潘云飛 李艾婷

（1.中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局內(nèi)蒙古分局 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010070）

（2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010051）

1 概述

對于民用航空而言，隨著飛機數(shù)目的激增，地空話音信息交換頻度加大。在某些終端區(qū)，話音頻段資源已經(jīng)嚴重匱乏。另外由于受到人員語言表達能力、發(fā)音準確程度、吐詞清晰程度等方面的限制，接收方在接收指令時可能出現(xiàn)聽不懂、聽不清甚至出錯的情況，影響信息傳輸?shù)乃俣群途?，而且不易實現(xiàn)航空情報數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、共享和管理，也妨礙了空中交通管理系統(tǒng)自動化的進一步發(fā)展。未來空中航行系統(tǒng)（Future Air Navigation System，F(xiàn)ANS）是通過地空數(shù)據(jù)鏈為載體為空中交通管理提供數(shù)字化管制服務(wù)，是空中交通管理發(fā)展的重要戰(zhàn)略要素。基于地空數(shù)據(jù)鏈通信的FANS 技術(shù)，逐步替代傳統(tǒng)的話音管制服務(wù)，能夠大幅減少管制員與飛行員的通信時間，提升ATC 服務(wù)的安全性、可靠性和準確性，改善管制頻率資源緊缺與擁堵，優(yōu)化由于航路流量飽和、惡略天氣等原因?qū)е嘛w行計劃航路調(diào)整的管制復(fù)雜性，因此航空數(shù)據(jù)鏈開始在民航領(lǐng)域廣泛運用。

目前，數(shù)據(jù)鏈通信可以選擇的傳輸媒介有甚高頻(VНF)、衛(wèi)星、高頻（НF）、二次監(jiān)視雷達的S 模式。機組會根據(jù)所處的位置自主選擇最經(jīng)濟有效的數(shù)據(jù)傳輸媒介，通過地空數(shù)據(jù)鏈在飛機和地面系統(tǒng)間自動傳輸飛機實時位置、氣象信息、管制指令、發(fā)動機狀態(tài)等數(shù)據(jù)。在幾種傳輸媒介中，VНF地空數(shù)據(jù)鏈相對于НF地空數(shù)據(jù)鏈，具有通信速率快、延遲小、可靠性高的特點。而相對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈和S 模式數(shù)據(jù)鏈，VНF 地空數(shù)據(jù)鏈的機載設(shè)備和地面設(shè)備相對簡單、低廉；易于機載設(shè)備安裝、系統(tǒng)升級。地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

2 ACARS地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)組成及工作原理

如果把甚高頻數(shù)據(jù)鏈中的飛機比作移動通信網(wǎng)絡(luò)中的手機用戶的話，那么遙控地面站(Remote Ground Station，RGS)的作用就好比是電信網(wǎng)絡(luò)中的基站,每個RGS 的覆蓋范圍是半徑大約為200km至400km 的圓形區(qū)域（隨著飛機高度層的不同覆蓋半徑不同）。所有的RGS 在接收到飛機下發(fā)的數(shù)據(jù)之后，都通過專用網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)控中心。網(wǎng)控中心的網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)處理入庫后，根據(jù)數(shù)據(jù)中的地址信息和自己的路由表將報文通過專用網(wǎng)絡(luò)再傳送到目的用戶。ACARS 是典型的飛機與地面間的甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈,它是基于一種面向字符型的VНF 數(shù)據(jù)鏈。其所采用的ARINC618 協(xié)議和ARINC620 協(xié)議是典型的文本電報字符格式，但是為了建立端到端的應(yīng)答式通信鏈接，采用了CAT-A和CAT-B 兩種典型的地空通信鏈控制模式。另外，ACARS 數(shù)據(jù)鏈還采用了MSK 調(diào)制方式。

圖1：地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖

圖2：ACARS 系統(tǒng)組成示意圖

2.1 ACARS系統(tǒng)組成及功能

ACARS 系統(tǒng)主要由五部分組成：機載設(shè)備、網(wǎng)控和數(shù)據(jù)處理中心、地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)、VНF 遙控地面站、用戶子系統(tǒng)，如圖2 所示。

