民用飛機數據鏈端系統通信協議分析

袁樹德 陸曉剛 / Yuan Shude Lu Xiaogang

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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民用飛機數據鏈端系統通信協議分析

袁樹德 陸曉剛 / Yuan Shude Lu Xiaogang

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

數據鏈系統作為民用飛機的重要配置，目前已經得到了廣泛的運用。隨著機載環境的日漸復雜，機上與數據鏈交聯的端系統也越來越多。作為數據交互的空中節點，數據鏈系統遵循ARINC 619協議與其他端系統進行通信。通過結合機載打印機，說明了數據鏈及其端系統之間通信的過程及特點。

數據鏈；端系統；打印機；面向字符

0 引言

現代民用飛機可以使用語音和數據兩種模式進行通信，較傳統的語音通信技術，數據通信以其傳輸速率快、誤碼率低、抗干擾能力強等多種特點，目前已經在飛行中被普遍采用[1]。數據鏈通信作為民用航空運輸和空中交通管制的重要組成部分，可以使用甚高頻(VHF)、高頻(HF)、衛星通信(SATCOM)作為傳輸媒介，實現飛機-飛機，飛機-地面的消息傳輸，提高航班運行效率，降低飛行機組的工作負擔[2]。

機載通信管理單元作為數據鏈系統的核心，為其他機載端系統(End System)提供路由功能，為機載維護系統(OMS)、顯示系統(DS)、飛行記錄系統(FDR)、飛行管理系統(FMS)、數據鏈應用軟件、客艙系統等提供數據I/O接口。本文通過分析ARINC-619協議，給出了民用飛機數據鏈機載端系統之間的通信過程。

1 數據鏈系統概述

當前較為廣泛的機載數據鏈系統，是以通信管理單元(CMU)為核心，可以提供ACARS和ATN兩種數據網絡的接入與管理。基于不同的架構，CMU可以分別作為端系統、路由或兼具兩種功能使用。圖1給出了一種CMU用作路由使用的架構[3]。

圖1 CMU用作路由的架構

CMU作為地空數據鏈系統的空中節點，機載設備的主要功能是將機載系統采集的各種飛行狀態參數通過地空數據鏈通信鏈路發送到地面遠程控制站，并接收地面通過RGS站轉發來的數據鏈信息。

ACARS網絡是當前民用飛機使用最廣泛的數據網絡。它的出現，解決了空管話音傳輸速度慢、受多重干擾的限制，但隨著航空業務的發展和對通信品質的要求，ACARS網絡在某種程度上無法滿足日益增長的民用航空需求。航空電信網(ATN)的出現，使數據傳輸在速率、傳輸方式、通信模式上都有很大的提高，ACARS網絡向ATN網絡過渡也成為當前航空業務發展的必然趨勢。

比較常見的數據鏈應用有航空運營控制(AOC)、空中交通服務(ATS)。其中AOC包括標準的AOC消息和客戶化的AOC消息；ATS應用包括傳統的基于ARINC 623協議的ATS應用以及新航行系統FANS-1/A+和LINK 2000+等應用[4]。民用飛機不同機型上所包含的應用各不相同，航空公司也可根據自身運營需要進行定制使用。

2 機載端系統

機載維護系統(OMS)：提供飛機系統的故障定位和健康診斷，傳輸故障與事件。

飛行記錄系統(FDR)：提供記錄飛機飛行參數及CNS/ATM數據鏈信息，主要用于飛行事故調查。

飛行管理系統(FMS)：提供水平和垂直的飛行計劃管理功能，包括飛機位置計算、飛行計劃、水平和垂直導引、航跡預測和性能計算等。

機載打印機(PRINTER)：提供打印功能。

電子飛行包(EFB)：提供文檔瀏覽、電子飛行日志、電子航圖、機場移動地圖等功能。

航空公司運營控制(AOC)：提供飛機和航空公司之間的通信服務，報文集包括飛機狀態信息、下行飛機運行信息、下行請求信息、上行氣象信息等。

空中交通服務(ATS)：提供放行許可、越洋放行許可、終端區氣象信息、自動終端信息服務、PUSHBACK、TAXI等功能。

3 面向字符傳輸的通信過程

面向字符傳輸(Character Oriented)的特點是傳送由若干個字符組成的數據塊。每個字符使用ISO-5字符，由7個比特位和1個校驗位組成。最大字符數是3 520(最大16個數據塊×220個字符)，實際使用中根據需要可以調節字符數量。圖2給出了典型的面向字符傳輸的通信過程[5]。

