岳 猛，洪雪婷，蔣一陽，鄭 瀚

（中國民航大學(xué)a.安全科學(xué)與工程學(xué)院；b.電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS，aircraft communication addressing and reporting system）是當(dāng)前民航空地?cái)?shù)據(jù)通信的方式之一。其應(yīng)用非常成熟，已成為空中交通服務(wù)、航空公司運(yùn)行控制、機(jī)務(wù)維修、航空行政管理等重要業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)手段。

近些年來，國內(nèi)對ACARS 的研究主要集中在兩個方面，一是ACARS 接收設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。郭旭周[1]提出了便攜式地空數(shù)據(jù)鏈調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)出一種專用調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)地空數(shù)據(jù)鏈通信；張淼等[2]提出了甚高頻數(shù)據(jù)鏈地面站優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，主要從算法復(fù)雜度和串口數(shù)據(jù)交互兩個方面進(jìn)行了優(yōu)化；袁樹德等[3]提出基于二碼元長度的ACARS 信號分析算法，該算法具有良好的報(bào)文譯碼性能。二是對ACARS 的上下行數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究。鄧雪云等[4]利用地空數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)驅(qū)動三軸轉(zhuǎn)臺，研究了基于ACARS 報(bào)文的半實(shí)物遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)；王旭輝等[5]基于發(fā)動機(jī)氣路數(shù)據(jù)的ACARS 報(bào)文提出利用最小二乘支持向量機(jī)在線預(yù)測航空發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)；王晨熙等[6]利用ACARS數(shù)據(jù)，提出了一種雷達(dá)與ACARS 數(shù)據(jù)融合算法，提高了空中目標(biāo)監(jiān)控的連續(xù)性，擴(kuò)大了空中目標(biāo)監(jiān)控的范圍?，F(xiàn)有研究雖然取得了一些進(jìn)展，但是還存在如下幾個問題：①現(xiàn)有研究主要集中于地面設(shè)備，對于機(jī)載設(shè)備的研究較少；②現(xiàn)有研究主要涉及物理層和應(yīng)用層，但對于協(xié)議棧其他層的研究較少；③ACARS 機(jī)載設(shè)備部件之間的鉸鏈關(guān)系、邏輯接口和協(xié)議規(guī)范缺乏系統(tǒng)性的梳理；④ACARS 機(jī)載電臺廠商都在國外，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也都是由歐美發(fā)達(dá)國家主導(dǎo)，目前缺乏研究來驗(yàn)證設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)的符合度。

由于機(jī)載設(shè)備都是由國外生產(chǎn)，雖然有對應(yīng)的航空無線電公司（ARINC，AeronauticalRadio Incorporated）標(biāo)準(zhǔn)可以作為參考，但是國外設(shè)備就如同一個黑盒子，很難搞清楚其設(shè)備究竟是否一定按照標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。因此，激活國外的航電設(shè)備是一個難題[7-8]。VHF-2100 是一款具有代表性的機(jī)載甚高頻（VHF，very high frequency）電臺，用于空客A318/A319/A320/A321、A330/A340 機(jī)型以及波音B737、B747-400、B777 和B787 機(jī)型。在國產(chǎn)大飛機(jī)的背景下，針對ACARS 機(jī)載電臺無國產(chǎn)化的現(xiàn)狀，激活典型的國外電臺可以驗(yàn)證接口規(guī)范和數(shù)據(jù)交互時(shí)序關(guān)系，從而有助于機(jī)載電臺的國產(chǎn)化并通過適航審定。

1 ACARS 系統(tǒng)總體架構(gòu)

ACARS 系統(tǒng)可以分為機(jī)載子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)兩部分[9-11]。目前基于VHF 鏈路的ACARS 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ACARS 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of ACARS data link system

1）機(jī)載子系統(tǒng)

圖1 所示的機(jī)載子系統(tǒng)都與ACARS 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)相關(guān)，其中包括：①甚高頻數(shù)字電臺（VDR，VHF data radio），主要負(fù)責(zé)頻率的調(diào)諧，收發(fā)ACARS 數(shù)據(jù)，要激活的航材VHF-2100 就是一臺VDR；②通信管理單元（CMU，communication management unit），用于生成ACARS 數(shù)據(jù)報(bào)，對VDR 進(jìn)行配置，對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與路由；③飛行管理計(jì)算機(jī)（FMC，flight management computer），用來組織、協(xié)調(diào)和綜合多個機(jī)載電子設(shè)備的信息，為下行ACARS 報(bào)文提供數(shù)據(jù)源，同時(shí)也接收上行ACARS 數(shù)據(jù)；④飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)（ACMS，aircraft condition monitoring system），用于采集原始數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成ACARS 系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)形式；⑤多功能控制與顯示組件（MCDU，multifunction control display unit），作為機(jī)組人員與ACARS 系統(tǒng)交互的顯示器；⑥打印機(jī)（Printer），作為機(jī)組人員與ACARS 系統(tǒng)交互的另一種方式。

