机载甚高频ACARS数据链系统及通信管理单元设计

张力支

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

1 引 言

飞机通信寻址与报告系统(Aircraft Communication Addressing and Reporting System,ACARS)目前广泛应用于民用航空飞机与地面系统的数据通信中。借助于ACARS数据链[1],飞机计算机系统的数据能自动或人工下传到地面计算机网络,使飞机成为地面控制、指挥与管理系统的一部分。基于字符的ACARS数据链于1978年引入民航并在全球使用,每月大约一万架装有数据链的飞机传递约3 500万的ACARS报文信息。我国于20世纪90年代开始了数据链地面网络的建设,目前民航部门的甚高频地面数据网络包括82套地面站和一个网络管理处理系统,范围覆盖国内除青藏高原外的所有地区。

ACARS数据链利用飞机机载设备和地空数据通信服务提供商的通信网络,通过VHF/HF/SATCOM传输媒介,建立起飞机与地面计算机系统之间的连接,实现地面系统与飞机之间的数据通信。目前我国仅支持基于VHF的ACARS数据通信。

2 VHF ACARS机载系统设计

VHF ACARS机载系统由一套通信管理单元(CMU)或ACARS管理单元、甚高频收发信机、多功能控制与显示组件、打印机等设备组成,通过总线接口与飞行管理计算机、中央维护系统、飞机状态监视系统等连接。

2.1 CMU作为终端系统结构

图1给出了CMU作为一个终端系统的结构[2]。CMU提供航空运营通信(AOC)服务,也可以通过ACARS转换功能(ACF)提供面向字符和面向比特的空中交通服务(ATS)[3,4]。CMU应该支持CMU/FMC信息代理(CFIB)应用[5],通过简单网络管理协议(SNMP)、用户数据报协议(UDP)和网际协议(IP),提供CMU所驻留的ATS必要的数据参数。对于驻留在CMU之外的AOC应用,CMU能提供ACARS路由支持[6]。

图1 CMU作为终端系统的ACARS数据链系统结构图Fig.1 CMU as end system architecture

2.2 CMU作为路由结构

CMU主要作为其它机上终端系统的路由器,飞行管理系统为未来空中导航系统(FANS)环境提供主要终端系统功能,驻留管制员飞行员数据链通信(CPDLC)、自动相关监视(ADS)等应用[7],CMU会通过ACARS路由功能进行支持。飞行管理系统驻留多数AOC应用,部分AOC应用和基于字符的ATS仍由CMU来提供的。

2.3 CMU/FMS综合结构

CMU功能是与飞行管理系统功能一起操作,这种结构与CMU作为终端系统的结构相似,只是不需要通过一个外部电子总线传输数据参数,因为数据传送通过内部总线提供。

3 通信管理单元

CMU通常作为ACARS数据链系统的机载终端,实现地空数据通信协议,功能和性能上应符合ARINC 758规范,支持AOC、ATS等典型应用[8]。

3.1 服务与应用功能

参照ARINC 758[2]规范中对CMU的服务功能描述,与ACARS数据链对应的服务能力等级为0级、0.1级、0.2级和0.3级。0级只提供ACARS数据链路服务,CMU内包括一个MSK调制解调器,采用模拟甚高频无线电接口。0.1级在0级的基础上具备运行VHF模式A的能力,CMU和VHF电台间采用ARINC 429接口。0.2等级的CMU在0.1等级基础上支持VHF运行模式2,CMU和VHF电台间采用ARINC 429接口,路由和数据格式还是ACARS基于字符的。

ACARS数据链网络功能提供一个面向字符的空/地数据链路服务。实现VHF ACARS的CMU功能包括:

(1)与所有可用商业航空ACARS空地网络的互操作性;

(2)提供具有优先级的上/下行队列管理;

(3)逻辑链路控制功能,保证飞机移动环境中自动进行链路确立、维护和切断;

(4)CMU采用路由结构时,能从ACARS终端系统发出/接收的路由数据链路消息;

