陳樂然

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引言

民航通信最早是通過高頻(High Frequency，HF)和甚高頻(Very High Frequency，VHF)話音通信完成的，但隨著民航運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，民航通信業(yè)務(wù)量大大增加，話音通信VHF頻道擁擠和阻塞、HF系統(tǒng)通信質(zhì)量不高、人為因素干擾容易使人產(chǎn)生誤解和錯誤等缺陷日益突出，直接影響到飛行安全和航班準點。為了提高通信鏈路的可靠性和完整性，航空公司引入了VHF地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，由于其傳輸速率快，抗干擾能力強，誤碼率低，已成為保障飛機安全、準點、效率和效益提高的必要手段[1］。正是認識到數(shù)據(jù)通信的優(yōu)越性，當(dāng)前世界上很多地區(qū)均采用一種面向字符的VHF地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)——飛機通信尋址與報告系統(tǒng)(Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS)。ACARS系統(tǒng)地空通信的工作方式為半雙工，數(shù)據(jù)鏈基于字符傳輸，同時采用無線信道載波偵聽多路訪問(Carry Sense Multiple Access，CSMA)通信協(xié)議，共同保證傳輸鏈路穩(wěn)定可靠和信息的傳輸質(zhì)量，具有資料和數(shù)據(jù)在航空公司內(nèi)部共享以及增加信息量、降低成本等優(yōu)點。

我國民航數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也主要支持基于VHF的ACARS數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)，但使用的是美國ARINC公司的ACARS系統(tǒng)。隨著國內(nèi)民航飛行量的快速增長，非常有必要實現(xiàn)國內(nèi)自主研發(fā)的ACARS系統(tǒng)，同時儲備自己的關(guān)鍵技術(shù)。基于上述需求，結(jié)合實際工程應(yīng)用，在對ACARS關(guān)鍵技術(shù)深入研究的基礎(chǔ)上，采用DSP+FPGA核心設(shè)計架構(gòu)，配合其他功能設(shè)備，實現(xiàn)了國內(nèi)自主研發(fā)的VHF地空數(shù)據(jù)鏈民航ACARS通信系統(tǒng)。

2 機載甚高頻ACARS通信系統(tǒng)簡介

ACARS系統(tǒng)主要由機載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成，其中機載系統(tǒng)由ACARS通信管理單元(Communication Management Unit，CMU)、綜合顯示控制器、機載VHF設(shè)備、飛機特性組件和相關(guān)線路、軟件等部件組成，通過航電總線與航電系統(tǒng)連接，完成飛機話音和數(shù)據(jù)通信功能;地面系統(tǒng)由地面收發(fā)站和數(shù)據(jù)處理站、航空公司處理和分析終端等組成。

機載系統(tǒng)中的CMU和VHF設(shè)備通常作為ACARS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的機載終端，共同實現(xiàn)地空數(shù)據(jù)鏈通信管理，主要包括數(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。CMU接收來自航電系統(tǒng)的各種應(yīng)用消息，采用ACARS協(xié)議進行處理后，通過數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)(VHF機載設(shè)備、HF等)發(fā)送出去。本文主要針對這些應(yīng)用消息機制進行闡述，同時介紹了消息處理的設(shè)計與實現(xiàn)。ACARS通信系統(tǒng)的消息包含兩種消息:下行消息(即飛機向地面?zhèn)魉偷南?、上行消息(即地面向飛機發(fā)送的消息)。消息處理機制主要在VHF機載設(shè)備中完成。

VHF機載設(shè)備的主要工作模式為ACARS A，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4 kb/s，信道接入方式采用 CSMA方式。設(shè)備由電源、終端、信道及功放單元組成，其中終端模塊是設(shè)備最核心處理模塊，主要完成控制管理、數(shù)據(jù)處理、中頻信號的A/D、D/A變換、調(diào)制、解調(diào)、協(xié)議等功能。ACARS通信系統(tǒng)消息處理由其中的數(shù)據(jù)處理單元完成，功能涉及ACARS上行消息處理、下行消息處理、CSMA機制、信道質(zhì)量檢測、子網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和審計模式等。

3 消息處理機制介紹

消息處理機制支持ARINC 750規(guī)范和ARINC 618協(xié)議。ARINC 618主要描述VHF ACARS通信系統(tǒng)實現(xiàn)的功能、方法和過程，ARINC 750中則具體定義了CMU和VHF機載設(shè)備之間的 ACARSIP[2］消息，該消息明確了實現(xiàn)地空協(xié)議正常運行所需的所有交互信息。ACARSIP讓CMU和VHF機載設(shè)備協(xié)同運轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)ARINC 618中所定義的功能。

