張力支

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

國(guó)際上較多航空公司將飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)等地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)與技術(shù)［1］作為飛行運(yùn)行控制與服務(wù)、飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷等重要業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)手段。波音、空客、ARINC、SITA、霍尼韋爾、柯林斯等開發(fā)出航空公司應(yīng)用、空中交通管理與服務(wù)應(yīng)用等諸多方面的自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)，這些自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)的投入使用，一方面為航空公司的整體運(yùn)營(yíng)節(jié)省了大量成本，提高了航空公司與空中交通管制部門的工作效率，另一方面提高了飛機(jī)的日利用率和飛行安全保障能力。在法航447 空難中，通過(guò)飛機(jī)墜毀前發(fā)送的ACARS 報(bào)告獲取了飛機(jī)的大致位置以及出現(xiàn)的故障信息，使法航在短時(shí)間內(nèi)找到了飛機(jī)部分殘骸，并為分析事故原因提供了幫助。法航447 空難和馬航370 失聯(lián)事件使ACARS 地空數(shù)據(jù)通信功能為大眾所了解的同時(shí)，暴露了現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用提供信息廣度和實(shí)時(shí)性上的不足，衍生出ACARS 數(shù)據(jù)鏈的新應(yīng)用需求。

2 飛機(jī)通信與監(jiān)視

航空公司作為飛機(jī)所有者對(duì)航班運(yùn)營(yíng)進(jìn)行管理控制，期望得到飛機(jī)的狀態(tài)和維護(hù)數(shù)據(jù)，空管中心和機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)等部門因?yàn)榭罩薪煌ü芾淼囊螅璜@取飛機(jī)的三維位置、速度等信息，航空公司和空管部門的上述需求離不開飛機(jī)通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的支持。

2.1 常用通信與監(jiān)視方式

地面空管部門主要通過(guò)早期的一次雷達(dá)和A/C/S模式二次雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的監(jiān)視，基于數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視也正逐漸應(yīng)用，但兩者都受限于空域范圍，空管部門只能獲取飛機(jī)位置、高度、速度、方位等有限信息。話音通信是地面單位與飛行員的最常用交互方式，但存在通信速度慢、易出錯(cuò)、多信息限制和業(yè)務(wù)種類受限等缺點(diǎn)。數(shù)據(jù)通信具備信息量大、抗干擾能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高以及可與自動(dòng)化系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，民航ACARS 數(shù)據(jù)鏈已廣泛應(yīng)用于空中交通服務(wù)(ATS)、航空公司運(yùn)營(yíng)控制(AOC)、航空行政管理(AAC)、旅客服務(wù)(APC)等領(lǐng)域。

2.2 ACARS 用于獲取飛機(jī)狀態(tài)

飛機(jī)飛行過(guò)程中大部分實(shí)時(shí)參數(shù)和狀態(tài)信息在飛行數(shù)據(jù)記錄儀中進(jìn)行保存，由于ACARS 數(shù)據(jù)鏈傳輸速率為2.4 kb/s，只有位置和故障等少量信息通過(guò)ACARS 自動(dòng)發(fā)送至地面。ACARS 支持的AOC應(yīng)用能周期(通常10 min)向地面發(fā)送位置報(bào)告［2］，包含當(dāng)前時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、剩余油量、校正空速等，地面能夠了解的飛機(jī)狀況有限且實(shí)時(shí)性不高。航空公司期望，特別是航行途中遭遇緊急情況或出現(xiàn)故障的情況下，能更實(shí)時(shí)掌握更多的飛機(jī)狀態(tài)信息，比如飛機(jī)俯仰角、航向等飛行參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度等發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，飛管、電源等系統(tǒng)的狀態(tài)，以及故障告警信息。目前ACARS 數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用尚不支持上述大量信息的實(shí)時(shí)下傳，航空公司只能在飛機(jī)著陸后通過(guò)專用設(shè)備從飛行數(shù)據(jù)記錄儀中讀取。

本文提出一種基于ACARS 數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用，通過(guò)升級(jí)飛機(jī)ACARS 數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用終端的AOC 應(yīng)用，為地面用戶提供一種能夠?qū)崟r(shí)全面監(jiān)視飛機(jī)狀態(tài)的方法。

