S模式二次雷达数据链协议分析与功能验证

余飞侠 水泉

摘要：S模式二次雷达数据链接口提供链路管理和S模式特定服务，以实现S模式地-空数据通信。文中介绍了数据链接口控制协议的主要内容，并对其进行功能验证。

关键词：S模式子网;数据链;GDLP/DLF协议;功能验证

中图分类号：TP311   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）16-0020-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 S模式数据链子网概述

S模式数据链子网是空-地数据通信子网的一部分，为飞机上和地面上的附属子网点提供面向连接的通信服务和S模式特定服务。S模式数据链子网主要由S模式应答机、机载数据链处理器（ADLP）、地面数据链处理器（GDLP）、S模式询问机组成，其系统框图如下图所示。

GDLP和ADLP之间采用简化的ISO 8208协议进行通信，降低了S模式空-地链路的带宽要求。在通信层次结构中，可将GDLP和ADLP与询问机和应答机视为同一层次，GDLP和ADLP利用询问机-应答机之间的数据链服务实现子网通信。GDLP提供了基于S模式數据链的交换虚拟电路（SVC）通信服务和S模式特定服务接入。

GDLP可以通过GDLP/DLF接口控制协议（EATCHIP GDLP/Local User ICD for POEMS）与S模式二次雷达通信，以ASTERIX CAT18格式进行数据传输。S模式二次雷达进行链路管理，并提供S模式特定服务，包括广播、GICB、SVC/MSP服务，主要功能包括：

a） 链路管理，包括建立、维护、取消和释放GDLP/DLF连接;

b） 广播管理，包括上行链路广播管理和下行链路广播管理：

1） 上行链路广播管理。根据GDLP/DLF接口收到的广播请求，产生询问指令，通过射频链路发送Comm A广播询问;

2） 下行链路广播管理。接收应答机发出的Comm B广播应答，并将Comm B广播数据分发GDLP/DLF接口;

c） GICB管理。将GDLP/DLF接口收到的GICB数据请求，与雷达内部应用产生的数据请求进行合并，生成询问时序和询问信号，通过射频链路传送给指定目标;

d） SVC/MSP管理，包括上行链路SVC/MSP数据包管理和下行链路SVC/MSP数据包管理：

1） 将GDLP/DLF接口收到的SVC或MSP上行数据包（packet）拆分成SLM或ELM帧后缓存到队列中，并对队列缓存的数据量进行监测，当缓存的数据帧超过预设的阀值后则通知GDLP/LU接口模块，限制外部上传的数据流量;

2） 将多个逻辑上链接在一起的Comm-B应答消息组装成一个SLM帧，或多个逻辑上链接在一起的Comm-D应答消息组装成一个ELM帧，并将SLM或ELM帧数据通过GDLP/DLF接口转发给GDLP。

2 通信协议分析与功能验证

2.1 链路管理

2.1.1 通信协议

2.1.1.1 建立连接

GDLP首先向S模式二次雷达DLF（以下简称DLF）发送建立连接请求消息（Associate_req），在收到建立连接响应消息（Associate_Resp）之前，GDLP将每隔T1（Associate_req重传定时器，通常为1秒）时间发送一次该消息。DLF在收到Associate_req消息后，将删除与该链路有关的飞机数据，重置内部定时器和计数器，并回馈Associate_Resp消息。Associate_Resp消息的D_result设置为：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）。

2.1.1.2 保持连接

如果GDLP与DLF之间没有数据消息时，GDLP将每隔T2（无事务时的Keep_alive周期，通常为1秒）时间发送1次保持（Keep_alive）消息，以维护与DLF之间的连接。

2.1.1.3 关闭连接

GDLP通过向DLF发送中断连接请求（Abort_req）或释放连接请求（Release_req）消息来关闭连接。

a） Abort_req用于立即终止处于连接建立阶段的GDLP/DLF连接。

b） Release_req用于正常终止GDLP/DLF连接，并需要DLF确认。当DLF能够终止GDLP/DLF连接时，DLF发送接收关闭连接的Release_resp消息，将该消息的D_result设置为：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available），并丢弃与该特定连接相关的所有飞机数据。如果DLF不能立即终止该连接，DLF发送拒绝关闭连接的Release_resp，并将该消息的D_result设置为：CAUSE=1h（rejected），DIAG=0h（No diagnostic available）。GDLP将等待T4（Release_req重传定时器，通常为3秒）时间后继续发送Release_req，然后每隔T4时间发送1次，共发送R4（Release_req传输次数，通常为4）次。

