ACARS地空数据通信技术在民航领域中的应用

潘云飞 李艾婷

（1.中国民用航空华北地区空中交通管理局内蒙古分局 内蒙古自治区呼和浩特市 010070）

（2.内蒙古工业大学航空学院 内蒙古自治区呼和浩特市 010051）

1 概述

对于民用航空而言，随着飞机数目的激增，地空话音信息交换频度加大。在某些终端区，话音频段资源已经严重匮乏。另外由于受到人员语言表达能力、发音准确程度、吐词清晰程度等方面的限制，接收方在接收指令时可能出现听不懂、听不清甚至出错的情况，影响信息传输的速度和精度，而且不易实现航空情报数据的采集、传输、处理、共享和管理，也妨碍了空中交通管理系统自动化的进一步发展。未来空中航行系统（Future Air Navigation System，FANS）是通过地空数据链为载体为空中交通管理提供数字化管制服务，是空中交通管理发展的重要战略要素。基于地空数据链通信的FANS 技术，逐步替代传统的话音管制服务，能够大幅减少管制员与飞行员的通信时间，提升ATC 服务的安全性、可靠性和准确性，改善管制频率资源紧缺与拥堵，优化由于航路流量饱和、恶略天气等原因导致飞行计划航路调整的管制复杂性，因此航空数据链开始在民航领域广泛运用。

目前，数据链通信可以选择的传输媒介有甚高频(VНF)、卫星、高频（НF）、二次监视雷达的S 模式。机组会根据所处的位置自主选择最经济有效的数据传输媒介，通过地空数据链在飞机和地面系统间自动传输飞机实时位置、气象信息、管制指令、发动机状态等数据。在几种传输媒介中，VНF地空数据链相对于НF地空数据链，具有通信速率快、延迟小、可靠性高的特点。而相对于卫星数据链和S 模式数据链，VНF 地空数据链的机载设备和地面设备相对简单、低廉；易于机载设备安装、系统升级。地空数据链系统示意图如图1 所示。

2 ACARS地空数据链通信系统组成及工作原理

如果把甚高频数据链中的飞机比作移动通信网络中的手机用户的话，那么遥控地面站(Remote Ground Station，RGS)的作用就好比是电信网络中的基站,每个RGS 的覆盖范围是半径大约为200km至400km 的圆形区域（随着飞机高度层的不同覆盖半径不同）。所有的RGS 在接收到飞机下发的数据之后，都通过专用网络将这些数据传送到网控中心。网控中心的网络管理和数据处理系统将这些数据处理入库后，根据数据中的地址信息和自己的路由表将报文通过专用网络再传送到目的用户。ACARS 是典型的飞机与地面间的甚高频地空数据链,它是基于一种面向字符型的VНF 数据链。其所采用的ARINC618 协议和ARINC620 协议是典型的文本电报字符格式，但是为了建立端到端的应答式通信链接，采用了CAT-A和CAT-B 两种典型的地空通信链控制模式。另外，ACARS 数据链还采用了MSK 调制方式。

图1：地空数据链系统示意图

图2：ACARS 系统组成示意图

2.1 ACARS系统组成及功能

ACARS 系统主要由五部分组成：机载设备、网控和数据处理中心、地面传输网络、VНF 遥控地面站、用户子系统，如图2 所示。

2.1.1 机载设备

机载设备的核心是通信管理单元(Management Unit, MU)。MU 一方面与机载VНF 收发信机相连，另一方面通过ARINC429总线与其他机载数字数据终端设备相联，如飞行管理系统(Flight Management System，FMS)、维护计算机及驾驶舱终端等，完成数据采集、报文处理、调制解调、数模信道切换等功能，是VНF 数据链通信系统的空中节点。主要功能是将机载系统采集的各种飞行参数信息通过地空数据链发送到地面RGS 站，并接收地面网通过RGS 站转发来的信息。

2.1.2 网控和数据处理中心 (Network Management Data Processing System, NMDPS)

网控和数据处理中心是VНF 地空数据通信系统的核心。它采用以太网拓扑结构，使用标准的TCP/IP 协议，与各地的RGS 站构成一个广域网，地面通信网采用X.25 协议。主要功能是执行对RGS 站的监测与控制,完成数据包的寻址、路由选择等处理；实施对射频信道的分配；进行输入输出通信的管理以及整个子系统的管理。它是一个开放式的体系结构，可以灵活地根据用户的需求扩展功能。

2.1.3 地面传输网络

地面传输网络包括RGS 与NMDPS 之间的传输链路以及NMDPS 与用户子系统之间的传输链路。其中，RGS 站与NMDPS之间的传输采用“一地一空”的冗余方式，即地面专线 (自动拨号连接 )和专用卫星通信网，主用卫星通信链路。而NMDPS 与用户子系统之间的传输链路主要采用地面数据通信服务商提供的专用地面网络。

