面向“互联网+”的民机数据链系统发展趋势*

刘天华，林 静，王 丽，王 勇

(中电科航空电子有限公司，成都 611731)

0 引 言

民机数据链系统采用民用飞机机载设备通过空地数据通信网络建立飞机与地面计算机系统之间的连接，实现地面系统与飞机之间的双向数据通信。未来的飞机是全球互联网络中的一个节点，数据链基于多种传输链路，构建网络化的生态系统，为飞机、空管部门、航空公司提供丰富的航迹、气象、放行等数据，提高飞行安全和效率。随着民机空地大容量数据传输、四维航迹运行、空域灵活组织与管理、机场高效运行等需求越来越迫切，对民机空地数据链技术发展提出了新的要求，同时对机载数据链系统架构、地面网络以及下一代空管系统的运行带来新的变革。新一代数据链技术在民航领域的应用，对适应未来高密度空域运行，增加全球民用航空系统的交通量并提高运行效率，将产生积极而深远的影响。

1 国内外数据链发展规划和路线

1.1 国外数据链发展规划和路线

国际民航组织(International Civil Aviation Organisation，ICAO)为了加强全球民用航空的安全，增加全球民用航空系统的容量并提高运行效率，促进全球民用航空系统健康、可持续增长，提出了一项15年滚动发展的战略思路《全球空中航行计划》，借助现有各种技术，根据国家/业界商定的运行目标对未来航空系统的发展制定了全球性的框架。第5版《全球空中航行计划》以每6年为一个发展阶段，对2013—2019年、2019—2025年、2025—2031年、2031年以后各个时期，在机场运行、全球互用系统和数据、最佳容量和灵活飞行、高效飞行航路这四个航空绩效改善领域，以航空系统组块升级(Aviation System Block Upgrades，ASBU)的方式，协调明确的空中和地面业务目标，以及实现这些目标所需的航空电子设备、数据链和空中交通管理系统要求[1]。

《全球空中航行计划》中的模块和相关技术路线图主要涉及通信、导航、监视、信息管理和航空电子技术等方面。《全球空中航行计划》在ASBU中对未来全球数据链技术发展做出了明确的规划。在ICAO发布的ASBU的统一框架下，美国新一代空中交通系统(Next Generation Air Transportation System，NextGen)、欧洲单一天空计划(Single European Sky Air Traffic Management Research，SESAR)、波音公司、空客公司都提出了自己的数据链发展规划和路线图。

1.1.1 ICAO规划的数据链发展框架

ICAO发布ASBU，对未来数据链的发展趋势进行的整体规划如图1所示：2019年，机场航空移动通信系统(Aeronautical Mobile Airport Communication System，AeroMACS)在场面监视中开始应用和推广；2019年，现有基于开放系统互联的航空电信网(Aeronautical Telecommunication Network/Open Systems Interconnection，ATN/OSI)逐步发展到基于IP协议的航空电信网(Aeronautical Telecommunication Network/Internet Protocol Suite，ATN/IPS)；2021年，安全宽带卫星通信数据链逐渐用于空地超视距通信；随着管制员-飞行员数据链通信(Controller Pilot Data Link Communications，CPDLC)、合约式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance Contract，ADS-C)等数据链应用技术发展，2025年左右，全四维(Four Dimensional，4D)航迹服务逐渐推广应用；2028年后，L频段数字航空通信系统(L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS)将是未来空地视距通信的主要发展方向[1]。

图1 ICAO发布的ASBU规划的数据链发展框架

1.1.2 欧美规划的数据链发展路线图

基于ICAO发布的《全球空中航行计划》，美国NextGen和欧洲SESAR联合研究新型空地数据通信能力及发展步骤，其共同的远景目标是：在飞机和地面空中交通管理(Air Traffic Management，ATM)之间引入更先进的通信手段，优化飞行计划和到达时间；引入基于卫通的操作程序，增加航路使用的灵活性；支持管制员向飞行员传递更详细的航路上的风向、风速等信息；更好地安排飞机之间的间距。

NextGen和SESAR发布联合空地数据通信服务和技术路线图如图2所示，以实现在欧美大洋飞行时的协同空中交通管理。在数据链应用和数据链技术方面：2025年，ATN/IPS协议栈开始加装应用，AeroMACS在场面监视中逐步应用和推广，安全宽带卫星通信数据链用于空地超视距通信；2028年后，采用新的视距空地数据链通信技术[2]。

图2 欧美联合空地数据通信服务和技术路线图

1.1.3 波音公司数据链实现路线图

在ICAO数据链发展框架以及欧美数据链发展路线图的引领下，波音公司发布了波音的数据链发展路线图。波音在数据链方面的主要发展目标：一方面集成机载航电和地面自动化手段以实现语音通信不能达到的能力，例如基于航迹的运行(Trajectory Based Operations，TBO)；另一方面是在合适的运行场景下使用数据链通信取代语音通信，例如通过数据链进行飞行机组与管制员之间的信息交互。数据链的应用将减小飞机飞行间隔，提高空域利用率、飞机运行效率和飞行安全[3]。

