了優化；袁樹德等[3]提出基于二碼元長度的ACARS 信號分析算法，該算法具有良好的報文譯碼性能。二是對ACARS 的上下行數據報進行相關應用研究。鄧雪云等[4]利用地空數據鏈數據驅動三軸轉臺，研究了基于ACARS 報文的半實物遠程監控技術；王旭輝等[5]基于發動機氣路數據的ACARS 報文提出利用最小二乘支持向量機在線預測航空發動機氣路參數；王晨熙等[6]利用ACARS數據，提出了一種雷達與ACARS 數據融合算法，提高了空中目標監控的連續性，擴大了空中目標監控的范圍。現有研究雖然取得了一些進展，但是還存在如下幾個問題：①現有研究主要集中于地面設備，對于機載設備的研究較少；②現有研究主要涉及物理層和應用層，但對于協議棧其他層的研究較少；③ACARS 機載設備部件之間的鉸鏈關系、邏輯接口和協議規范缺乏系統性的梳理；④ACARS 機載電臺廠商都在國外，相關標準規范也都是由歐美發達國家主導，目前缺乏研究來驗證設備與標準的符合度。

由于機載設備都是由國外生產，雖然有對應的航空無線電公司（ARINC，AeronauticalRadio Incorporated）標準可以作為參考，但是國外設備就如同一個黑盒子，很難搞清楚其設備究竟是否一定按照標準來實現。因此，激活國外的航電設備是一個難題[7-8]。VHF-2100 是一款具有代表性的機載甚高頻（VHF，very high frequency）電臺，用于空客A318/A319/A320/A321、A330/A340 機型以及波音B737、B747-400、B777 和B787 機型。在國產大飛機的背景下，針對ACARS 機載電臺無國產化的現狀，激活典型的國外電臺可以驗證接口規范和數據交互時序關系，從而有助于機載電臺的國產化并通過適航審定。

1 ACARS 系統總體架構

ACARS 系統可以分為機載子系統、地面子系統兩部分[9-11]。目前基于VHF 鏈路的ACARS 系統總體架構如圖1 所示。

圖1 ACARS 數據鏈系統結構Fig.1 Architecture of ACARS data link system

1）機載子系統

圖1 所示的機載子系統都與ACARS 數據鏈系統相關，其中包括：①甚高頻數字電臺（VDR，VHF data radio），主要負責頻率的調諧，收發ACARS 數據，要激活的航材VHF-2100 就是一臺VDR；②通信管理單元（CMU，communication management unit），用于生成ACARS 數據報，對VDR 進行配置，對數據進行管理與路由；③飛行管理計算機（FMC，flight management computer），用來組織、協調和綜合多個機載電子設備的信息，為下行ACARS 報文提供數據源，同時也接收上行ACARS 數據；④飛機狀態監視系統（ACMS，aircraft condition monitoring system），用于采集原始數據，并將其轉換成ACARS 系統可用的數據形式；⑤多功能控制與顯示組件（MCDU，multifunction control display unit），作為機組人員與ACARS 系統交互的顯示器；⑥打印機（Printer），作為機組人員與ACARS 系統交互的另一種方式。

2）地面子系統

地面子系統中主要包含遠端地面站（RGS，remote ground station）和數據服務提供者（DSP，datalink service provider）。RGS 用于飛機與地面數據網的連接，負責接收來自機載ACARS 設備發送的下行數據鏈報文，并通過專用的數據網絡發送至DSP 中心；同時也負責接收來自DSP 管理與處理系統的上行數據鏈報文，并通過空地數據鏈發送至機載ACARS 設備。在本文的激活環境中，RGS 設備用于驗證VHF-2100 是否能夠收發上下行ACARS 數據，空地間的通信協議遵照ARINC 618[12-14]。

2 CMU 與VDR 接口規范

激活VHF-2100 的關鍵是與其直連的CMU，二者的開放式系統互聯（OSI，open system interconnect）模型如圖2 所示，包括：物理層、數據鏈路層和網絡層。

圖2 CMU 和VDR 的OSI 模型Fig.2 OSI model of CMU and VDR

2.1 物理層

在物理層采用ARINC429 總線傳輸數據[15]。ARINC 429 有兩種可供選擇的數據發送速度：高傳輸率100 kbps（±1%）和低傳輸率12.5 kbps（12.5～14.5 kbps），同一連接中上述兩種速率的總線不能混用。CMU 與VDR 之間的接口都選擇高速率傳輸。

