機載甚高頻ACARS數據鏈系統及通信管理單元設計

張力支

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

1 引 言

飛機通信尋址與報告系統(Aircraft Communication Addressing and Reporting System,ACARS)目前廣泛應用于民用航空飛機與地面系統的數據通信中。借助于ACARS數據鏈[1],飛機計算機系統的數據能自動或人工下傳到地面計算機網絡,使飛機成為地面控制、指揮與管理系統的一部分。基于字符的ACARS數據鏈于1978年引入民航并在全球使用,每月大約一萬架裝有數據鏈的飛機傳遞約3 500萬的ACARS報文信息。我國于20世紀90年代開始了數據鏈地面網絡的建設,目前民航部門的甚高頻地面數據網絡包括82套地面站和一個網絡管理處理系統,范圍覆蓋國內除青藏高原外的所有地區。

ACARS數據鏈利用飛機機載設備和地空數據通信服務提供商的通信網絡,通過VHF/HF/SATCOM傳輸媒介,建立起飛機與地面計算機系統之間的連接,實現地面系統與飛機之間的數據通信。目前我國僅支持基于VHF的ACARS數據通信。

2 VHF ACARS機載系統設計

VHF ACARS機載系統由一套通信管理單元(CMU)或ACARS管理單元、甚高頻收發信機、多功能控制與顯示組件、打印機等設備組成,通過總線接口與飛行管理計算機、中央維護系統、飛機狀態監視系統等連接。

2.1 CMU作為終端系統結構

圖1給出了CMU作為一個終端系統的結構[2]。CMU提供航空運營通信(AOC)服務,也可以通過ACARS轉換功能(ACF)提供面向字符和面向比特的空中交通服務(ATS)[3,4]。CMU應該支持CMU/FMC信息代理(CFIB)應用[5],通過簡單網絡管理協議(SNMP)、用戶數據報協議(UDP)和網際協議(IP),提供CMU所駐留的ATS必要的數據參數。對于駐留在CMU之外的AOC應用,CMU能提供ACARS路由支持[6]。

圖1 CMU作為終端系統的ACARS數據鏈系統結構圖Fig.1 CMU as end system architecture

2.2 CMU作為路由結構

CMU主要作為其它機上終端系統的路由器,飛行管理系統為未來空中導航系統(FANS)環境提供主要終端系統功能,駐留管制員飛行員數據鏈通信(CPDLC)、自動相關監視(ADS)等應用[7],CMU會通過ACARS路由功能進行支持。飛行管理系統駐留多數AOC應用,部分AOC應用和基于字符的ATS仍由CMU來提供的。

2.3 CMU/FMS綜合結構

CMU功能是與飛行管理系統功能一起操作,這種結構與CMU作為終端系統的結構相似,只是不需要通過一個外部電子總線傳輸數據參數,因為數據傳送通過內部總線提供。

3 通信管理單元

CMU通常作為ACARS數據鏈系統的機載終端,實現地空數據通信協議,功能和性能上應符合ARINC 758規范,支持AOC、ATS等典型應用[8]。

3.1 服務與應用功能

參照ARINC 758[2]規范中對CMU的服務功能描述,與ACARS數據鏈對應的服務能力等級為0級、0.1級、0.2級和0.3級。0級只提供ACARS數據鏈路服務,CMU內包括一個MSK調制解調器,采用模擬甚高頻無線電接口。0.1級在0級的基礎上具備運行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等級基礎上支持VHF運行模式2,CMU和VHF電臺間采用ARINC 429接口,路由和數據格式還是ACARS基于字符的。

ACARS數據鏈網絡功能提供一個面向字符的空/地數據鏈路服務。實現VHF ACARS的CMU功能包括:

(1)與所有可用商業航空ACARS空地網絡的互操作性;

(2)提供具有優先級的上/下行隊列管理;

(3)邏輯鏈路控制功能,保證飛機移動環境中自動進行鏈路確立、維護和切斷;

(4)CMU采用路由結構時,能從ACARS終端系統發出/接收的路由數據鏈路消息;

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

(6)為每一個ACARS終端系統提供數據鏈路狀態(鏈路可用和連接/斷開),以實現消息管理和機組人員告警;

(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)具備數據管理功能,能夠儲存和保留具體的操作性數據和數據鏈路消息,實現靜態數據和動態數據的管理。

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

3.2 接口與協議

3.2.1 VHF無線電收發機

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應該在空地鏈路上通過ARINC 429總線支持ACARS地空通信協議。CMU和VHF數傳電臺的協議架構如圖2所示。

圖2 ACARS機載系統協議架構圖Fig.2 The protocol architecture of ACARS airborne system

加電狀態下CMU和VHF數傳電臺通過標號為172、270和377的ARINC 429廣播單字通告設備的系統地址、實時狀態和設備標識[2,9]。CMU和VHF數傳電臺相互檢測到對方有效后,進入模式設置和協議協商過程。VHF數傳電臺進入ARINC 750模式,并設置接口采用ACARSIP協議[9],隨后進入正常的ACARSIP通信過程。ACARSIP協議規定了實現ACARS功能的一系列消息、方法和過程。典型的ACARSIP協議消息包括參數請求/確認原語、地址請求/確認原語、下行數據傳輸請求/確認原語、上行數據傳輸提示原語等。

