劉天華，林 靜，王 麗，王 勇

(中電科航空電子有限公司，成都 611731)

0 引 言

民機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用民用飛機機載設(shè)備通過空地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)建立飛機與地面計算機系統(tǒng)之間的連接，實現(xiàn)地面系統(tǒng)與飛機之間的雙向數(shù)據(jù)通信。未來的飛機是全球互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，數(shù)據(jù)鏈基于多種傳輸鏈路，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的生態(tài)系統(tǒng)，為飛機、空管部門、航空公司提供豐富的航跡、氣象、放行等數(shù)據(jù)，提高飛行安全和效率。隨著民機空地大容量數(shù)據(jù)傳輸、四維航跡運行、空域靈活組織與管理、機場高效運行等需求越來越迫切，對民機空地數(shù)據(jù)鏈技術(shù)發(fā)展提出了新的要求，同時對機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)、地面網(wǎng)絡(luò)以及下一代空管系統(tǒng)的運行帶來新的變革。新一代數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用，對適應(yīng)未來高密度空域運行，增加全球民用航空系統(tǒng)的交通量并提高運行效率，將產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

1 國內(nèi)外數(shù)據(jù)鏈發(fā)展規(guī)劃和路線

1.1 國外數(shù)據(jù)鏈發(fā)展規(guī)劃和路線

國際民航組織(International Civil Aviation Organisation，ICAO)為了加強全球民用航空的安全，增加全球民用航空系統(tǒng)的容量并提高運行效率，促進全球民用航空系統(tǒng)健康、可持續(xù)增長，提出了一項15年滾動發(fā)展的戰(zhàn)略思路《全球空中航行計劃》，借助現(xiàn)有各種技術(shù)，根據(jù)國家/業(yè)界商定的運行目標(biāo)對未來航空系統(tǒng)的發(fā)展制定了全球性的框架。第5版《全球空中航行計劃》以每6年為一個發(fā)展階段，對2013—2019年、2019—2025年、2025—2031年、2031年以后各個時期，在機場運行、全球互用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)、最佳容量和靈活飛行、高效飛行航路這四個航空績效改善領(lǐng)域，以航空系統(tǒng)組塊升級(Aviation System Block Upgrades，ASBU)的方式，協(xié)調(diào)明確的空中和地面業(yè)務(wù)目標(biāo)，以及實現(xiàn)這些目標(biāo)所需的航空電子設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈和空中交通管理系統(tǒng)要求[1]。

《全球空中航行計劃》中的模塊和相關(guān)技術(shù)路線圖主要涉及通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、信息管理和航空電子技術(shù)等方面?！度蚩罩泻叫杏媱潯吩贏SBU中對未來全球數(shù)據(jù)鏈技術(shù)發(fā)展做出了明確的規(guī)劃。在ICAO發(fā)布的ASBU的統(tǒng)一框架下，美國新一代空中交通系統(tǒng)(Next Generation Air Transportation System，NextGen)、歐洲單一天空計劃(Single European Sky Air Traffic Management Research，SESAR)、波音公司、空客公司都提出了自己的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展規(guī)劃和路線圖。

1.1.1 ICAO規(guī)劃的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展框架

ICAO發(fā)布ASBU，對未來數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展趨勢進行的整體規(guī)劃如圖1所示：2019年，機場航空移動通信系統(tǒng)(Aeronautical Mobile Airport Communication System，AeroMACS)在場面監(jiān)視中開始應(yīng)用和推廣；2019年，現(xiàn)有基于開放系統(tǒng)互聯(lián)的航空電信網(wǎng)(Aeronautical Telecommunication Network/Open Systems Interconnection，ATN/OSI)逐步發(fā)展到基于IP協(xié)議的航空電信網(wǎng)(Aeronautical Telecommunication Network/Internet Protocol Suite，ATN/IPS)；2021年，安全寬帶衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈逐漸用于空地超視距通信；隨著管制員-飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(Controller Pilot Data Link Communications，CPDLC)、合約式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance Contract，ADS-C)等數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，2025年左右，全四維(Four Dimensional，4D)航跡服務(wù)逐漸推廣應(yīng)用；2028年后，L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)(L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS)將是未來空地視距通信的主要發(fā)展方向[1]。

