民機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮

宋金澤 解麗榮

摘 要：數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作為當(dāng)代及未來民用飛機(jī)上的重要系統(tǒng)之一，相比傳統(tǒng)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(yōu)勢(shì)，不但在空中交通管理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對(duì)航空公司提高運(yùn)營效率、減少成本也起到巨大作用。該文站在設(shè)計(jì)的角度，首先闡述了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的必要性，然后講解系統(tǒng)的傳輸媒介和基本組成，接著從應(yīng)用設(shè)計(jì)、人機(jī)界面、與機(jī)上其他系統(tǒng)的接口進(jìn)行描述，并說明了測(cè)試方面的工作，最后展望了民機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)鏈 應(yīng)用 接口 趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（a）-0088-02

民機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)建立飛機(jī)與地面信息化系統(tǒng)之間的連接，實(shí)現(xiàn)雙向?qū)崟r(shí)的地空數(shù)據(jù)通信，它主要取決于兩方面的需求：（1）空中交通管理：數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠降低對(duì)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(jī)等待時(shí)間，增加交通容量；（2）航空公司管理：航空公司能通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握飛機(jī)的運(yùn)行、健康狀態(tài)，提高運(yùn)營效率。

各國民航當(dāng)局都在加大對(duì)數(shù)據(jù)鏈基礎(chǔ)設(shè)施的投入，并逐漸提高對(duì)在其轄區(qū)內(nèi)運(yùn)營飛機(jī)的要求。航空公司出于航路運(yùn)營資格的考慮與自身對(duì)機(jī)隊(duì)管理的需要，在選購新飛機(jī)時(shí)非常重視數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸媒介

目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈傳輸媒介有三種，分別是甚高頻通信、高頻通信和衛(wèi)星通信（包括海事衛(wèi)星和銥星）。通過選擇支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈功能的機(jī)載端系統(tǒng)收發(fā)機(jī)，可以在提供語音通信功能的同時(shí)構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)絡(luò)，傳輸飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）報(bào)文。

由于甚高頻通信是視距傳播，甚高頻數(shù)據(jù)鏈的使用受地面臺(tái)站覆蓋程度的影響很大。在地面臺(tái)站不能覆蓋的地區(qū)，需要把信息暫時(shí)存儲(chǔ)，直至飛行到地面臺(tái)站覆蓋區(qū)才能繼續(xù)傳輸。對(duì)于選裝有高頻或者衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)，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(wèi)星覆蓋區(qū)域不包括地球兩極地區(qū)。

ATN（Aeronautical Telecommunication Network）是全球地空一體化的航空專用網(wǎng)絡(luò)，采用開放式體系結(jié)構(gòu)的VDL（Very High Frequency Data Link）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在其四種技術(shù)： VDL Mode1、VDL Mode 2、VDL Mode 3和VDL Mode 4中，VDL Mode2以其對(duì)現(xiàn)有ACARS網(wǎng)絡(luò)的兼容性、和對(duì)未來ATN網(wǎng)絡(luò)的無縫隙結(jié)合而成為當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的重要選擇。[2]

當(dāng)前主流的民機(jī)都安裝有甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，且同時(shí)兼容ACARS與VDL Mode2模式，高頻與衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可視客戶需求選裝。為了獲得市場(chǎng)競(jìng)爭力，新研飛機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)至少與主流民機(jī)保持一致的水平。

2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)基本組成

通信管理（路由）功能是機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的核心，它的一端是甚高頻、高頻和衛(wèi)通等收發(fā)機(jī)，發(fā)揮著與外界收發(fā)信息的作用，另一端是機(jī)上用戶，包括ATS/ATC/AOC等報(bào)文應(yīng)用和各種機(jī)上終端。通信管理可以通過單獨(dú)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，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(shí)現(xiàn)，稱為通信管理功能（CMF）。[3]選擇CMU或者CMF是整機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與權(quán)衡的結(jié)果。

