管制员飞行员数据链通信的研究与实现

摘 要：自上世纪七十年代以来，随着经济、文化全球化进程的不断加快，民用航空业已经成为20世纪以来发展最为迅速、对人类社会影响最大的科学技术产业之一。而民航业的飞速发展不仅对空中交通管制的实时性与高效性提出了越来越高的要求，也使现行的无线电话音管制通信方式显现出使用频率拥挤、抗环境干扰能力差等种种弊端，因此，管制员飞行员数据链通信（CPDLC）应运而生。CPDLC使用地空双向数据链（TWDL）为管制员和飞行员提供数据通信，它可以提供包括标准的放行、期望放行、申请和报告等在内的全部管制指令。更为重要的是CPDLC有效地克服了很多话音通信当中存在的问题和缺陷。研究和掌握CPDLC技术，对我国进一步建设新航行系统（FANS）以及航空电信网ATN都有着非凡的意义。

关键词：数据链通信；CPDLC；民航业；新航空系统

1 管制员飞行员数据链通信

1.1 CPDLC通信系统结构基础

我们通常将机载的CPDLC系统简称为ATCComm，它泛指飞机上安装的用于与地面之间进行TWDL通信所需的包括软件系统在内的所有组件和单元。每当飞机接收到一份CPDLC数据信息，ATCComm首先将数据块解码，并对报文的紧急程度、飞行员告警需求以及飞行员回应需求做出判断。之后，ATCComm依据上述判断开始处理飞行员告警、报文显示和回复等一系列操作，它同样具有将飞行员报文进行编码并发送给地面管制单位的能力。与机载的ATCComm相对应，地面工作站或管制塔台就是CPDLC通信系统的地面对等实体，它必须具有编译、发送、接收和解析CPDLC报文的能力。与ADS等其他ATN应用不同，考虑到空中交通管制高安全性的要求，一个飞机在同一时间只能和一个地面管制单位进行CPDLC通信。ATCComm与地面塔台等CPDLC应用实体通过ATN或ACARS等地空数据网络系统来实现建立、管理和终止CPDLC连接的能力。CPDLC是新航行系统FANS当中一项重要的基于ATN网络的终端应用。

1.2 CPDLC地空双向数据链协议规范

CPDLC作为一种空地双向数据链通信协议，最早由国际航空无线电技术委员会在1993年提出并规范。CPDLC协议正式对数据链的建立、报文的传输以及处理做出了统一和规范。

1.2.1 链接管理

链接的建立：CPDLC链接的建立通常由地面管制单位发起，由于安全需求的限制，某一飞行器同一时刻只能与一个地面管制单位建立CPDLC链接，因此ATCComm系统会依据自身当前已建立的CPDLC链接数，对地面单位发来的“Connection Request”报出不同的回应。

链接的终止：通常情况下，CPDLC链接的终止是由当前地面管制单位CDA发起的，当前地面管制单位在发送“END SERVICE”报文之前，应该处理完全部挂起的上行报文，CDA发送带有“End Service”报文元素的报文，ATCComm在接收到该报文之后，根据通信情况采取相应的行动来断开连接。特殊情况发生时，机载CPDLC系统也可以主动终止与地面系统之间的链接，ATCComm向所有的链接发送“Disconnect Request”报，报文内容中表明该链接是被强制终止的。

1.2.2 CPDLC报文规范

CPDLC采用ISO/IEC 8825-2规定的非对齐分组编译规则来对ISO ASN.1的报文结构和内容进行编译。这种非对齐面向位的编译方式组成的报文具有非常高的效率。

CPDLC通过规定报文属性来区分如何对多种报文元素进行操作，每一种报文元素都有优先级、告警、回复等属性。每一种报文元素的属性决定其对应的上行、下行应答报文的内容格式。CPDLC报文包含报文和报体两部分，报头包含报文标识号MIN（Message Identification Number）、报文参考号MRN（Message Reference Number）以及时间步进三部分。报头之后紧跟报文主体，报文主体由一个或多个报文元素组成。

1.3 CPDLC通信管制移交

与现代话音通信管制相同，CPDLC数据链通信管制服务同样具有管制移交功能的需求。与话音管制移交方式不同的是，由于在CPDLC数据链通信系统当中，空地之间的链接是由地面管制单位发起的，而且同一时间只能有一个地面管制单位同飞机之间建立正常的CPDLC通信链接，这就决定了CPDLC的管制移交是一个相当复杂的过程。

2 CPDLC通信系统仿真模型搭建

利用计算机模拟实现CPDLC空地双向数据链的通信，为模拟实现真正的通信进程，必须借助仿真软件分别模拟飞机ATCComm系统与地面管制单位，因此我们在此选用基于Visual C++的Socket套接字来实现仿真模拟，选取Visual C++ 6.0作为仿真平台。

通信连接的建立：根据CPDLC通信协议的规定，一架飞机同时只能与一个地面管制单位进行通信，并且是由地面管制单位向飞机发出请求连接的报文，因此我们这里设置飞机为服务器端，地面管制塔台为客户端建立面向连接的套接字服务。

飞机收到请求连接的报文之后，显示询问是否与该地面管制单位建立连接，如果输入确认指令“Confirm”，则飞机向塔台发送同意建立连接的报文，如果飞机一端输入不同意连接的指令“Disconnect”，则飞机向塔台发送不建立连接的报文，并断开该链接。我们在此输入确认连接的指令“Confirm”，飞机将显示“已经成功向地面管制单位发送回应信息，等待对方应答。”地面管制单位则显示“该航班已同意建立连接，可以开始传输管制指令。”

至此，飞机与地面管制单位之间成功建立CPDLC通信链接，仿真模型搭建完成。

3 仿真实现CPDLC管制通信

在通信模型搭建完成之后，我们就可以开始在地面管制单位与飞机之间传输管制指令，即模仿双方之间的地空双向数据链通信，以下我们将模拟常用的管制指令。

第一条管制指令：让飞机爬升并保持在某一特定高度。

由于是第一条管制指令，因此我们将它的报文标识号MIN设置为[1]，因为这里发送的是上行报文，之前并不存在需要回复的报文，因此不需要报文参考号MRN，以上报头定义完成。报头之后即为报文元素号，根据RTCA DO-219标准文件的规定，让飞机爬升并保持在某一特定高度的指令报文元素号为20，具体的报文元素为“CLIMB TO AND MAINTAIN[altitude]”，对属性的具体定义如下，优先级属性Urg：N（正常） ，告警属性Alr：A（一般听觉、视觉的告警） ，回复属性Resp：W/U（以WILCO、UNABLE、STANDBY回复）。综上，要发送让飞机爬升并保持在某一特定高度的管制指令需要发送的具体报文应该为：[MIN] [Element_Number] CLIMB TO AND MAINTAIN[Altitude] Urg Alr Resp Rec。在选择指令之后，管制单位仅需要输入期待飞机爬升和保持的高度数据即可。完成输入信息之后，地面管制单位就可以生成具体的指令报文，并将其发送至飞机端，机组接收报文，显示在飞行员面前的显示屏上。

4 结束语

文章对一种极具发展潜力的地空双向数据链通信协议--管制员飞行员数据链通信（CPDLC）协议进行了深入的研究和模拟实现，从系统结构划分、模块化功能实现、报文元素生成、数据结构编码及封装等多个方面对CPDLC通信系统进行了全面详尽的分析、并最终利用基于C语言的Socket套接字搭建仿真平台，真实地模拟了飞机和地面管制单位之间通过CPDLC协议进行管制数据及指令的传输和通信，以最为直观、具体的方式展示了CPDLC管制通信的原理及特点。