2.1.4 VНF 遥控地面站RGS

RGS 是甚高频数据链系统的地面节点，是连接飞机与NMDPS的地面桥梁。它包括甚高频收发信机、集成控制单元、与地面网连接的路由器和调制解调器、GPS 授时模块及天线、单板计算机和相应的系统软件。主要功能是通过地面传输网络，将机载ACARS 设备发送的下行数据，以及NMDPS 发送的上行链路报文进行转载。RGS目前均为半双工方式，使用同一频率进行对空接收和发射数据，传输速率为2.4Kbps。

2.1.5 用户子系统

按照应用对象，ACARS 用户子系统主要为面向空管部门的空中交通管制服务(ATS)与面向航空公司的运营管理(AOC)。

2.2 ACARS数据链信号流程

ACARS 数据链采用地面宿主处理模式，即RGS 站收到飞机的报文以后，传输到地面宿主处理器进行处理，再由宿主处理器分发到空管部门或航空公司进行处理。当管制部门或航空公司签派部门需要向飞机发送上行报文时，先将报文发送到宿主处理器，再由宿主处理器根据下行报文的历史记录查出飞机可能的位置，通过将此报文传送到离飞机位置最近的RGS，再由RGS 将报文发送至飞机。

设施联通、贸易畅通和资金融通是“一带一路”建设的重点，而这些专业领域人才的培养离不开相关行业企业与高校的密切合作。周谷平等认为身处“一带一路”建设第一线的产业界最清楚沿线国家的经济需求以及与之相匹配的人才需求，因此加强两者间的合作既要求产业界要及时向高校传递人才需求信息，也要求高校主动与产业界协同制定人才规格标准、联合开展人才培养培训[6]。

2.2.1 ACARS 下行数据链路

机载终端通过载波侦听多址访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)来实现机载终端的无线接入。机载ACARS 应用设备需要发送下行数据时，首先通过机载总线传输给机载MU 单元；机载MU单元按照ARINC-618规范生成相应下行链路ACARS报文，并封装为ACARS 物理帧，完成ACARS 信号的MSK 调制；然后将信号送入机载甚高频发射机进行AM 调制、上变频、功率放大，最后送入机载甚高频发射天线。

图3：ACARS 下行数据链路原理图

图4：MSK 的归一化频谱图

RGS 站的甚高频接收机接收空间的下行ACARS 射频信号，完成射频接收、下变频、AM 解调；单板计算机完成信号的MSK解调，从ACARS 物理帧中提取ACARS 报文，提交给设备接口单元；设备接口单元将ACARS 报文数据提交给RGS 站的路由器；路由器将TCP/IP 报数据转换为X.25 报文数据，通过卫星专线或地面专线传输给ACARS 系统的NMDPS；NMDPS 接收到RGS 传输的ACARS 报文后，按照ARINC-620 规范完成报文格式转换；NMDPS 通过地地专线发送给ACARS 地面应用子系统（空管、航空公司应用子系统）。ACARS 下行数据链路如图3 所示。

2.2.2 ACARS 上行数据链路

与下行链路相反，ACARS 地面应用子系统（空管、航空公司应用子系统）按照ARINC-620 规范产生报文；并通过地面专线发送给ACARS 系统NMDPS；NMDPS 接收到ACARS 应用系统传输的ACARS 报文后，按照ARINC-618 规范完成报文格式转换；格式转换后的ACARS 报文数据通过卫星专线或地面专线传输到相应的RGS 站；RGS 站收到ACARS 报文后，通过空地上行链路将报文传输给机载MU 单元；机载MU 单元根据上行链路报文类型，将报文分发给相应机载设备进一步处理显示。

2.3 ACARS系统的调制技术

在ACARS 系统采用二次调制技术。先对码元进行最小移频键控（MSK）数字调制，再用一个固定分配的频率作为载波对MSK已调信号进行模拟调幅（AM）。

图5：AM 的频谱图

图6：VHF 数据链在航务管理中的应用

2.3.1 ACARS 数据链信号的时域分析

公式（1）中，ωc=2πfc代表MSK 调制载波角频率，fc分别为2400Нz 和1200Нz，通过该两种频率的不同组合，表示二进制信号“0”和“1”；TS为码元宽度；φk表示第k 个码元的起始相位；αk代表第k 个码元发送符号，当发送码元为1 时，αk取值为+1，当发送码元为0 时，αk取值为-1。

AM 是模拟通信中一种幅度调制，使载波的振幅按照所需传送信号的变化规律而变化,但频率保持不变的。其已调信号的时域数学表达式为：

公式（2）中，ω0=2πf0为AM 调制的载波角频率，中国地区ACARS 系统基频频率f0为131.45MНz。

2.3.2 ACARS 数据链信号的频域分析

MSK 调制与其他调制方式相比，MSK 信号具有恒包络特性，其优势在于MSK 调制信号的功率谱密度更加紧凑，第一个零点即其主瓣宽度在0.75/TS 处，在主瓣带宽之外，功率谱旁瓣的下降更为迅速，占据的射频带宽较窄，对领道干扰也较小，频带利用率高，相干检测时的误码率性能较普通频移键控好3dB 以上，因此适合民航空间无线电的窄带传输。MSK 的归一化频谱图如图4 所示。