機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的另外兩個(gè)功能分別是“操作與顯示”功能（人機(jī)接口），用于發(fā)送和查看報(bào)文，和“配置與維護(hù)”功能，用于設(shè)置飛機(jī)尾號(hào)、ICAO代碼、監(jiān)控目前每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)、監(jiān)控外設(shè)狀態(tài)、測(cè)試鏈路、選擇數(shù)據(jù)鏈服務(wù)提供商（DSP）等。

3 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用可分為空中交通服務(wù)（ATS）、空中交通管制（ATC）和航空公司運(yùn)營控制（AOC）三大類。

常用的ATS應(yīng)用有四種：（1）航站自動(dòng)信息服務(wù)（ATIS）報(bào)告；（2）越洋放行報(bào)告；（3）離港前放行報(bào)告；（4）駕駛員航站天氣信息報(bào)告（TWIP）；

ATC應(yīng)用則與飛管系統(tǒng)有緊密的交聯(lián)，它分為運(yùn)行在ACARS網(wǎng)絡(luò)的FANS 1/A+（CPDLC、ADS-C和AFN）與運(yùn)行在ATN網(wǎng)絡(luò)的LINK2000+（CM、CPDLC）。為了降低與飛管系統(tǒng)交聯(lián)的接口復(fù)雜度，在IMA系統(tǒng)中將飛管與CPDLC功能一同開發(fā)是比較好的選擇。FANS 1/A+服務(wù)在北美和中國使用，LINK2000+則在歐洲使用。為了提高飛機(jī)的通用性與市場(chǎng)競(jìng)爭力，設(shè)計(jì)時(shí)最好同時(shí)具備FANS 1/A+與LINK2000+能力。

AOC應(yīng)用允許航空公司管理運(yùn)行、氣象、延誤、維護(hù)以及其他相關(guān)的運(yùn)營活動(dòng)，種類繁多，且可由航空公司自行定義，典型的AOC報(bào)文包括：（1）OOOI報(bào)；（2）飛行狀態(tài)、延誤及變更報(bào)；（3）氣象報(bào)請(qǐng)求；（4）維護(hù)報(bào)文；（5）客艙服務(wù)請(qǐng)求（輪椅、醫(yī)療等）；（6）橋位請(qǐng)求；（7）其他自由報(bào)文。

以波音公司開發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)AHM與空客公司開發(fā)的AIRMAN為代表，航空業(yè)越來越重視利用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析。[4]實(shí)時(shí)監(jiān)控的核心就是AOC報(bào)文，它帶來的自由度使航空公司實(shí)施集中簽派放行、集中配載、飛機(jī)遠(yuǎn)程在線故障報(bào)告與診斷等成為可能，為航空公司提高安全保障水平、節(jié)省運(yùn)行成本和提高旅客服務(wù)質(zhì)量提供了有效手段。[5]

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，AOC應(yīng)用的設(shè)計(jì)保障等級(jí)為E級(jí)，使用獨(dú)立的分區(qū)，與ATS/ATC應(yīng)用隔離，使得對(duì)AOC的更改不影響系統(tǒng)安全，不需要適航當(dāng)局再次介入。AOC應(yīng)用需方便航空公司修改與加載，一般應(yīng)能將修改后的文件通過ARINC 615加載機(jī)加載到飛機(jī)上。

4 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)人機(jī)界面

大多數(shù)飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的人機(jī)交互界面為基于ARINC 739的MCDU（多功能控制顯示組件），機(jī)組按壓MCDU上的行選鍵，通過菜單層層進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈應(yīng)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(jìn)的民用飛機(jī)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(biāo)滾輪等更符合人們?nèi)粘Ａ?xí)慣的操作方式，獲得世界一線制造商、航電設(shè)備供應(yīng)商的支持，已被成功應(yīng)用于B787、A380、A350等一系列航空項(xiàng)目中。令人憧憬的是，新的顯示機(jī)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(bào)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?；贏RINC 661的大屏幕顯示器作為先進(jìn)飛機(jī)駕駛艙最直觀的特征，最終會(huì)在民用飛機(jī)上普遍應(yīng)用。[6]