波音公司飞机的数据链装备加装及应用规划如图3所示：2016年，AeroMACS在场面监视中开始应用和推广，基于海事卫星安全快速宽带(SwiftBroadband-Safety，SBB-Safety)数据链通信的IRIS项目前期开始运行，2028年实现全面应用和推广；2024年，ATN/IPS协议栈开始加装应用；2030年后，LDACS将是未来空地视距通信的主要发展方向[4]。

图3 波音公司数据链实现路线图

1.1.4 空客公司数据链实现路线图

在ICAO数据链发展框架以及欧美数据链发展路线图的引领下，空客公司发布的空客的数据链发展路线如图4所示：2016年，基于SBB-Safety的数据链通信开始运行，2028年，开展基于IP协议的宽带卫星通信的数据链(IRIS项目)的全面应用和推广；2028年左右，AeroMACS在场面监视中开始应用和推广；2028年，ATN/IPS协议栈开始加装应用；2030年后，LDACS将是未来空地视距通信的主要发展方向[4]。

图4 空客公司数据链实现路线图

1.2 国内据链发展规划和路线

中国民用航空局(Civil Aviation Administration of China，CAAC)根据ICAO发布的《全球空中航行计划》，在航空系统组块升级方案的统一框架下，结合我国空中交通管理系统的现状、需求和发展目标，制定了《中国民航航空系统组块升级(ASBU)发展和实施策略》，指导我国中长期国内航空系统组块升级工作的开展，提升我国空中交通管理系统的安全水平和运行效率。

我国空地数据链通信实现路线图如图5所示，其主要技术发展趋势是：2017年，逐步推广AeroMACS技术在场面监视中的应用；2025年，LDACS逐渐应用在未来空地视距通信领域；2025年后，采用未来的卫星系统实现空地超视距通信；随着CPDLC、ADS-C等应用成熟及升级，全面四维航迹应用是未来空地数据通信服务的发展方向；ATN/IPS协议栈全面应用和推广[5]。

1.3 小结

根据对ICAO发布的ASBU规划、NextGen和SESAR联合发布的空地数据通信服务和技术路线图、波音公司数据链实现路线图、空客公司数据链实现路线图以及我国空地数据链通信实现路线图分析对比，未来民机数据链的发展总体趋势是，宽带卫星通信数据链用于超视距数据通信，AeroMACS在场面监视中得到广泛应用，数据链网络协议栈向着基于IP协议的ATN/IPS协议栈发展，未来空地视距通信的技术发展方向是LDACS，全面四维航迹服务逐步在全球推广。

在具体实施方面，各组织又各有不同：2016年，波音和空客开始运行基于SBB-Safety的数据链宽带卫星通信；对于AeroMACS，中国民航局、波音公司、空客公司分别计划从2017年、2016年、2028年开始推广AeroMACS在场面监视中的应用；对于ATN/IPS协议栈，波音公司和空客公司分别规划在2024年、2028年开始加装应用；LDACS面向更远期，波音和空客都规划在2030后开始应用；无论采用那种技术，各组织都将实现全面四维航迹应用作为未来的应用目标。

2 未来数据链系统架构

2.1 未来机载数据链系统架构

随着综合模块化航电系统(Integrated Modular Avionics，IMA)技术发展，新型大型客机数据链应用及协议栈以软件的形式驻留在IMA平台中，以单独设备形态存在的通信管理单元(Communications Management Unit，CMU)构型多用在原有的B737、A320等客机。随着全球“互联网+”趋势发展，以及我国国务院发布“互联网+”发展战略，中国民航局积极推进“民用航空器空中接入互联网”工作，未来的飞机将融入全球互联网，成为“互联网+”网络中的一个节点。未来的机载数据链系统架构为飞机通信寻址报告系统(Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS)与ATN/IPS协议栈并存的架构，对于数据链航空电信网，在继续沿用现有基于开放系统互联的航空电信网(ATN/OSI)的基础上，基于IP协议的航空电信网(ATN/IPS)是未来数据链协议栈的技术发展趋势。机载数据链应用既支持基于ATN/IPS网络的数据链应用，又兼容传统的ACARS网络数据链应用。未来数据链应用的空地链路选择具备更大的灵活性，不同的空地数据链路支持不同的数据链应用来满足不同用户数据传输需求。未来一种民机机载数据链系统架构如图6所示[4]。

图6 未来一种民机机载数据链系统架构

目前民机与数据链相关的域包括飞机控制域(Aircraft Control Domain，ACD)和飞机信息服务域(Aircraft Information Services Domain，AISD)，驻留在ACD域的高安全等级空中交通管制(Air Traffic Control，ATC)、空中交通服务(Air Traffic Service，ATS)和航空公司运营通信(Airline Operational Communications，AOC)数据链应用，可以选择通过飞机通信寻址报告系统网络的短波、超短波、传统卫通等通信链路提供的空地数据传输服务，也可以通过安全网关与ATN/IPS路由器通信，使用LDACS、AeroMACS、未来宽带安全卫通链路传输空地数据。驻留在AISD域的航空运营通信数据链应用，可以通过AISD域的宽带空地通信链路进行数据传输，也可以通过驾驶舱安全通信ATN/IPS网络进行传输，融入地面航空电信网。机载数据链应用根据地面网络的部署情况，可实现在ACARS网络与ATN/IPS网络间自动切换。

