機載數據鏈通信系統綜合調研、分析與設計考慮

丁 汀 / Ding Ting

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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機載數據鏈通信系統綜合調研、分析與設計考慮

丁 汀 / Ding Ting

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

旨在對機載數據鏈通信系統進行綜合性調研，并且對各種主要的系統架構進行分析，通過這些過程，形成對系統設計的支持。對機載數據鏈通信系統的調研內容覆蓋：系統的發展歷史、設計實現和可應用的條款和規范。另外，還介紹了通信導航監視/空中交通管理(Communication Navigation Surveillance/ Air Traffic Management，簡稱CNS/ATM)概念，并對其中與機載數據鏈相關的技術進行了分析。最后，闡述了針對民機機載數據鏈通信系統設計要點的考慮。

機載數據鏈通信系統；架構；機型調研；通信導航監視/空中交通管理

0 引言

在傳統的民用航空交通服務中，飛行員與管制員之間的通信主要借助于甚高頻(Very High Frequency ，簡稱VHF)或者高頻(High Frequency ，簡稱HF)語音通信。隨著民航運輸業的迅猛發展，民航通信業務量大大增加。目前用于管制通信的VHF和HF語音通信，由于通信頻道擁擠、人為因素干擾等缺陷日益突出 ，直接影響到飛行安全和航班正點。因此，地空數據通信系統因其傳輸速率快、抗干擾能力強、誤碼率低、可靠性高等特點被應用到民航通信領域。

地空數據鏈是一種采用無線網絡通信技術和應用協議，實現航空飛行器和地面信息管理系統之間的數據信息交換的系統。其通過VHF、HF、衛星通信(Satellite Communication,簡稱SATCOM)模式作為數據鏈傳輸媒介，在飛機和地面系統間傳輸信息，將飛機與地面數據鏈服務供應商(Datalink Service Provider，簡稱DSP)網絡連接起來，從而在飛機數據鏈通信系統和地面終端(航空公司、機場派遣、空中交通管制臺、氣象部門等)之間實現數據通信。數據鏈通信的實施，能有效降低航班運行費用、提高航班運行效率。[1]

1 機載數據鏈通信的發展歷史

當前，民機航空電子系統已經形成了成熟的綜合模塊化航空電子(Integrated Module Avionics，簡稱IMA)體系架構。而機載數據鏈通信系統隨著民機航空電子系統結構的發展經歷了聯合式(例如波音737，空客320等)，混合式(例如空客380)和綜合式(例如波音787)的架構。

對于聯合式機載數據鏈通信系統，數據通信路由和數據鏈應用軟件駐留在通信管理單元( Communication Management Unit，簡稱CMU)中，CMU作為機載數據通信系統的核心，通過數字總線將飛行管理計算機和客艙等數據鏈通信終端設備與各種機載數據鏈子網絡連接，為數據鏈應用及其他應用終端提供空地數據通信。這是一種典型的聯合式機載數據鏈通信系統架構形式。

聯合式架構的數據通信系統需要大量的物理總線將CMU與各端系統和子網絡連接。隨著航空電子系統的發展，機載數據通信系統逐步采用混合式和綜合式。

在混合式架構的數據鏈通信系統中，數據鏈路由CMU獨立成設備或集成在通信設備中，而數據鏈應用及數據鏈狀態控制軟件駐留在綜合模塊化IMA中，駐留的數據鏈應用包括ARINC 623空中交通服務(Air Traffic Service，簡稱 ATS)、航空公司運營通信(Airline Operational Communications，簡稱AOC)、新航行系統(Future Air Navigation System，簡稱FANS)1/A+、Link 2000+。CMU能與機載各端系統和子網絡交聯，數據鏈應用在IMA平臺上與顯示系統交聯，以ARINC 661的格式進行顯示。

在當代主流遠程寬體客機上廣泛采用的通信管理功能(Communication Management Function，簡稱CMF)體現了綜合式機載數據鏈通信系統的架構。CMF完全駐留IMA上，不需要專門的硬件設備， CMF通過遠程數據集中單元(Remote Data Concentrators，簡稱RDC)及通用數據網絡(Common Data Network，簡稱CDN)之間的數據傳輸控制HF通信系統子網、VHF通信系統子網、衛星通信系統子網、各數據鏈應用端系統、顯示系統、數據記錄器、打印機等機上系統和設備之間的通信。