2.2 數據鏈路層

CMU 與VDR 之間的接口協議既可以使用面向比特的協議（BOP，bit oriented protocol）版本1 也可以使用BOP 版本3。因此，CMU 與VDR 在交互消息前，需要按照BOP 協議中規定的版本協商方法定義接口使用的BOP 協議版本號。CMU 與VDR 使用的ARINC 429消息有廣播離散控制字（簡稱廣播字）、協議協商字、SOLO 字和面向比特介質訪問控制協議字。

2.2.1 ARINC 429 廣播離散控制字

CMU 和VDR 都會周期性地發送設備狀態消息[15]。設備狀態消息的格式為ARINC 429 廣播字。設備狀態消息的具體格式與消息的Label 和設備有關。CMU 廣播字包括172 字和270 字，格式如表1 和表2 所示。

表1 CMU 廣播字（172 字）Tab.1 CMU broadcast word（172 word）

表2 CMU 廣播字（270 字）Tab.2 CMU broadcast word（270 word）

172 字告知VDR 當前CMU 的SAL（system address label），廣播速率1 次/s；270 字用于告知VDR 當前CMU 是工作CMU 還是備用CMU，廣播速率1 次/s。

VDR 廣播字包括172 字、270 字和377 字，格式如表3—表5 所示。

表3 VDR 廣播字（172 字）Tab.3 VDR broadcast word（172 word）

表4 VDR 廣播字（270 字）Tab.4 VDR broadcast word（270 word）

表5 VDR 廣播字（377 字）Tab.5 VDR broadcast word（377 word）

172 字告知CMU 當前VDR 的SAL 和支持的地空協議，廣播速率1 次/s；270 字用于告知CMU 當前VDR 的狀態，廣播速率1 次/s；377 字告知CMU 當前VDR 的標識碼，廣播速率1 次/s。

2.2.2 協議協商字

面向比特的協議協商遵循ALOHA（additive link on-line Hawaii system）協議，當一個系統需要和另一個系統協商協議版本時，發送端構建ALO（ALOHA）字并將其發送給接收端。接收端如果支持面向比特鏈路層協議，當收到ALO 字時，會中斷當前任務并在一定時間內發出一個ALR（ALOHA response）字作為響應。ALO 和ALR 的格式如表6 所示。

表6 協議協商字Tab.6 Protocol negotiation word

2.2.3 SOLO 字

無論是控制和配置VDR 消息還是ACARS IP（interface protocol）消息，CMU 和VDR 的接口消息中都使用了SOLO 字[15]。SOLO 字的前8 比特為SAL 字段，填寫目的設備的SAL。源端通過目的設備廣播的系統地址標簽消息獲得目的設備的SAL。SOLO 字的25～28 位表示SOLO 字的類型，當為全1 時，為擴展SOLO 字。

1）控制和配置VDR 消息SOLO 字

控制和配置VDR 消息SOLO 字使用普通的SOLO字，其ID 字段（25～28 位）應設為2H。17～24 位為PID字段，用于區分不同的控制和配置VDR 消息類型。格式如表7 所示。

表7 控制和配置VDR 消息SOLO 字Tab.7 SOLO word of controlling and configuring VDR message

CMU 通過模式設置字請求VDR 將CMU_STATUS設為CMD 狀態，模式設置請求和應答（MODE_SET.request/MODE_SET.confirm）消息的格式如表8 所示。

表8 MODE_SET.request/MODE_SET.confirm 消息Tab.8 MODE_SET.request/MODE_SET.confirm message

CMU 通過協議設置字請求VDR 設置有效的空地通信協議，協議設置請求和應答（PR_SET.request/PR_SET.confirm）消息的格式如表9 所示。

表9 PR_SET.request/PR_SET.confirm 消息Tab.9 PR_SET.request/PR_SET.confirm message

2）ACARS IP 消息SOLO 字

ACARS IP 協議中使用的SOLO 字通用格式如表10 所示，為擴展的SOLO 字。ACARS IP 消息SOLO 字的PID 字段（21～24 位）表示接口協議，對ACARS IP來說，該字段值為2H。

