民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈端系統(tǒng)通信協(xié)議分析

袁樹德 陸曉剛 / Yuan Shude Lu Xiaogang

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

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民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈端系統(tǒng)通信協(xié)議分析

袁樹德 陸曉剛 / Yuan Shude Lu Xiaogang

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作為民用飛機(jī)的重要配置，目前已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。隨著機(jī)載環(huán)境的日漸復(fù)雜，機(jī)上與數(shù)據(jù)鏈交聯(lián)的端系統(tǒng)也越來越多。作為數(shù)據(jù)交互的空中節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)遵循ARINC 619協(xié)議與其他端系統(tǒng)進(jìn)行通信。通過結(jié)合機(jī)載打印機(jī)，說明了數(shù)據(jù)鏈及其端系統(tǒng)之間通信的過程及特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)鏈；端系統(tǒng)；打印機(jī)；面向字符

0 引言

現(xiàn)代民用飛機(jī)可以使用語音和數(shù)據(jù)兩種模式進(jìn)行通信，較傳統(tǒng)的語音通信技術(shù)，數(shù)據(jù)通信以其傳輸速率快、誤碼率低、抗干擾能力強(qiáng)等多種特點(diǎn)，目前已經(jīng)在飛行中被普遍采用[1]。數(shù)據(jù)鏈通信作為民用航空運(yùn)輸和空中交通管制的重要組成部分，可以使用甚高頻(VHF)、高頻(HF)、衛(wèi)星通信(SATCOM)作為傳輸媒介，實現(xiàn)飛機(jī)-飛機(jī)，飛機(jī)-地面的消息傳輸，提高航班運(yùn)行效率，降低飛行機(jī)組的工作負(fù)擔(dān)[2]。

機(jī)載通信管理單元作為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的核心，為其他機(jī)載端系統(tǒng)(End System)提供路由功能，為機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)(OMS)、顯示系統(tǒng)(DS)、飛行記錄系統(tǒng)(FDR)、飛行管理系統(tǒng)(FMS)、數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用軟件、客艙系統(tǒng)等提供數(shù)據(jù)I/O接口。本文通過分析ARINC-619協(xié)議，給出了民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載端系統(tǒng)之間的通信過程。

1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)概述

當(dāng)前較為廣泛的機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，是以通信管理單元(CMU)為核心，可以提供ACARS和ATN兩種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的接入與管理。基于不同的架構(gòu)，CMU可以分別作為端系統(tǒng)、路由或兼具兩種功能使用。圖1給出了一種CMU用作路由使用的架構(gòu)[3]。

圖1 CMU用作路由的架構(gòu)

CMU作為地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的空中節(jié)點(diǎn)，機(jī)載設(shè)備的主要功能是將機(jī)載系統(tǒng)采集的各種飛行狀態(tài)參數(shù)通過地空數(shù)據(jù)鏈通信鏈路發(fā)送到地面遠(yuǎn)程控制站，并接收地面通過RGS站轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)鏈信息。

ACARS網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前民用飛機(jī)使用最廣泛的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它的出現(xiàn)，解決了空管話音傳輸速度慢、受多重干擾的限制，但隨著航空業(yè)務(wù)的發(fā)展和對通信品質(zhì)的要求，ACARS網(wǎng)絡(luò)在某種程度上無法滿足日益增長的民用航空需求。航空電信網(wǎng)(ATN)的出現(xiàn)，使數(shù)據(jù)傳輸在速率、傳輸方式、通信模式上都有很大的提高，ACARS網(wǎng)絡(luò)向ATN網(wǎng)絡(luò)過渡也成為當(dāng)前航空業(yè)務(wù)發(fā)展的必然趨勢。

比較常見的數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用有航空運(yùn)營控制(AOC)、空中交通服務(wù)(ATS)。其中AOC包括標(biāo)準(zhǔn)的AOC消息和客戶化的AOC消息；ATS應(yīng)用包括傳統(tǒng)的基于ARINC 623協(xié)議的ATS應(yīng)用以及新航行系統(tǒng)FANS-1/A+和LINK 2000+等應(yīng)用[4]。民用飛機(jī)不同機(jī)型上所包含的應(yīng)用各不相同，航空公司也可根據(jù)自身運(yùn)營需要進(jìn)行定制使用。

2 機(jī)載端系統(tǒng)

機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)(OMS)：提供飛機(jī)系統(tǒng)的故障定位和健康診斷，傳輸故障與事件。

飛行記錄系統(tǒng)(FDR)：提供記錄飛機(jī)飛行參數(shù)及CNS/ATM數(shù)據(jù)鏈信息，主要用于飛行事故調(diào)查。

飛行管理系統(tǒng)(FMS)：提供水平和垂直的飛行計劃管理功能，包括飛機(jī)位置計算、飛行計劃、水平和垂直導(dǎo)引、航跡預(yù)測和性能計算等。

機(jī)載打印機(jī)(PRINTER)：提供打印功能。

電子飛行包(EFB)：提供文檔瀏覽、電子飛行日志、電子航圖、機(jī)場移動地圖等功能。

航空公司運(yùn)營控制(AOC)：提供飛機(jī)和航空公司之間的通信服務(wù)，報文集包括飛機(jī)狀態(tài)信息、下行飛機(jī)運(yùn)行信息、下行請求信息、上行氣象信息等。

