機(jī)載甚高頻ACARS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)及通信管理單元設(shè)計(jì)

張力支

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)(Aircraft Communication Addressing and Reporting System,ACARS)目前廣泛應(yīng)用于民用航空飛機(jī)與地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信中。借助于ACARS數(shù)據(jù)鏈[1],飛機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能自動(dòng)或人工下傳到地面計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),使飛機(jī)成為地面控制、指揮與管理系統(tǒng)的一部分?；谧址腁CARS數(shù)據(jù)鏈于1978年引入民航并在全球使用,每月大約一萬架裝有數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)傳遞約3 500萬的ACARS報(bào)文信息。我國于20世紀(jì)90年代開始了數(shù)據(jù)鏈地面網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),目前民航部門的甚高頻地面數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包括82套地面站和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理處理系統(tǒng),范圍覆蓋國內(nèi)除青藏高原外的所有地區(qū)。

ACARS數(shù)據(jù)鏈利用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備和地空數(shù)據(jù)通信服務(wù)提供商的通信網(wǎng)絡(luò),通過VHF/HF/SATCOM傳輸媒介,建立起飛機(jī)與地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的連接,實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)與飛機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。目前我國僅支持基于VHF的ACARS數(shù)據(jù)通信。

2 VHF ACARS機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

VHF ACARS機(jī)載系統(tǒng)由一套通信管理單元(CMU)或ACARS管理單元、甚高頻收發(fā)信機(jī)、多功能控制與顯示組件、打印機(jī)等設(shè)備組成,通過總線接口與飛行管理計(jì)算機(jī)、中央維護(hù)系統(tǒng)、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)等連接。

2.1 CMU作為終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了CMU作為一個(gè)終端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[2]。CMU提供航空運(yùn)營通信(AOC)服務(wù),也可以通過ACARS轉(zhuǎn)換功能(ACF)提供面向字符和面向比特的空中交通服務(wù)(ATS)[3,4]。CMU應(yīng)該支持CMU/FMC信息代理(CFIB)應(yīng)用[5],通過簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)和網(wǎng)際協(xié)議(IP),提供CMU所駐留的ATS必要的數(shù)據(jù)參數(shù)。對于駐留在CMU之外的AOC應(yīng)用,CMU能提供ACARS路由支持[6]。

圖1 CMU作為終端系統(tǒng)的ACARS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 CMU as end system architecture

2.2 CMU作為路由結(jié)構(gòu)

CMU主要作為其它機(jī)上終端系統(tǒng)的路由器,飛行管理系統(tǒng)為未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)(FANS)環(huán)境提供主要終端系統(tǒng)功能,駐留管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC)、自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS)等應(yīng)用[7],CMU會通過ACARS路由功能進(jìn)行支持。飛行管理系統(tǒng)駐留多數(shù)AOC應(yīng)用,部分AOC應(yīng)用和基于字符的ATS仍由CMU來提供的。

2.3 CMU/FMS綜合結(jié)構(gòu)

CMU功能是與飛行管理系統(tǒng)功能一起操作,這種結(jié)構(gòu)與CMU作為終端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似,只是不需要通過一個(gè)外部電子總線傳輸數(shù)據(jù)參數(shù),因?yàn)閿?shù)據(jù)傳送通過內(nèi)部總線提供。

3 通信管理單元

CMU通常作為ACARS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的機(jī)載終端,實(shí)現(xiàn)地空數(shù)據(jù)通信協(xié)議,功能和性能上應(yīng)符合ARINC 758規(guī)范,支持AOC、ATS等典型應(yīng)用[8]。

3.1 服務(wù)與應(yīng)用功能

參照ARINC 758[2]規(guī)范中對CMU的服務(wù)功能描述,與ACARS數(shù)據(jù)鏈對應(yīng)的服務(wù)能力等級為0級、0.1級、0.2級和0.3級。0級只提供ACARS數(shù)據(jù)鏈路服務(wù),CMU內(nèi)包括一個(gè)MSK調(diào)制解調(diào)器,采用模擬甚高頻無線電接口。0.1級在0級的基礎(chǔ)上具備運(yùn)行VHF模式A的能力,CMU和VHF電臺間采用ARINC 429接口。0.2等級的CMU在0.1等級基礎(chǔ)上支持VHF運(yùn)行模式2,CMU和VHF電臺間采用ARINC 429接口,路由和數(shù)據(jù)格式還是ACARS基于字符的。

