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1 引 言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)堑乜諗?shù)據(jù)通信系統(tǒng)的通稱，該系統(tǒng)用于在機(jī)載設(shè)備和地空數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)之間建立飛機(jī)與地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的連接，實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)與飛機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)通信。民用飛機(jī)可用的地空數(shù)據(jù)通信方式有甚高頻(VHF)、衛(wèi)星通信、高頻(HF)通信和S模式數(shù)據(jù)鏈(用于廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS-B)[1]。 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在民用飛機(jī)通信領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)話音通信，數(shù)據(jù)鏈能消除不清晰的話音和噪音，消除話音通信中方言引起的理解問題，減少了傳輸時(shí)間，能夠自動(dòng)選擇并登陸到合適的空中交通管制網(wǎng)絡(luò)，按照標(biāo)準(zhǔn)化的清晰的報(bào)文進(jìn)行信息交流，包含比話音通信更大的信息，提供完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可經(jīng)由地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送給相關(guān)部門，準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)可備隨時(shí)翻閱和事后查詢，其技術(shù)優(yōu)勢使數(shù)據(jù)鏈技術(shù)成為未來新航行系統(tǒng)的重要組成部分和實(shí)現(xiàn)手段。

2 民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用

通信管理支持與數(shù)據(jù)鏈路相關(guān)的各種應(yīng)用，包括空中交通服務(wù)(ATS)、航空操作通信(Airline Operational Communications,AOC)和航空管理通信(Airline Administrative Communications,AAC)，其中ATS通信由空中交通控制(Air Traffic Control,ATC)和飛行信息服務(wù)(Flight Information Services,FIS)組成，ATC通信又包括自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance，ADS)、管制員-飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(Controller Pilot Data Link Communications,CPDLC)、關(guān)聯(lián)管理(Context Management,CM)或空中交通服務(wù)設(shè)施通告(ATS Facilities Notification,AFN)[2]。CM和AFN完成相似的功能，AFN應(yīng)用于面向字符的飛機(jī)通信尋址報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)網(wǎng)絡(luò)，CM應(yīng)用于航空電信網(wǎng)(ATN)網(wǎng)絡(luò)。民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈支持的各種應(yīng)用及其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 民航數(shù)據(jù)鏈不同應(yīng)用之間的關(guān)系圖Fig.1 Civil aviation datalink application and relationship

圖1中各種應(yīng)用描述如下：

(1)ATS應(yīng)用：是空中交通管制部門與飛機(jī)之間的通信，主要包括起飛前放行(PDC)服務(wù)、自動(dòng)化終端區(qū)信息服務(wù)(D-ATIS)、管制員-飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC)與合同式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-C)服務(wù)等[3]；

(2)AOC應(yīng)用：航空公司與飛機(jī)之間的通信，航空公司與航空公司之間通常不一樣，AOC功能主要包括OOOI(Out-Off-On-In)消息處理、連接登機(jī)門信息、飛機(jī)統(tǒng)計(jì)信息產(chǎn)生、自由電文消息等[2]；

(3)AAC應(yīng)用：航空公司與飛機(jī)之間的通信，主要包括機(jī)組調(diào)度、乘客服務(wù)等與機(jī)組和乘客相關(guān)的管理事務(wù)通信[2]；

(4)FIS應(yīng)用：地面站向飛機(jī)自動(dòng)重復(fù)發(fā)送基本的航路信息，是一種無連接、非確認(rèn)的服務(wù)，廣播的信息包括氣象、自由電文、特殊使用的空域信息(SUA)、航空情報(bào)(NOTAMs)和其它一些可用信息[2]，使得飛機(jī)及時(shí)了解航路氣象狀況和空域限制條件，為更加靈活而安全的飛行提供保障；

(5)ATC數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用：通過ADS、CPDLC、CM或AFN等數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用實(shí)現(xiàn)空中交通控制和管理，促進(jìn)安全、秩序和效率的空中交通服務(wù)[4]。ATC消息是世界范圍內(nèi)格式統(tǒng)一的消息，作為ATS應(yīng)用之一，可以定義為面向字符或面向比特；

