S模式二次雷達數據鏈協議分析與功能驗證

余飛俠 水泉

摘要：S模式二次雷達數據鏈接口提供鏈路管理和S模式特定服務，以實現S模式地-空數據通信。文中介紹了數據鏈接口控制協議的主要內容，并對其進行功能驗證。

關鍵詞：S模式子網;數據鏈;GDLP/DLF協議;功能驗證

中圖分類號：TP311? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0020-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 S模式數據鏈子網概述

S模式數據鏈子網是空-地數據通信子網的一部分，為飛機上和地面上的附屬子網點提供面向連接的通信服務和S模式特定服務。S模式數據鏈子網主要由S模式應答機、機載數據鏈處理器（ADLP）、地面數據鏈處理器（GDLP）、S模式詢問機組成，其系統框圖如下圖所示。

GDLP和ADLP之間采用簡化的ISO 8208協議進行通信，降低了S模式空-地鏈路的帶寬要求。在通信層次結構中，可將GDLP和ADLP與詢問機和應答機視為同一層次，GDLP和ADLP利用詢問機-應答機之間的數據鏈服務實現子網通信。GDLP提供了基于S模式數據鏈的交換虛擬電路（SVC）通信服務和S模式特定服務接入。

GDLP可以通過GDLP/DLF接口控制協議（EATCHIP GDLP/Local User ICD for POEMS）與S模式二次雷達通信，以ASTERIX CAT18格式進行數據傳輸。S模式二次雷達進行鏈路管理，并提供S模式特定服務，包括廣播、GICB、SVC/MSP服務，主要功能包括：

a） 鏈路管理，包括建立、維護、取消和釋放GDLP/DLF連接;

b） 廣播管理，包括上行鏈路廣播管理和下行鏈路廣播管理：

1） 上行鏈路廣播管理。根據GDLP/DLF接口收到的廣播請求，產生詢問指令，通過射頻鏈路發送Comm A廣播詢問;

2） 下行鏈路廣播管理。接收應答機發出的Comm B廣播應答，并將Comm B廣播數據分發GDLP/DLF接口;

c） GICB管理。將GDLP/DLF接口收到的GICB數據請求，與雷達內部應用產生的數據請求進行合并，生成詢問時序和詢問信號，通過射頻鏈路傳送給指定目標;

d） SVC/MSP管理，包括上行鏈路SVC/MSP數據包管理和下行鏈路SVC/MSP數據包管理：

1） 將GDLP/DLF接口收到的SVC或MSP上行數據包（packet）拆分成SLM或ELM幀后緩存到隊列中，并對隊列緩存的數據量進行監測，當緩存的數據幀超過預設的閥值后則通知GDLP/LU接口模塊，限制外部上傳的數據流量;

2） 將多個邏輯上鏈接在一起的Comm-B應答消息組裝成一個SLM幀，或多個邏輯上鏈接在一起的Comm-D應答消息組裝成一個ELM幀，并將SLM或ELM幀數據通過GDLP/DLF接口轉發給GDLP。

2 通信協議分析與功能驗證

2.1 鏈路管理

2.1.1 通信協議

2.1.1.1 建立連接

GDLP首先向S模式二次雷達DLF（以下簡稱DLF）發送建立連接請求消息（Associate_req），在收到建立連接響應消息（Associate_Resp）之前，GDLP將每隔T1（Associate_req重傳定時器，通常為1秒）時間發送一次該消息。DLF在收到Associate_req消息后，將刪除與該鏈路有關的飛機數據，重置內部定時器和計數器，并回饋Associate_Resp消息。Associate_Resp消息的D_result設置為：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）。

2.1.1.2 保持連接

如果GDLP與DLF之間沒有數據消息時，GDLP將每隔T2（無事務時的Keep_alive周期，通常為1秒）時間發送1次保持（Keep_alive）消息，以維護與DLF之間的連接。

2.1.1.3 關閉連接

GDLP通過向DLF發送中斷連接請求（Abort_req）或釋放連接請求（Release_req）消息來關閉連接。

a） Abort_req用于立即終止處于連接建立階段的GDLP/DLF連接。

b） Release_req用于正常終止GDLP/DLF連接，并需要DLF確認。當DLF能夠終止GDLP/DLF連接時，DLF發送接收關閉連接的Release_resp消息，將該消息的D_result設置為：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available），并丟棄與該特定連接相關的所有飛機數據。如果DLF不能立即終止該連接，DLF發送拒絕關閉連接的Release_resp，并將該消息的D_result設置為：CAUSE=1h（rejected），DIAG=0h（No diagnostic available）。GDLP將等待T4（Release_req重傳定時器，通常為3秒）時間后繼續發送Release_req，然后每隔T4時間發送1次，共發送R4（Release_req傳輸次數，通常為4）次。