空中交通服務(wù)(ATS)：提供放行許可、越洋放行許可、終端區(qū)氣象信息、自動終端信息服務(wù)、PUSHBACK、TAXI等功能。

3 面向字符傳輸?shù)耐ㄐ胚^程

面向字符傳輸(Character Oriented)的特點(diǎn)是傳送由若干個字符組成的數(shù)據(jù)塊。每個字符使用ISO-5字符，由7個比特位和1個校驗位組成。最大字符數(shù)是3 520(最大16個數(shù)據(jù)塊×220個字符)，實際使用中根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)字符數(shù)量。圖2給出了典型的面向字符傳輸?shù)耐ㄐ胚^程[5]。

圖2 面向字符傳輸通信

其中：

RTS：Request to Send，用于發(fā)送文件前進(jìn)行數(shù)據(jù)請求，見表1，包括label字、數(shù)據(jù)塊大小、目的地代碼、控制字符和校驗位。

表1 RTS字格式

CTS：Clear to Send，是接收方對RTS字的響應(yīng)。其中包括label、接收方狀態(tài)、控制字符和校驗位，格式見表2。

表2 CTS字格式

DF：Data Follows Word，如果握手成功，發(fā)送方將發(fā)出DF字給接收方，每個DF字包含32位，由label、數(shù)據(jù)塊大小(與RTS相同)、標(biāo)題頭(可選)、控制字符STX和校驗位組成。

DATA：在DF字后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個位32比特。

ETX/ETB：最后的數(shù)據(jù)字應(yīng)包含或，用于指示數(shù)據(jù)塊或文件傳輸?shù)慕Y(jié)束。

ACK：即確認(rèn)字符，表示數(shù)據(jù)已確認(rèn)接收無誤。與之相反的是NAK字符，用于表示否定應(yīng)答或非應(yīng)答。

4 機(jī)載端系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以MU/CMU作為路由，實現(xiàn)機(jī)載端系統(tǒng)、地面站之間的數(shù)據(jù)交互。其中與機(jī)載端系統(tǒng)之間采用面向字符傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，下面以機(jī)載打印機(jī)為例說明數(shù)據(jù)交互過程。

機(jī)載打印機(jī)承擔(dān)機(jī)上特定數(shù)據(jù)的打印工作，在接收到數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用軟件發(fā)出的打印作業(yè)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。典型的機(jī)載打印機(jī)支持兩種打印作業(yè)：塊傳輸和文件傳輸。

塊傳輸?shù)慕换ミ^程如圖3所示。打印作業(yè)由一個或多個Record構(gòu)成，最大為255個Record，每個Record以開始，后續(xù)為和，然后為一個或多個DATA并以EOT或ETX結(jié)束。在一個Record傳送之后，如果出現(xiàn)校驗失敗、超時、字缺失等，打印機(jī)應(yīng)發(fā)送要求重發(fā)；如果正常則發(fā)出進(jìn)行響應(yīng)。

圖3 塊傳輸格式說明

對于文件傳輸，圖4給出了典型的流程圖。通信傳輸以數(shù)據(jù)鏈軟件發(fā)出URQ(User Request)開始，若打印機(jī)未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，則發(fā)送，若準(zhǔn)備好，則發(fā)送響應(yīng)。之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在正常接收一個DATA后，打印機(jī)應(yīng)發(fā)出予以響應(yīng)，之后進(jìn)行下一個DATA的傳送。在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)送完DATA并收到最后一個后，表明傳輸完成。

圖4 文件傳輸流程圖

5 結(jié)論

隨著空域的日漸繁忙，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢在逐漸體現(xiàn)，作為民機(jī)的重要配置，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在民用飛機(jī)中的作用也越來越重，與之相交聯(lián)的機(jī)載端系統(tǒng)也越來越多。本文通過分析民用飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈端系統(tǒng)通信協(xié)議，并結(jié)合機(jī)載打印機(jī)，說明了面向字符通信下數(shù)據(jù)鏈端系統(tǒng)的通信過程，對機(jī)載系統(tǒng)的開發(fā)有一定的幫助作用。

[1] 畢心安. 論兩種地空數(shù)據(jù)鏈的差別和系統(tǒng)過渡[J]. 民航經(jīng)濟(jì)與技術(shù)，1999，6: 57-59.

[2] 中國民用航空飛行標(biāo)準(zhǔn)司. AC-121-FS-2008-16R1航空運(yùn)營人使用地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)與指南[S]. 2008.

[3] Arinc Characteristic 758-3. Communications Management Computer (CMU) Mark 2[S]. 2010.

[4] Arinc Specification 623-3, Character-Oriented Air Traffic Service (ATS) Applications[S]. 2005.

[5] Arinc Specification 619-3, Acars Protocols for Avionic End Systems[S]. 2009.

Analysis of Communication Protocol for Datalink End System for Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

As an important system of civil aircraft, datalink system has been widely used. Accompanied with the complexity of airborne environment, more and more end system has been interconnected with datalink system. As the airborne junction for data interchange, on civil aircraft, datalink system uses the ARINC 619 specification to communicate with end systems. This paper illustrates the process and transmission characters between datalink system and end system, using the printer as an example.

datalink; end system; printer; character oriented

V243.1

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