(6)ADS應(yīng)用：ADS是一監(jiān)視技術(shù)，由飛機(jī)將機(jī)上導(dǎo)航和定位系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)發(fā)送，這些數(shù)據(jù)至少包括飛機(jī)識(shí)別、四維位置和所需附加數(shù)據(jù)[5]。ADS可根據(jù)需要，使管制員及時(shí)得到裝有ADS設(shè)備的飛機(jī)位置數(shù)據(jù)和其它信息，可對(duì)非雷達(dá)空域的飛機(jī)進(jìn)行跟蹤；

(7)CPDLC應(yīng)用：管制員和飛行員之間使用數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行ATC通信的工具[6]。允許管制員和飛行員之間使用數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行通信，從而減輕管制員的工作負(fù)擔(dān)。主要進(jìn)行地空之間交換符合空中交通管制的電報(bào)，包括飛行高度的報(bào)告、偏離航路告警、航路改變和放行、速度報(bào)告、通信頻率報(bào)告、飛行員各種請(qǐng)求，以及自由格式電文的發(fā)布和接收。使用CPDLC能增加單位飛行區(qū)域的交通容量；

(8)CM應(yīng)用：CM用于建立和管理ATS連接，僅用于ATN網(wǎng)絡(luò)，在飛機(jī)CM通信系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的地面CM系統(tǒng)之間交換相關(guān)的地址信息，CM主要包括3個(gè)功能，即登陸、更新和聯(lián)系。CM的操作符合RTCA DO-233標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]；

(9)AFN應(yīng)用：AFN是一個(gè)ACARS網(wǎng)絡(luò)的面向字符的ATS應(yīng)用，AFN功能駐留在機(jī)載ATS端系統(tǒng)和地面ATS設(shè)施的端系統(tǒng)中，AFN提供自動(dòng)的端系統(tǒng)地址通告和交換機(jī)制，如果端系統(tǒng)地址在ATS服務(wù)應(yīng)用前能夠通過其它途徑得到，則AFN功能不是必要的[7]。

3 數(shù)據(jù)鏈通信管理功能架構(gòu)、工作原理及協(xié)議處理

3.1 典型架構(gòu)及功能

通信管理功能可以通過單獨(dú)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，也可以通過駐留在綜合模塊化航空電子(IMA)的通用處理模塊中的軟件來實(shí)現(xiàn)，通過單獨(dú)設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)控制設(shè)備通常稱為通信管理單元(CMU)；當(dāng)通過軟件來實(shí)現(xiàn)時(shí)，通信管理通過駐留在IMA機(jī)箱中通用處理模塊上的通信管理功能(CMF)軟件或其它設(shè)備中的通信管理功能(CMF)軟件來實(shí)現(xiàn)。通信管理的典型架構(gòu)如圖2所示。

通信管理的功能主要包括：

(1)支持ATS、AOC、AAC等多種應(yīng)用；

(2)支持多種數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)的運(yùn)行，包括高頻(HF)數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)、甚高頻(VHF)數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)和衛(wèi)星(SATCOM)數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)；

(3)作為終端系統(tǒng)產(chǎn)生和處理數(shù)據(jù)鏈路消息；

(4)接收來自航電系統(tǒng)的各種應(yīng)用消息，由CMU或CMF根據(jù)采用的不同協(xié)議(ACARS或ATN)進(jìn)行處理后，通過數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)(VHF、HF、SATCOM)發(fā)送出去；

(5)接收來自數(shù)據(jù)子網(wǎng)(HF、VHF、SATCOM)的ACARS和ATN消息，通過CMU或CMF進(jìn)行處理后，將解析后的應(yīng)用消息送往航電其它系統(tǒng)；

(6)提供與飛機(jī)其它系統(tǒng)的接口，并與這些系統(tǒng)如多功能控制顯示組件(MCDU)、告警系統(tǒng)、打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄器和飛行管理計(jì)算機(jī)等進(jìn)行綜合，為機(jī)組實(shí)現(xiàn)安全飛行各種操作提供必要的數(shù)據(jù)。

