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        民機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計考慮

        2015-10-17 11:20:17宋金澤解麗榮
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2015年22期
        關(guān)鍵詞:接口數(shù)據(jù)鏈趨勢

        宋金澤 解麗榮

        摘 要:數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作為當(dāng)代及未來民用飛機上的重要系統(tǒng)之一,相比傳統(tǒng)的語音通信方式,具有傳輸速度快、消除口音歧義、便于回讀等優(yōu)勢,不但在空中交通管理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,對航空公司提高運營效率、減少成本也起到巨大作用。該文站在設(shè)計的角度,首先闡述了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的必要性,然后講解系統(tǒng)的傳輸媒介和基本組成,接著從應(yīng)用設(shè)計、人機界面、與機上其他系統(tǒng)的接口進行描述,并說明了測試方面的工作,最后展望了民機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)鏈 應(yīng)用 接口 趨勢

        中圖分類號:TN914 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)08(a)-0088-02

        民機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)建立飛機與地面信息化系統(tǒng)之間的連接,實現(xiàn)雙向?qū)崟r的地空數(shù)據(jù)通信,它主要取決于兩方面的需求:(1)空中交通管理:數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠降低對日益擁堵的語音信道的依賴與占用,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,提升管理效率,減少飛機等待時間,增加交通容量;(2)航空公司管理:航空公司能通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實時掌握飛機的運行、健康狀態(tài),提高運營效率。

        各國民航當(dāng)局都在加大對數(shù)據(jù)鏈基礎(chǔ)設(shè)施的投入,并逐漸提高對在其轄區(qū)內(nèi)運營飛機的要求。航空公司出于航路運營資格的考慮與自身對機隊管理的需要,在選購新飛機時非常重視數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

        1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸媒介

        目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈傳輸媒介有三種,分別是甚高頻通信、高頻通信和衛(wèi)星通信(包括海事衛(wèi)星和銥星)。通過選擇支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈功能的機載端系統(tǒng)收發(fā)機,可以在提供語音通信功能的同時構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)絡(luò),傳輸飛機通信尋址與報告系統(tǒng)(Aircraft Communication Addressing and Reporting System,ACARS)報文。

        由于甚高頻通信是視距傳播,甚高頻數(shù)據(jù)鏈的使用受地面臺站覆蓋程度的影響很大。在地面臺站不能覆蓋的地區(qū),需要把信息暫時存儲,直至飛行到地面臺站覆蓋區(qū)才能繼續(xù)傳輸。對于選裝有高頻或者衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的飛機,則可避免甚高頻通信傳輸距離近的不足。[1]需要注意的是,海事衛(wèi)星覆蓋區(qū)域不包括地球兩極地區(qū)。

        ATN(Aeronautical Telecommunication Network)是全球地空一體化的航空專用網(wǎng)絡(luò),采用開放式體系結(jié)構(gòu)的VDL(Very High Frequency Data Link)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),在其四種技術(shù): VDL Mode1、VDL Mode 2、VDL Mode 3和VDL Mode 4中,VDL Mode2以其對現(xiàn)有ACARS網(wǎng)絡(luò)的兼容性、和對未來ATN網(wǎng)絡(luò)的無縫隙結(jié)合而成為當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的重要選擇。[2]

        當(dāng)前主流的民機都安裝有甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),且同時兼容ACARS與VDL Mode2模式,高頻與衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可視客戶需求選裝。為了獲得市場競爭力,新研飛機的設(shè)計應(yīng)至少與主流民機保持一致的水平。

        2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)基本組成

        通信管理(路由)功能是機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的核心,它的一端是甚高頻、高頻和衛(wèi)通等收發(fā)機,發(fā)揮著與外界收發(fā)信息的作用,另一端是機上用戶,包括ATS/ATC/AOC等報文應(yīng)用和各種機上終端。通信管理可以通過單獨的設(shè)備來實現(xiàn),稱為通信管理單元(CMU),也可以通過在綜合模塊化航空電子(IMA)的通用處理模塊中駐留的軟件實現(xiàn),稱為通信管理功能(CMF)。[3]選擇CMU或者CMF是整機航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與權(quán)衡的結(jié)果。

        機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的另外兩個功能分別是“操作與顯示”功能(人機接口),用于發(fā)送和查看報文,和“配置與維護”功能,用于設(shè)置飛機尾號、ICAO代碼、監(jiān)控目前每個子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)、監(jiān)控外設(shè)狀態(tài)、測試鏈路、選擇數(shù)據(jù)鏈服務(wù)提供商(DSP)等。

