管制員飛行員數據鏈通信的研究與實現

摘 要：自上世紀七十年代以來，隨著經濟、文化全球化進程的不斷加快，民用航空業已經成為20世紀以來發展最為迅速、對人類社會影響最大的科學技術產業之一。而民航業的飛速發展不僅對空中交通管制的實時性與高效性提出了越來越高的要求，也使現行的無線電話音管制通信方式顯現出使用頻率擁擠、抗環境干擾能力差等種種弊端，因此，管制員飛行員數據鏈通信（CPDLC）應運而生。CPDLC使用地空雙向數據鏈（TWDL）為管制員和飛行員提供數據通信，它可以提供包括標準的放行、期望放行、申請和報告等在內的全部管制指令。更為重要的是CPDLC有效地克服了很多話音通信當中存在的問題和缺陷。研究和掌握CPDLC技術，對我國進一步建設新航行系統（FANS）以及航空電信網ATN都有著非凡的意義。

關鍵詞：數據鏈通信；CPDLC；民航業；新航空系統

1 管制員飛行員數據鏈通信

1.1 CPDLC通信系統結構基礎

我們通常將機載的CPDLC系統簡稱為ATCComm，它泛指飛機上安裝的用于與地面之間進行TWDL通信所需的包括軟件系統在內的所有組件和單元。每當飛機接收到一份CPDLC數據信息，ATCComm首先將數據塊解碼，并對報文的緊急程度、飛行員告警需求以及飛行員回應需求做出判斷。之后，ATCComm依據上述判斷開始處理飛行員告警、報文顯示和回復等一系列操作，它同樣具有將飛行員報文進行編碼并發送給地面管制單位的能力。與機載的ATCComm相對應，地面工作站或管制塔臺就是CPDLC通信系統的地面對等實體，它必須具有編譯、發送、接收和解析CPDLC報文的能力。與ADS等其他ATN應用不同，考慮到空中交通管制高安全性的要求，一個飛機在同一時間只能和一個地面管制單位進行CPDLC通信。ATCComm與地面塔臺等CPDLC應用實體通過ATN或ACARS等地空數據網絡系統來實現建立、管理和終止CPDLC連接的能力。CPDLC是新航行系統FANS當中一項重要的基于ATN網絡的終端應用。

1.2 CPDLC地空雙向數據鏈協議規范

CPDLC作為一種空地雙向數據鏈通信協議，最早由國際航空無線電技術委員會在1993年提出并規范。CPDLC協議正式對數據鏈的建立、報文的傳輸以及處理做出了統一和規范。

1.2.1 鏈接管理

鏈接的建立：CPDLC鏈接的建立通常由地面管制單位發起，由于安全需求的限制，某一飛行器同一時刻只能與一個地面管制單位建立CPDLC鏈接，因此ATCComm系統會依據自身當前已建立的CPDLC鏈接數，對地面單位發來的“Connection Request”報文做出不同的回應。

鏈接的終止：通常情況下，CPDLC鏈接的終止是由當前地面管制單位CDA發起的，當前地面管制單位在發送“END SERVICE”報文之前，應該處理完全部掛起的上行報文，CDA發送帶有“End Service”報文元素的報文，ATCComm在接收到該報文之后，根據通信情況采取相應的行動來斷開連接。特殊情況發生時，機載CPDLC系統也可以主動終止與地面系統之間的鏈接，ATCComm向所有的鏈接發送“Disconnect Request”報，報文內容中表明該鏈接是被強制終止的。

1.2.2 CPDLC報文規范

CPDLC采用ISO/IEC 8825-2規定的非對齊分組編譯規則來對ISO ASN.1的報文結構和內容進行編譯。這種非對齊面向位的編譯方式組成的報文具有非常高的效率。

CPDLC通過規定報文屬性來區分如何對多種報文元素進行操作，每一種報文元素都有優先級、告警、回復等屬性。每一種報文元素的屬性決定其對應的上行、下行應答報文的內容格式。CPDLC報文包含報文和報體兩部分，報頭包含報文標識號MIN（Message Identification Number）、報文參考號MRN（Message Reference Number）以及時間步進三部分。報頭之后緊跟報文主體，報文主體由一個或多個報文元素組成。