如果GDLP在T3（GDLP连接超时，通常为4秒）时间段内没有收到任何消息，将向DLF发送Abort_req消息，并将该消息的D_result设置为：CAUSE=6h （invalid result），DIAG=8h（timer T3 expiry）。此时，中断连接请求（Abort_req）不需要确认，GDLP将会清除与该连接相关的所有飞机数据。

2.1.2 功能验证

下面以S模式二次雷达DLF为主，GDLP为从，进行GDLP/DLF鏈路管理功能验证。其中，Associate_req重传定时器T1设置为1秒，无事务时的Keep_alive周期T2设为1秒，GDLP连接超时T3设为4秒，Release_req重传定时器T4设为3秒，Release_req传输次数R4设为4次。主要通信过程和数据内容如下图所示。

GDLP每隔1秒向S模式二次雷达发送1次建立连接请求，直到雷达的GDLP/DLF接口回馈建立连接响应。在GDLP与雷达之间没有数据通信时，雷达将定期发送保持连接信息，直到GDLP发出终止连接请求和释放连接请求。

2.2 GICB服务

2.2.1 通信协议

GDLP向DLF发送GICB_extraction请求消息，该请求应包含要录取的BDS寄存器编号。DLF收到GICB录取请求后，产生GICB_extraction_ack消息，并将D_result设置为：CAUSE=0h（Accepted） or =1h（rejected）。

GDLP应为GICB_extraction请求分配一个唯一的D_GICB_number，DLF不会接收GDLP送来的与挂起的GICB_extraction具有相同GICB_number的GICB录取请求。DLF将拒绝收到的重复的GICB_extraction请求，并将GICB_extraction_ack消息的D_result设置为：CAUSE=1h（reject），DIAG=6h（Duplicate request number）。GICB_extraction请求消息中还有一些可选的参数：D_time （请求结束），D_GICB_periodicity，D_GICB_properties （周期限制，异步更新，应答目的地，优先级）。这些参数的默认值为：

a） 若GICB_extraction请求消息中缺少D_time，请求将一直存在，直到链路/GDLP/S模式二次雷达询问机故障，或飞机离开;

b） 若GICB_extraction请求消息中缺少D_GICB_properties：

1） 没有周期限制（PC=0）;

2） 没有异步更新（AU = 0， NE=0）;

3） 应答目的地将只是GDLP（RD=0）;

4） 请求优先级将被设为8（中级）;

c） 若GICB_extraction请求消息中缺少D_GICB_periodicity，DLF将只执行1次录取。DLF将在第一次录取成功后，结束该GICB请求。

DLF收到GDLP发送的Cancel_GICB_extraction请求消息后，将向GDLP发送GICB_extraction_ack消息。DLF根据以下情况分别进行处理：

a） 若Cancel_GICB_extraction消息中的D_GICB_number项已定义，且数据内容有效（仍在DLF数据库中），则GICB_extraction_ack消息中包含D_GICB_number项，并将D_result设置为：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

b） 若Cancel_GICB_extraction消息中的D_GICB_number项已定义，但数据内容无效，则GICB_extraction_ack消息中包含D_GICB_number项，并将D_result设置为：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

c） 若Cancel_GICB_extraction消息中没有定义D_GICB_number项，则表示取消所有GICB录取请求：

1） 对于已经取消的有效的录取请求，则GICB_extraction_ack消息中包含D_GICB_number项，并将D_result设置为：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

2） 若没有有效的请求能够取消（没有挂起的请求），则GICB_extraction_ack消息中不包含D_GICB_number项，并将D_result设置为：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

d） 若Cancel_GICB_extraction消息中没有D_GICB_number项，DLF应丢弃指定S模式地址的飞机的所有GICB请求。且若S模式地址为FFFFFFh，则丢弃所有飞机的所有GICB请求。

e） 若Cancel_GICB_extraction消息中包含D_GICB_number项，DLF应丢弃D_GICB_number字段中指定的GICB请求。

DLF向GDLP发送GICB_response消息，用于指示BDS录取是否成功。若录取成功，则GICB_response消息中包含寄存器内容，且对于单次录取的情况，将D_result设置为：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）;对于非单次录取的情况，将D_result设置为：CAUSE= 5h（In progress），DIAG=0h（No diagnostic available）。