3.2 工作原理

數(shù)據(jù)鏈通信管理主要管理接入到飛機(jī)的不同數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡(luò)，并支持與數(shù)據(jù)鏈路相關(guān)的各種不同應(yīng)用，包括航空公司的服務(wù)和空中交通服務(wù)。通信管理的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)應(yīng)遵循ARINC758-2標(biāo)準(zhǔn)。不同公司的通信管理功能的實(shí)現(xiàn)可采用不同的方式，主要包括接口處理、消息處理、數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧處理、數(shù)據(jù)庫、與飛機(jī)其它系統(tǒng)的平臺(tái)功能處理等，其原理框圖如圖3所示[8]。

圖3 通信管理原理框圖Fig.3 Schematic block diagram of communication management

圖3中：

(1)數(shù)據(jù)鏈消息處理：按照處理規(guī)則和特殊的消息功能實(shí)現(xiàn)ACARS和ATN消息的處理，包括平臺(tái)接口自動(dòng)配置模塊、消息編/解碼模塊、數(shù)據(jù)鏈協(xié)議處理模塊(基于ACARS和ATN的消息處理和網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)劃)、專用的應(yīng)用消息功能模塊；

(2)數(shù)據(jù)鏈平臺(tái)綜合：實(shí)現(xiàn)和飛機(jī)其它系統(tǒng)的接口，并支持實(shí)現(xiàn)特殊的平臺(tái)功能，包括平臺(tái)接口自動(dòng)配置模塊、消息編/解碼模塊、基于特種平臺(tái)需求的規(guī)則和指令處理模塊、指定的平臺(tái)功能模塊；

(3)配置數(shù)據(jù)庫：為通信管理的運(yùn)行提供各種必要的數(shù)據(jù)配置， 包括平臺(tái)配置數(shù)據(jù)庫模塊、消息參數(shù)數(shù)據(jù)庫模塊、AMI數(shù)據(jù)庫模塊。

3.3 通信管理數(shù)據(jù)鏈協(xié)議處理

通信管理功能中的ACARS協(xié)議和ATN協(xié)議分別完成兩種在不同地空網(wǎng)絡(luò)中的通信組網(wǎng)功能，為上層應(yīng)用(如AOC、AAC、CPDLC、ATS等)提供服務(wù)。通信管理作為端系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用駐留在CMU或CMF中；當(dāng)CMU或CMF作為路由器時(shí)，應(yīng)用由其它機(jī)上終端系統(tǒng)提供，CMU或CMF僅作為其它機(jī)上終端系統(tǒng)的路由器運(yùn)行，通信管理ACARS和ATN雙協(xié)議棧如圖4所示。

圖4 通信管理ACARS和ATN雙協(xié)議棧Fig.4 ACARS and ATN dual protocol stack of communication management

ACARS支持機(jī)上相關(guān)系統(tǒng)和地面相關(guān)系統(tǒng)之間面向字符的數(shù)據(jù)鏈通信，ACARS使得飛機(jī)具有一定的操作功能，成為航空公司的指令、控制和管理系統(tǒng)的一部分[9]。ATS應(yīng)用可以定義為面向字符的或面向比特的，面向字符的應(yīng)用可以直接通過ACARS網(wǎng)絡(luò)傳輸，面向比特的應(yīng)用在通過ACARS空地網(wǎng)絡(luò)傳輸之前必須轉(zhuǎn)換為符合ACARS網(wǎng)絡(luò)特性的數(shù)據(jù)后，才能進(jìn)行傳輸。該過程稱為ACARS轉(zhuǎn)換功能(ACF)。ACARS的主要功能包括：

(1)在ACARS兼容的不同空地?cái)?shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同工作；

(2)對(duì)于支持的傳輸媒介，提供上行鏈路和下行鏈路的隊(duì)列管理功能；

(3)在飛機(jī)移動(dòng)過程中進(jìn)行ACARS網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)鏈路建立、維護(hù)和斷鏈管理；

(4)同時(shí)支持HF、VHF和衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈ACARS服務(wù)；