(5)支持消息一级嵌套,具备为每一个ACARS终端系统至少一个完整的上行和下行ACARS消息的缓冲能力;

(6)为每一个ACARS终端系统提供数据链路状态(链路可用和连接/断开),以实现消息管理和机组人员告警;

(7)提供控制、显示和警告(视觉的和听觉的)的能力,支持驾驶舱操作和显示;

(8)具备数据管理功能,能够储存和保留具体的操作性数据和数据链路消息,实现静态数据和动态数据的管理。

参照ARINC 758规范[2]中对CMU的应用功能描述,与ACARS数据链对应的应用能力等级为A级和B级。A级应用包括AOC、航空管理通信应用(AAC)以及部分基于字符的ATS应用,例如起飞放行许可(DCL)、自动终端信息服务(ATIS)等[4]。等级B的CMU提供面向比特的ADS和CPDLC等[7]ATS应用,并能提供通用的等级A的ACARS应用支持。

3.2 接口与协议

3.2.1 VHF无线电收发机

VHF无线电接口分为ARINC 716模拟接口和ARINC 750接口两种。ARINC 750甚高频数传电台使用ARINC 429总线物理层和链路层接口。等级0.1或更高的CMU应该在空地链路上通过ARINC 429总线支持ACARS地空通信协议。CMU和VHF数传电台的协议架构如图2所示。

图2 ACARS机载系统协议架构图Fig.2 The protocol architecture of ACARS airborne system

加电状态下CMU和VHF数传电台通过标号为172、270和377的ARINC 429广播单字通告设备的系统地址、实时状态和设备标识[2,9]。CMU和VHF数传电台相互检测到对方有效后,进入模式设置和协议协商过程。VHF数传电台进入ARINC 750模式,并设置接口采用ACARSIP协议[9],随后进入正常的ACARSIP通信过程。ACARSIP协议规定了实现ACARS功能的一系列消息、方法和过程。典型的ACARSIP协议消息包括参数请求/确认原语、地址请求/确认原语、下行数据传输请求/确认原语、上行数据传输提示原语等。

3.2.2 机上系统

CMU通过多组ARINC 429通用数据总线接口实现与飞行管理系统等机上系统或设备的信息交互。链路层通常使用ARINC 429面向比特协议(BOP)[10]。CMU支持威廉斯堡协议版本1和版本3。

对于等级B的CMU终端系统结构来说,文献[5]接口用来在CMU和飞行管理系统间发送和接收数据,这个接口应用ARINC 429面向比特协议链路层服务。

文献[6]接口用来接入到飞机状态监视计算机、中央维护计算机、飞行管理计算机和客舱系统等外部ACARS终端系统。CMU用ACARS标签/子标签的联合来路由消息,接口使用ARINC 429总线物理连接,ARINC 429链路层协议取决于飞机结构和设备。

3.2.3 座舱系统

多功能控制与显示组件是CMU等级A、B和C应用的主要飞行机务人员接口。CMU能通过ARINC 429总线向3个独立的多功能控制与显示组件发送和接收信息[11]。如果CMU为ATS应用提供机务人员接口,那么CMU应该提供并行操作和以最小击键接入到ATS消息的能力。若座舱系统采用多功能显示器模拟MCDU功能,CMU的接口应遵循ARINC 661规范[12]以支持图形显示和处理逻辑的分离。

CMU可通过ARINC 429总线传送数据到机载打印机,并获取打印机状态信息。

3.3 软件设计

CMU作为ACARS数据链消息和协议处理的机载关键设备,实现ACARS消息封装和解析,具备自动建立并维持通信链路的能力。航电系统数据在经过ACARS协议处理后发送至地面系统,地面用户的ACARS消息也能经过CMU处理并上报给航电系统。以服务等级0.1、应用等级B、采用ARINC 750接口的CMU为例,软件模块原理如图3所示。各模块描述如下。

(1)航电接口模块:实现CMU与多功能控制与显示组件、飞行管理计算机、打印机、中央维护系统等飞机计算机系统之间的接口转换与处理,管理ACARS数据库的使用与更新。