然而，若S模式二次雷达的天线波束已经扫描过该飞机，则DLF应向GDLP发送GICB_response消息，用于指示失败的GICB请求编号和尝试的录取时间，并将D_result设置为：CAUSE=4h（Delayed），DIAG=0h（No diagnostic available）。对于将周期约束指标设置为0的请求，即使在波束驻留期内重新询问后仍然录取失败，下一次尝试将在下一个天线扫描时进行（即在要求的录取周期内多次尝试才能成功录取）。对于周期约束指标为1的请求，即使在波束驻留期内重新询问后仍然录取失败，下一次尝试将根据请求的周期确定。

若录取请求的生命周期结束或仅为单次录取，则DLF向GDLP发送GICB_response消息，并将D_result设置为：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）。

2.2.2 功能验证

下面以S模式二次雷达DLF为主，GDLP为从，进行GICB录取功能验证。主要对GICB_number、飞机的S模式地址、BDS寄存器编号、GICB_periodicity等参数进行了设置Time和GICB_properties参数。主要通信过程和数据内容如下图所示。

GDLP与S模式二次雷达建立通信后，通过GDLP/DLF接口的GICB服务通信协议发起BDS录取请求，S模式二次雷达收到请求后，与雷达内部应用产生的数据请求进行合并，产生包含BDS录取请求的询问信号;目标的应答机收到请求后，产生包含相应BDS寄存器数据的应答信号，S模式二次雷达对收到的应答信号进行解码和数据录取，把特定目标的BDS数据按照ASTERIX CAT 018格式送给发送该GICB录取请求的GDLP。

2.3 SVC/MSP服务

2.3.1 通信协议

2.3.1.1 上行链路SVC/MSP数据包

GDLP向DLF发送Uplink_packet消息，DLF应回馈Uplink_packet_ack消息。若DLF能够处理该数据包，则DLF将Uplink_packet_ack消息中的D_result设置为：CAUSE=0h（Accepted），DIAG=0h（No diagnostic available）;若DLF不能处理该数据包，则DLF将Uplink_packet_ack消息中的D_result设置为：CAUSE=1h（Rejected），DIAG=0h（No diagnostic available）。并且，若DLF是由于上行链路数据流量限制而不能处理该数据包，则DLF将Uplink_packet_ack消息中的D_result设置为：CAUSE=1h（Rejected），DIAG=10h（Uplink flow disabled）。若DLF接受该请求，则应将数据包缓存在对应的飞机队列中。

GDLP应为每个Uplink_packet请求分配唯一的D_packet_number，DLF不会接收GDLP送来的与挂起的Uplink_packet具有相同D_packet_number的上行数据包传输请求。DLF将拒绝收到的重复的Uplink_packet请求，并将Uplink_packet_ack消息中的D_result设置为：CAUSE=1h（reject），DIAG=6h（Duplicate request number）。

DLF应响应GDLP发出的Cancel_uplink_packet消息，并向GDLP发送Uplink_ packet_ack消息，并根据以下情况分别进行处理：

a） 若Cancel_uplink_packet消息中的D_packet_number项已定义，且数据内容有效（仍在DLF数据库中），则Uplink_ packet_ack消息中包含D_packet_number项，并将D_result设置为：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

b） 若Cancel_uplink_packet消息中的D_packet_number项已定义，但数据内容无效，则Uplink_packet_ack消息中包含D_packet_number项，并将D_result设置为：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

c） 若Cancel_uplink_packet消息中没有定义D_packet_number项，则表示取消所有上行数据包传输请求：

1） 对于已经取消的有效的上行数据包传输请求，则Uplink_ packet_ack消息中把这些数据包的编号列入D_packet_number_list项，并将D_result设置为：CAUSE=2h（cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）;

2） 若没有有效的请求能够取消（没有挂起的请求），则Uplink_packet_ack消息中不包含D_packet_number_list项，并将D_result设置为：CAUSE=1h（rejected），DIAG=7h（Unknown request number）;

d） 若Cancel_uplink_packet消息中没有D_packet_number项，DLF應丢弃所有的Uplink_packet请求;

e） 若Cancel_uplink_packet消息中包含D_packet_number项，DLF应丢弃D_packet_number字段中指定的Uplink_packet请求。

DLF收到不同的Cancel_uplink_packet请求时，如指定飞机的、所有飞机的或所有的数据包传输请求。如果S模式地址为FFFFFFh，则丢弃所有飞机的所有Uplink_packet请求。

DLF完成上行数据帧传输后，应向GDLP发送Uplink_packet_ack消息，并将D_result设置为：CAUSE=3h（finished），DIAG=0h（No diagnostic available）。