2）地面子系統(tǒng)

地面子系統(tǒng)中主要包含遠(yuǎn)端地面站（RGS，remote ground station）和數(shù)據(jù)服務(wù)提供者（DSP，datalink service provider）。RGS 用于飛機(jī)與地面數(shù)據(jù)網(wǎng)的連接，負(fù)責(zé)接收來自機(jī)載ACARS 設(shè)備發(fā)送的下行數(shù)據(jù)鏈報(bào)文，并通過專用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至DSP 中心；同時(shí)也負(fù)責(zé)接收來自DSP 管理與處理系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)鏈報(bào)文，并通過空地?cái)?shù)據(jù)鏈發(fā)送至機(jī)載ACARS 設(shè)備。在本文的激活環(huán)境中，RGS 設(shè)備用于驗(yàn)證VHF-2100 是否能夠收發(fā)上下行ACARS 數(shù)據(jù)，空地間的通信協(xié)議遵照ARINC 618[12-14]。

2 CMU 與VDR 接口規(guī)范

激活VHF-2100 的關(guān)鍵是與其直連的CMU，二者的開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI，open system interconnect）模型如圖2 所示，包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。

圖2 CMU 和VDR 的OSI 模型Fig.2 OSI model of CMU and VDR

2.1 物理層

在物理層采用ARINC429 總線傳輸數(shù)據(jù)[15]。ARINC 429 有兩種可供選擇的數(shù)據(jù)發(fā)送速度：高傳輸率100 kbps（±1%）和低傳輸率12.5 kbps（12.5～14.5 kbps），同一連接中上述兩種速率的總線不能混用。CMU 與VDR 之間的接口都選擇高速率傳輸。

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層

CMU 與VDR 之間的接口協(xié)議既可以使用面向比特的協(xié)議（BOP，bit oriented protocol）版本1 也可以使用BOP 版本3。因此，CMU 與VDR 在交互消息前，需要按照BOP 協(xié)議中規(guī)定的版本協(xié)商方法定義接口使用的BOP 協(xié)議版本號。CMU 與VDR 使用的ARINC 429消息有廣播離散控制字（簡稱廣播字）、協(xié)議協(xié)商字、SOLO 字和面向比特介質(zhì)訪問控制協(xié)議字。

2.2.1 ARINC 429 廣播離散控制字

CMU 和VDR 都會周期性地發(fā)送設(shè)備狀態(tài)消息[15]。設(shè)備狀態(tài)消息的格式為ARINC 429 廣播字。設(shè)備狀態(tài)消息的具體格式與消息的Label 和設(shè)備有關(guān)。CMU 廣播字包括172 字和270 字，格式如表1 和表2 所示。

表1 CMU 廣播字（172 字）Tab.1 CMU broadcast word（172 word）

表2 CMU 廣播字（270 字）Tab.2 CMU broadcast word（270 word）

172 字告知VDR 當(dāng)前CMU 的SAL（system address label），廣播速率1 次/s；270 字用于告知VDR 當(dāng)前CMU 是工作CMU 還是備用CMU，廣播速率1 次/s。

VDR 廣播字包括172 字、270 字和377 字，格式如表3—表5 所示。

表3 VDR 廣播字（172 字）Tab.3 VDR broadcast word（172 word）

表4 VDR 廣播字（270 字）Tab.4 VDR broadcast word（270 word）

表5 VDR 廣播字（377 字）Tab.5 VDR broadcast word（377 word）

172 字告知CMU 當(dāng)前VDR 的SAL 和支持的地空協(xié)議，廣播速率1 次/s；270 字用于告知CMU 當(dāng)前VDR 的狀態(tài)，廣播速率1 次/s；377 字告知CMU 當(dāng)前VDR 的標(biāo)識碼，廣播速率1 次/s。

2.2.2 協(xié)議協(xié)商字

面向比特的協(xié)議協(xié)商遵循ALOHA（additive link on-line Hawaii system）協(xié)議，當(dāng)一個系統(tǒng)需要和另一個系統(tǒng)協(xié)商協(xié)議版本時(shí)，發(fā)送端構(gòu)建ALO（ALOHA）字并將其發(fā)送給接收端。接收端如果支持面向比特鏈路層協(xié)議，當(dāng)收到ALO 字時(shí)，會中斷當(dāng)前任務(wù)并在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)出一個ALR（ALOHA response）字作為響應(yīng)。ALO 和ALR 的格式如表6 所示。