3.1 ACARSIP消息幀格式及消息類型

3.1.1 消息幀格式

一個完整的上/下行消息幀如圖1所示，由1個Pre－key、1個比特同步、1個符號同步和1個消息塊組成，其中 pre－key值[3］(設(shè)備信道工作穩(wěn)定時間)、比特同步段(位同步)、符號同步段(幀同步)稱為VHF前導(dǎo)。消息塊前引入VHF前導(dǎo)保證了接收端接收的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。

圖1 ACARS上/下行消息幀格式Fig.1 The frame of ACARS uplink/downlink message

3.1.2 消息類型

參照ARINC 750規(guī)范VDR－CMU Primitives Table，表1列出了所定義的CMU－VHF機載設(shè)備通信的各種消息格式。

表1 VHF－CMU源語Table 1 VHF－CMU primitive

CMU控制VHF機載設(shè)備完成所有消息處理。CMU發(fā)送每個請求報文后都應(yīng)收到來自VHF機載設(shè)備發(fā)送的響應(yīng)報文，比如表中PARAM.request(操作參數(shù)請求)和PARAM.confirm(參數(shù)確認)為一個消息對，用于地空協(xié)議操作參數(shù)的配置;UNITDATA.request(CMU數(shù)據(jù)傳輸請求)和 UNITDATA.confirm(CMU數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng))為一個消息對，用于ACARS地空通信的下行消息;而UNITDATA.indication(VHF機載設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸指示)為VHF機載設(shè)備向CMU發(fā)送上行ACARS消息，等等。CMU必須等待VHF機載設(shè)備響應(yīng)前一條報文后才能發(fā)送下一條報文。

3.2 工作原理及流程

民航ACARS A消息處理流程圖如圖2所示，主要功能包括上行消息處理功能、下行消息處理功能、CSMA機制、信道質(zhì)量檢測、子網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)功能、審計模式功能。設(shè)備接收到CMU的下行鏈路消息后，進行CSMA檢測，信道空閑時通過下行消息處理機制，發(fā)送該下行鏈路至無線信道;設(shè)備從無線信道接收到上行消息后，經(jīng)過信道質(zhì)量檢測算法，發(fā)送質(zhì)量檢測報告給CMU，并通過上行消息處理機制，進行地址篩選以及BCS校驗，發(fā)送上行消息給CMU;設(shè)備收到CMU發(fā)送的子網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)控制指令或?qū)徲嬆Ｊ娇刂浦噶詈?，可具備或終止子網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)功能或?qū)徲嬆Ｊ焦δ堋?/p>

圖2 ACARS A消息處理流程框圖Fig.2 Flow chart of ACARS A message processing

3.2.1 下行消息處理功能

設(shè)備在進行下行消息處理之前，必須第一步先保證機載與地面的工作參數(shù)一致。通過解析CMU下發(fā)的工作參數(shù)對機載設(shè)備的工作頻率、調(diào)制模式進行設(shè)置(設(shè)備的調(diào)制方式為頻率間隔25 kHz的DSB－AM/MSK(Double－Sideband Amplitude Modulation/Minimum ShiftKeying)，工作頻段范圍為117.975～137.000 MHz)。在 CMU下發(fā)的工作參數(shù)中還包含pre－key值，通過圖1的消息幀格式可以看到，該值是在下行消息發(fā)送前由設(shè)備先發(fā)送出去的，意在pre－key發(fā)送過程中，設(shè)備接收機自動增益控制(Automatic Gain Conytol，AGC)建立，發(fā)送功率輸出穩(wěn)定，接收調(diào)制調(diào)解器本地振蕩器同步。pre－key的長度應(yīng)該盡量小，保證地面系統(tǒng)能夠成功的解調(diào)出數(shù)據(jù)即可。

若設(shè)備收到來自CMU的數(shù)據(jù)傳輸請求報文，則表明飛機有向地面發(fā)送的ACARS下行消息塊了。在設(shè)備向地面無線信道發(fā)送消息前，應(yīng)通過CSMA檢測機制判斷信道忙閑，在一定范圍內(nèi)可以避免無線信道的訪問沖突。若信道空閑則在消息塊前添加VHF前導(dǎo)，發(fā)送到無線信道上。設(shè)備傳輸消息塊后，向 CMU回復(fù) UNITDATA.confirm消息，告知CMU已經(jīng)發(fā)送完ACARS消息。