ACARS數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)功能提供一個(gè)面向字符的空/地?cái)?shù)據(jù)鏈路服務(wù)。實(shí)現(xiàn)VHF ACARS的CMU功能包括:

(1)與所有可用商業(yè)航空ACARS空地網(wǎng)絡(luò)的互操作性;

(2)提供具有優(yōu)先級的上/下行隊(duì)列管理;

(3)邏輯鏈路控制功能,保證飛機(jī)移動(dòng)環(huán)境中自動(dòng)進(jìn)行鏈路確立、維護(hù)和切斷;

(4)CMU采用路由結(jié)構(gòu)時(shí),能從ACARS終端系統(tǒng)發(fā)出/接收的路由數(shù)據(jù)鏈路消息;

(5)支持消息一級嵌套,具備為每一個(gè)ACARS終端系統(tǒng)至少一個(gè)完整的上行和下行ACARS消息的緩沖能力;

(6)為每一個(gè)ACARS終端系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)(鏈路可用和連接/斷開),以實(shí)現(xiàn)消息管理和機(jī)組人員告警;

(7)提供控制、顯示和警告(視覺的和聽覺的)的能力,支持駕駛艙操作和顯示;

(8)具備數(shù)據(jù)管理功能,能夠儲存和保留具體的操作性數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)鏈路消息,實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理。

參照ARINC 758規(guī)范[2]中對CMU的應(yīng)用功能描述,與ACARS數(shù)據(jù)鏈對應(yīng)的應(yīng)用能力等級為A級和B級。A級應(yīng)用包括AOC、航空管理通信應(yīng)用(AAC)以及部分基于字符的ATS應(yīng)用,例如起飛放行許可(DCL)、自動(dòng)終端信息服務(wù)(ATIS)等[4]。等級B的CMU提供面向比特的ADS和CPDLC等[7]ATS應(yīng)用,并能提供通用的等級A的ACARS應(yīng)用支持。

3.2 接口與協(xié)議

3.2.1 VHF無線電收發(fā)機(jī)

VHF無線電接口分為ARINC 716模擬接口和ARINC 750接口兩種。ARINC 750甚高頻數(shù)傳電臺使用ARINC 429總線物理層和鏈路層接口。等級0.1或更高的CMU應(yīng)該在空地鏈路上通過ARINC 429總線支持ACARS地空通信協(xié)議。CMU和VHF數(shù)傳電臺的協(xié)議架構(gòu)如圖2所示。

圖2 ACARS機(jī)載系統(tǒng)協(xié)議架構(gòu)圖Fig.2 The protocol architecture of ACARS airborne system

加電狀態(tài)下CMU和VHF數(shù)傳電臺通過標(biāo)號為172、270和377的ARINC 429廣播單字通告設(shè)備的系統(tǒng)地址、實(shí)時(shí)狀態(tài)和設(shè)備標(biāo)識[2,9]。CMU和VHF數(shù)傳電臺相互檢測到對方有效后,進(jìn)入模式設(shè)置和協(xié)議協(xié)商過程。VHF數(shù)傳電臺進(jìn)入ARINC 750模式,并設(shè)置接口采用ACARSIP協(xié)議[9],隨后進(jìn)入正常的ACARSIP通信過程。ACARSIP協(xié)議規(guī)定了實(shí)現(xiàn)ACARS功能的一系列消息、方法和過程。典型的ACARSIP協(xié)議消息包括參數(shù)請求/確認(rèn)原語、地址請求/確認(rèn)原語、下行數(shù)據(jù)傳輸請求/確認(rèn)原語、上行數(shù)據(jù)傳輸提示原語等。

3.2.2 機(jī)上系統(tǒng)

