民机数据链系统的设计考虑

摘 要：数据链系统作为当代及未来民用飞机上的重要系统之一，相比传统的语音通信方式，具有传输速度快、消除口音歧义、便于回读等优势，不但在空中交通管理领域应用广泛，对航空公司提高运营效率、减少成本也起到巨大作用。该文站在设计的角度，首先阐述了数据链系统的必要性，然后讲解系统的传输媒介和基本组成，接着从应用设计、人机界面、与机上其他系统的接口进行描述，并说明了测试方面的工作，最后展望了民机数据链系统的发展趋势。

关键词：数据链 应用 接口 趋势

中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0088-02

民机数据链系统通过数据通信网络建立飞机与地面信息化系统之间的连接，实现双向实时的地空数据通信，它主要取决于两方面的需求：（1）空中交通管理：数据链系统能够降低对日益拥堵的语音信道的依赖与占用，消除不清晰的话音和噪音，消除话音通信中方言引起的理解问题，提升管理效率，减少飞机等待时间，增加交通容量；（2）航空公司管理：航空公司能通过数据链系统实时掌握飞机的运行、健康状态，提高运营效率。

各国民航当局都在加大对数据链基础设施的投入，并逐渐提高对在其辖区内运营飞机的要求。航空公司出于航路运营资格的考虑与自身对机队管理的需要，在选购新飞机时非常重视数据链系统。

1 数据链系统的传输媒介

目前应用最广泛的数据链传输媒介有三种，分别是甚高频通信、高频通信和卫星通信（包括海事卫星和铱星）。通过选择支持数据链功能的机载端系统收发机，可以在提供语音通信功能的同时构成数据链子网络，传输飞机通信寻址与报告系统（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）报文。

由于甚高频通信是视距传播，甚高频数据链的使用受地面台站覆盖程度的影响很大。在地面台站不能覆盖的地区，需要把信息暂时存储，直至飞行到地面台站覆盖区才能继续传输。对于选装有高频或者卫星数据链的飞机，则可避免甚高频通信传输距离近的不足。[1]需要注意的是，海事卫星覆盖区域不包括地球两极地区。

ATN（Aeronautical Telecommunication Network）是全球地空一体化的航空专用网络，采用开放式体系结构的VDL（Very High Frequency Data Link）设计标准，在其四种技术： VDL Mode1、VDL Mode 2、VDL Mode 3和VDL Mode 4中，VDL Mode2以其对现有ACARS网络的兼容性、和对未来ATN网络的无缝隙结合而成为当前数据链技术的重要选择。[2]

当前主流的民机都安装有甚高频数据链系统，且同时兼容ACARS与VDL Mode2模式，高频与卫星数据链系统可视客户需求选装。为了获得市场竞争力，新研飞机的设计应至少与主流民机保持一致的水平。

2 数据链系统基本组成

通信管理（路由）功能是机载数据链系统的核心，它的一端是甚高频、高频和卫通等收发机，发挥着与外界收发信息的作用，另一端是机上用户，包括ATS/ATC/AOC等报文应用和各种机上终端。通信管理可以通过单独的设备来实现，称为通信管理单元（CMU），也可以通过在综合模块化航空电子（IMA）的通用处理模块中驻留的软件实现，称为通信管理功能（CMF）。[3]选择CMU或者CMF是整机航电系统架构设计与权衡的结果。

机载数据链系统的另外两个功能分别是“操作与显示”功能（人机接口），用于发送和查看报文，和“配置与维护”功能，用于设置飞机尾号、ICAO代码、监控目前每个子网络的数据链路状态、监控外设状态、测试链路、选择数据链服务提供商（DSP）等。

3 数据链系统应用设计

数据链系统应用可分为空中交通服务（ATS）、空中交通管制（ATC）和航空公司运营控制（AOC）三大类。

常用的ATS应用有四种：（1）航站自动信息服务（ATIS）报告；（2）越洋放行报告；（3）离港前放行报告；（4）驾驶员航站天气信息报告（TWIP）；

ATC应用则与飞管系统有紧密的交联，它分为运行在ACARS网络的FANS 1/A+（CPDLC、ADS-C和AFN）与运行在ATN网络的LINK2000+（CM、CPDLC）。为了降低与飞管系统交联的接口复杂度，在IMA系统中将飞管与CPDLC功能一同开发是比较好的选择。FANS 1/A+服务在北美和中国使用，LINK2000+则在欧洲使用。为了提高飞机的通用性与市场竞争力，设计时最好同时具备FANS 1/A+与LINK2000+能力。

AOC应用允许航空公司管理运行、气象、延误、维护以及其他相关的运营活动，种类繁多，且可由航空公司自行定义，典型的AOC报文包括：（1）OOOI报；（2）飞行状态、延误及变更报；（3）气象报请求；（4）维护报文；（5）客舱服务请求（轮椅、医疗等）；（6）桥位请求；（7）其他自由报文。

以波音公司开发的实时监控系统AHM与空客公司开发的AIRMAN为代表，航空业越来越重视利用数据链系统实现飞机状态的实时监控和分析。[4]实时监控的核心就是AOC报文，它带来的自由度使航空公司实施集中签派放行、集中配载、飞机远程在线故障报告与诊断等成为可能，为航空公司提高安全保障水平、节省运行成本和提高旅客服务质量提供了有效手段。[5]