圖1 ICAO發(fā)布的ASBU規(guī)劃的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展框架

1.1.2 歐美規(guī)劃的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展路線圖

基于ICAO發(fā)布的《全球空中航行計劃》，美國NextGen和歐洲SESAR聯(lián)合研究新型空地數(shù)據(jù)通信能力及發(fā)展步驟，其共同的遠(yuǎn)景目標(biāo)是：在飛機和地面空中交通管理(Air Traffic Management，ATM)之間引入更先進的通信手段，優(yōu)化飛行計劃和到達(dá)時間；引入基于衛(wèi)通的操作程序，增加航路使用的靈活性；支持管制員向飛行員傳遞更詳細(xì)的航路上的風(fēng)向、風(fēng)速等信息；更好地安排飛機之間的間距。

NextGen和SESAR發(fā)布聯(lián)合空地數(shù)據(jù)通信服務(wù)和技術(shù)路線圖如圖2所示，以實現(xiàn)在歐美大洋飛行時的協(xié)同空中交通管理。在數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用和數(shù)據(jù)鏈技術(shù)方面：2025年，ATN/IPS協(xié)議棧開始加裝應(yīng)用，AeroMACS在場面監(jiān)視中逐步應(yīng)用和推廣，安全寬帶衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈用于空地超視距通信；2028年后，采用新的視距空地數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)[2]。

圖2 歐美聯(lián)合空地數(shù)據(jù)通信服務(wù)和技術(shù)路線圖

1.1.3 波音公司數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)路線圖

在ICAO數(shù)據(jù)鏈發(fā)展框架以及歐美數(shù)據(jù)鏈發(fā)展路線圖的引領(lǐng)下，波音公司發(fā)布了波音的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展路線圖。波音在數(shù)據(jù)鏈方面的主要發(fā)展目標(biāo)：一方面集成機載航電和地面自動化手段以實現(xiàn)語音通信不能達(dá)到的能力，例如基于航跡的運行(Trajectory Based Operations，TBO)；另一方面是在合適的運行場景下使用數(shù)據(jù)鏈通信取代語音通信，例如通過數(shù)據(jù)鏈進行飛行機組與管制員之間的信息交互。數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用將減小飛機飛行間隔，提高空域利用率、飛機運行效率和飛行安全[3]。

波音公司飛機的數(shù)據(jù)鏈裝備加裝及應(yīng)用規(guī)劃如圖3所示：2016年，AeroMACS在場面監(jiān)視中開始應(yīng)用和推廣，基于海事衛(wèi)星安全快速寬帶(SwiftBroadband-Safety，SBB-Safety)數(shù)據(jù)鏈通信的IRIS項目前期開始運行，2028年實現(xiàn)全面應(yīng)用和推廣；2024年，ATN/IPS協(xié)議棧開始加裝應(yīng)用；2030年后，LDACS將是未來空地視距通信的主要發(fā)展方向[4]。

圖3 波音公司數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)路線圖

1.1.4 空客公司數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)路線圖

在ICAO數(shù)據(jù)鏈發(fā)展框架以及歐美數(shù)據(jù)鏈發(fā)展路線圖的引領(lǐng)下，空客公司發(fā)布的空客的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展路線如圖4所示：2016年，基于SBB-Safety的數(shù)據(jù)鏈通信開始運行，2028年，開展基于IP協(xié)議的寬帶衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)鏈(IRIS項目)的全面應(yīng)用和推廣；2028年左右，AeroMACS在場面監(jiān)視中開始應(yīng)用和推廣；2028年，ATN/IPS協(xié)議棧開始加裝應(yīng)用；2030年后，LDACS將是未來空地視距通信的主要發(fā)展方向[4]。