2 機載數據鏈通信系統的典型方案概述

在業界主流機型上機載數據鏈通信系統功能通過通信管理功能(Communication Management Function，簡稱CMF)來實現，其中路由功能主要提供符合ARINC 758的CMU 功能， 包含航空通信尋址與報告系統(Aircraft Communication Addressing and Reporting System，簡稱ACARS)和航空電信網(Aeronautical Telecommunication Network，簡稱ATN)雙協議，通常駐留在IMA平臺上。在未來，還可能發展基于IP的ACARS技術。

CMF應與以下數據鏈通信子網對接：

1)基于VHF, SATCOM, 和高頻數據鏈(HF Datalink，簡稱 HFDL) 的POA (Plain Old ACARS)；

2)基于VDL Mode 2的AOA(ACARS over AVLC)；

3)基于VDL Mode 2 & SATCOM Data 3的ATN，其中基于SATCOM Data 3的ATN屬于未來可發展技術；

4)Ka/Ku波段衛星通信、機場Wifi等，此類子網屬于未來可發展技術，基于ACARS/IP路由協議。

CMF提供和支持飛機尋址數據鏈服務，數據鏈服務包括：

1)可客戶化AOC；

2)ARINC 702 飛管AOC；

3)FANS-1/A+，包括管制員-飛行員數據鏈通信(Controller-Pilot Datalink Communication，簡稱CPDLC)，合同式自動相關監視(Automatic Dependent Surveillance - Contract Mode，簡稱ADS-C)，空中交通服務設備通告(ATS Facilities Notification，簡稱AFN)；

4)LINK 2000+，包括CPDLC，內容管理(Context Management，簡稱CM)；

5)采用ARINC 623標準的ATS。

CMF可以為機上的下列應用提供數據鏈路由：

1)飛行管理功能FMF(Flight Management Function，簡稱FMF)；

2)飛機健康管理系統ACMS(Aircraft Condition Management System，簡稱ACMS)；

3)電子飛行包EFB(Electronic Flight Bag，簡稱EFB)；

4)客艙系統；

5)未來可發展的端系統，包括廣播式自動相關監視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱ADS-B)、氣象雷達。

CMF可為以下消息提供數據鏈記錄：

1)飛機收發的數據鏈消息；

2)端系統消息(例如，FMF系統消息)。

通常而言，多功能顯示器(Multiple Function display，簡稱MFD)為飛行員提供數據鏈通信的人機接口(Human-Machine Interface，簡稱HMI)，飛行員通過操作鍵盤和鼠標，以及安裝在遮光罩上的轉換開關，可對消息進行接收、拒絕、刪除等操作。針對CPDLC消息，中央操縱臺上應有單獨的快捷HMI供飛行員進行瀏覽和操作。

CMF通常是駐留在IMA上的應用軟件，可以根據構型需要，配置兩套CMF，互為備份，分別駐留在兩套平臺上，可通過平臺相互通話。

綜合而言，CMF產生交互的單元或組件包括：(1)路由駐留應用；(2)控制和監視駐留應用；(3)ARINC 623 ATS駐留應用；(4)客戶化AOC駐留應用；(5)FANS 1/A+駐留應用；(6)LINK 2000+ 駐留應用；(7)甚高頻通信系統；(8)高頻通信系統；(9)衛星通信系統；(10)飛行記錄系統(Flight Recording System，簡稱FRS)；(11)顯示系統；(12)機組告警系統(Crew Alerting System，簡稱CAS)；(13)打印機；(14)其余機載端系統；(15)安裝在中央操縱臺上的CPDLC快捷顯示控制裝置。

數據鏈通信系統傳輸的數據可用于地面各種終端用戶，包括空管、航空公司、氣象部門等。

3 機載數據鏈通信系統的適航條款與業界規范分析

本章節將對與機載數據通信系統相關的適航規定和業界規范進行歸納和分析。

咨詢公告CAAC AC-121-FS-2008-16R1為機載數據鏈通信系統提供了指導性方針，并提出概述性方法，用于表明飛機數據鏈通信系統對于適航需求的符合性，同時公告定義了飛機配置的數據鏈通信系統應該滿足的互操作性、安全性和性能規范。

根據AC的要求，機載地空數據鏈通信系統應遵循的要素包括：地空數據通信格式、系統組成、系統配置與使用以及報文相關要求。

3.1 地空數據通信格式

指飛機與地面應用系統進行數據通信時所使用的編碼格式。只有滿足通信格式標準的數據才能在通信網絡中正確傳輸，并被飛機設備和地面應用系統所使用。

在CAAC AC-121-FS-2008-16R1中明確規定的格式包括：

1)ARINC 429[3]