如果GDLP在T3（GDLP連接超時，通常為4秒）時間段內沒有收到任何消息，將向DLF發送Abort_req消息，并將該消息的D_result設置為：CAUSE=6h （invalid result），DIAG=8h（timer T3 expiry）。此時，中斷連接請求（Abort_req）不需要確認，GDLP將會清除與該連接相關的所有飛機數據。

2.1.2 功能驗證

下面以S模式二次雷達DLF為主，GDLP為從，進行GDLP/DLF鏈路管理功能驗證。其中，Associate_req重傳定時器T1設置為1秒，無事務時的Keep_alive周期T2設為1秒，GDLP連接超時T3設為4秒，Release_req重傳定時器T4設為3秒，Release_req傳輸次數R4設為4次。主要通信過程和數據內容如下圖所示。

GDLP每隔1秒向S模式二次雷達發送1次建立連接請求，直到雷達的GDLP/DLF接口回饋建立連接響應。在GDLP與雷達之間沒有數據通信時，雷達將定期發送保持連接信息，直到GDLP發出終止連接請求和釋放連接請求。

2.2 GICB服務

2.2.1 通信協議

GDLP向DLF發送GICB_extraction請求消息，該請求應包含要錄取的BDS寄存器編號。DLF收到GICB錄取請求后，產生GICB_extraction_ack消息，并將D_result設置為：CAUSE=0h（Accepted） or =1h（rejected）。

GDLP應為GICB_extraction請求分配一個唯一的D_GICB_number，DLF不會接收GDLP送來的與掛起的GICB_extraction具有相同GICB_number的GICB錄取請求。DLF將拒絕收到的重復的GICB_extraction請求，并將GICB_extraction_ack消息的D_result設置為：CAUSE=1h（reject），DIAG=6h（Duplicate request number）。GICB_extraction請求消息中還有一些可選的參數：D_time （請求結束），D_GICB_periodicity，D_GICB_properties （周期限制，異步更新，應答目的地，優先級）。這些參數的默認值為：

a） 若GICB_extraction請求消息中缺少D_time，請求將一直存在，直到鏈路/GDLP/S模式二次雷達詢問機故障，或飛機離開;

b） 若GICB_extraction請求消息中缺少D_GICB_properties：

1） 沒有周期限制（PC=0）;

2） 沒有異步更新（AU = 0， NE=0）;

3） 應答目的地將只是GDLP（RD=0）;

4） 請求優先級將被設為8（中級）;

c） 若GICB_extraction請求消息中缺少D_GICB_periodicity，DLF將只執行1次錄取。DLF將在第一次錄取成功后，結束該GICB請求。

DLF收到GDLP發送的Cancel_GICB_extraction請求消息后，將向GDLP發送GICB_extraction_ack消息。DLF根據以下情況分別進行處理：

a） 若Cancel_GICB_extraction消息中的D_GICB_number項已定義，且數據內容有效（仍在DLF數據庫中），則GICB_extraction_ack消息中包含D_GICB_number項，并將D_result設置為：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

b） 若Cancel_GICB_extraction消息中的D_GICB_number項已定義，但數據內容無效，則GICB_extraction_ack消息中包含D_GICB_number項，并將D_result設置為：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

c） 若Cancel_GICB_extraction消息中沒有定義D_GICB_number項，則表示取消所有GICB錄取請求：

1） 對于已經取消的有效的錄取請求，則GICB_extraction_ack消息中包含D_GICB_number項，并將D_result設置為：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

2） 若沒有有效的請求能夠取消（沒有掛起的請求），則GICB_extraction_ack消息中不包含D_GICB_number項，并將D_result設置為：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

d） 若Cancel_GICB_extraction消息中沒有D_GICB_number項，DLF應丟棄指定S模式地址的飛機的所有GICB請求。且若S模式地址為FFFFFFh，則丟棄所有飛機的所有GICB請求。

e） 若Cancel_GICB_extraction消息中包含D_GICB_number項，DLF應丟棄D_GICB_number字段中指定的GICB請求。

DLF向GDLP發送GICB_response消息，用于指示BDS錄取是否成功。若錄取成功，則GICB_response消息中包含寄存器內容，且對于單次錄取的情況，將D_result設置為：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）;對于非單次錄取的情況，將D_result設置為：CAUSE= 5h（In progress），DIAG=0h（No diagnostic available）。