2.2 数据链地面网络发展规划

现有的数据链地面网关有三类：第一类为只支持ACARS网络的未来空中导航系统(Future Air Navigation System，FANS)地面网关；第二类为只支持ATN/OSI网络的ATN/OSI地面网关；第三类为ACARS和ATN/OSI网络都支持的FANS+ATN/OSI地面网关。

为了适应未来机载数据链系统架构发展，满足各种数据链应用需求，地面网络的规划和地面网关的建设也将不断升级完善现有功能。未来的数据链地面网关既要兼容现有ACARS、ATN/OSI网络，还要支持未来ATN/IPS网络。因此在现有数据链地面网关的基础上，增加了四类数据链地面网关：第一类为只支持ATN/IPS网络的ATN/IPS地面网关；第二类为支持ACARS和ATN/IPS网络的FANS+ATN/IPS地面网关；第三类为支持ATN/OSI和ATN/IPS网络的ATN/OSI+ATN/IPS地面网关；第四类为ACARS、ATN/OSI以及ATN/IPS网络都支持的FANS+ATN/OSI+ATN/IPS地面网关。未来适用于多种数据链网络的可配置地面网络部署如图7所示[4]。

图7 未来的数据链地面网络部署

3 数据链在下一代空中交通管理系统中的应用

ICAO在《全球空中交通管理运行概念》[6]中明确了下一代空中交通管理系统运行概念，数据链在下一代空中交通管理系统中的应用如下：

(1)空域组织与管理

数据链实时传输空域内的航空器飞行、气象及特殊航情信息，帮助空域管理部门实现面向用户的空域动态分配，进行灵活的空域规划设计和动态的空域运行管理，最大程度利用空域资源。

(2)机场运行

数据链及时报告航空器位置及意图，便于空管员将航空器、塔台管制、地面管制、特种车辆等纳入机场协作决策，全天候条件下增强安全性，最大限度地提高机场容量。

(3)需求与容量平衡

数据链提供的飞机起降状态报、飞机位置报、预达时间报、航路气象报、CPDLC(高度层分配、穿越限制、航路变更)等可以实时共享航空器的飞行信息、航路信息、机场信息，空管系统可利用上述信息对空中交通流量进行高效管理，实现空域和机场的需求容量平衡。

(4)交通同步

航空器通过数据链实时共享准确的四维动态航迹及其他飞行数据，使空管部门及时了解当前并预测未来的交通状况，保证空中交通的安全、有序、高效和交通同步。

(5)空域用户运行

空中交通管理系统能够通过数据链实时获取相关空域用户的运行信息，同时也能为空域用户实时提供运行必要的各种信息，在航空器的整个飞行阶段，数据链保障了航空器与多个不同空中交通管理单位的实时信息交互。

(6)冲突管理

航空器受其自身条件的约束，很多时候无法及时感知气象、尾流、有矛盾的空域活动等危险。数据链提高了航空器的感知能力，为航空器获取来自地面、其他航空器传来的信息提供了可靠的手段，协助航空器感知潜在的冲突并及时调整，将冲突发生的风险限制在一个可接受的水平。

(7)空中交通管理服务管理

数据链提供的飞行轨迹、飞行计划、气象等信息，将提高飞机在飞行所有阶段及所有服务提供者之间实施从门到门无缝运行的效率。

(8)信息服务

数据链在飞机待飞、滑行、起飞、巡航、进近、着陆、停靠登机门等阶段，按预定的消息策略在飞机和地面之间交换各种信息，为空中交通管理系统的协调、高效运行提供必要的信息保障。

4 结束语

航空运输的快速发展在促进经济进步、社会繁荣的同时也出现了空中交通增长与所需基础设施之间的矛盾。航空地空数据链技术的进步和航空电信网的发展能为应用部门提供更多样化的服务，然而出于经济效益的考虑，航空公司飞机的更新换代以及民航地面网络的建设是一个长期的过程。现有的ACARS网络已应用了30多年，并仍将在未来较长时间内继续为航空公司和空管等部门提供服务。[7]。为了适应飞机多样化服务对宽带、实时、大容量数据通信需求，大批先进的航空电子技术包括基于卫星的通信技术、数据链技术等快速发展。数据链是空中交通管理高度自动化的前提，也是保证空中交通安全有序的同时减轻飞行员和管制员工作负担的有效手段，还是提高航空公司运营效率的重要途径。在未来15年及远期，宽带卫星通信数据链、LDACS、AeroMACS、ATN/IPS、四维航迹运行等数据链新技术将提高全球民用航空系统的交通量及运行效率，在下一代空中交通管理及航司运营中得到越来越广泛的应用。