2.1.1 機載設(shè)備

機載設(shè)備的核心是通信管理單元(Management Unit, MU)。MU 一方面與機載VНF 收發(fā)信機相連，另一方面通過ARINC429總線與其他機載數(shù)字數(shù)據(jù)終端設(shè)備相聯(lián)，如飛行管理系統(tǒng)(Flight Management System，F(xiàn)MS)、維護計算機及駕駛艙終端等，完成數(shù)據(jù)采集、報文處理、調(diào)制解調(diào)、數(shù)模信道切換等功能，是VНF 數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的空中節(jié)點。主要功能是將機載系統(tǒng)采集的各種飛行參數(shù)信息通過地空數(shù)據(jù)鏈發(fā)送到地面RGS 站，并接收地面網(wǎng)通過RGS 站轉(zhuǎn)發(fā)來的信息。

2.1.2 網(wǎng)控和數(shù)據(jù)處理中心 (Network Management Data Processing System, NMDPS)

網(wǎng)控和數(shù)據(jù)處理中心是VНF 地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的核心。它采用以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，使用標準的TCP/IP 協(xié)議，與各地的RGS 站構(gòu)成一個廣域網(wǎng)，地面通信網(wǎng)采用X.25 協(xié)議。主要功能是執(zhí)行對RGS 站的監(jiān)測與控制,完成數(shù)據(jù)包的尋址、路由選擇等處理；實施對射頻信道的分配；進行輸入輸出通信的管理以及整個子系統(tǒng)的管理。它是一個開放式的體系結(jié)構(gòu)，可以靈活地根據(jù)用戶的需求擴展功能。

2.1.3 地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)

地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)包括RGS 與NMDPS 之間的傳輸鏈路以及NMDPS 與用戶子系統(tǒng)之間的傳輸鏈路。其中，RGS 站與NMDPS之間的傳輸采用“一地一空”的冗余方式，即地面專線 (自動撥號連接 )和專用衛(wèi)星通信網(wǎng)，主用衛(wèi)星通信鏈路。而NMDPS 與用戶子系統(tǒng)之間的傳輸鏈路主要采用地面數(shù)據(jù)通信服務(wù)商提供的專用地面網(wǎng)絡(luò)。

2.1.4 VНF 遙控地面站RGS

RGS 是甚高頻數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的地面節(jié)點，是連接飛機與NMDPS的地面橋梁。它包括甚高頻收發(fā)信機、集成控制單元、與地面網(wǎng)連接的路由器和調(diào)制解調(diào)器、GPS 授時模塊及天線、單板計算機和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。主要功能是通過地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)，將機載ACARS 設(shè)備發(fā)送的下行數(shù)據(jù)，以及NMDPS 發(fā)送的上行鏈路報文進行轉(zhuǎn)載。RGS目前均為半雙工方式，使用同一頻率進行對空接收和發(fā)射數(shù)據(jù)，傳輸速率為2.4Kbps。

2.1.5 用戶子系統(tǒng)

按照應(yīng)用對象，ACARS 用戶子系統(tǒng)主要為面向空管部門的空中交通管制服務(wù)(ATS)與面向航空公司的運營管理(AOC)。

2.2 ACARS數(shù)據(jù)鏈信號流程

ACARS 數(shù)據(jù)鏈采用地面宿主處理模式，即RGS 站收到飛機的報文以后，傳輸?shù)降孛嫠拗魈幚砥鬟M行處理，再由宿主處理器分發(fā)到空管部門或航空公司進行處理。當(dāng)管制部門或航空公司簽派部門需要向飛機發(fā)送上行報文時，先將報文發(fā)送到宿主處理器，再由宿主處理器根據(jù)下行報文的歷史記錄查出飛機可能的位置，通過將此報文傳送到離飛機位置最近的RGS，再由RGS 將報文發(fā)送至飛機。