        3 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

        數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用可分為空中交通服務(wù)(ATS)、空中交通管制(ATC)和航空公司運營控制(AOC)三大類。

        常用的ATS應(yīng)用有四種:(1)航站自動信息服務(wù)(ATIS)報告;(2)越洋放行報告;(3)離港前放行報告;(4)駕駛員航站天氣信息報告(TWIP);

        ATC應(yīng)用則與飛管系統(tǒng)有緊密的交聯(lián),它分為運行在ACARS網(wǎng)絡(luò)的FANS 1/A+(CPDLC、ADS-C和AFN)與運行在ATN網(wǎng)絡(luò)的LINK2000+(CM、CPDLC)。為了降低與飛管系統(tǒng)交聯(lián)的接口復(fù)雜度,在IMA系統(tǒng)中將飛管與CPDLC功能一同開發(fā)是比較好的選擇。FANS 1/A+服務(wù)在北美和中國使用,LINK2000+則在歐洲使用。為了提高飛機的通用性與市場競爭力,設(shè)計時最好同時具備FANS 1/A+與LINK2000+能力。

        AOC應(yīng)用允許航空公司管理運行、氣象、延誤、維護以及其他相關(guān)的運營活動,種類繁多,且可由航空公司自行定義,典型的AOC報文包括:(1)OOOI報;(2)飛行狀態(tài)、延誤及變更報;(3)氣象報請求;(4)維護報文;(5)客艙服務(wù)請求(輪椅、醫(yī)療等);(6)橋位請求;(7)其他自由報文。

        以波音公司開發(fā)的實時監(jiān)控系統(tǒng)AHM與空客公司開發(fā)的AIRMAN為代表,航空業(yè)越來越重視利用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實現(xiàn)飛機狀態(tài)的實時監(jiān)控和分析。[4]實時監(jiān)控的核心就是AOC報文,它帶來的自由度使航空公司實施集中簽派放行、集中配載、飛機遠程在線故障報告與診斷等成為可能,為航空公司提高安全保障水平、節(jié)省運行成本和提高旅客服務(wù)質(zhì)量提供了有效手段。[5]

        在系統(tǒng)設(shè)計時,AOC應(yīng)用的設(shè)計保障等級為E級,使用獨立的分區(qū),與ATS/ATC應(yīng)用隔離,使得對AOC的更改不影響系統(tǒng)安全,不需要適航當(dāng)局再次介入。AOC應(yīng)用需方便航空公司修改與加載,一般應(yīng)能將修改后的文件通過ARINC 615加載機加載到飛機上。

        4 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)人機界面

        大多數(shù)飛機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的人機交互界面為基于ARINC 739的MCDU(多功能控制顯示組件),機組按壓MCDU上的行選鍵,通過菜單層層進入數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用界面,使用MCDU上的鍵盤在便簽欄輸入信息,再通過行選鍵輸入到指定的位置。

        由于MCDU屏幕小,先進的民用飛機開始使用基于ARINC 661的多功能顯示器作為交互界面,輔以鍵盤、觸摸屏或鼠標(biāo)滾輪等更符合人們?nèi)粘A?xí)慣的操作方式,獲得世界一線制造商、航電設(shè)備供應(yīng)商的支持,已被成功應(yīng)用于B787、A380、A350等一系列航空項目中。令人憧憬的是,新的顯示機制使得顯示格式可以完全自定義,如上傳的圖形格式氣象報文可以直接疊加在顯示器的航圖上,而這在MCDU界面上是做不到的?;贏RINC 661的大屏幕顯示器作為先進飛機駕駛艙最直觀的特征,最終會在民用飛機上普遍應(yīng)用。[6]

        5 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)機上接口

        傳統(tǒng)航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信主要采用ARINC429及MIL-STD-153等協(xié)議,這些數(shù)據(jù)通信協(xié)議具有可靠性高、通信質(zhì)量穩(wěn)定等特點,在當(dāng)代航空、航海等軍事通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。[7]