CMU通過多組ARINC 429通用數(shù)據(jù)總線接口實(shí)現(xiàn)與飛行管理系統(tǒng)等機(jī)上系統(tǒng)或設(shè)備的信息交互。鏈路層通常使用ARINC 429面向比特協(xié)議(BOP)[10]。CMU支持威廉斯堡協(xié)議版本1和版本3。

對于等級B的CMU終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說,文獻(xiàn)[5]接口用來在CMU和飛行管理系統(tǒng)間發(fā)送和接收數(shù)據(jù),這個(gè)接口應(yīng)用ARINC 429面向比特協(xié)議鏈路層服務(wù)。

文獻(xiàn)[6]接口用來接入到飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視計(jì)算機(jī)、中央維護(hù)計(jì)算機(jī)、飛行管理計(jì)算機(jī)和客艙系統(tǒng)等外部ACARS終端系統(tǒng)。CMU用ACARS標(biāo)簽/子標(biāo)簽的聯(lián)合來路由消息,接口使用ARINC 429總線物理連接,ARINC 429鏈路層協(xié)議取決于飛機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)備。

3.2.3 座艙系統(tǒng)

多功能控制與顯示組件是CMU等級A、B和C應(yīng)用的主要飛行機(jī)務(wù)人員接口。CMU能通過ARINC 429總線向3個(gè)獨(dú)立的多功能控制與顯示組件發(fā)送和接收信息[11]。如果CMU為ATS應(yīng)用提供機(jī)務(wù)人員接口,那么CMU應(yīng)該提供并行操作和以最小擊鍵接入到ATS消息的能力。若座艙系統(tǒng)采用多功能顯示器模擬MCDU功能,CMU的接口應(yīng)遵循ARINC 661規(guī)范[12]以支持圖形顯示和處理邏輯的分離。

CMU可通過ARINC 429總線傳送數(shù)據(jù)到機(jī)載打印機(jī),并獲取打印機(jī)狀態(tài)信息。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

CMU作為ACARS數(shù)據(jù)鏈消息和協(xié)議處理的機(jī)載關(guān)鍵設(shè)備,實(shí)現(xiàn)ACARS消息封裝和解析,具備自動(dòng)建立并維持通信鏈路的能力。航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)在經(jīng)過ACARS協(xié)議處理后發(fā)送至地面系統(tǒng),地面用戶的ACARS消息也能經(jīng)過CMU處理并上報(bào)給航電系統(tǒng)。以服務(wù)等級0.1、應(yīng)用等級B、采用ARINC 750接口的CMU為例,軟件模塊原理如圖3所示。各模塊描述如下。

(1)航電接口模塊:實(shí)現(xiàn)CMU與多功能控制與顯示組件、飛行管理計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、中央維護(hù)系統(tǒng)等飛機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的接口轉(zhuǎn)換與處理,管理ACARS數(shù)據(jù)庫的使用與更新。

(2)ACARS應(yīng)用消息處理模塊:處理AOC、AAC、空中交通服務(wù)設(shè)施通告(AFN)、ATIS、DCL等基于字符的ACARS消息,以及ADS、CPDLC等基于比特的ACARS消息。

(3)ACARS數(shù)據(jù)管理模塊:飛機(jī)識別和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)的存儲管理,導(dǎo)航信息等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的自動(dòng)更新,MCDU頁面配置和參數(shù)的控制,發(fā)送和接收的ACARS報(bào)文的存儲和查詢管理。

(4)下行報(bào)文處理模塊:按照ACARS協(xié)議要求生成下行報(bào)文,正確填寫報(bào)頭中下行鏈路塊標(biāo)識、模式、報(bào)文源、報(bào)文編號、分組塊字符、報(bào)文標(biāo)號或子標(biāo)號以及CRC校驗(yàn)值,需要時(shí)通過技術(shù)確認(rèn)字符應(yīng)答地面;管理一個(gè)具有多優(yōu)先級的發(fā)送隊(duì)列,支持報(bào)文嵌套和報(bào)文重傳,具備一個(gè)完整的下行ACARS消息(所有塊)的緩沖能力。