表6 協(xié)議協(xié)商字Tab.6 Protocol negotiation word

2.2.3 SOLO 字

無論是控制和配置VDR 消息還是ACARS IP（interface protocol）消息，CMU 和VDR 的接口消息中都使用了SOLO 字[15]。SOLO 字的前8 比特為SAL 字段，填寫目的設(shè)備的SAL。源端通過目的設(shè)備廣播的系統(tǒng)地址標(biāo)簽消息獲得目的設(shè)備的SAL。SOLO 字的25～28 位表示SOLO 字的類型，當(dāng)為全1 時(shí)，為擴(kuò)展SOLO 字。

1）控制和配置VDR 消息SOLO 字

控制和配置VDR 消息SOLO 字使用普通的SOLO字，其ID 字段（25～28 位）應(yīng)設(shè)為2H。17～24 位為PID字段，用于區(qū)分不同的控制和配置VDR 消息類型。格式如表7 所示。

表7 控制和配置VDR 消息SOLO 字Tab.7 SOLO word of controlling and configuring VDR message

CMU 通過模式設(shè)置字請求VDR 將CMU_STATUS設(shè)為CMD 狀態(tài)，模式設(shè)置請求和應(yīng)答（MODE_SET.request/MODE_SET.confirm）消息的格式如表8 所示。

表8 MODE_SET.request/MODE_SET.confirm 消息Tab.8 MODE_SET.request/MODE_SET.confirm message

CMU 通過協(xié)議設(shè)置字請求VDR 設(shè)置有效的空地通信協(xié)議，協(xié)議設(shè)置請求和應(yīng)答（PR_SET.request/PR_SET.confirm）消息的格式如表9 所示。

表9 PR_SET.request/PR_SET.confirm 消息Tab.9 PR_SET.request/PR_SET.confirm message

2）ACARS IP 消息SOLO 字

ACARS IP 協(xié)議中使用的SOLO 字通用格式如表10 所示，為擴(kuò)展的SOLO 字。ACARS IP 消息SOLO 字的PID 字段（21～24 位）表示接口協(xié)議，對ACARS IP來說，該字段值為2H。

表10 ACARS IP 消息SOLO 字Tab.10 SOLO word of ACARS IP message

一個典型的ACARS IP 協(xié)議中的信號質(zhì)量指示（SQP.indication）消息格式如表11 所示。

表11 SQP.indication 消息Tab.11 SQP.indication message

2.2.4 面向比特介質(zhì)訪問控制協(xié)議字（BOP3）

目前CMU 與VDR 接口協(xié)議普遍使用面向比特介質(zhì)訪問控制協(xié)議字（BOP3）[15]，BOP3 是在BOP1 的基礎(chǔ)上派生出來的。一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容由255 個字增加到1 023 個字，并將MAC（media access control）子層獨(dú)立出來，與IEEE 802 兼容。

1）控制和配置VDR 消息文件傳輸

使用BOP3 的控制和配置VDR 消息文件傳輸格式如圖3 所示。

圖3 控制和配置VDR 消息文件傳輸Fig.3 File transfer of controlling and configuring VDR message

控制和配置VDR 消息文件的GFI（general format identifier）字段為0010B，CT（command type）字段應(yīng)設(shè)為“命令”，為00B?？刂坪团渲肰DR 消息的各個字段填入LDU（link data unit）的數(shù)據(jù)域中，依次為：主標(biāo)識、數(shù)據(jù)字段長度和數(shù)據(jù)字段，如圖3 中綠色部分。

CMU 對VDR 的配置主要是參數(shù)配置和地址配置。參數(shù)配置請求和應(yīng)答（PARAM.request/PARAM.confirm）消息如表12 所示，配置的參數(shù)包括工作頻率和調(diào)制方式。