圖4 空客公司數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)路線圖

1.2 國內(nèi)據(jù)鏈發(fā)展規(guī)劃和路線

中國民用航空局(Civil Aviation Administration of China，CAAC)根據(jù)ICAO發(fā)布的《全球空中航行計劃》，在航空系統(tǒng)組塊升級方案的統(tǒng)一框架下，結(jié)合我國空中交通管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀、需求和發(fā)展目標(biāo)，制定了《中國民航航空系統(tǒng)組塊升級(ASBU)發(fā)展和實施策略》，指導(dǎo)我國中長期國內(nèi)航空系統(tǒng)組塊升級工作的開展，提升我國空中交通管理系統(tǒng)的安全水平和運行效率。

我國空地數(shù)據(jù)鏈通信實現(xiàn)路線圖如圖5所示，其主要技術(shù)發(fā)展趨勢是：2017年，逐步推廣AeroMACS技術(shù)在場面監(jiān)視中的應(yīng)用；2025年，LDACS逐漸應(yīng)用在未來空地視距通信領(lǐng)域；2025年后，采用未來的衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)空地超視距通信；隨著CPDLC、ADS-C等應(yīng)用成熟及升級，全面四維航跡應(yīng)用是未來空地數(shù)據(jù)通信服務(wù)的發(fā)展方向；ATN/IPS協(xié)議棧全面應(yīng)用和推廣[5]。

1.3 小結(jié)

根據(jù)對ICAO發(fā)布的ASBU規(guī)劃、NextGen和SESAR聯(lián)合發(fā)布的空地數(shù)據(jù)通信服務(wù)和技術(shù)路線圖、波音公司數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)路線圖、空客公司數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)路線圖以及我國空地數(shù)據(jù)鏈通信實現(xiàn)路線圖分析對比，未來民機數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展總體趨勢是，寬帶衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈用于超視距數(shù)據(jù)通信，AeroMACS在場面監(jiān)視中得到廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧向著基于IP協(xié)議的ATN/IPS協(xié)議棧發(fā)展，未來空地視距通信的技術(shù)發(fā)展方向是LDACS，全面四維航跡服務(wù)逐步在全球推廣。

在具體實施方面，各組織又各有不同：2016年，波音和空客開始運行基于SBB-Safety的數(shù)據(jù)鏈寬帶衛(wèi)星通信；對于AeroMACS，中國民航局、波音公司、空客公司分別計劃從2017年、2016年、2028年開始推廣AeroMACS在場面監(jiān)視中的應(yīng)用；對于ATN/IPS協(xié)議棧，波音公司和空客公司分別規(guī)劃在2024年、2028年開始加裝應(yīng)用；LDACS面向更遠(yuǎn)期，波音和空客都規(guī)劃在2030后開始應(yīng)用；無論采用那種技術(shù)，各組織都將實現(xiàn)全面四維航跡應(yīng)用作為未來的應(yīng)用目標(biāo)。

2 未來數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 未來機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)

隨著綜合模塊化航電系統(tǒng)(Integrated Modular Avionics，IMA)技術(shù)發(fā)展，新型大型客機數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用及協(xié)議棧以軟件的形式駐留在IMA平臺中，以單獨設(shè)備形態(tài)存在的通信管理單元(Communications Management Unit，CMU)構(gòu)型多用在原有的B737、A320等客機。隨著全球“互聯(lián)網(wǎng)+”趨勢發(fā)展，以及我國國務(wù)院發(fā)布“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展戰(zhàn)略，中國民航局積極推進“民用航空器空中接入互聯(lián)網(wǎng)”工作，未來的飛機將融入全球互聯(lián)網(wǎng)，成為“互聯(lián)網(wǎng)+”網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。未來的機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)為飛機通信尋址報告系統(tǒng)(Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS)與ATN/IPS協(xié)議棧并存的架構(gòu)，對于數(shù)據(jù)鏈航空電信網(wǎng)，在繼續(xù)沿用現(xiàn)有基于開放系統(tǒng)互聯(lián)的航空電信網(wǎng)(ATN/OSI)的基礎(chǔ)上，基于IP協(xié)議的航空電信網(wǎng)(ATN/IPS)是未來數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧的技術(shù)發(fā)展趨勢。機載數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用既支持基于ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用，又兼容傳統(tǒng)的ACARS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用。未來數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用的空地鏈路選擇具備更大的靈活性，不同的空地數(shù)據(jù)鏈路支持不同的數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用來滿足不同用戶數(shù)據(jù)傳輸需求。未來一種民機機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示[4]。