(5)上行報(bào)文處理模塊:管理一個(gè)具有多優(yōu)先級的接收隊(duì)列,支持報(bào)文嵌套,具備一個(gè)完整的上行ACARS消息(所有塊)的緩沖能力。校驗(yàn)上行報(bào)文的上行鏈路塊標(biāo)識、標(biāo)號、模式等信息,判斷報(bào)文中是否包含應(yīng)答信息,丟棄重傳的報(bào)文。對校驗(yàn)錯(cuò)誤或無法識別的報(bào)告進(jìn)行有效處理。

(6)鏈路管理模塊:管理多個(gè)機(jī)載計(jì)時(shí)器,實(shí)現(xiàn)ACARS數(shù)據(jù)鏈協(xié)議的重要部分,通信中斷時(shí)能自動(dòng)獲取、建立并維持連接。

(7)電臺接口模塊:包括ARINC 750鏈路層接口模塊和BOP3-429文件傳輸模塊。ARINC 750模塊實(shí)現(xiàn)與甚高頻電臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁CARSIP協(xié)議,BOP3-429模塊實(shí)現(xiàn)基于比特的文件傳輸威廉斯堡(Williamsburg)協(xié)議。

圖3 CMU軟件模塊原理圖Fig.3 Block diagram of CMU software module

4 結(jié)束語

基于字符傳輸?shù)腁CARS數(shù)據(jù)鏈協(xié)議最初是為航空公司運(yùn)營控制建立的,區(qū)別于目前計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)面向比特協(xié)議的全數(shù)字系統(tǒng)。根據(jù)ADS和CPDLC等面向比特ATS應(yīng)用的需要,可以利用原有的ACARS數(shù)據(jù)鏈設(shè)備,通過實(shí)現(xiàn)比特字符轉(zhuǎn)換功能的[5]FANS-1/A系統(tǒng),提供ATS服務(wù)?；赩DL 2、VDL 3或VDL 4數(shù)據(jù)鏈技術(shù),建設(shè)代表全球標(biāo)準(zhǔn)的ATN網(wǎng)絡(luò),能提供更高速率的數(shù)據(jù)傳輸,是地空數(shù)據(jù)鏈發(fā)展的方向和必然選擇,但是目前大多數(shù)飛機(jī)都裝備有ACARS數(shù)據(jù)鏈設(shè)備,根據(jù)ARINC 622規(guī)范構(gòu)建的FANS-1/A系統(tǒng)內(nèi)仍將長期使用。國內(nèi)VDL 2遠(yuǎn)端地面站等網(wǎng)絡(luò)工程的建設(shè)剛剛開始,因此ACARS仍是最主要的民航地空數(shù)據(jù)通信方式。

CMU和VHF數(shù)傳電臺作為實(shí)現(xiàn)地空數(shù)據(jù)鏈功能的核心設(shè)備,對于飛機(jī)航電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)十分重要,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)大型飛機(jī)的自主研發(fā)剛剛起步,數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的應(yīng)用研究非常必要,ACARS等甚高頻數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備的研制勢在必行,并將對我國航空產(chǎn)業(yè)化發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

[1]ARINC specification 618-6,Air/ground character-oriented protocol specification[S].

[2]ARINC characteristic 758-2,Communications management unit(CMU)Mark 2[S].

[3]ARINC specification 622-4,ATS data link applications over ACARS air-ground network[S].

[4]ARINC specification 623-3,Character-oriented air traffic service(ATS)applications[S].

[5]ARINC specification 656,Avionics interface definition for flight management and communications management functions[S].

[6]ARINC specification 619-2,ACARS protocols for avionic end systems[S].

[7]RTCA/DO-258A,Interoperability requirements for ATS applications using ARINC 622 data communications(FANS1/A interop standard)[S].

[8]AC-121-FS-2008-16R1,航空運(yùn)營人使用地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)與指南[S].AC-121-FS-2008-16R1,Standard andGuide of Air Operators Using Data Communication System[S].(in Chinese)

[9]ARINCcharacteristic 750-4,VHF data radio[S].

[10]ARINC specification 429p3-19,Mark 33 digital information transfer system(DITS)-part 3-file data transfer techniques[S].

[11]Multi-purpose control and display unit ARINC characteristic 739A-1[S].

[12]ARINC specification 661-3,Cockpit display system interfaces to user systems[S].