指機載設備所使用的航空數字信號傳輸標準。

2)ARINC 618[4]

指面向字符的地空通信協議。該協議規定了飛機系統與通信服務商網絡系統間以面向字符方式進行數據傳輸的數據編碼格式。

3)ARINC 620[5]

指數據鏈地面系統標準和接口協議。該協議規定了數據鏈服務提供商與數據鏈用戶之間數據交互需滿足的接口特性，同時為地面數據鏈用戶研發應用系統提供相關信息。該規范同時包含了數據鏈服務提供商與飛機、地面用戶之間接口的一般性和特殊指導原則。

4)ARINC 622[6]

指基于ACARS地空網絡的空中交通服務數據鏈應用標準。該標準對ACARS系統在ATS中應用進行了說明，向開發人員提供ATS應用系統互操作性的設計指導。

5)ARINC 623[7]

指面向字符的空中交通服務應用標準。該標準對基于ACARS系統傳輸的ATS報文文本格式進行定義。

除CAAC AC-121-FS-2008-16R1明確規定的上述規范之外，在機載數據鏈通信系統的設計過程中需要遵循的規范主要還包括以下幾項：

1)ARINC 619[8]

該標準描述了機載數據鏈端系統到ACARS路由之間的通信協議。

2)ARINC 750[9]

該標準描述了甚高頻數據無線電子網的實現。

3)ARINC635[10]

該標準描述了高頻數據鏈協議。

4)ARINC 758[11]

該標準描述了CMU的實現方式。

5)ARINC 660[12]

該標準描述了CNS/ATM功能和推薦架構。

6)ARINC656[13]

該標準描述了數據鏈通信系統和飛管系統之間的數據交聯規范。

7)ARINC637[14]

該標準描述了ATN的實現。

在CCAR-121-R4《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》[15]的第121.346 條《空地雙向數據通信系統》中，對數據通信有如下要求：

第121.346 條 空地雙向數據通信系統

1)除本條(b)款的情況外，合格證持有人按照本規則實施運行的旅客座位數大于99 座的飛機應當安裝滿足本規則第121.97 條要求的空地雙向數據通信系統；

2)除局方特別批準外，2004 年4 月20 日以前投入運行的旅客座位數大于99 座的飛機應當在2005 年12 月31 日前安裝滿足本規則第121.97 條要求的空地雙向數據通信系統。

根據上述條款要求，在一些未覆蓋VHF數據鏈地面收發站點的區域，例如中國西北部區域，越洋區域，飛機僅具備VHF數據通信能力將無法滿足條款。因此，在考慮機載數據通信組成時，應保證系統同時配備VHF、HF、SATCOM機載數據通信子網絡。

3.2 系統組成

根據AC的要求，機載地空數據鏈通信系統應包含的組成有：(1)通信管理組件；(2)顯示組件；(3)多功能控制與顯示組件或相關設備；(4)甚高頻/高頻電臺，衛星數據單元；(5)打印機等及適用的軟件。 除AC提出的上述要求外，機載數據鏈通信系統還應包含數據鏈應用軟件，通常實現ATS、AOC、CPDLC、ADS的功能。

4 機載數據鏈通信系統相關的CNS/ATM新技術

通信、導航、監視/空中交通管理CNS/ATM系統是國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO)為適應國際民航業的飛速發展而提出的、面向未來的、使用各種高科技手段為空中交通管制提供服務的一種綜合系統。該系統通常裝備基于ACARS的FANS 1/A+或基于ATN的LINK2000+的飛機，可實現通過ACARS 數據鏈或ATN 網絡的飛機與地面空中交通管制系統實時的雙向數據通信，即AFN/CM，CPDLC，或者對飛機進行實時動態監控，即ADS-C。

FANS系統已逐漸成為長距離飛行或在繁忙空域飛行時取代傳統話音管制的安全、準確、有效的空中交通管制(Air Traffic Control，簡稱ATC)手段。大型民用客機安裝FANS設備，并具備CNS/ATM能力，是國際民航發展的必然要求，也是航空公司用戶增加飛機飛行區域、減少使用限制的要求，有助于客機在更大的區域運行，滿足航空公司等航空運營人對運輸飛機的設計和使用需求。

Link 2000+概念中的CM/CPDLC完全基于ATN網絡實現FANS功能，而當前的AFN/CPDLC是在ACARS系統的基礎上實現的FANS功能，除空地間傳輸的信息格式不同外，CM/CPDLC 和AFN/CPDLC的工作流程基本一致。