(5)路由AOC消息到適當(dāng)?shù)拿浇椴⑦M(jìn)行隊(duì)列管理，滿足特定航空公司需求；

(6)在ACARS端系統(tǒng)(包括其它外部機(jī)載系統(tǒng))之間路由數(shù)據(jù)鏈消息；

(7)對(duì)每個(gè)ACARS端系統(tǒng)提供至少一個(gè)完整的上/下行數(shù)據(jù)鏈消息進(jìn)行緩存；

(8)給每個(gè)ACARS端系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)信息(鏈路有效和進(jìn)網(wǎng)/離網(wǎng))來支持消息管理和機(jī)組告警功能；

(9)提供和機(jī)載無線電通信設(shè)備HF、VHF、衛(wèi)星通信的接口[2]。

ACARS未來將過渡到ATN，ATN按照 ISO的OSI 7層模型構(gòu)造，協(xié)議基于開放式系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)、面向比特。新一代的ATN包括HF、VHF、衛(wèi)星子網(wǎng)、S模式子網(wǎng)，ATN對(duì)傳輸?shù)耐旰眯?、?yōu)先等級(jí)劃分和通信容量等方面提出了要求，ATN網(wǎng)絡(luò)的主要功能如下：

(1)在ATN兼容的不同空地?cái)?shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同工作；

(2)對(duì)于支持的傳輸媒介，提供上行鏈路和下行鏈路的隊(duì)列管理功能；

(3)在飛機(jī)移動(dòng)過程中進(jìn)行ATN網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)鏈路建立、維護(hù)和斷鏈管理；

(4)同時(shí)支持HF、VHF和衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈ATN服務(wù)；

(5)路由AOC消息到適當(dāng)?shù)拿浇椴⑦M(jìn)行隊(duì)列管理，滿足特定航空公司需求；

(6)在ATN端系統(tǒng)(包括其它外部機(jī)載系統(tǒng))之間路由數(shù)據(jù)鏈消息；

(7)給每個(gè)ATN端系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)信息(鏈路有效)來支持消息管理和機(jī)組告警功能；

(8)提供必要的和機(jī)載無線電通信設(shè)備HF、VHF、衛(wèi)星通信的接口；

(9)滿足所需通信性能RCP，支持空中交通服務(wù)和新航行系統(tǒng)[2]。

數(shù)據(jù)鏈協(xié)議處理是通信管理的核心，對(duì)上需要支持飛機(jī)各種不同的應(yīng)用，這些應(yīng)用通常對(duì)數(shù)據(jù)格式、更新速率等有不同的要求；對(duì)下需要支持不同的數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)采用不同的媒介，具有不同的工作體制和數(shù)據(jù)傳輸速率，合理地設(shè)計(jì)和利用數(shù)據(jù)鏈協(xié)議對(duì)通信管理功能實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行效率十分重要。

4 結(jié)束語

國外民用飛機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前在航空電子領(lǐng)域處于壟斷地位。通信系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)下的一個(gè)子系統(tǒng)，通過航電總線接入航電系統(tǒng)，完成飛機(jī)話音和數(shù)據(jù)通信功能。國外在通信管理尤其是數(shù)據(jù)鏈通信管理方面經(jīng)過多年的技術(shù)積累和發(fā)展已取得了長足進(jìn)步，研制的通信管理單元(CMU)廣泛應(yīng)用于各類民用飛機(jī)。

隨著新航行系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)强罩薪煌ü芾砀叨茸詣?dòng)化的前提，也是保證空中交通安全有序的同時(shí)減輕駕駛員和管制員工作負(fù)擔(dān)的有效手段。通信管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈通信的網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)路由、消息處理等功能，實(shí)現(xiàn)和飛機(jī)其它系統(tǒng)的接口，支持飛機(jī)上的各種數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用，是數(shù)據(jù)鏈處理的核心，在民用飛機(jī)航電系統(tǒng)及通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中變得越來越重要。我國民用飛機(jī)的自主研制剛剛起步，沒有研制民用飛機(jī)通信管理單元(CMU)的成功經(jīng)驗(yàn)，在我國大力發(fā)展民用航空技術(shù)背景下，深入研究民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈及其通信管理技術(shù)對(duì)我國民用航空產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

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