3.2.2 上行消息處理功能

在設(shè)備接收到正確的ADDR.request消息后，設(shè)備具備了上行消息處理功能。通過該消息，設(shè)備獲得目的地址集(Destination Address Set，DAS)地址，主要為當(dāng)前飛機的航班號、飛機注冊號、ALL CALL地址。

設(shè)備接收到上行消息后，首先判別CMU是否對消息有審計模式請求。CMU要求審計模式狀態(tài)對上行消息不需要BCS(Block Check Sequence)校驗。審計模式分為兩種:一是審計模式功能1，設(shè)備對上行消息通過地址篩選后，確認該消息是送給本飛機的則將該消息發(fā)送給CMU;二是審計模式功能2，設(shè)備對收到的所有上行消息直接發(fā)送給CMU。

若CMU關(guān)閉審計模式，則上行消息需經(jīng)過BCS校驗、信道質(zhì)量(Signal Quality Parameter，SQP)檢測、地址篩選。信道質(zhì)量檢測主要指設(shè)備通過對接收信號的幅度檢測來大致推斷飛機的飛行距離，作為發(fā)送重傳及協(xié)議處理的依據(jù)[4］，保證通信的暢通。ARINC 618規(guī)定，只有經(jīng)過合法BCS校驗后的消息才能向CMU發(fā)送當(dāng)前鏈路的服務(wù)質(zhì)量SQP值，最后進行地址篩選及消息封裝，將上行消息發(fā)送給CMU。

3.2.3 統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集

ARINC 618中包含的統(tǒng)計信息包括VHF累積信道忙碌、累積MAC(Media Access Control)延遲、接收到的本機的錯誤BCS數(shù)據(jù)或不完整數(shù)據(jù)、從周圍飛機接收到的錯誤BCS數(shù)據(jù)或不完整數(shù)據(jù)、下行鏈路塊數(shù)目或不完整的下行鏈路塊數(shù)目等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集有助于了解本機及周圍飛機的射頻狀況。

CMU通知設(shè)備進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，主要分兩種模式統(tǒng)計:一是周期性統(tǒng)計，CMU提供統(tǒng)計的時間周期值，設(shè)備則周期性發(fā)送統(tǒng)計數(shù)據(jù)報文給CMU，直到CMU通知設(shè)備停止統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集或更改時間周期;二是單個統(tǒng)計模式，CMU通知設(shè)備執(zhí)行單個統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集以及采集數(shù)據(jù)的時間長度，設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集后在規(guī)定的采集時間長度后發(fā)送統(tǒng)計數(shù)據(jù)報文給CMU。

4 消息處理的設(shè)計及實現(xiàn)

ACARSIP消息處理由數(shù)據(jù)處理單元完成，采用通用的DSP+FPGA的實現(xiàn)架構(gòu)形式，消息處理設(shè)計及實現(xiàn)主要在DSP中完成，此處僅針對DSP進行闡述。DSP實現(xiàn)的功能包括上行消息、下行消息處理中的基帶處理，CSMA機制，信道質(zhì)量檢測，子網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)功能，審計模式功能;FPGA配合信號處理單元共同完成信道忙閑檢測、信道質(zhì)量檢測以及與CMU、信號處理單元的相關(guān)接口。CMU與信號處理單元之間的消息流主要通過DSP來交互。消息處理的設(shè)計實現(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 消息處理設(shè)計實現(xiàn)框圖Fig.3 The realization framework of message processing

4.1 DSP軟件處理描述

4.1.1 DSP 軟件處理流程圖

根據(jù)第3節(jié)ACARSIP消息處理的功能闡述，在DSP軟件架構(gòu)設(shè)計上將消息處理劃分為消息(上行/下行)處理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)采集兩個功能模塊，如圖4所示。

圖4 DSP軟件處理流程圖Fig.4 Flow chart of DSP software

4.1.2 Request和 Confirm 消息 ID 設(shè)計

來自CMU的Request消息有7種，DSP主要是通過識別Request消息的不同Primitive ID來完成表1所列各種消息任務(wù)的，消息ID處理流程圖如圖5所示。