3 飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用

飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用體現(xiàn)為，通過(guò)一系列的方法步驟形成特定的信息處理和組包方式，能夠間接提升ACARS 數(shù)據(jù)鏈的有效信息傳輸速率，相比于傳統(tǒng)AOC 應(yīng)用能夠負(fù)載更豐富的飛機(jī)狀態(tài)信息。

3.1 在數(shù)據(jù)鏈體系中的位置

按照功能層次分類，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用、數(shù)據(jù)鏈協(xié)議和通信子網(wǎng)三部分，如圖1所示。飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用可歸類于AOC，以軟件形式駐留在飛行管理計(jì)算機(jī)或通信管理單元(CMU)的數(shù)據(jù)鏈AOC 應(yīng)用模塊［3］中。

圖1 機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Functional framework of airborne datalink system

3.2 實(shí)現(xiàn)步驟

飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用分為飛機(jī)信息處理、消息封裝、數(shù)據(jù)壓縮和信息編碼4 個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用實(shí)現(xiàn)步驟Fig.2 Implementation step of aircraft condition monitoring application

3.2.1 飛機(jī)信息處理

從飛機(jī)系統(tǒng)獲取各種信息，按照預(yù)先定義的數(shù)據(jù)格式順序排列成比特?cái)?shù)據(jù)流，形成單個(gè)時(shí)刻的采樣點(diǎn)信息。該信息分為飛行參數(shù)字段、系統(tǒng)狀態(tài)字段、告警信息字段和結(jié)束標(biāo)記四部分:飛行參數(shù)字段填寫從飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)獲得的飛行參數(shù)信息，例如經(jīng)緯度、氣壓高度、俯仰橫滾角、航向、速度、風(fēng)向風(fēng)速、溫度、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等，可配置選用全部或部分飛行參數(shù);系統(tǒng)狀態(tài)字段填寫飛管、電傳、液壓、電源、起落架、輪載等系統(tǒng)的狀態(tài)和工作模式，以及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、襟翼副翼角和方向舵配平位置等信息;若當(dāng)前存在故障或告警，則將告警碼按順序放入告警信息字段，告警碼是對(duì)飛機(jī)定義的所有故障或告警信息進(jìn)行的數(shù)字編碼，能唯一代表某個(gè)故障或告警;結(jié)束標(biāo)記表示單個(gè)采樣點(diǎn)的飛機(jī)狀態(tài)信息的結(jié)束，同時(shí)也是區(qū)分兩個(gè)采樣點(diǎn)的標(biāo)識(shí)，結(jié)束標(biāo)記的每個(gè)比特位填1，以避免與告警碼數(shù)值相同。

3.2.2 消息封裝

經(jīng)過(guò)一次飛機(jī)信息處理形成某一時(shí)刻的飛機(jī)狀態(tài)采樣點(diǎn)，按照一定采樣間隔可獲取一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)多個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生的采樣點(diǎn)信息。消息封裝過(guò)程即將當(dāng)前時(shí)刻獲取的采樣點(diǎn)信息與之前緩存的多個(gè)采樣點(diǎn)共同組成一包飛機(jī)狀態(tài)消息，時(shí)間越靠近當(dāng)前時(shí)刻的采樣點(diǎn)在飛機(jī)狀態(tài)消息中的位置越靠前。采樣間隔時(shí)間可根據(jù)用戶需求配置。

3.2.3 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮過(guò)程使用數(shù)據(jù)壓縮算法對(duì)包含多個(gè)采樣點(diǎn)信息的飛機(jī)狀態(tài)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，壓縮算法包括動(dòng)態(tài)馬爾可夫壓縮算法、DEFLATE 算法等無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮算法［4］。數(shù)據(jù)壓縮過(guò)程是可選操作，具體選用哪種壓縮算法可預(yù)先配置，其中動(dòng)態(tài)馬爾可夫壓縮算法是第一馬爾可夫模型和Guazzo 的算術(shù)編碼算法的結(jié)合，具有兩種優(yōu)化等級(jí)，機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源有限，選取優(yōu)化等級(jí)0。

3.2.4 信息編碼

信息編碼過(guò)程即對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)從比特流形式轉(zhuǎn)換為字符形式。為了在轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生較小冗余信息，可從ASCII(ISO#5)編碼表［1］中選出64 個(gè)可顯字符形成信息編碼表，將比特?cái)?shù)據(jù)流每6 比特轉(zhuǎn)換成8 比特的ASCII 字符，經(jīng)過(guò)信息編碼后信息長(zhǎng)度將在原有信息的基礎(chǔ)上增加1/3。