3.2.2 機上系統

CMU通過多組ARINC 429通用數據總線接口實現與飛行管理系統等機上系統或設備的信息交互。鏈路層通常使用ARINC 429面向比特協議(BOP)[10]。CMU支持威廉斯堡協議版本1和版本3。

對于等級B的CMU終端系統結構來說,文獻[5]接口用來在CMU和飛行管理系統間發送和接收數據,這個接口應用ARINC 429面向比特協議鏈路層服務。

文獻[6]接口用來接入到飛機狀態監視計算機、中央維護計算機、飛行管理計算機和客艙系統等外部ACARS終端系統。CMU用ACARS標簽/子標簽的聯合來路由消息,接口使用ARINC 429總線物理連接,ARINC 429鏈路層協議取決于飛機結構和設備。

3.2.3 座艙系統

多功能控制與顯示組件是CMU等級A、B和C應用的主要飛行機務人員接口。CMU能通過ARINC 429總線向3個獨立的多功能控制與顯示組件發送和接收信息[11]。如果CMU為ATS應用提供機務人員接口,那么CMU應該提供并行操作和以最小擊鍵接入到ATS消息的能力。若座艙系統采用多功能顯示器模擬MCDU功能,CMU的接口應遵循ARINC 661規范[12]以支持圖形顯示和處理邏輯的分離。

CMU可通過ARINC 429總線傳送數據到機載打印機,并獲取打印機狀態信息。

3.3 軟件設計

CMU作為ACARS數據鏈消息和協議處理的機載關鍵設備,實現ACARS消息封裝和解析,具備自動建立并維持通信鏈路的能力。航電系統數據在經過ACARS協議處理后發送至地面系統,地面用戶的ACARS消息也能經過CMU處理并上報給航電系統。以服務等級0.1、應用等級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:實現CMU與多功能控制與顯示組件、飛行管理計算機、打印機、中央維護系統等飛機計算機系統之間的接口轉換與處理,管理ACARS數據庫的使用與更新。

(2)ACARS應用消息處理模塊:處理AOC、AAC、空中交通服務設施通告(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數據管理模塊:飛機識別和結構數據等靜態數據的存儲管理,導航信息等動態數據的自動更新,MCDU頁面配置和參數的控制,發送和接收的ACARS報文的存儲和查詢管理。

(4)下行報文處理模塊:按照ACARS協議要求生成下行報文,正確填寫報頭中下行鏈路塊標識、模式、報文源、報文編號、分組塊字符、報文標號或子標號以及CRC校驗值,需要時通過技術確認字符應答地面;管理一個具有多優先級的發送隊列,支持報文嵌套和報文重傳,具備一個完整的下行ACARS消息(所有塊)的緩沖能力。

(5)上行報文處理模塊:管理一個具有多優先級的接收隊列,支持報文嵌套,具備一個完整的上行ACARS消息(所有塊)的緩沖能力。校驗上行報文的上行鏈路塊標識、標號、模式等信息,判斷報文中是否包含應答信息,丟棄重傳的報文。對校驗錯誤或無法識別的報告進行有效處理。

(6)鏈路管理模塊:管理多個機載計時器,實現ACARS數據鏈協議的重要部分,通信中斷時能自動獲取、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模塊實現與甚高頻電臺數據傳輸的ACARSIP協議,BOP3-429模塊實現基于比特的文件傳輸威廉斯堡(Williamsburg)協議。

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

4 結束語

基于字符傳輸的ACARS數據鏈協議最初是為航空公司運營控制建立的,區別于目前計算機處理數據面向比特協議的全數字系統。根據ADS和CPDLC等面向比特ATS應用的需要,可以利用原有的ACARS數據鏈設備,通過實現比特字符轉換功能的[5]FANS-1/A系統,提供ATS服務。基于VDL 2、VDL 3或VDL 4數據鏈技術,建設代表全球標準的ATN網絡,能提供更高速率的數據傳輸,是地空數據鏈發展的方向和必然選擇,但是目前大多數飛機都裝備有ACARS數據鏈設備,根據ARINC 622規范構建的FANS-1/A系統內仍將長期使用。國內VDL 2遠端地面站等網絡工程的建設剛剛開始,因此ACARS仍是最主要的民航地空數據通信方式。

CMU和VHF數傳電臺作為實現地空數據鏈功能的核心設備,對于飛機航電系統和通信系統十分重要,具有廣闊的應用前景。目前國內大型飛機的自主研發剛剛起步,數據鏈技術的應用研究非常必要,ACARS等甚高頻數據鏈機載設備的研制勢在必行,并將對我國航空產業化發展產生重要影響。

[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,航空運營人使用地空數據通信系統的標準與指南[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].