表12 PARAM.request/PARAM.confirm 消息Tab.12 PARAM.request/PARAM.confirm message

地址配置請求和應(yīng)答（ADDR.request/ADDR.confirm）消息如表13 所示，地址配置用于管理VDR 使用的地址，以及地址篩選。

表13 ADDR.request/ADDR.confirm 消息Tab.13 ADDR.request/ADDR.confirm message

2）ACARS IP 消息文件傳輸

使用BOP3 的ACARS IP 消息文件傳輸格式如圖4 所示。

圖4 ACARS IP 消息文件傳輸Fig.4 File transfer of ACARS IP message

ACARS IP 消息文件類型分為COMMAND 和DATA兩類，SOF（start of frame）字中的VDR 的CT 字段為00B 時(shí)，表示命令，為01B 時(shí)，表示數(shù)據(jù)。ACARS IP 消息文件類型使用擴(kuò)展的BOP 文件格式。擴(kuò)展的BOP文件格式定義為：SOF 字的GFI 字段為全1，數(shù)據(jù)域開頭的第1 個字的第1 個字段為EGFI（extended GFI），ACARS IP 為F2H。ACARS IP 文件內(nèi)容放在數(shù)據(jù)域中，依次為EGFI、主標(biāo)識、數(shù)據(jù)字段長度和數(shù)據(jù)字段，如圖4 中綠色部分。

ARINC 618 格式的ACARS 報(bào)文作為數(shù)據(jù)部分，封裝在ACARS IP 消息文件傳輸格式中。下行數(shù)據(jù)報(bào)文格式如表14 和表15 所示。UNITDATA.request 消息包含了下行ACARS 報(bào)文，UNITDATA.confirm 消息用于VDR 確認(rèn)收到了UNITDATA.request。

表14 UNITDATA.request 消息Tab.14 UNITDATA.request message

表15 UNITDATA.confirm消息Tab.15 UNITDATA.confirm message

VDR 接收地面站上行的ACARS 報(bào)文，將其封裝在UNITDATA.indication 消息中發(fā)送給CMU。UNITDATA.indication 消息格式如表16 所示。

表16 UNITDATA.indication 消息Tab.16 UNITDATA.indication message

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

在VDR 和CMU 接口上運(yùn)行ACARS IP 協(xié)議的目的是更好地支持ACARS 空地協(xié)議的運(yùn)行[15]。當(dāng)ACARS IP 協(xié)議的消息為命令類型文件傳輸時(shí)，一般用于ACARS IP 協(xié)議的管理及配置；當(dāng)ACARS IP 協(xié)議的消息為數(shù)據(jù)類型文件傳輸時(shí)，一般用于ACARS 空地協(xié)議消息的傳輸。ACARS 空地協(xié)議消息塊的一般格式（符合ARINC 618 的消息格式）如表17 所示。

表17 ACARS 空地協(xié)議消息格式Tab.17 Message format of ACARS air-ground protocol

3 CMU 與VDR 數(shù)據(jù)交互時(shí)序關(guān)系研究

CMU 與VDR 之間除了周期性廣播之外，還需要按照圖5 所示的時(shí)序關(guān)系交互信息，才能完成ACARS數(shù)據(jù)的收發(fā)。這個過程稱為協(xié)議協(xié)商。

圖5 協(xié)議協(xié)商流程Fig.5 Protocol negotiation process

上述步驟中，虛線以上部分是CMU 與VDR 之間的協(xié)議協(xié)商，虛線以下部分是發(fā)送上下行ACARS 數(shù)據(jù)。協(xié)議協(xié)商是收發(fā)ACARS 數(shù)據(jù)的前提，如果協(xié)議協(xié)商未完成，則無法收發(fā)數(shù)據(jù)。

4 VHF-2100 電氣連接特性

除了接口規(guī)范和數(shù)據(jù)交互時(shí)序關(guān)系，要想激活VHF-2100 機(jī)載電臺的ACARS 功能，還需要知道該設(shè)備的電氣連接特性，才能搭建激活平臺。VHF-2100 電臺背后由3 部分電氣接口組成，分別是P1TP、P1MP和P1BP。

3 部分電氣接口由很多銷釘組成，實(shí)現(xiàn)與上/下游設(shè)備的連接。其中：P1TP 提供設(shè)備位置和工作狀態(tài)信號，P1MP 提供包括ACARS 在內(nèi)的各種功能信號，P1BP 負(fù)責(zé)供電以及外接天線。與激活直接相關(guān)的各銷釘具體功能如表18 所示。

表18 VHF-2100 相關(guān)銷釘Tab.18 Related pin of VHF-2100

表18 中，第1～2 行表示VHF-2100 向CMU 輸出的數(shù)據(jù)接口，第3～6 行表示VHF-2100 的兩路數(shù)據(jù)輸入接口，分別對接CMU 的A 和B 端口。表中的429A表示雙極性歸零碼的高電平，429B 表示雙極性歸零碼的低電平。

5 VHF-2100 電臺ACARS 功能測試驗(yàn)證

5.1 測試平臺架構(gòu)