5 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)機(jī)上接口

傳統(tǒng)航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信主要采用ARINC429及MIL-STD-153等協(xié)議，這些數(shù)據(jù)通信協(xié)議具有可靠性高、通信質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，在當(dāng)代航空、航海等軍事通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。[7]

目前國際上新研的大型民用飛機(jī)，如B787、A380、A350等均采用了綜合化、模塊化的航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)是采用飛機(jī)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)核心處理、導(dǎo)航、通信等分系統(tǒng)之間的信息交換。經(jīng)充分的研究、仿真和試驗(yàn)，歐洲與美國選擇ARINC 664—— 航空全雙工交換以太網(wǎng)（AFDX）構(gòu)建航電系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)。[8]AFDX以傳統(tǒng)的IEEE802.3以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，通過虛鏈路、帶寬分配策略保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的確定性，增加了余度管理提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力與可靠性，適應(yīng)了航空電子實(shí)時(shí)分布式的通信要求。與傳統(tǒng)的飛機(jī)總線相比，AFDX在傳輸速率和通信帶寬，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活性，數(shù)據(jù)幀（包）協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)重量、體積、布線的復(fù)雜度等各方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需要與大量的機(jī)載外圍設(shè)備接口，用于收集飛機(jī)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)鏈報(bào)文到外部終端系統(tǒng)應(yīng)用，這些系統(tǒng)包括：航電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)等，其中僅航電系統(tǒng)就可以繼續(xù)細(xì)分為：機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、指示記錄系統(tǒng)、客艙系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、航電核心處理系統(tǒng)等。諸多的外部系統(tǒng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)涉及的總線可能有傳統(tǒng)的ARINC 429，也可能有ARINC 664，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需注意對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

6 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的測(cè)試

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)交聯(lián)復(fù)雜，完整的測(cè)試包括試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，飛機(jī)下線前測(cè)試、地面測(cè)試與飛行測(cè)試，其中后兩步是適航當(dāng)局關(guān)注的測(cè)試。根據(jù)國內(nèi)首款按照CCAR25部進(jìn)行審定的民用飛機(jī)ARJ21-700飛機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，建議后兩步測(cè)試與國內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商——民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司（ADCC）進(jìn)行合作，其不僅是國內(nèi)唯一的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，其豐富的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)也可以在測(cè)試時(shí)減少失誤，節(jié)約時(shí)間與成本。

7 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展。如今民航地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)朝著ATN的方向發(fā)展，不具備FANS 1/A+和LINK2000+功能的飛機(jī)將會(huì)被市場(chǎng)淘汰。VDL Mode2可以實(shí)現(xiàn)ACARS到ATN的平穩(wěn)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(guī)模的應(yīng)用，仍值得保持關(guān)注。

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要關(guān)注政策法規(guī)的動(dòng)向。比如銥星數(shù)據(jù)鏈雖然在費(fèi)率上比海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈便宜，世界上的使用率也很高，但在國內(nèi)由于與中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)頻率相近，未來不排除國內(nèi)禁用銥星數(shù)據(jù)鏈的可能。

另外，客艙寬帶接入服務(wù)一直非常熱門，旅客希望能通過話音、電子郵件和視頻等應(yīng)用與外部連接，航空市場(chǎng)增值業(yè)務(wù)的需求正在迅速增長。出于安全考慮，針對(duì)客艙的數(shù)據(jù)上網(wǎng)系統(tǒng)與機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)分開，與ATS/ATC/AOC應(yīng)用無關(guān)，往往是一套獨(dú)立的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。駕駛艙中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以節(jié)約成本，而客艙中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)則可以創(chuàng)造利潤，如果將上網(wǎng)終端植入旅客座椅，可以吸引更多的客戶乘坐飛機(jī)，并能實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的廣告?zhèn)鞑ヅc空中銷售。

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