1.3 CPDLC通信管制移交

與現代話音通信管制相同，CPDLC數據鏈通信管制服務同樣具有管制移交功能的需求。與話音管制移交方式不同的是，由于在CPDLC數據鏈通信系統當中，空地之間的鏈接是由地面管制單位發起的，而且同一時間只能有一個地面管制單位同飛機之間建立正常的CPDLC通信鏈接，這就決定了CPDLC的管制移交是一個相當復雜的過程。

2 CPDLC通信系統仿真模型搭建

利用計算機模擬實現CPDLC空地雙向數據鏈的通信，為模擬實現真正的通信進程，必須借助仿真軟件分別模擬飛機ATCComm系統與地面管制單位，因此我們在此選用基于Visual C++的Socket套接字來實現仿真模擬，選取Visual C++ 6.0作為仿真平臺。

通信連接的建立：根據CPDLC通信協議的規定，一架飛機同時只能與一個地面管制單位進行通信，并且是由地面管制單位向飛機發出請求連接的報文，因此我們這里設置飛機為服務器端，地面管制塔臺為客戶端建立面向連接的套接字服務。

飛機收到請求連接的報文之后，顯示詢問是否與該地面管制單位建立連接，如果輸入確認指令“Confirm”，則飛機向塔臺發送同意建立連接的報文，如果飛機一端輸入不同意連接的指令“Disconnect”，則飛機向塔臺發送不建立連接的報文，并斷開該鏈接。我們在此輸入確認連接的指令“Confirm”，飛機將顯示“已經成功向地面管制單位發送回應信息，等待對方應答。”地面管制單位則顯示“該航班已同意建立連接，可以開始傳輸管制指令。”

至此，飛機與地面管制單位之間成功建立CPDLC通信鏈接，仿真模型搭建完成。

3 仿真實現CPDLC管制通信

在通信模型搭建完成之后，我們就可以開始在地面管制單位與飛機之間傳輸管制指令，即模仿雙方之間的地空雙向數據鏈通信，以下我們將模擬常用的管制指令。

第一條管制指令：讓飛機爬升并保持在某一特定高度。

由于是第一條管制指令，因此我們將它的報文標識號MIN設置為[1]，因為這里發送的是上行報文，之前并不存在需要回復的報文，因此不需要報文參考號MRN，以上報頭定義完成。報頭之后即為報文元素號，根據RTCA DO-219標準文件的規定，讓飛機爬升并保持在某一特定高度的指令報文元素號為20，具體的報文元素為“CLIMB TO AND MAINTAIN[altitude]”，對屬性的具體定義如下，優先級屬性Urg：N（正常） ，告警屬性Alr：A（一般聽覺、視覺的告警） ，回復屬性Resp：W/U（以WILCO、UNABLE、STANDBY回復）。綜上，要發送讓飛機爬升并保持在某一特定高度的管制指令需要發送的具體報文應該為：[MIN] [Element_Number] CLIMB TO AND MAINTAIN[Altitude] Urg Alr Resp Rec。在選擇指令之后，管制單位僅需要輸入期待飛機爬升和保持的高度數據即可。完成輸入信息之后，地面管制單位就可以生成具體的指令報文，并將其發送至飛機端，機組接收報文，顯示在飛行員面前的顯示屏上。

4 結束語

文章對一種極具發展潛力的地空雙向數據鏈通信協議--管制員飛行員數據鏈通信（CPDLC）協議進行了深入的研究和模擬實現，從系統結構劃分、模塊化功能實現、報文元素生成、數據結構編碼及封裝等多個方面對CPDLC通信系統進行了全面詳盡的分析、并最終利用基于C語言的Socket套接字搭建仿真平臺，真實地模擬了飛機和地面管制單位之間通過CPDLC協議進行管制數據及指令的傳輸和通信，以最為直觀、具體的方式展示了CPDLC管制通信的原理及特點。