3.2.5 處理流程

飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用的每一次處理過(guò)程都由采樣計(jì)時(shí)器觸發(fā)。采樣計(jì)時(shí)器到期后首先從飛機(jī)系統(tǒng)獲取的各種飛行參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)和告警信息，按照消息格式將各個(gè)數(shù)據(jù)分別填入飛行參數(shù)字段、系統(tǒng)狀態(tài)字段、告警信息字段和結(jié)束標(biāo)記字段，形成單個(gè)采樣點(diǎn)的飛機(jī)狀態(tài)信息;然后將當(dāng)前時(shí)刻采樣點(diǎn)信息放在之前緩存的飛機(jī)狀態(tài)消息之前，組成新的消息，緩存該條新飛機(jī)狀態(tài)消息。若配置了數(shù)據(jù)壓縮選項(xiàng)，則根據(jù)選用的壓縮算法對(duì)飛機(jī)狀態(tài)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，并進(jìn)行信息編碼，將飛機(jī)狀態(tài)消息從比特流形式轉(zhuǎn)換為字符形式。若轉(zhuǎn)換后的消息長(zhǎng)度仍小于210個(gè)字節(jié)，則等待下一個(gè)采樣時(shí)刻到來(lái)時(shí)重新進(jìn)入飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用處理流程。若轉(zhuǎn)換后的消息長(zhǎng)度等于或超出210 個(gè)字節(jié)，則將信息編碼后的消息作為飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視消息的正文，送入ACARS 消息發(fā)送隊(duì)列，并清空之前緩存的飛機(jī)狀態(tài)消息。其應(yīng)用處理流程如圖3所示。

圖3 應(yīng)用處理流程圖Fig.3 Flow chart of application processing

每條ACARS 消息都需要一個(gè)2 字符標(biāo)號(hào)用于表示消息類型，ACARS 飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視消息作為用戶定義的消息需按規(guī)定在“10”到“4～”范圍［5］內(nèi)選取標(biāo)號(hào)。

3.3 特點(diǎn)

本方法中數(shù)據(jù)以比特形式組包，相對(duì)于字符形式能夠承載更多信息，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮進(jìn)一步提升了信息容量。以數(shù)字類型的信息為例，本方法相比傳統(tǒng)AOC 消息最小有4.5 倍的提升。地面終端部門在配置相應(yīng)的處理系統(tǒng)后，能夠還原飛機(jī)飛行過(guò)程，實(shí)時(shí)了解各時(shí)刻飛機(jī)的飛行參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，還能根據(jù)飛機(jī)下傳的故障和告警信息，提前啟動(dòng)保障維修措施，提高飛機(jī)的日利用率和飛行安全保障能力。圖4為信息容量擴(kuò)展示意圖。

圖4 信息容量擴(kuò)展示意圖Fig.4 Diagram of information capacity increasing

飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用具有如下特點(diǎn):

(1)既包含實(shí)時(shí)飛行參數(shù)，又涵蓋飛機(jī)各系統(tǒng)工作模式狀態(tài)以及故障告警信息，為地面用戶實(shí)時(shí)全面地了解飛機(jī)狀態(tài)提供了便利;

(2)在源端使用的信息都是面向比特的，相比于傳統(tǒng)面向字符的ACARS 應(yīng)用，能夠承載更多信息;同時(shí)在信息編碼后仍能通過(guò)ACARS 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，間接提升了ACARS 數(shù)據(jù)鏈的有效信息傳輸速率;

(3)數(shù)據(jù)壓縮過(guò)程進(jìn)一步提高了飛機(jī)狀態(tài)消息的數(shù)據(jù)容量，在采樣間隔固定的情況下，能收集更多的采樣點(diǎn)，使地面終端能更真實(shí)的還原飛行場(chǎng)景;

(4)飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視報(bào)告中具體的飛行參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)和告警信息，可根據(jù)用戶需求配置;另外，采樣間隔也可配置，體現(xiàn)了應(yīng)用的靈活性。