在系统设计时，AOC应用的设计保障等级为E级，使用独立的分区，与ATS/ATC应用隔离，使得对AOC的更改不影响系统安全，不需要适航当局再次介入。AOC应用需方便航空公司修改与加载，一般应能将修改后的文件通过ARINC 615加载机加载到飞机上。

4 数据链系统人机界面

大多数飞机数据链系统的人机交互界面为基于ARINC 739的MCDU（多功能控制显示组件），机组按压MCDU上的行选键，通过菜单层层进入数据链应用界面，使用MCDU上的键盘在便签栏输入信息，再通过行选键输入到指定的位置。

由于MCDU屏幕小，先进的民用飞机开始使用基于ARINC 661的多功能显示器作为交互界面，辅以键盘、触摸屏或鼠标滚轮等更符合人们日常习惯的操作方式，获得世界一线制造商、航电设备供应商的支持，已被成功应用于B787、A380、A350等一系列航空项目中。令人憧憬的是，新的显示机制使得显示格式可以完全自定义，如上传的图形格式气象报文可以直接叠加在显示器的航图上，而这在MCDU界面上是做不到的。基于ARINC 661的大屏幕显示器作为先进飞机驾驶舱最直观的特征，最终会在民用飞机上普遍应用。[6]

5 数据链系统机上接口

传统航空电子系统数据通信主要采用ARINC429及MIL-STD-153等协议，这些数据通信协议具有可靠性高、通信质量稳定等特点，在当代航空、航海等军事通信领域得到了广泛应用。[7]

目前国际上新研的大型民用飞机，如B787、A380、A350等均采用了综合化、模块化的航电系统结构，其基础是采用飞机数据通信网络，实现航电系统核心处理、导航、通信等分系统之间的信息交换。经充分的研究、仿真和试验，欧洲与美国选择ARINC 664―― 航空全双工交换以太网（AFDX）构建航电系统主干网络。[8]AFDX以传统的IEEE802.3以太网物理层标准为基础，通过虚链路、带宽分配策略保证了网络传输延时的确定性，增加了余度管理提高网络容错能力与可靠性，适应了航空电子实时分布式的通信要求。与传统的飞机总线相比，AFDX在传输速率和通信带宽，拓扑结构的灵活性，数据帧（包）协议，网络重量、体积、布线的复杂度等各方面具有绝对的优势。

数据链系统需要与大量的机载设备接口，用于收集飞机数据和发送数据链报文到外部终端系统应用，这些系统包括：航电系统、电源系统、发动机系统、燃油系统和起落架系统等，其中仅航电系统就可以继续细分为：机载维护系统、飞行管理系统、通信系统、指示记录系统、客舱系统、信息系统、导航系统、航电核心处理系统等。诸多的外部系统导致数据链系统涉及的总线可能有传统的ARINC 429，也可能有ARINC 664，因此在设计时需注意对相关的数据进行协议转换。

6 数据链系统的测试

数据链系统交联复杂，完整的测试包括试验台测试，飞机下线前测试、地面测试与飞行测试，其中后两步是适航当局关注的测试。根据国内首款按照CCAR25部进行审定的民用飞机ARJ21-700飞机的设计研发经验，建议后两步测试与国内的数据链网络运营商――民航数据通信有限责任公司（ADCC）进行合作，其不仅是国内唯一的数据链网络运营商，其丰富的网络运营经验也可以在测试时减少失误，节约时间与成本。

7 数据链系统发展趋势

数据链系统的设计需要考虑技术与市场的发展。如今民航地面网络建设朝着ATN的方向发展，不具备FANS 1/A+和LINK2000+功能的飞机将会被市场淘汰。VDL Mode2可以实现ACARS到ATN的平稳过渡，但VDL Mode3与VDL Mode4也是具有潜力的传输手段，虽然目前尚没有大规模的应用，仍值得保持关注。

数据链系统的设计还要关注政策法规的动向。比如铱星数据链虽然在费率上比海事卫星数据链便宜，世界上的使用率也很高，但在国内由于与中国自主研发的北斗卫星系统频率相近，未来不排除国内禁用铱星数据链的可能。

另外，客舱宽带接入服务一直非常热门，旅客希望能通过话音、电子邮件和视频等应用与外部连接，航空市场增值业务的需求正在迅速增长。出于安全考虑，针对客舱的数据上网系统与机载数据链系统分开，与ATS/ATC/AOC应用无关，往往是一套独立的卫星通信系统。驾驶舱中的数据链系统可以节约成本，而客舱中的数据链系统则可以创造利润，如果将上网终端植入旅客座椅，可以吸引更多的客户乘坐飞机，并能实现有针对性的广告传播与空中销售。

参考文献

[1]魏光兴.甚高频地空数据通信及对当前系统的改进[J].空中交通管理，2005（4）：30-33.

[2]程擎，杨荣盛，罗军.地空数据通信系统及其在中国民航的应用与发展[J].通信与信息技术，2010（2）：66-68.

[3]刘天华.民用飞机数据链通信管理技术[J].电讯技术，2010（5）：84-88.

[4]邓雪云.地空数据链系统在航空运行中的应用研究[J].科技展望，2014（10）：157.

[5]郭静.中国民航地空数据链的建设、发展与应用[J].中国民用航空，2006（3）：64-66.

[6]陆晓刚.现代民用飞机ATC数据链人机交互界面研究与设计[J].科技创新导报，2012（26）：23-24.

[7]石改辉，张原，李达.全双工交换式以太网研究[J].信息安全与通信保密，2007（5）：51-52.

[8]赵永库，李贞，唐来胜.AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制，2012，20（1）：8-10，30.