圖2 面向字符傳輸通信

其中：

RTS：Request to Send，用于發送文件前進行數據請求，見表1，包括label字、數據塊大小、目的地代碼、控制字符和校驗位。

表1 RTS字格式

CTS：Clear to Send，是接收方對RTS字的響應。其中包括label、接收方狀態、控制字符和校驗位，格式見表2。

表2 CTS字格式

DF：Data Follows Word，如果握手成功，發送方將發出DF字給接收方，每個DF字包含32位，由label、數據塊大小(與RTS相同)、標題頭(可選)、控制字符STX和校驗位組成。

DATA：在DF字后進行數據傳輸，每個位32比特。

ETX/ETB：最后的數據字應包含或，用于指示數據塊或文件傳輸的結束。

ACK：即確認字符，表示數據已確認接收無誤。與之相反的是NAK字符，用于表示否定應答或非應答。

4 機載端系統數據傳輸

民用飛機數據鏈系統以MU/CMU作為路由，實現機載端系統、地面站之間的數據交互。其中與機載端系統之間采用面向字符傳輸的通信協議，下面以機載打印機為例說明數據交互過程。

機載打印機承擔機上特定數據的打印工作，在接收到數據鏈應用軟件發出的打印作業后，進行數據交互。典型的機載打印機支持兩種打印作業：塊傳輸和文件傳輸。

塊傳輸的交互過程如圖3所示。打印作業由一個或多個Record構成，最大為255個Record，每個Record以開始，后續為和，然后為一個或多個DATA并以EOT或ETX結束。在一個Record傳送之后，如果出現校驗失敗、超時、字缺失等，打印機應發送要求重發；如果正常則發出進行響應。

圖3 塊傳輸格式說明

對于文件傳輸，圖4給出了典型的流程圖。通信傳輸以數據鏈軟件發出URQ(User Request)開始，若打印機未準備好接收數據，則發送，若準備好，則發送響應。之后即可進行數據的傳輸，在正常接收一個DATA后，打印機應發出予以響應，之后進行下一個DATA的傳送。在數據鏈系統發送完DATA并收到最后一個后，表明傳輸完成。

圖4 文件傳輸流程圖

5 結論

隨著空域的日漸繁忙，數據傳輸的優勢在逐漸體現，作為民機的重要配置，數據鏈系統在民用飛機中的作用也越來越重，與之相交聯的機載端系統也越來越多。本文通過分析民用飛機數據鏈端系統通信協議，并結合機載打印機，說明了面向字符通信下數據鏈端系統的通信過程，對機載系統的開發有一定的幫助作用。

[1] 畢心安. 論兩種地空數據鏈的差別和系統過渡[J]. 民航經濟與技術，1999，6: 57-59.

[2] 中國民用航空飛行標準司. AC-121-FS-2008-16R1航空運營人使用地空數據鏈通信系統的標準與指南[S]. 2008.

[3] Arinc Characteristic 758-3. Communications Management Computer (CMU) Mark 2[S]. 2010.

[4] Arinc Specification 623-3, Character-Oriented Air Traffic Service (ATS) Applications[S]. 2005.

[5] Arinc Specification 619-3, Acars Protocols for Avionic End Systems[S]. 2009.

Analysis of Communication Protocol for Datalink End System for Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

As an important system of civil aircraft, datalink system has been widely used. Accompanied with the complexity of airborne environment, more and more end system has been interconnected with datalink system. As the airborne junction for data interchange, on civil aircraft, datalink system uses the ARINC 619 specification to communicate with end systems. This paper illustrates the process and transmission characters between datalink system and end system, using the printer as an example.

datalink; end system; printer; character oriented

V243.1

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