圖5 消息源語ID處理流程圖Fig.5 Flow chart of message primitive ID

4.1.3 下行消息處理設(shè)計

下行消息主要處理來自CMU的數(shù)據(jù)傳輸請求報文UNITDATA.request，要發(fā)送的下行鏈路消息都在這個報文中。下行消息長度一般為100～200 B，消息是以塊為單位進行發(fā)送的。一個消息塊被限制在不超過220 B，因此若下行消息大于220 B時，CMU會將消息分塊向地面發(fā)送。此處DSP采用在定時中斷里進行實時發(fā)數(shù)，由于信道忙閑檢測采用的是非堅持CSMA算法，如果檢測到信道繁忙，則退避時間t，t根據(jù)一定規(guī)則在30～300 ms內(nèi)隨機選擇，故這里的定時周期選用的隨機產(chǎn)生時間t的范圍即為30～300 ms。圖6是下行消息處理流程圖。

圖6 下行消息處理流程圖Fig.6 Flow chart of downlink message

設(shè)備傳輸消息塊后，向CMU回復(fù)UNITDATA.confirm消息。從圖6可以看出，在下行消息傳輸中會出現(xiàn)兩種情況:一是當(dāng)前緩沖區(qū)消息塊已發(fā)送完畢，設(shè)備應(yīng)答UNITDATA.confirm消息，消息數(shù)據(jù)字段填0x01h，表示該緩沖區(qū)消息已成功發(fā)送;二是可能因為信道一直處于忙狀態(tài)，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)未能及時下發(fā)，當(dāng)設(shè)備再次收到下一個UNITDATA.request消息塊后則通過應(yīng)答UNITDATA.confirm消息(消息數(shù)據(jù)字段填0x02h)表示該緩沖區(qū)消息已被新消息塊覆蓋，緩沖區(qū)內(nèi)容被修改。

此時DSP同時進行統(tǒng)計工作，比如在定時中斷里可以統(tǒng)計 VHF累積信道忙碌百分比值、累積MAC延遲時間、從周圍飛機接收到的不完整的下行鏈路塊數(shù)目個數(shù)等等，應(yīng)答CMU的統(tǒng)計模式請求。

4.1.4 上行消息處理設(shè)計

(1)DSP上行消息設(shè)計流程

DSP收到來自FPGA的基帶信息后，首先判決該消息是否為上行消息，通過比較上行/下行鏈路塊識別符域消息判定為上行消息后，則進行審計模式的判定。根據(jù)3.2.2節(jié)及圖4的介紹，只有在非審計模式下DSP才對上行消息進行后續(xù)的BCS校驗、地址篩選和信道質(zhì)量檢測。

DSP完成BCS校驗，該校驗主要采用CCITT多項式循環(huán)冗余碼校驗(CRC)進行編碼，長度為16比特，生成多項式函數(shù)為:P(X)=x16+x12+x5+1(其中x為生成多項式變量)。若校驗正確，則DSP進行信道質(zhì)量SQP的檢測計算并封裝SQP.indication通過FPGA發(fā)送給CMU。SQP主要是由DSP配合FPGA及信號處理單元完成。信號處理單元通過對信道變頻后的中頻信號進行檢波及濾波處理，檢出包絡(luò)信號送FPGA，F(xiàn)PGA給出接收信號幅度PdBm的電壓值，再經(jīng)過AD采樣送DSP，DSP通過計算得出接收信號的SQP值。

同時，DSP比較上行消息中“地址”域中的地址與自己保存的DAS地址，若地址一致則表示該上行消息確實是由地面發(fā)給本飛機的消息。DSP判決BCS校驗正確、地址篩選正確后才以UNITDATA.indication封裝消息上報CMU。

(2)DSP統(tǒng)計設(shè)計

DSP繼續(xù)完成統(tǒng)計工作，判斷來自FPGA的基帶消息，若為下行消息，則說明接收到了周圍飛機發(fā)來的消息，可以統(tǒng)計周圍飛機接收到的完整的下行鏈路塊數(shù)目、不完整的下行鏈路塊數(shù)目或者完整但BCS校驗不正確的鏈路塊數(shù)目等;若為上行消息，則可以通過地址篩查統(tǒng)計到該消息是發(fā)給自己飛機的消息塊數(shù)目還是發(fā)給其他飛機消息塊數(shù)目等。

4.2 驗證和測試結(jié)果

VHF機載設(shè)備通過了3個驗證階段，測試情況如下:

(1)在工程實際應(yīng)用中，系統(tǒng)互通，VHF設(shè)備的發(fā)送與接收成功率達到100%;

(2)VHF設(shè)備分別于2012年、2013年在西南某民航機場進行民航電臺ACARS A消息測試。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，消息開始、結(jié)尾標(biāo)志正確，BCS校驗正確，并能讀取到有效的相關(guān)信息，例如有效的航班號、應(yīng)答指令、起飛降落指令、離港機場和目的機場的代碼、預(yù)達時間、溫度/壓力/速度等引擎消息等信息。因為在民航機場不能隨意非法發(fā)送射頻信息，因此下行消息的發(fā)送暫時無法驗證;