4.1 SESAR路線圖

在全球范圍內，歐洲空域繁忙和緊張程度相對較高，在歐洲空一體化組織(Single European Sky，簡稱SES)的推動下，形成了European ATM Master Plan, Edition 2[16]文件。該文件作為歐洲CNS/ATM概念的指導性文件，提出了CNS/ATM發展路線圖，旨在推進ATM的現代化進程，并將SESAR的研究成果推向業界。當前，European ATM Master Plan的最新版本為Edition 2，該版本的內容有以下特點：(1)針對性能改善以及概念實現提出了一系列技術革新；(2)形成了技術發展路線圖，為截至2030年的ATM技術革新提供了總攬，為技術革新的實施提供了基礎依據；(3)在全球范圍內實現互通，尤其與ICAO的有關內容實現通用性。

圖1表明了European ATM Master Plan截至2028年的技術發展路線。根據該路線圖，并結合COMAC各機型的發展規劃，當前的研究重點應放在步驟1(Step 1)規劃的技術領域內。

通過對European ATM Master Plan, Edition 2進行總結，SESAR倡導的截至2023年機載通信系統應具備的技術如表1所示。

4.2 ICAO路線圖

為保證ATM/CNS概念在全球范圍內具有通用性， ICAO制定了2013-2028 Global Air Navigation Plan[17]。這份計劃中的BLOCK與圖7中的STEP在時間區間上基本對應，采用技術也具備對照關系，如圖2所示。

綜合分析圖1、圖2和表1，截至2023年，民航機載數據通信應具備以下能力：

圖1 European ATM Master Plan路線規劃圖[16]

表1 截至2023年機載通信系統應具備的技術

圖2 2013-2028 Global Air Navigation Plan路線規劃圖

1)子網絡應包括VDL、HDL、SATCOM，其中VDL支持ACARS和VDL-2兩種模式；

2)路由功能應支持多協議棧，包括ACARS、ATN Baseline 1、ATN Baseline 2；

3)數據鏈應用應包括ATS、AAC、AOC、FANS 1/A+ 、FANS 2、FANS 3。

FANS 1/A+基于ACARS技術，子應用包括AFN、CPDLC、ADS-C；FANS 2等同于Link 2000+概念，基于ATN Baseline 1技術，子應用包括CM、CPDLC；FANS 3基于ATN Baseline 2技術，子應用包括AFN、CPDLC、ADS-C。

FANS 1/A+和Link 2000+在波音787和空客380上均已實現；FANS 3是SESAR和ICAO在各自路線圖均明確提出的概念。此外，由于FANS 3為飛機Initial 4D能力提供地空通信保障，可以預計在不久的將來，業界將逐步引入并明確對這一機載數據鏈通信能力的需求。

5 民機機載數據鏈通信系統設計考慮

以下注意事項適用于進行民機機載數據鏈通信系統設計[18]：

1)未被檢測到的上行CPDLC報文錯誤造成的危害等級為major；

2)通常應保證機載數據鏈系統CPDLC應用軟件的設計保障等級為C級；

3)在軟件設計上，應保證低優先級的數據鏈功能，不會影響ATS數據鏈功能；同樣，應保證ATS數據鏈功能不影響更高級別的功能，如FMS；

4)對于飛機接收到的上行的CPDLC報文，飛機應為正副飛行機組成員提供操作手段，支持機組成員對CPDLC報文進行接收、拒絕、暫存等操作，該操作結果應能被反饋給地面發送方；并應提供操作手段，支持正副機組成員將報文中的可加載參數加載到機載FMS(Flight Management System)系統；

5)如果數據鏈系統包含多個數據鏈應用和子網，系統應為飛行機組提供操作手段，支持機組成員選擇不同的應用和子網配置進行空地數據鏈通信；

6)應提供操作手段，支持飛行機組成員從顯示器上清除CPDLC報文；

7)應提供操作手段，支持飛行機組成員創建、存儲、調用、編輯、刪除和發送數據鏈報文；

8)如果機載數據鏈通信系統的應用包括FANS 1/A+和FANS 2/B，應確保這兩種報文內容無差別顯示；

9)在飛行員選擇其他報文之前，當前操作報文應持續性顯示；

10)當機載數據鏈通信系統和其他功能在同一顯示頁面上顯示時，應權衡各信息顯示的優先等級；

11)CPDLC報文的顯示應確保飛行機組成員能在不離開位置的前提下進行瀏覽，顯示區域應優先布置在飛行員的正常前視場范圍內；

12)最新收發的報文應最先顯示，應提供操作手段，支持飛行機組成員對最新收發的CPDLC報文進行排列和調用；

13)機載數據鏈通信系統應有能力提供以下提示：

(1)機載數據鏈通信系統應向飛行機組提示接收到的CPDLC報文，每條上行的CPDLC報文均應向飛行員產生音響和目視提示。即使飛行員因為未閱讀舊的上行CPDLC報文而不能及時瀏覽到新的報文，新接收到的CPDLC報文也應該產生提示；