設(shè)施聯(lián)通、貿(mào)易暢通和資金融通是“一帶一路”建設(shè)的重點，而這些專業(yè)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)離不開相關(guān)行業(yè)企業(yè)與高校的密切合作。周谷平等認為身處“一帶一路”建設(shè)第一線的產(chǎn)業(yè)界最清楚沿線國家的經(jīng)濟需求以及與之相匹配的人才需求，因此加強兩者間的合作既要求產(chǎn)業(yè)界要及時向高校傳遞人才需求信息，也要求高校主動與產(chǎn)業(yè)界協(xié)同制定人才規(guī)格標準、聯(lián)合開展人才培養(yǎng)培訓(xùn)[6]。

2.2.1 ACARS 下行數(shù)據(jù)鏈路

機載終端通過載波偵聽多址訪問(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)來實現(xiàn)機載終端的無線接入。機載ACARS 應(yīng)用設(shè)備需要發(fā)送下行數(shù)據(jù)時，首先通過機載總線傳輸給機載MU 單元；機載MU單元按照ARINC-618規(guī)范生成相應(yīng)下行鏈路ACARS報文，并封裝為ACARS 物理幀，完成ACARS 信號的MSK 調(diào)制；然后將信號送入機載甚高頻發(fā)射機進行AM 調(diào)制、上變頻、功率放大，最后送入機載甚高頻發(fā)射天線。

圖3：ACARS 下行數(shù)據(jù)鏈路原理圖

圖4：MSK 的歸一化頻譜圖

RGS 站的甚高頻接收機接收空間的下行ACARS 射頻信號，完成射頻接收、下變頻、AM 解調(diào)；單板計算機完成信號的MSK解調(diào)，從ACARS 物理幀中提取ACARS 報文，提交給設(shè)備接口單元；設(shè)備接口單元將ACARS 報文數(shù)據(jù)提交給RGS 站的路由器；路由器將TCP/IP 報數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為X.25 報文數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星專線或地面專線傳輸給ACARS 系統(tǒng)的NMDPS；NMDPS 接收到RGS 傳輸?shù)腁CARS 報文后，按照ARINC-620 規(guī)范完成報文格式轉(zhuǎn)換；NMDPS 通過地地專線發(fā)送給ACARS 地面應(yīng)用子系統(tǒng)（空管、航空公司應(yīng)用子系統(tǒng)）。ACARS 下行數(shù)據(jù)鏈路如圖3 所示。

2.2.2 ACARS 上行數(shù)據(jù)鏈路

與下行鏈路相反，ACARS 地面應(yīng)用子系統(tǒng)（空管、航空公司應(yīng)用子系統(tǒng)）按照ARINC-620 規(guī)范產(chǎn)生報文；并通過地面專線發(fā)送給ACARS 系統(tǒng)NMDPS；NMDPS 接收到ACARS 應(yīng)用系統(tǒng)傳輸?shù)腁CARS 報文后，按照ARINC-618 規(guī)范完成報文格式轉(zhuǎn)換；格式轉(zhuǎn)換后的ACARS 報文數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星專線或地面專線傳輸?shù)较鄳?yīng)的RGS 站；RGS 站收到ACARS 報文后，通過空地上行鏈路將報文傳輸給機載MU 單元；機載MU 單元根據(jù)上行鏈路報文類型，將報文分發(fā)給相應(yīng)機載設(shè)備進一步處理顯示。

2.3 ACARS系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)

在ACARS 系統(tǒng)采用二次調(diào)制技術(shù)。先對碼元進行最小移頻鍵控（MSK）數(shù)字調(diào)制，再用一個固定分配的頻率作為載波對MSK已調(diào)信號進行模擬調(diào)幅（AM）。

圖5：AM 的頻譜圖

圖6：VHF 數(shù)據(jù)鏈在航務(wù)管理中的應(yīng)用

2.3.1 ACARS 數(shù)據(jù)鏈信號的時域分析

公式（1）中，ωc=2πfc代表MSK 調(diào)制載波角頻率，fc分別為2400Нz 和1200Нz，通過該兩種頻率的不同組合，表示二進制信號“0”和“1”；TS為碼元寬度；φk表示第k 個碼元的起始相位；αk代表第k 個碼元發(fā)送符號，當(dāng)發(fā)送碼元為1 時，αk取值為+1，當(dāng)發(fā)送碼元為0 時，αk取值為-1。