(2)ACARS应用消息处理模块:处理AOC、AAC、空中交通服务设施通告(AFN)、ATIS、DCL等基于字符的ACARS消息,以及ADS、CPDLC等基于比特的ACARS消息。

(3)ACARS数据管理模块:飞机识别和结构数据等静态数据的存储管理,导航信息等动态数据的自动更新,MCDU页面配置和参数的控制,发送和接收的ACARS报文的存储和查询管理。

(4)下行报文处理模块:按照ACARS协议要求生成下行报文,正确填写报头中下行链路块标识、模式、报文源、报文编号、分组块字符、报文标号或子标号以及CRC校验值,需要时通过技术确认字符应答地面;管理一个具有多优先级的发送队列,支持报文嵌套和报文重传,具备一个完整的下行ACARS消息(所有块)的缓冲能力。

(5)上行报文处理模块:管理一个具有多优先级的接收队列,支持报文嵌套,具备一个完整的上行ACARS消息(所有块)的缓冲能力。校验上行报文的上行链路块标识、标号、模式等信息,判断报文中是否包含应答信息,丢弃重传的报文。对校验错误或无法识别的报告进行有效处理。

(6)链路管理模块:管理多个机载计时器,实现ACARS数据链协议的重要部分,通信中断时能自动获取、建立并维持连接。

(7)电台接口模块:包括ARINC 750链路层接口模块和BOP3-429文件传输模块。ARINC 750模块实现与甚高频电台数据传输的ACARSIP协议,BOP3-429模块实现基于比特的文件传输威廉斯堡(Williamsburg)协议。

图3 CMU软件模块原理图Fig.3 Block diagram of CMU software module

4 结束语

基于字符传输的ACARS数据链协议最初是为航空公司运营控制建立的,区别于目前计算机处理数据面向比特协议的全数字系统。根据ADS和CPDLC等面向比特ATS应用的需要,可以利用原有的ACARS数据链设备,通过实现比特字符转换功能的[5]FANS-1/A系统,提供ATS服务。基于VDL 2、VDL 3或VDL 4数据链技术,建设代表全球标准的ATN网络,能提供更高速率的数据传输,是地空数据链发展的方向和必然选择,但是目前大多数飞机都装备有ACARS数据链设备,根据ARINC 622规范构建的FANS-1/A系统内仍将长期使用。国内VDL 2远端地面站等网络工程的建设刚刚开始,因此ACARS仍是最主要的民航地空数据通信方式。

CMU和VHF数传电台作为实现地空数据链功能的核心设备,对于飞机航电系统和通信系统十分重要,具有广阔的应用前景。目前国内大型飞机的自主研发刚刚起步,数据链技术的应用研究非常必要,ACARS等甚高频数据链机载设备的研制势在必行,并将对我国航空产业化发展产生重要影响。

[1]ARINC specification 618-6,Air/ground character-oriented protocol specification[S].

[2]ARINC characteristic 758-2,Communications management unit(CMU)Mark 2[S].

[3]ARINC specification 622-4,ATS data link applications over ACARS air-ground network[S].

[4]ARINC specification 623-3,Character-oriented air traffic service(ATS)applications[S].

[5]ARINC specification 656,Avionics interface definition for flight management and communications management functions[S].

[6]ARINC specification 619-2,ACARS protocols for avionic end systems[S].

[7]RTCA/DO-258A,Interoperability requirements for ATS applications using ARINC 622 data communications(FANS1/A interop standard)[S].

[8]AC-121-FS-2008-16R1,航空运营人使用地空数据通信系统的标准与指南[S].AC-121-FS-2008-16R1,Standard andGuide of Air Operators Using Data Communication System[S].(in Chinese)

[9]ARINCcharacteristic 750-4,VHF data radio[S].

[10]ARINC specification 429p3-19,Mark 33 digital information transfer system(DITS)-part 3-file data transfer techniques[S].

[11]Multi-purpose control and display unit ARINC characteristic 739A-1[S].

[12]ARINC specification 661-3,Cockpit display system interfaces to user systems[S].