(3)VHF設(shè)備和國際民航電臺VHF－2100進行互通，正確接收概率100%。

5 ACARS消息處理的總結(jié)分析

通過上述消息處理機制及方案實現(xiàn)介紹可以看出，ACARS A應(yīng)用消息處理具備以下幾個優(yōu)點:

(1)pre－key值的使用節(jié)約了設(shè)備研制開發(fā)周期，提高了軟件移植性和兼容性。在以往的通用數(shù)據(jù)鏈設(shè)備中，為了保證信道同步，DSP在調(diào)試過程中要隨著設(shè)備不停調(diào)整同步時間保證信道穩(wěn)定，開發(fā)周期長，且浪費人力資源。引入ACARS的pre－key值后，根據(jù)pre－key值的范圍0～85 ms，信道設(shè)計人員在前期就通過設(shè)計保證模擬電路的可靠性和穩(wěn)定性，同時在后期設(shè)備聯(lián)試過程中可由設(shè)備負責(zé)人員進行pre－key值的設(shè)置來調(diào)整最佳信道同步時間，不再需要DSP人員的全程參與。pre－key值的人為設(shè)定也有效提高了設(shè)備DSP軟件的可移植性，不會因為不同設(shè)備模擬電路的硬件特性差異再由DSP計算不同的信道同步時間產(chǎn)生多個軟件版本，保證了設(shè)備之間的兼容性;

(2)ACARS消息機制設(shè)計的人性化和高可靠性。通過ACARS消息機制對設(shè)備的鏈路狀態(tài)會了解比較清晰，比如當(dāng)設(shè)備鏈路繁忙時CMU會發(fā)出設(shè)備刪除傳輸緩沖區(qū)的消息PURGE.request，及時刪除則不會引起鏈路消息堵塞;由于ACARS消息是按消息塊發(fā)送的，當(dāng)CMU發(fā)送消息到設(shè)備后，設(shè)備將向CMU發(fā)送一個確認信號，如果確認所傳輸?shù)南⒄_CMU才會發(fā)送下一消息塊，直至全部消息塊都被接收完成，大大提高了通信的可靠性;

(3)通過本文對ACARS消息統(tǒng)計功能的闡述可以了解到空中本飛機與周圍飛機的相關(guān)射頻情況，提供實時的確認問題能力，為飛行管理和維護提供附加的資料信息，減少成本。

6 結(jié)束語

本文介紹的民航VHF ACARS通信系統(tǒng)消息處理方案已應(yīng)用于工程項目中，通信穩(wěn)定可靠。在當(dāng)前我國大力發(fā)展民用航空技術(shù)的背景下，該方案對后續(xù)適航機載通信設(shè)備的研制和開發(fā)具有重要的借鑒意義。本文是針對VDL－A數(shù)據(jù)鏈工作模式進行研究的，但國際民航組織還同時制定了VDL－2、VDL－3和VDL－43種數(shù)據(jù)鏈工作模式，這3種模式均是在VDL－A功能上的擴展和增強。隨著民航對實時數(shù)據(jù)的需求不斷提高，在后續(xù)工作中對數(shù)據(jù)傳輸速率更大的數(shù)據(jù)鏈工作模式研究勢在必行[5］。

[1]孔杰.甚高頻ACARS通信系統(tǒng)物理層信號處理單元設(shè)計[J］.電訊技術(shù)，2013，53(4):440－443.KONG Jie.Design of Physical Layer Signal Processing U-nit for VHF ACARS Communication System[J］.Telecommunication Engineering， 2013， 53(4):440 －443.(in Chinese)

[2]ARINC Characteristic 750－4，VHF data radio[S］

[3]ARINC Specification 618－6，Air/Ground Character－Oriented Protocol Specification[S］.

[4]ARINC Specification 620－3，Data link ground system standard and interface－specification(DGSS/ID)[S］.

[5]徐見源，鄧雪云，曹力.基于ARINC－618協(xié)議的地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)研究[J］.民用飛機設(shè)計與研究，2011(4):13－15，23.XU Jian－yuan，DENG Xue－yun，CAO Li.Study on the Ground Air Data Link Technology Based on ARINC－618 Protocol[J］.Civil Aircraft Design and Research，2011(4):13－15，23.(in Chinese)