為了驗(yàn)證接口規(guī)范性和協(xié)議協(xié)商的正確性，搭建一個激活VHF-2100 的測試平臺。判斷能否激活的準(zhǔn)則是檢查此VHF-2100 能否正常收發(fā)上下行ACARS數(shù)據(jù)。總體激活環(huán)境由6 部分組成：MCDU 模擬器、CMU 模擬器、其他相關(guān)設(shè)備模擬器、VHF-2100 電臺、VGS-1000 地面站和DSP 模擬器。如圖6 所示。

圖6 激活平臺架構(gòu)Fig.6 Architecture of activating platform

圖6 中，MCDU 模擬器和其他相關(guān)設(shè)備模擬器負(fù)責(zé)為CMU 模擬器提供數(shù)據(jù)源，MCDU 模擬器還有顯示信息和配置CMU 模擬器的功能；CMU 模擬器負(fù)責(zé)激活VHF-2100 電臺的ACARS 功能；VGS-1000 地面站和DSP 模擬器用于驗(yàn)證VHF-2100 能否收發(fā)ACARS報(bào)文。CMU 模擬器運(yùn)行于帶有ARINC 429 板卡的PC機(jī)上，通過ARINC 429 總線與VHF-2100 電臺相連。VHF-2100 電臺和VGS-1000 地面站是真實(shí)航材，兩者之間通過衰減器無線連接。VGS-1000 地面站提供RS232 串口與DSP 模擬器連接。

5.2 測試過程及結(jié)果

（1）CMU 沒有與VHF 地面站建立初始鏈接，MCDU 頁面顯示如圖7 所示。可以看出頁面底部的“NO COMM”表示未建立空地連接。

圖7 未建立連接Fig.7 No connection

（2）CMU 進(jìn)入POA（plain old ACARS）掃描階段。CMU 在期望的頻率上發(fā)Label 為Q0 的報(bào)文，VGS-1000 進(jìn)行連接測試，如果在該頻率上收到VGS-1000上傳的數(shù)據(jù)報(bào)，則建立初始連接成功。頁面顯示如圖8所示?？梢钥闯鲰撁嬷械摹癙OA SCAN”表示正在進(jìn)行掃描。

圖8 POA 掃描Fig.8 POA scan

（3）CMU 與地面站建立連接后，頁面顯示如圖9所示，“NO COMM”消失，顯示“POA COMM”和“LINK TEST SUCCESSFUL”，說明通信已經(jīng)建立。

圖9 POA 通信Fig.9 POA communication

（4）CMU 進(jìn)入POA 通信狀態(tài)后，空地之間便可發(fā)送上下行ACARS 數(shù)據(jù)報(bào)。以下行的位置報(bào)告（POSITION RPT）為例，當(dāng)手動發(fā)送1 個下行位置報(bào)告時(shí)，MCDU的配置如圖10 所示。圖中包括當(dāng)前位置、海拔、第2個報(bào)告點(diǎn)位置、下一報(bào)告點(diǎn)位置，以及對應(yīng)的預(yù)估時(shí)間，還包括速度、大氣靜溫、燃油量。

圖10 位置報(bào)輸入Fig.10 Input of position message

按壓SEND*，CMU 發(fā)送Label 80 的報(bào)文，DSP 收到的報(bào)文內(nèi)容如下：

可以看出DSP 接收到的報(bào)文和圖10 中CMU 發(fā)出的報(bào)文一致，并且DSP 做出正常回復(fù)。以上測試過程以及測試結(jié)果說明VHF-2100 電臺的ACARS 可以被激活，從而驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的接口規(guī)范和時(shí)序過程是正確的。

6 結(jié)語

本文對VHF-2100 機(jī)載電臺進(jìn)行研究，旨在激活其ACARS 功能，從而驗(yàn)證激活方法的正確性。分析了CMU 與VDR 之間的接口數(shù)據(jù)格式，包括廣播字、協(xié)議協(xié)商字、SOLO 字和BOP3；梳理了CMU 與VDR 之間的數(shù)據(jù)交互時(shí)序關(guān)系，包括與電臺的協(xié)議協(xié)商、對電臺的調(diào)諧和上下行ACARS 數(shù)據(jù)的傳輸；以真實(shí)航材搭建ACARS 通信測試平臺，使VHF-2100 電臺能收發(fā)ACARS 報(bào)文。本研究對于國產(chǎn)機(jī)載電臺的設(shè)計(jì)開發(fā)有實(shí)際的工程意義，開發(fā)者可以根據(jù)本文的方法來驗(yàn)證所開發(fā)的機(jī)載電臺是否符合國際標(biāo)準(zhǔn)，不再需要專門購買國外設(shè)備用于生產(chǎn)測試，從而降低了開發(fā)成本和周期。