圖6 未來一種民機機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)

目前民機與數(shù)據(jù)鏈相關(guān)的域包括飛機控制域(Aircraft Control Domain，ACD)和飛機信息服務(wù)域(Aircraft Information Services Domain，AISD)，駐留在ACD域的高安全等級空中交通管制(Air Traffic Control，ATC)、空中交通服務(wù)(Air Traffic Service，ATS)和航空公司運營通信(Airline Operational Communications，AOC)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用，可以選擇通過飛機通信尋址報告系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的短波、超短波、傳統(tǒng)衛(wèi)通等通信鏈路提供的空地數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，也可以通過安全網(wǎng)關(guān)與ATN/IPS路由器通信，使用LDACS、AeroMACS、未來寬帶安全衛(wèi)通鏈路傳輸空地數(shù)據(jù)。駐留在AISD域的航空運營通信數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用，可以通過AISD域的寬帶空地通信鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過駕駛艙安全通信ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，融入地面航空電信網(wǎng)。機載數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用根據(jù)地面網(wǎng)絡(luò)的部署情況，可實現(xiàn)在ACARS網(wǎng)絡(luò)與ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)間自動切換。

2.2 數(shù)據(jù)鏈地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈地面網(wǎng)關(guān)有三類：第一類為只支持ACARS網(wǎng)絡(luò)的未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)(Future Air Navigation System，F(xiàn)ANS)地面網(wǎng)關(guān)；第二類為只支持ATN/OSI網(wǎng)絡(luò)的ATN/OSI地面網(wǎng)關(guān)；第三類為ACARS和ATN/OSI網(wǎng)絡(luò)都支持的FANS+ATN/OSI地面網(wǎng)關(guān)。

為了適應(yīng)未來機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展，滿足各種數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用需求，地面網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和地面網(wǎng)關(guān)的建設(shè)也將不斷升級完善現(xiàn)有功能。未來的數(shù)據(jù)鏈地面網(wǎng)關(guān)既要兼容現(xiàn)有ACARS、ATN/OSI網(wǎng)絡(luò)，還要支持未來ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)。因此在現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈地面網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上，增加了四類數(shù)據(jù)鏈地面網(wǎng)關(guān)：第一類為只支持ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)的ATN/IPS地面網(wǎng)關(guān)；第二類為支持ACARS和ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)的FANS+ATN/IPS地面網(wǎng)關(guān)；第三類為支持ATN/OSI和ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)的ATN/OSI+ATN/IPS地面網(wǎng)關(guān)；第四類為ACARS、ATN/OSI以及ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)都支持的FANS+ATN/OSI+ATN/IPS地面網(wǎng)關(guān)。未來適用于多種數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的可配置地面網(wǎng)絡(luò)部署如圖7所示[4]。

圖7 未來的數(shù)據(jù)鏈地面網(wǎng)絡(luò)部署

3 數(shù)據(jù)鏈在下一代空中交通管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

ICAO在《全球空中交通管理運行概念》[6]中明確了下一代空中交通管理系統(tǒng)運行概念，數(shù)據(jù)鏈在下一代空中交通管理系統(tǒng)中的應(yīng)用如下：

(1)空域組織與管理

數(shù)據(jù)鏈實時傳輸空域內(nèi)的航空器飛行、氣象及特殊航情信息，幫助空域管理部門實現(xiàn)面向用戶的空域動態(tài)分配，進行靈活的空域規(guī)劃設(shè)計和動態(tài)的空域運行管理，最大程度利用空域資源。