AM 普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化, 其频谱上边带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁, 总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。AM 的频谱图如图5 所示。

通过对MSK 与AM 的频谱分析，在ACARS 数据链系统中，由于采用了二次调制技术，因此当一次调制的MSK 信号，作为二次AM 调制的输入信号时，最终在空间形成的无线电频谱与民航甚高频传统单一采用的AM 调制有着本质的区别，因此在民航无线电监测时需要进一步的数据采集与论证。

3 VHF数据链通信的主要应用

目前，VНF 数据链通信的主要应用集中在空管部门的空中交通管制应用和航空公司的航务管理应用。空中交通管制与服务应用系统包括：数字化起飞前放行系统(Departure Clearance Delivery, DCL)、数据链自动化航站信息通播服务(DataLink Automatic Terminal Information Service, D-ATIS)、管制员飞行员数据链通信 (Controller Pilot Data Link Communication, CPDLC)等。航空公司的应用主要是：飞行运行监控系统、飞机维修与远程状态监控和故障终端系统、地面服务和支持系统等。

3.1 民航数字空管系统应用

民航数字空管系统由DCL与D-ATIS组成。设备由DCL服务器、ACARS 网关、AFTN 网关、ATM 路由器、拨号路由器、PDC 用户终端、D-ATIS 用户终端等组成。

DCL 技术通过甚高频数据链，实现机场塔台管制员对飞机的放行许可。当飞机需要起飞时，飞行员向塔台管制员发出请求，由塔台发出飞机放行许可信息，机载设备接收到放行许可信息，并显示在机载多功能显示单元。DCL 有效的解决了目前人工语音预放行服务中出现的语音通信频道拥挤、语音歧义性等问题，显著提高大型机场管制服务效率和信息服务水平。DCL 服务信息在包含所有传统服务信息的基础上，还增加了如报文服务信息、飞行员和管制员自由信息等其他服务信息，在放行过程中增大了飞行员和管制员的通信自由度。

D-ATIS 技术根据飞行员的请求，地面系统自动将请求机场的机场信息（包括：起降机场的气象、温度、风向、风速、跑道信息等）发送到机载多功能显示单元。D-ATIS 有效解决使用单一自动语音通播服务时间占用长、误听概率大、服务范围小等问题；大幅度降低了管制员与飞行员的工作强度和工作压力，提高空中管制效率和安全性。D-ATIS 通过合成语音技术完全兼容已有的自动语音通播系统，并能够通过简单文字录入的方式实现临时语音合成通播等功能。

3.2 CPDLC功能

管制员 /飞行员数据链通信(CPDLC)是利用甚高频或者卫星传输媒介，将数据报文替代语音进行空中交通管制的通信手段，从而完成管制员与飞行员之间信息交换。包括与管制过程相对应的一系列的放行、信息、请求等报文元素，如高度分配、穿越时间、航路变更和放行、速度分配、无线电频率分配以及各种信息的请求。飞行员可以通过报文做出响应、申请放行、报告信息、宣布/放弃紧急状态。管制员可以通过报文来实现放行、请求报告、分配频率等几乎所有的管制操作。指令和请求均以数据报文的形式传输，可以弥补语音通信的信道拥挤、误解、听错、信号失真和破坏等缺陷。同时，CPDLC 还为管制员和飞行员提供了自由格式报文的功能。CPDLC 功能已经在我国的L888 航路得到使用。

3.3 航空公司航务管理应用

航空公司的运营系统通过与VНF 地空数据链的连接，为其多项业务提供准确、快捷的信息服务，包括飞行运行、机务维修和工程技术支持等。飞行运行动态地图显示处理系统从ACARS 报文中获得飞机的经纬度数据，将数据转换为可用于地图显示的数据格式，在地图窗口显示飞行动态，根据OOOI 状态报 (推出Out、离地Off、着陆On、停靠Into)、飞越报、过境报、FPL 报、CPL 报等数据信息模拟计算，模拟显示飞机的飞行情况，确保航空公司对运行进行有效的管理。发动机监控和报告使得正常情况下的实时监控和应急情况下对飞机作出及时的判断与处理成为可能，减少了航班延误以及降低了机务人员的工作负荷。气象服务可让飞机离地后，飞行员还能及时掌握航路和目的地天气，可以及时作出备降返航的决策或提前做好准备。飞行人员还可以使用很多其他功能，如飞行计划、舱单、起飞数据的上传和确认、定期的位置报告、预计到达时间和飞行进程报告等。VНF 数据链在航务管理中的应用如图6所示。

4 结语

地空数据链通信与传统地空语音通信相比，克服了航空话音通信系统传输速度慢、占用信道时间长、可靠性差等缺点，并且具有抗干扰能力强、误码率低的特点。同事可显著降低飞行员对地面管制员语音信号的误解而产生的错误，降低管制员的劳动强度。地空数据链通信有助于实现空中交通指挥的自动化，提高航空运输的安全性、航空运输企业的经济效益，因此已经成为航空通信系统发展的主导方向。