民航地空數據鏈系統傳輸機制的研究

姚 丹

（中國民用航空華北地區空中交通管理局 技術保障中心，北京 100621）

1 引言

近十年，民航運輸業進入高速發展階段，在高速發展的同時，人們對地空通信的快速性、安全性、準確性、可靠性等方面要求更加苛刻。在民航飛行過程中，以地空數據鏈通信技術為支撐的飛機尋址與報告系統（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）[1]的應用與飛行狀態最為密切相關。

傳統民航通信以語音通信為主，信號不穩定，語音歧義多且傳輸速率較慢，ACARS是面向字符的地空數據鏈系統，有著較快的傳輸速率、良好的抗干擾能力和極低的誤碼率，解決了語音通信帶來的諸多弊端并大大提高管制員、飛行員工作效率。

本課題在充分了解ACARS系統及地空數據鏈系統基礎上，結合ARINC協議進行消息傳輸機制的具體研究和分析，力爭清晰闡述系統消息傳輸機制。

2 ACARS系統構成及工作原理

2.1 系統構成

以地空數據鏈為支撐的ACARS系統是一種能處理面向字符型信息的通信系統[2]，主要組成有機載分系統與地面通信網絡。其中，機載分系統由一系列機載設備組成，地面站網絡由數據鏈服務提供商和地面處理系統組成。

2.1.1 機載系統介紹

機載分系統能生成并發送與飛行有關的各項參數報文到地面站，同時也能接收來自地面的報文信息，ACARS管理單元是機載系統的核心，它與機載終端設備之間的關系類似路由器和終端的關系，各終端是數據下行鏈路的起點，同時也是數據上行鏈路的終點。

2.1.2 數據鏈服務提供商描述

數據鏈服務提供商（Data Service Provider，DSP）是空地數據傳輸的中轉站，是地面通信網絡的一部分，負責信息格式轉化與轉發。地面通訊基站或遠端地面站（Remote Ground Stations，RGS）接收到從飛機發出的ACARS下行報文，而后傳輸到DSP的數據處理中心，完成消息的空-地數據格式到面向地-地通信格式的轉換，處理完成后，消息被傳輸到地面數據通訊網，通過通信網到達相應的地面處理系統，最終到達各航空公司計算機工作站的顯示終端。

2.1.3 地面處理系統介紹

遠端地面站（RGS）和地面數據通信網共同組成地面通信網絡系統。RGS是連接飛機與地面通信網的結點，地面處理系統與機載設備相對，是上傳數據的起始點和下傳數據的終點，通常屬于空中交通管制局或者航空公司，它接收到來自數據服務提供商的數據處理中心轉化之后的信息報文，不同部門根據信息做出相應處理。

2.2 ACARS系統工作原理

在地空數據鏈系統傳輸消息的整個過程中，任何階段都有相應的通信協議規定其工作規范和數據格式。飛機電子系統之間的數據傳輸的標準格式由ARINC 429總線規范規定，它保證了飛機上電子設備之間數據通信的通用化、標準化和高速化。ARINC 618是基于字符傳輸的空地通信協議，用于說明ACARS機載設備與數據服務提供商（DSP）之間的數據傳輸格式的協議。ARINC 620協議是地面終端與DSP進行數據傳輸時所要遵循的格式及規范，機載設備與DSP間的數據交換也在此協議中說明[3]；

以下行鏈路傳輸數據報文為例，當機載ACARS設備得到指令需要發送報文，通過429總線從MU/CMU獲取需要發送的數據，數據管理單元中內置的路由選擇功能檢測到一條適合的通信子網絡用來傳遞報文，報文加載到相應的調制解調單元向下發送。

地空數據鏈系統中，通過通信子網絡傳輸下來的包含相應信息的數據報文首先被地面RGS接收，RGS接收到數據報文后，將其傳輸到RGS上，處理中心將數據報文空—地傳輸格式轉化為地—地傳輸格式后，將數據報文分發到各個地面處理系統。

3 消息處理機制分析

機載消息處理機制主要由ARINC 618協議和ARINC 750規范規定，ARINC 750中規定的ACARSIP消息協作機制，按ARINC 618協議中描述的方法和過程工作，從而實現了其中定義的功能。

ACARS消息協議包括：基礎信息協議、響應消息協議、消息尋址、信息序列、重傳、多塊處理、信息優先級等，共同定義并完成ACARS消息傳輸過程。

ACARS消息的字段根據國際民航組織（ICAO）附件10里規定的七個單元公約編碼而成。

下行消息塊結構主要包含以下幾個部分，起始頭（Start Of Header，SOH）、模式字符、地址段、肯定的技術確認、標簽字段、下行消息塊標識符、前導結束符、文本段、后綴、塊校驗序列、BCS后綴。完整的下行報文格式如下表：

與下行鏈路信息一樣，上行鏈路單塊消息可容納的文本是220個字符，使用多塊消息能發送更長的信息。包括：起始頭、模式字符、地址段、肯定的技術確認、標簽字段、上行消息塊標識符、前導結束符、文本段、后綴、塊校驗序列、BCS后綴。完整的上行報文格式如下表：

表1 空地下行報文格式

表2 空地上行報文格式

下圖以注冊號為G-VMEG的飛機于時間15:49從機場VHHH起飛，目的地為EGLL機場的標準空地起飛報文格式為例，更清楚的表現報文格式，該報文是在飛機離地的時候自動發生的。

圖1 起飛報文格式

這個起飛報文很清晰的展示了報文格式，其中的VMEG為飛機注冊號，VHHH為起飛機場，EGLL為目的地機場，其余各位為各字符段信息。

以下行鏈路的信息發送為例，信息起始端為CMU，機組人員輸入的為通用命令，CMU依據ISO-5將通用信息編碼為二進制信號，生成格式規范的消息塊結構，在數據信息編碼為二進制之后，CMU再將其調制，采用的調制方式是最小頻移鍵控（MSK），即用不同的頻率或相位表示二進制數0和1。CMU將調制后的信息傳輸到與CMU相連的機載VHF設備上，VHF設備具有下行消息處理、子網統計數據、信道質量檢測等功能，設備收到CMU的下行鏈路消息后，先進行CSMA檢測以判斷下行鏈路是否空閑，如果信道空閑，便在消息塊前加VHF前導，而后通過下行消息處理機制發送該消息至無線信道。

地面網絡通過距離最近的RGS接收到飛機傳輸下來的信息，接收完整后將信息傳輸到DSP的主機系統上進行數據處理，解調模擬信號為數字信號，恢復出相同的二進制數據，根據ISO-5字符集將二進制數據信息轉換為通用信息，DSP依據路由表再將報文傳輸到航空公司或其他目的地，報文中含有相應的路由信息，這為報文的目的性傳輸提供保障。航空公司收到報文會對報文中信息進行處理，作出相應反饋。

上行鏈路的消息傳輸與下行鏈路互為鏡像，在此不做過多贅述。