然而，若S模式二次雷達的天線波束已經掃描過該飛機，則DLF應向GDLP發送GICB_response消息，用于指示失敗的GICB請求編號和嘗試的錄取時間，并將D_result設置為：CAUSE=4h（Delayed），DIAG=0h（No diagnostic available）。對于將周期約束指標設置為0的請求，即使在波束駐留期內重新詢問后仍然錄取失敗，下一次嘗試將在下一個天線掃描時進行（即在要求的錄取周期內多次嘗試才能成功錄取）。對于周期約束指標為1的請求，即使在波束駐留期內重新詢問后仍然錄取失敗，下一次嘗試將根據請求的周期確定。

若錄取請求的生命周期結束或僅為單次錄取，則DLF向GDLP發送GICB_response消息，并將D_result設置為：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）。

2.2.2 功能驗證

下面以S模式二次雷達DLF為主，GDLP為從，進行GICB錄取功能驗證。主要對GICB_number、飛機的S模式地址、BDS寄存器編號、GICB_periodicity等參數進行了設置Time和GICB_properties參數。主要通信過程和數據內容如下圖所示。

GDLP與S模式二次雷達建立通信后，通過GDLP/DLF接口的GICB服務通信協議發起BDS錄取請求，S模式二次雷達收到請求后，與雷達內部應用產生的數據請求進行合并，產生包含BDS錄取請求的詢問信號;目標的應答機收到請求后，產生包含相應BDS寄存器數據的應答信號，S模式二次雷達對收到的應答信號進行解碼和數據錄取，把特定目標的BDS數據按照ASTERIX CAT 018格式送給發送該GICB錄取請求的GDLP。

2.3 SVC/MSP服務

2.3.1 通信協議

2.3.1.1 上行鏈路SVC/MSP數據包

GDLP向DLF發送Uplink_packet消息，DLF應回饋Uplink_packet_ack消息。若DLF能夠處理該數據包，則DLF將Uplink_packet_ack消息中的D_result設置為：CAUSE=0h（Accepted），DIAG=0h（No diagnostic available）;若DLF不能處理該數據包，則DLF將Uplink_packet_ack消息中的D_result設置為：CAUSE=1h（Rejected），DIAG=0h（No diagnostic available）。并且，若DLF是由于上行鏈路數據流量限制而不能處理該數據包，則DLF將Uplink_packet_ack消息中的D_result設置為：CAUSE=1h（Rejected），DIAG=10h（Uplink flow disabled）。若DLF接受該請求，則應將數據包緩存在對應的飛機隊列中。

GDLP應為每個Uplink_packet請求分配唯一的D_packet_number，DLF不會接收GDLP送來的與掛起的Uplink_packet具有相同D_packet_number的上行數據包傳輸請求。DLF將拒絕收到的重復的Uplink_packet請求，并將Uplink_packet_ack消息中的D_result設置為：CAUSE=1h（reject），DIAG=6h（Duplicate request number）。

DLF應響應GDLP發出的Cancel_uplink_packet消息，并向GDLP發送Uplink_ packet_ack消息，并根據以下情況分別進行處理：

a） 若Cancel_uplink_packet消息中的D_packet_number項已定義，且數據內容有效（仍在DLF數據庫中），則Uplink_ packet_ack消息中包含D_packet_number項，并將D_result設置為：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

b） 若Cancel_uplink_packet消息中的D_packet_number項已定義，但數據內容無效，則Uplink_packet_ack消息中包含D_packet_number項，并將D_result設置為：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

c） 若Cancel_uplink_packet消息中沒有定義D_packet_number項，則表示取消所有上行數據包傳輸請求：

1） 對于已經取消的有效的上行數據包傳輸請求，則Uplink_ packet_ack消息中把這些數據包的編號列入D_packet_number_list項，并將D_result設置為：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

2） 若沒有有效的請求能夠取消（沒有掛起的請求），則Uplink_packet_ack消息中不包含D_packet_number_list項，并將D_result設置為：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

d） 若Cancel_uplink_packet消息中沒有D_packet_number項，DLF應丟棄所有的Uplink_packet請求;

e） 若Cancel_uplink_packet消息中包含D_packet_number項，DLF應丟棄D_packet_number字段中指定的Uplink_packet請求。

DLF收到不同的Cancel_uplink_packet請求時，如指定飛機的、所有飛機的或所有的數據包傳輸請求。如果S模式地址為FFFFFFh，則丟棄所有飛機的所有Uplink_packet請求。

DLF完成上行數據幀傳輸后，應向GDLP發送Uplink_packet_ack消息，并將D_result設置為：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）。