AM 是模擬通信中一種幅度調(diào)制，使載波的振幅按照所需傳送信號的變化規(guī)律而變化,但頻率保持不變的。其已調(diào)信號的時域數(shù)學(xué)表達式為：

公式（2）中，ω0=2πf0為AM 調(diào)制的載波角頻率，中國地區(qū)ACARS 系統(tǒng)基頻頻率f0為131.45MНz。

2.3.2 ACARS 數(shù)據(jù)鏈信號的頻域分析

MSK 調(diào)制與其他調(diào)制方式相比，MSK 信號具有恒包絡(luò)特性，其優(yōu)勢在于MSK 調(diào)制信號的功率譜密度更加緊湊，第一個零點即其主瓣寬度在0.75/TS 處，在主瓣帶寬之外，功率譜旁瓣的下降更為迅速，占據(jù)的射頻帶寬較窄，對領(lǐng)道干擾也較小，頻帶利用率高，相干檢測時的誤碼率性能較普通頻移鍵控好3dB 以上，因此適合民航空間無線電的窄帶傳輸。MSK 的歸一化頻譜圖如圖4 所示。

AM 普通調(diào)幅信號的包絡(luò)仍然反映了調(diào)制信號的變化, 其頻譜上邊帶與下邊帶呈對稱狀分別置于載頻的兩旁, 總頻帶寬度仍為調(diào)制信號帶寬的兩倍。AM 的頻譜圖如圖5 所示。

通過對MSK 與AM 的頻譜分析，在ACARS 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，由于采用了二次調(diào)制技術(shù)，因此當(dāng)一次調(diào)制的MSK 信號，作為二次AM 調(diào)制的輸入信號時，最終在空間形成的無線電頻譜與民航甚高頻傳統(tǒng)單一采用的AM 調(diào)制有著本質(zhì)的區(qū)別，因此在民航無線電監(jiān)測時需要進一步的數(shù)據(jù)采集與論證。

3 VHF數(shù)據(jù)鏈通信的主要應(yīng)用

目前，VНF 數(shù)據(jù)鏈通信的主要應(yīng)用集中在空管部門的空中交通管制應(yīng)用和航空公司的航務(wù)管理應(yīng)用?？罩薪煌ü苤婆c服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)包括：數(shù)字化起飛前放行系統(tǒng)(Departure Clearance Delivery, DCL)、數(shù)據(jù)鏈自動化航站信息通播服務(wù)(DataLink Automatic Terminal Information Service, D-ATIS)、管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信 (Controller Pilot Data Link Communication, CPDLC)等。航空公司的應(yīng)用主要是：飛行運行監(jiān)控系統(tǒng)、飛機維修與遠程狀態(tài)監(jiān)控和故障終端系統(tǒng)、地面服務(wù)和支持系統(tǒng)等。

3.1 民航數(shù)字空管系統(tǒng)應(yīng)用

民航數(shù)字空管系統(tǒng)由DCL與D-ATIS組成。設(shè)備由DCL服務(wù)器、ACARS 網(wǎng)關(guān)、AFTN 網(wǎng)關(guān)、ATM 路由器、撥號路由器、PDC 用戶終端、D-ATIS 用戶終端等組成。

DCL 技術(shù)通過甚高頻數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)機場塔臺管制員對飛機的放行許可。當(dāng)飛機需要起飛時，飛行員向塔臺管制員發(fā)出請求，由塔臺發(fā)出飛機放行許可信息，機載設(shè)備接收到放行許可信息，并顯示在機載多功能顯示單元。DCL 有效的解決了目前人工語音預(yù)放行服務(wù)中出現(xiàn)的語音通信頻道擁擠、語音歧義性等問題，顯著提高大型機場管制服務(wù)效率和信息服務(wù)水平。DCL 服務(wù)信息在包含所有傳統(tǒng)服務(wù)信息的基礎(chǔ)上，還增加了如報文服務(wù)信息、飛行員和管制員自由信息等其他服務(wù)信息，在放行過程中增大了飛行員和管制員的通信自由度。