(2)上行CPDLC報文的音響和目視通告應符合駕駛艙提示總體規范；

(3)如果數據鏈系統失效，包括交聯失效，應在飛行機組正常視界范圍內產生提示；

(4)當機載數據鏈通信系統達到其內存限度時，例如，當系統負荷超過內存導致存儲和打印都不能實現時，或是系統不能執行被要求的路由能力時，系統應有告警提示；

(5)在關鍵飛行階段(如起飛和著陸階段)，接收到數據鏈報文的音響提示應被抑制，直到關鍵飛行階段過去后再解除抑制；

(6)當飛機具有CPDLC連接時，應有提示表明當前連接到的工作地面中心；

(7)應有提示表明當前工作的機載數據鏈子網；

(8)應有提示表明當前與飛機建立聯系的ADS地面中心；

(9)如果當前頁面顯示的消息并不完整，還有下一頁面繼續顯示當前消息，應有相應提示提供給飛行員。

6 結論

隨著時代的變遷，將有越來越多的人們選擇以飛行作為出行的方式。繁忙的機場和航路管制區都在對更加有效、更加便捷的地空通信方式提出需求。在這種形勢下，地空數據通信，已被時代證明是一種必要的、有效的對語音通信的補充手段，而隨著時代的變遷，數據通信還有可能成為地空通信的主要手段。這一切，為機載數據鏈通信系統的存在帶來了必要性，也為其發展同時帶來了動力和壓力。

本文從機載數據鏈通信系統的發展歷史著手，綜合討論了部分典型機型機載數據鏈通信系統的組成和功能，明確了適航條款和業界規范對機載數據鏈通信系統的要求，分析了歐美CNS/ATM的概念和發展路線，展望了下一個十年內與機載數據鏈通信系統緊密相關的新技術，并闡述了針對民機機載數據鏈通信系統設計要點的考慮。這些工作，囊括了對現有型號上機載數據鏈通信系統設計的總結，結合了對設計輸入、設計背景和設計要點的歸納、分析和思考，能夠對新一輪的設計工作產生有益的參考和輔助作用。

[1]董亞偉，王 杰.地空數據鏈在民航的應用與發展[J].大眾科技，2012，149(1).

[2]CAAC 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].2008.

[3]ARINC 429 Digital Information Transfer System (DITS)[S].[4]ARINC 618 Air-ground Character-oriented Protocol Specification[S].

[5]ARINC 620 Datalink Ground System and Interface Specification[S].

[6]ARINC 622 ATS Datalink Applications over ACARS Air-ground Network[S].

[7]ARINC 623 Character-oriented Air Traffic Service (ATS) Applications[S].

[8]ARINC 619 ACARS Protocols for Avionics End Systems[S].[9]ARINC750 VHF Data Radio[S].

[10]ARINC635 HF Datalink Protocol[S].

[11]ARINC758 Communications Management Unit (CMU)[S].[12]ARINC 660 CNS/ATM Avionics, Functional Allocation and Recommended Architectures[S].

[13]ARINC656 Avionics Interface Definition[S].

[14]ARINC637 ATN Complementation.

[15]中國民用航空局.CCAR-121-R4大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則[S].

[16]European ATM Master Plan, Edition[S].SESAR, October 2012.

[17]ICAO 9750/2013-2028 Global Air Navigation Plan, Edition 4[S]. ICAO, 2013.

[18]AC_20-140B Guidelines for Design Approval of Aircraft Data Link Communication Systems Supporting Air Traffic Services (ATS) , 9/27/12.

Comprehensive Investigation, Analysis and Design Consideration of the Onboard Datalin Communication System

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

The purpose of this article is to conduct a comprehensive investigation on the onboard datalink system, and makes analysis of the main system architectures. With these process , this article forms a support on the onboard datalink system design. The investigation of onboard datalink system covers the system development history, design implementations, applicable regulations and standards. In addition, this article introduces CNS/ATM conception in which the technologies associated to the onboard datalink are focused on. At last, the article demonstrates the consideration of the key points about civil aircraft onboard datalink system design.

onboard datalink communication system；architecture；design implementation；CNS/ATM

V243.1

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