3.4 仿真驗(yàn)證

采用CMU 作為數(shù)據(jù)鏈終端的系統(tǒng)架構(gòu)［6］構(gòu)建ACARS 數(shù)據(jù)鏈機(jī)載和地面驗(yàn)證系統(tǒng)，如圖5所示。自研的CMU 采用PowerPC 處理器和VxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，參照ARINC758［3］規(guī)范實(shí)現(xiàn)CMU 服務(wù)能力等級(jí)0.1 級(jí)，應(yīng)用能力等級(jí)為A 級(jí)，飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用駐留在CMU 的AOC 軟件模塊中，機(jī)載VHF 電臺(tái)采用柯林斯公司產(chǎn)品VHF－2100;航電仿真平臺(tái)模擬來(lái)自數(shù)據(jù)鏈控制顯示信息以及來(lái)自航電平臺(tái)的飛機(jī)導(dǎo)航、狀態(tài)、告警等信息。地面接收端采用澳大利亞ADS 公司VGS－1000－16H 電臺(tái);DSP 模擬軟件實(shí)現(xiàn)空地消息協(xié)議的處理和轉(zhuǎn)發(fā);航空公司應(yīng)用終端駐留儀表服務(wù)器軟件和飛機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)/告警軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視消息的解析和顯示，其中儀表服務(wù)器軟件使用SCADE Display 工具開發(fā)，模擬座艙界面真實(shí)還原飛行狀態(tài)，還可顯示飛行航跡和飛行剖面。

圖5 飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視仿真系統(tǒng)Fig.5 Simulation system of aircraft condition monitoring

仿真試驗(yàn)中封裝的單個(gè)采樣點(diǎn)包含576 比特信息，其中飛行參數(shù)信息包括時(shí)間、經(jīng)緯度、氣壓高度、無(wú)線電高度、俯仰角、橫滾角、航向、指示空速、真空速、地速、垂直速度、風(fēng)向、風(fēng)速、總溫、靜溫、剩余燃油、航路點(diǎn)名稱及預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間;飛機(jī)狀態(tài)信息包括飛管、電傳、慣導(dǎo)、液壓、電源、起落架、輪載系統(tǒng)的工作模式和狀態(tài)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、襟翼角、副翼角、油門桿高度和方向舵配平位置;每個(gè)采樣點(diǎn)中最多包含5 個(gè)告警信息。在不使用數(shù)據(jù)壓縮算法的情況下，一個(gè)采樣點(diǎn)含一包ACARS 消息中可包含2 個(gè)采樣點(diǎn)。無(wú)需地面應(yīng)答時(shí)，極限情況下2 s周期發(fā)送飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視ACARS 消息可滿足高實(shí)時(shí)性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

航空地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的進(jìn)步和航空電信網(wǎng)的發(fā)展能為應(yīng)用部門提供更多樣化的服務(wù)，然而出于經(jīng)濟(jì)效益的考慮，航空公司飛機(jī)的更新?lián)Q代以及民航地面網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程?，F(xiàn)有的ACARS 網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用了30 多年，并仍將在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)為航空公司和空管等部門提供服務(wù)。

本文提出基于ACARS 數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用符合現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈體系，通過(guò)設(shè)備軟件升級(jí)等低成本手段擴(kuò)展數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用，仿真驗(yàn)證結(jié)果表明本文方法能在有限的ACARS 帶寬內(nèi)傳輸更豐富的信息，便于航空公司等地面用戶更好的掌握飛機(jī)狀態(tài)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ ARINC specification 618－6，Air/ground character－oriented protocol specification［S］.

［2］ AC－121－FS－2008－16R1，航空運(yùn)營(yíng)人使用地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)與指南［S］.AC－121－FS－2008－16R1，Standard and Guide for Aircraft Operators to Use Ground－to－air Data Communication System［S］.(in Chinese)

［3］ ARINC characteristic 758－2，Communications management unit(CMU)Mark 2［S］.

［4］ ARINC specification 823－1，Datalink security.Part 1－ACARS message security［S］.

［5］ ARINC specification 620－6，Datalink ground system and interface specification［S］.

［6］ 張力支.機(jī)載甚高頻ACARS 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)及通信管理單元設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2011，51(12).ZHANG Li－zhi.Design of Airborne VHF ACARS Data Link System and Communication Management Unit［J］.Telecommunication Engineering，2011，51(12):101－104.(in Chinese)