表10 ACARS IP 消息SOLO 字Tab.10 SOLO word of ACARS IP message

一個典型的ACARS IP 協議中的信號質量指示（SQP.indication）消息格式如表11 所示。

表11 SQP.indication 消息Tab.11 SQP.indication message

2.2.4 面向比特介質訪問控制協議字（BOP3）

目前CMU 與VDR 接口協議普遍使用面向比特介質訪問控制協議字（BOP3）[15]，BOP3 是在BOP1 的基礎上派生出來的。一次傳輸的數據內容由255 個字增加到1 023 個字，并將MAC（media access control）子層獨立出來，與IEEE 802 兼容。

1）控制和配置VDR 消息文件傳輸

使用BOP3 的控制和配置VDR 消息文件傳輸格式如圖3 所示。

圖3 控制和配置VDR 消息文件傳輸Fig.3 File transfer of controlling and configuring VDR message

控制和配置VDR 消息文件的GFI（general format identifier）字段為0010B，CT（command type）字段應設為“命令”，為00B。控制和配置VDR 消息的各個字段填入LDU（link data unit）的數據域中，依次為：主標識、數據字段長度和數據字段，如圖3 中綠色部分。

CMU 對VDR 的配置主要是參數配置和地址配置。參數配置請求和應答（PARAM.request/PARAM.confirm）消息如表12 所示，配置的參數包括工作頻率和調制方式。

表12 PARAM.request/PARAM.confirm 消息Tab.12 PARAM.request/PARAM.confirm message

地址配置請求和應答（ADDR.request/ADDR.confirm）消息如表13 所示，地址配置用于管理VDR 使用的地址，以及地址篩選。

表13 ADDR.request/ADDR.confirm 消息Tab.13 ADDR.request/ADDR.confirm message

2）ACARS IP 消息文件傳輸

使用BOP3 的ACARS IP 消息文件傳輸格式如圖4 所示。

圖4 ACARS IP 消息文件傳輸Fig.4 File transfer of ACARS IP message

ACARS IP 消息文件類型分為COMMAND 和DATA兩類，SOF（start of frame）字中的VDR 的CT 字段為00B 時，表示命令，為01B 時，表示數據。ACARS IP 消息文件類型使用擴展的BOP 文件格式。擴展的BOP文件格式定義為：SOF 字的GFI 字段為全1，數據域開頭的第1 個字的第1 個字段為EGFI（extended GFI），ACARS IP 為F2H。ACARS IP 文件內容放在數據域中，依次為EGFI、主標識、數據字段長度和數據字段，如圖4 中綠色部分。

ARINC 618 格式的ACARS 報文作為數據部分，封裝在ACARS IP 消息文件傳輸格式中。下行數據報文格式如表14 和表15 所示。UNITDATA.request 消息包含了下行ACARS 報文，UNITDATA.confirm 消息用于VDR 確認收到了UNITDATA.request。

表14 UNITDATA.request 消息Tab.14 UNITDATA.request message

表15 UNITDATA.confirm消息Tab.15 UNITDATA.confirm message

VDR 接收地面站上行的ACARS 報文，將其封裝在UNITDATA.indication 消息中發送給CMU。UNITDATA.indication 消息格式如表16 所示。

表16 UNITDATA.indication 消息Tab.16 UNITDATA.indication message

2.3 網絡層

在VDR 和CMU 接口上運行ACARS IP 協議的目的是更好地支持ACARS 空地協議的運行[15]。當ACARS IP 協議的消息為命令類型文件傳輸時，一般用于ACARS IP 協議的管理及配置；當ACARS IP 協議的消息為數據類型文件傳輸時，一般用于ACARS 空地協議消息的傳輸。ACARS 空地協議消息塊的一般格式（符合ARINC 618 的消息格式）如表17 所示。

表17 ACARS 空地協議消息格式Tab.17 Message format of ACARS air-ground protocol

3 CMU 與VDR 數據交互時序關系研究

CMU 與VDR 之間除了周期性廣播之外，還需要按照圖5 所示的時序關系交互信息，才能完成ACARS數據的收發。這個過程稱為協議協商。

圖5 協議協商流程Fig.5 Protocol negotiation process

上述步驟中，虛線以上部分是CMU 與VDR 之間的協議協商，虛線以下部分是發送上下行ACARS 數據。協議協商是收發ACARS 數據的前提，如果協議協商未完成，則無法收發數據。

4 VHF-2100 電氣連接特性

除了接口規范和數據交互時序關系，要想激活VHF-2100 機載電臺的ACARS 功能，還需要知道該設備的電氣連接特性，才能搭建激活平臺。VHF-2100 電臺背后由3 部分電氣接口組成，分別是P1TP、P1MP和P1BP。