        目前國際上新研的大型民用飛機,如B787、A380、A350等均采用了綜合化、模塊化的航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其基礎(chǔ)是采用飛機數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)航電系統(tǒng)核心處理、導(dǎo)航、通信等分系統(tǒng)之間的信息交換。經(jīng)充分的研究、仿真和試驗,歐洲與美國選擇ARINC 664—— 航空全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)構(gòu)建航電系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)。[8]AFDX以傳統(tǒng)的IEEE802.3以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),通過虛鏈路、帶寬分配策略保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的確定性,增加了余度管理提高網(wǎng)絡(luò)容錯能力與可靠性,適應(yīng)了航空電子實時分布式的通信要求。與傳統(tǒng)的飛機總線相比,AFDX在傳輸速率和通信帶寬,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活性,數(shù)據(jù)幀(包)協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)重量、體積、布線的復(fù)雜度等各方面具有絕對的優(yōu)勢。

        數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需要與大量的機載外圍設(shè)備接口,用于收集飛機數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)鏈報文到外部終端系統(tǒng)應(yīng)用,這些系統(tǒng)包括:航電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)等,其中僅航電系統(tǒng)就可以繼續(xù)細(xì)分為:機載維護系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、指示記錄系統(tǒng)、客艙系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、航電核心處理系統(tǒng)等。諸多的外部系統(tǒng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)涉及的總線可能有傳統(tǒng)的ARINC 429,也可能有ARINC 664,因此在設(shè)計時需注意對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

        6 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的測試

        數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)交聯(lián)復(fù)雜,完整的測試包括試驗臺測試,飛機下線前測試、地面測試與飛行測試,其中后兩步是適航當(dāng)局關(guān)注的測試。根據(jù)國內(nèi)首款按照CCAR25部進行審定的民用飛機ARJ21-700飛機的設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗,建議后兩步測試與國內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)運營商——民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司(ADCC)進行合作,其不僅是國內(nèi)唯一的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)運營商,其豐富的網(wǎng)絡(luò)運營經(jīng)驗也可以在測試時減少失誤,節(jié)約時間與成本。

        7 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)展趨勢

        數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮技術(shù)與市場的發(fā)展。如今民航地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)朝著ATN的方向發(fā)展,不具備FANS 1/A+和LINK2000+功能的飛機將會被市場淘汰。VDL Mode2可以實現(xiàn)ACARS到ATN的平穩(wěn)過渡,但VDL Mode3與VDL Mode4也是具有潛力的傳輸手段,雖然目前尚沒有大規(guī)模的應(yīng)用,仍值得保持關(guān)注。

        數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計還要關(guān)注政策法規(guī)的動向。比如銥星數(shù)據(jù)鏈雖然在費率上比海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈便宜,世界上的使用率也很高,但在國內(nèi)由于與中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)頻率相近,未來不排除國內(nèi)禁用銥星數(shù)據(jù)鏈的可能。

        另外,客艙寬帶接入服務(wù)一直非常熱門,旅客希望能通過話音、電子郵件和視頻等應(yīng)用與外部連接,航空市場增值業(yè)務(wù)的需求正在迅速增長。出于安全考慮,針對客艙的數(shù)據(jù)上網(wǎng)系統(tǒng)與機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)分開,與ATS/ATC/AOC應(yīng)用無關(guān),往往是一套獨立的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。駕駛艙中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以節(jié)約成本,而客艙中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)則可以創(chuàng)造利潤,如果將上網(wǎng)終端植入旅客座椅,可以吸引更多的客戶乘坐飛機,并能實現(xiàn)有針對性的廣告?zhèn)鞑ヅc空中銷售。

        參考文獻

        [1]魏光興.甚高頻地空數(shù)據(jù)通信及對當(dāng)前系統(tǒng)的改進[J].空中交通管理,2005(4):30-33.

        [2]程擎,楊榮盛,羅軍.地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及其在中國民航的應(yīng)用與發(fā)展[J].通信與信息技術(shù),2010(2):66-68.

        [3]劉天華.民用飛機數(shù)據(jù)鏈通信管理技術(shù)[J].電訊技術(shù),2010(5):84-88.

        [4]鄧雪云.地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在航空運行中的應(yīng)用研究[J].科技展望,2014(10):157.

        [5]郭靜.中國民航地空數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)、發(fā)展與應(yīng)用[J].中國民用航空,2006(3):64-66.

        [6]陸曉剛.現(xiàn)代民用飛機ATC數(shù)據(jù)鏈人機交互界面研究與設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2012(26):23-24.

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        [8]趙永庫,李貞,唐來勝.AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究[J].計算機測量與控制,2012,20(1):8-10,30.

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