(2)機場運行

數(shù)據(jù)鏈及時報告航空器位置及意圖，便于空管員將航空器、塔臺管制、地面管制、特種車輛等納入機場協(xié)作決策，全天候條件下增強安全性，最大限度地提高機場容量。

(3)需求與容量平衡

數(shù)據(jù)鏈提供的飛機起降狀態(tài)報、飛機位置報、預(yù)達(dá)時間報、航路氣象報、CPDLC(高度層分配、穿越限制、航路變更)等可以實時共享航空器的飛行信息、航路信息、機場信息，空管系統(tǒng)可利用上述信息對空中交通流量進行高效管理，實現(xiàn)空域和機場的需求容量平衡。

(4)交通同步

航空器通過數(shù)據(jù)鏈實時共享準(zhǔn)確的四維動態(tài)航跡及其他飛行數(shù)據(jù)，使空管部門及時了解當(dāng)前并預(yù)測未來的交通狀況，保證空中交通的安全、有序、高效和交通同步。

(5)空域用戶運行

空中交通管理系統(tǒng)能夠通過數(shù)據(jù)鏈實時獲取相關(guān)空域用戶的運行信息，同時也能為空域用戶實時提供運行必要的各種信息，在航空器的整個飛行階段，數(shù)據(jù)鏈保障了航空器與多個不同空中交通管理單位的實時信息交互。

(6)沖突管理

航空器受其自身條件的約束，很多時候無法及時感知氣象、尾流、有矛盾的空域活動等危險。數(shù)據(jù)鏈提高了航空器的感知能力，為航空器獲取來自地面、其他航空器傳來的信息提供了可靠的手段，協(xié)助航空器感知潛在的沖突并及時調(diào)整，將沖突發(fā)生的風(fēng)險限制在一個可接受的水平。

(7)空中交通管理服務(wù)管理

數(shù)據(jù)鏈提供的飛行軌跡、飛行計劃、氣象等信息，將提高飛機在飛行所有階段及所有服務(wù)提供者之間實施從門到門無縫運行的效率。

(8)信息服務(wù)

數(shù)據(jù)鏈在飛機待飛、滑行、起飛、巡航、進近、著陸、停靠登機門等階段，按預(yù)定的消息策略在飛機和地面之間交換各種信息，為空中交通管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、高效運行提供必要的信息保障。

4 結(jié)束語

航空運輸?shù)目焖侔l(fā)展在促進經(jīng)濟進步、社會繁榮的同時也出現(xiàn)了空中交通增長與所需基礎(chǔ)設(shè)施之間的矛盾。航空地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的進步和航空電信網(wǎng)的發(fā)展能為應(yīng)用部門提供更多樣化的服務(wù)，然而出于經(jīng)濟效益的考慮，航空公司飛機的更新?lián)Q代以及民航地面網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一個長期的過程?，F(xiàn)有的ACARS網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用了30多年，并仍將在未來較長時間內(nèi)繼續(xù)為航空公司和空管等部門提供服務(wù)。[7]。為了適應(yīng)飛機多樣化服務(wù)對寬帶、實時、大容量數(shù)據(jù)通信需求，大批先進的航空電子技術(shù)包括基于衛(wèi)星的通信技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)等快速發(fā)展。數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)强罩薪煌ü芾砀叨茸詣踊那疤幔彩潜ＷC空中交通安全有序的同時減輕飛行員和管制員工作負(fù)擔(dān)的有效手段，還是提高航空公司運營效率的重要途徑。在未來15年及遠(yuǎn)期，寬帶衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈、LDACS、AeroMACS、ATN/IPS、四維航跡運行等數(shù)據(jù)鏈新技術(shù)將提高全球民用航空系統(tǒng)的交通量及運行效率，在下一代空中交通管理及航司運營中得到越來越廣泛的應(yīng)用。