民航地空数据链系统传输机制的研究

姚 丹

（中国民用航空华北地区空中交通管理局 技术保障中心，北京 100621）

1 引言

近十年，民航运输业进入高速发展阶段，在高速发展的同时，人们对地空通信的快速性、安全性、准确性、可靠性等方面要求更加苛刻。在民航飞行过程中，以地空数据链通信技术为支撑的飞机寻址与报告系统（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）[1]的应用与飞行状态最为密切相关。

传统民航通信以语音通信为主，信号不稳定，语音歧义多且传输速率较慢，ACARS是面向字符的地空数据链系统，有着较快的传输速率、良好的抗干扰能力和极低的误码率，解决了语音通信带来的诸多弊端并大大提高管制员、飞行员工作效率。

本课题在充分了解ACARS系统及地空数据链系统基础上，结合ARINC协议进行消息传输机制的具体研究和分析，力争清晰阐述系统消息传输机制。

2 ACARS系统构成及工作原理

2.1 系统构成

以地空数据链为支撑的ACARS系统是一种能处理面向字符型信息的通信系统[2]，主要组成有机载分系统与地面通信网络。其中，机载分系统由一系列机载设备组成，地面站网络由数据链服务提供商和地面处理系统组成。

2.1.1 机载系统介绍

机载分系统能生成并发送与飞行有关的各项参数报文到地面站，同时也能接收来自地面的报文信息，ACARS管理单元是机载系统的核心，它与机载终端设备之间的关系类似路由器和终端的关系，各终端是数据下行链路的起点，同时也是数据上行链路的终点。

2.1.2 数据链服务提供商描述

数据链服务提供商（Data Service Provider，DSP）是空地数据传输的中转站，是地面通信网络的一部分，负责信息格式转化与转发。地面通讯基站或远端地面站（Remote Ground Stations，RGS）接收到从飞机发出的ACARS下行报文，而后传输到DSP的数据处理中心，完成消息的空-地数据格式到面向地-地通信格式的转换，处理完成后，消息被传输到地面数据通讯网，通过通信网到达相应的地面处理系统，最终到达各航空公司计算机工作站的显示终端。

2.1.3 地面处理系统介绍

远端地面站（RGS）和地面数据通信网共同组成地面通信网络系统。RGS是连接飞机与地面通信网的结点，地面处理系统与机载设备相对，是上传数据的起始点和下传数据的终点，通常属于空中交通管制局或者航空公司，它接收到来自数据服务提供商的数据处理中心转化之后的信息报文，不同部门根据信息做出相应处理。

2.2 ACARS系统工作原理

在地空数据链系统传输消息的整个过程中，任何阶段都有相应的通信协议规定其工作规范和数据格式。飞机电子系统之间的数据传输的标准格式由ARINC 429总线规范规定，它保证了飞机上电子设备之间数据通信的通用化、标准化和高速化。ARINC 618是基于字符传输的空地通信协议，用于说明ACARS机载设备与数据服务提供商（DSP）之间的数据传输格式的协议。ARINC 620协议是地面终端与DSP进行数据传输时所要遵循的格式及规范，机载设备与DSP间的数据交换也在此协议中说明[3]；

以下行链路传输数据报文为例，当机载ACARS设备得到指令需要发送报文，通过429总线从MU/CMU获取需要发送的数据，数据管理单元中内置的路由选择功能检测到一条适合的通信子网络用来传递报文，报文加载到相应的调制解调单元向下发送。

地空数据链系统中，通过通信子网络传输下来的包含相应信息的数据报文首先被地面RGS接收，RGS接收到数据报文后，将其传输到RGS上，处理中心将数据报文空—地传输格式转化为地—地传输格式后，将数据报文分发到各个地面处理系统。

3 消息处理机制分析

机载消息处理机制主要由ARINC 618协议和ARINC 750规范规定，ARINC 750中规定的ACARSIP消息协作机制，按ARINC 618协议中描述的方法和过程工作，从而实现了其中定义的功能。

ACARS消息协议包括：基础信息协议、响应消息协议、消息寻址、信息序列、重传、多块处理、信息优先级等，共同定义并完成ACARS消息传输过程。

ACARS消息的字段根据国际民航组织（ICAO）附件10里规定的七个单元公约编码而成。

下行消息块结构主要包含以下几个部分，起始头（Start Of Header，SOH）、模式字符、地址段、肯定的技术确认、标签字段、下行消息块标识符、前导结束符、文本段、后缀、块校验序列、BCS后缀。完整的下行报文格式如下表：

与下行链路信息一样，上行链路单块消息可容纳的文本是220个字符，使用多块消息能发送更长的信息。包括：起始头、模式字符、地址段、肯定的技术确认、标签字段、上行消息块标识符、前导结束符、文本段、后缀、块校验序列、BCS后缀。完整的上行报文格式如下表：

表1 空地下行报文格式

表2 空地上行报文格式

下图以注册号为G-VMEG的飞机于时间15:49从机场VHHH起飞，目的地为EGLL机场的标准空地起飞报文格式为例，更清楚的表现报文格式，该报文是在飞机离地的时候自动发生的。

图1 起飞报文格式

这个起飞报文很清晰的展示了报文格式，其中的VMEG为飞机注册号，VHHH为起飞机场，EGLL为目的地机场，其余各位为各字符段信息。

以下行链路的信息发送为例，信息起始端为CMU，机组人员输入的为通用命令，CMU依据ISO-5将通用信息编码为二进制信号，生成格式规范的消息块结构，在数据信息编码为二进制之后，CMU再将其调制，采用的调制方式是最小频移键控（MSK），即用不同的频率或相位表示二进制数0和1。CMU将调制后的信息传输到与CMU相连的机载VHF设备上，VHF设备具有下行消息处理、子网统计数据、信道质量检测等功能，设备收到CMU的下行链路消息后，先进行CSMA检测以判断下行链路是否空闲，如果信道空闲，便在消息块前加VHF前导，而后通过下行消息处理机制发送该消息至无线信道。

地面网络通过距离最近的RGS接收到飞机传输下来的信息，接收完整后将信息传输到DSP的主机系统上进行数据处理，解调模拟信号为数字信号，恢复出相同的二进制数据，根据ISO-5字符集将二进制数据信息转换为通用信息，DSP依据路由表再将报文传输到航空公司或其他目的地，报文中含有相应的路由信息，这为报文的目的性传输提供保障。航空公司收到报文会对报文中信息进行处理，作出相应反馈。

上行链路的消息传输与下行链路互为镜像，在此不做过多赘述。