對于已經取消傳輸的數據包，DLF應向GDLP發送Uplink_packet_ack消息，并將D_result設置為：CAUSE=2h（Cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）。

2.3.1.2 數據流控制

數據流控制項包括：

a） XON_level：DLF在此隊列級別向GDLP發送一個XON消息，并在此隊列級別恢復上行流;

b） XOFF_level1：DLF在此隊列級別向GDLP發送XOFF消息，上行流將在此隊列級別停止;

c） XOFF_level2：DLF在此隊列級別達到物理隊列極限。

當對特定飛機的數據鏈接請求飽和（XOFF_level1）時，DLF向GDLP發送包含飛機地址的Data_XOFF消息。如果Data_XOFF消息包含的飛機地址為FFFFFFh，則GDLP應停止向該S模式二次雷達發送任何上行數據包傳輸請求。如果Data_XOFF包含非FFFFFFh的S模式地址列表，GDLP應停止向這些指定S模式地址的飛機發送上行數據包傳輸請求。

當DLF能夠處理新的上行鏈路數據包傳輸請求（XON_level）時，DLF向GDLP發送Data_XON消息。如果Data_XON消息包含的飛機地址為FFFFFFh，則再次授予GDLP發送上行數據包傳輸請求的權限。如果Data_XON包含非FFFFFFh的S模式地址列表，GDLP有權向這些指定S模式地址的飛機發送上行數據包傳輸請求。

數據流量控制應在以下約束條件下進行：

a） XOFF_level1 ≥ 0.9（XOFF_level2）

b） XON_level ≥ 0.33（XOFF_level1）

這兩個參數是用戶可配置的。

2.3.1.3 下行鏈路SVC/MSP數據包

DLF通過Downlink_packet消息向指定GDLP發送下行鏈路數據包。通過將Downlink_packet消息中的D_Result字段設置為：CAUSE=6h（Invalid Result），DIAG=5h（Invalid LV field），來通知GDLP消息中的LV字段無效。Downlink_packet中一般不包含LV字段，只用于指示這種特殊情況。在這種LV字段無效的情況下，DLF不知道下行鏈路數據包的長度，并應在Downlink_packet消息的D_Mode_S_packet中包含接收到的完整的下行數據幀。

2.3.2 功能驗證

下面以S模式二次雷達DLF為主，GDLP為從，進行上行數據包傳輸功能驗證。主要對Packet_number、飛機的S模式地址、Packet_properties等參數進行了設置，未進行數據流量控制項參數設置。主要通信過程和數據內容如下圖所示。

GDLP可向地面S模式二次雷達發起Uplink Packet傳輸請求，雷達根據數據包的大小將從GDLP/DLF接口收到的SVC或MSP上行數據包（packet）拆分成SLM或ELM幀后緩存到隊列中，并對隊列緩存的數據量進行監測，當緩存的數據幀超過預設的閥值后則通知GDLP/LU接口模塊，限制GDLP上傳的數據流量。地面S模式二次雷達按照擴展長度通信協議，將數據包的內容以幀的形式發送給目標的應答機，應答機將收到的幀數據合并成一個包含完整的Comm C數據的消息以packet數據包的形式發送給ADLP。

機載應答機在收到ADLP發出的Comm D數據傳輸事件后，產生包含Comm D數據錄取通知的應答信號，地面S模式二次雷達收到錄取通知后，隨即產生包含Comm D消息預訂的詢問信號;目標的應答機收到預訂請求后，產生包含Comm D消息預訂確認的應答信號;接著，地面S模式二次雷達發送包含Comm D消息錄取請求的詢問信號，應答機產生包含Comm D消息數據的應答信號;雷達在收到最后一個Comm D應答信號后，將收到的幀數據合并成一個包含完整的Comm D數據的消息以packet數據包的形式按ASTERIX CAT 018格式發送給GDLP。同時，雷達關閉此次Comm D消息傳輸。

3 結束語

本文介紹了S模式二次雷達數據鏈接口控制協議，并對其提供的GICB服務、上行SVC/MSP服務和下行SVC/MSP服務進行了詳細分析和功能驗證。S模式二次雷達能夠提供S模式特定服務，實現S模式地-空數據通信，為航空電信網設備提供了一種新的地-空數據通信技術手段。

參考文獻：

[1] SUR.ET2.ST03.3112-SPC-01-00，Mode S Datalink Function Messages [S]，2007.

[2] SUR-ET2-ST03.3112-SPC-02-00，EATCHIP GDLP/Local User ICD for POEMS [S]，1999.

【通聯編輯：梁書】