3 部分電氣接口由很多銷釘組成，實現與上/下游設備的連接。其中：P1TP 提供設備位置和工作狀態信號，P1MP 提供包括ACARS 在內的各種功能信號，P1BP 負責供電以及外接天線。與激活直接相關的各銷釘具體功能如表18 所示。

表18 VHF-2100 相關銷釘Tab.18 Related pin of VHF-2100

表18 中，第1～2 行表示VHF-2100 向CMU 輸出的數據接口，第3～6 行表示VHF-2100 的兩路數據輸入接口，分別對接CMU 的A 和B 端口。表中的429A表示雙極性歸零碼的高電平，429B 表示雙極性歸零碼的低電平。

5 VHF-2100 電臺ACARS 功能測試驗證

5.1 測試平臺架構

為了驗證接口規范性和協議協商的正確性，搭建一個激活VHF-2100 的測試平臺。判斷能否激活的準則是檢查此VHF-2100 能否正常收發上下行ACARS數據。總體激活環境由6 部分組成：MCDU 模擬器、CMU 模擬器、其他相關設備模擬器、VHF-2100 電臺、VGS-1000 地面站和DSP 模擬器。如圖6 所示。

圖6 激活平臺架構Fig.6 Architecture of activating platform

圖6 中，MCDU 模擬器和其他相關設備模擬器負責為CMU 模擬器提供數據源，MCDU 模擬器還有顯示信息和配置CMU 模擬器的功能；CMU 模擬器負責激活VHF-2100 電臺的ACARS 功能；VGS-1000 地面站和DSP 模擬器用于驗證VHF-2100 能否收發ACARS報文。CMU 模擬器運行于帶有ARINC 429 板卡的PC機上，通過ARINC 429 總線與VHF-2100 電臺相連。VHF-2100 電臺和VGS-1000 地面站是真實航材，兩者之間通過衰減器無線連接。VGS-1000 地面站提供RS232 串口與DSP 模擬器連接。

5.2 測試過程及結果

（1）CMU 沒有與VHF 地面站建立初始鏈接，MCDU 頁面顯示如圖7 所示。可以看出頁面底部的“NO COMM”表示未建立空地連接。

圖7 未建立連接Fig.7 No connection

（2）CMU 進入POA（plain old ACARS）掃描階段。CMU 在期望的頻率上發Label 為Q0 的報文，VGS-1000 進行連接測試，如果在該頻率上收到VGS-1000上傳的數據報，則建立初始連接成功。頁面顯示如圖8所示。可以看出頁面中的“POA SCAN”表示正在進行掃描。

圖8 POA 掃描Fig.8 POA scan

（3）CMU 與地面站建立連接后，頁面顯示如圖9所示，“NO COMM”消失，顯示“POA COMM”和“LINK TEST SUCCESSFUL”，說明通信已經建立。

圖9 POA 通信Fig.9 POA communication

（4）CMU 進入POA 通信狀態后，空地之間便可發送上下行ACARS 數據報。以下行的位置報告（POSITION RPT）為例，當手動發送1 個下行位置報告時，MCDU的配置如圖10 所示。圖中包括當前位置、海拔、第2個報告點位置、下一報告點位置，以及對應的預估時間，還包括速度、大氣靜溫、燃油量。

圖10 位置報輸入Fig.10 Input of position message

按壓SEND*，CMU 發送Label 80 的報文，DSP 收到的報文內容如下：

可以看出DSP 接收到的報文和圖10 中CMU 發出的報文一致，并且DSP 做出正常回復。以上測試過程以及測試結果說明VHF-2100 電臺的ACARS 可以被激活，從而驗證了所設計的接口規范和時序過程是正確的。

6 結語

本文對VHF-2100 機載電臺進行研究，旨在激活其ACARS 功能，從而驗證激活方法的正確性。分析了CMU 與VDR 之間的接口數據格式，包括廣播字、協議協商字、SOLO 字和BOP3；梳理了CMU 與VDR 之間的數據交互時序關系，包括與電臺的協議協商、對電臺的調諧和上下行ACARS 數據的傳輸；以真實航材搭建ACARS 通信測試平臺，使VHF-2100 電臺能收發ACARS 報文。本研究對于國產機載電臺的設計開發有實際的工程意義，開發者可以根據本文的方法來驗證所開發的機載電臺是否符合國際標準，不再需要專門購買國外設備用于生產測試，從而降低了開發成本和周期。