对于已经取消传输的数据包，DLF应向GDLP发送Uplink_packet_ack消息，并将D_result设置为：CAUSE=2h（Cancelled），DIAG=0h（No diagnostic available）。

2.3.1.2 数据流控制

数据流控制项包括：

a） XON_level：DLF在此队列级别向GDLP发送一个XON消息，并在此队列级别恢复上行流;

b） XOFF_level1：DLF在此队列级别向GDLP发送XOFF消息，上行流将在此队列级别停止;

c） XOFF_level2：DLF在此队列级别达到物理队列极限。

當对特定飞机的数据链接请求饱和（XOFF_level1）时，DLF向GDLP发送包含飞机地址的Data_XOFF消息。如果Data_XOFF消息包含的飞机地址为FFFFFFh，则GDLP应停止向该S模式二次雷达发送任何上行数据包传输请求。如果Data_XOFF包含非FFFFFFh的S模式地址列表，GDLP应停止向这些指定S模式地址的飞机发送上行数据包传输请求。

当DLF能够处理新的上行链路数据包传输请求（XON_level）时，DLF向GDLP发送Data_XON消息。如果Data_XON消息包含的飞机地址为FFFFFFh，则再次授予GDLP发送上行数据包传输请求的权限。如果Data_XON包含非FFFFFFh的S模式地址列表，GDLP有权向这些指定S模式地址的飞机发送上行数据包传输请求。

数据流量控制应在以下约束条件下进行：

a） XOFF_level1 ≥ 0.9（XOFF_level2）

b） XON_level ≥ 0.33（XOFF_level1）

这两个参数是用户可配置的。

2.3.1.3 下行链路SVC/MSP数据包

DLF通过Downlink_packet消息向指定GDLP发送下行链路数据包。通过将Downlink_packet消息中的D_Result字段设置为：CAUSE=6h（Invalid Result），DIAG=5h（Invalid LV field），来通知GDLP消息中的LV字段无效。Downlink_packet中一般不包含LV字段，只用于指示这种特殊情况。在这种LV字段无效的情况下，DLF不知道下行链路数据包的长度，并应在Downlink_packet消息的D_Mode_S_packet中包含接收到的完整的下行数据帧。

2.3.2 功能验证

下面以S模式二次雷达DLF为主，GDLP为从，进行上行数据包传输功能验证。主要对Packet_number、飞机的S模式地址、Packet_properties等参数进行了设置，未进行数据流量控制项参数设置。主要通信过程和数据内容如下图所示。

GDLP可向地面S模式二次雷达发起Uplink Packet传输请求，雷达根据数据包的大小将从GDLP/DLF接口收到的SVC或MSP上行数据包（packet）拆分成SLM或ELM帧后缓存到队列中，并对队列缓存的数据量进行监测，当缓存的数据帧超过预设的阀值后则通知GDLP/LU接口模块，限制GDLP上传的数据流量。地面S模式二次雷达按照扩展长度通信协议，将数据包的内容以帧的形式发送给目标的应答机，应答机将收到的帧数据合并成一个包含完整的Comm C数据的消息以packet数据包的形式发送给ADLP。

机载应答机在收到ADLP发出的Comm D数据传输事件后，产生包含Comm D数据录取通知的应答信号，地面S模式二次雷达收到录取通知后，随即产生包含Comm D消息预订的询问信号;目标的应答机收到预订请求后，产生包含Comm D消息预订确认的应答信号;接着，地面S模式二次雷达发送包含Comm D消息录取请求的询问信号，应答机产生包含Comm D消息数据的应答信号;雷达在收到最后一个Comm D应答信号后，将收到的帧数据合并成一个包含完整的Comm D数据的消息以packet数据包的形式按ASTERIX CAT 018格式发送给GDLP。同时，雷达关闭此次Comm D消息传输。

3 结束语

本文介绍了S模式二次雷达数据链接口控制协议，并对其提供的GICB服务、上行SVC/MSP服务和下行SVC/MSP服务进行了详细分析和功能验证。S模式二次雷达能够提供S模式特定服务，实现S模式地-空数据通信，为航空电信网设备提供了一种新的地-空数据通信技术手段。

参考文献：

[1] SUR.ET2.ST03.3112-SPC-01-00，Mode S Datalink Function Messages [S]，2007.

[2] SUR-ET2-ST03.3112-SPC-02-00，EATCHIP GDLP/Local User ICD for POEMS [S]，1999.

【通联编辑：梁书】