D-ATIS 技術(shù)根據(jù)飛行員的請求，地面系統(tǒng)自動將請求機場的機場信息（包括：起降機場的氣象、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、跑道信息等）發(fā)送到機載多功能顯示單元。D-ATIS 有效解決使用單一自動語音通播服務(wù)時間占用長、誤聽概率大、服務(wù)范圍小等問題；大幅度降低了管制員與飛行員的工作強度和工作壓力，提高空中管制效率和安全性。D-ATIS 通過合成語音技術(shù)完全兼容已有的自動語音通播系統(tǒng)，并能夠通過簡單文字錄入的方式實現(xiàn)臨時語音合成通播等功能。

3.2 CPDLC功能

管制員 /飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC)是利用甚高頻或者衛(wèi)星傳輸媒介，將數(shù)據(jù)報文替代語音進行空中交通管制的通信手段，從而完成管制員與飛行員之間信息交換。包括與管制過程相對應(yīng)的一系列的放行、信息、請求等報文元素，如高度分配、穿越時間、航路變更和放行、速度分配、無線電頻率分配以及各種信息的請求。飛行員可以通過報文做出響應(yīng)、申請放行、報告信息、宣布/放棄緊急狀態(tài)。管制員可以通過報文來實現(xiàn)放行、請求報告、分配頻率等幾乎所有的管制操作。指令和請求均以數(shù)據(jù)報文的形式傳輸，可以彌補語音通信的信道擁擠、誤解、聽錯、信號失真和破壞等缺陷。同時，CPDLC 還為管制員和飛行員提供了自由格式報文的功能。CPDLC 功能已經(jīng)在我國的L888 航路得到使用。

3.3 航空公司航務(wù)管理應(yīng)用

航空公司的運營系統(tǒng)通過與VНF 地空數(shù)據(jù)鏈的連接，為其多項業(yè)務(wù)提供準確、快捷的信息服務(wù)，包括飛行運行、機務(wù)維修和工程技術(shù)支持等。飛行運行動態(tài)地圖顯示處理系統(tǒng)從ACARS 報文中獲得飛機的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用于地圖顯示的數(shù)據(jù)格式，在地圖窗口顯示飛行動態(tài)，根據(jù)OOOI 狀態(tài)報 (推出Out、離地Off、著陸On、?？縄nto)、飛越報、過境報、FPL 報、CPL 報等數(shù)據(jù)信息模擬計算，模擬顯示飛機的飛行情況，確保航空公司對運行進行有效的管理。發(fā)動機監(jiān)控和報告使得正常情況下的實時監(jiān)控和應(yīng)急情況下對飛機作出及時的判斷與處理成為可能，減少了航班延誤以及降低了機務(wù)人員的工作負荷。氣象服務(wù)可讓飛機離地后，飛行員還能及時掌握航路和目的地天氣，可以及時作出備降返航的決策或提前做好準備。飛行人員還可以使用很多其他功能，如飛行計劃、艙單、起飛數(shù)據(jù)的上傳和確認、定期的位置報告、預(yù)計到達時間和飛行進程報告等。VНF 數(shù)據(jù)鏈在航務(wù)管理中的應(yīng)用如圖6所示。

4 結(jié)語

地空數(shù)據(jù)鏈通信與傳統(tǒng)地空語音通信相比，克服了航空話音通信系統(tǒng)傳輸速度慢、占用信道時間長、可靠性差等缺點，并且具有抗干擾能力強、誤碼率低的特點。同事可顯著降低飛行員對地面管制員語音信號的誤解而產(chǎn)生的錯誤，降低管制員的勞動強度。地空數(shù)據(jù)鏈通信有助于實現(xiàn)空中交通指揮的自動化，提高航空運輸?shù)陌踩?、航空運輸企業(yè)的經(jīng)濟效益，因此已經(jīng)成為航空通信系統(tǒng)發(fā)展的主導(dǎo)方向。