VHF 机载电台ACARS 功能激活方法的研究

岳 猛，洪雪婷，蒋一阳，郑 瀚

（中国民航大学a.安全科学与工程学院；b.电子信息与自动化学院，天津 300300）

飞机通信寻址与报告系统（ACARS，aircraft communication addressing and reporting system）是当前民航空地数据通信的方式之一。其应用非常成熟，已成为空中交通服务、航空公司运行控制、机务维修、航空行政管理等重要业务的实现手段。

近些年来，国内对ACARS 的研究主要集中在两个方面，一是ACARS 接收设备的设计与实现。郭旭周[1]提出了便携式地空数据链调制解调器的设计方案，开发出一种专用调制解调器，实现地空数据链通信；张淼等[2]提出了甚高频数据链地面站优化设计思想，主要从算法复杂度和串口数据交互两个方面进行了优化；袁树德等[3]提出基于二码元长度的ACARS 信号分析算法，该算法具有良好的报文译码性能。二是对ACARS 的上下行数据报进行相关应用研究。邓雪云等[4]利用地空数据链数据驱动三轴转台，研究了基于ACARS 报文的半实物远程监控技术；王旭辉等[5]基于发动机气路数据的ACARS 报文提出利用最小二乘支持向量机在线预测航空发动机气路参数；王晨熙等[6]利用ACARS数据，提出了一种雷达与ACARS 数据融合算法，提高了空中目标监控的连续性，扩大了空中目标监控的范围。现有研究虽然取得了一些进展，但是还存在如下几个问题：①现有研究主要集中于地面设备，对于机载设备的研究较少；②现有研究主要涉及物理层和应用层，但对于协议栈其他层的研究较少；③ACARS 机载设备部件之间的铰链关系、逻辑接口和协议规范缺乏系统性的梳理；④ACARS 机载电台厂商都在国外，相关标准规范也都是由欧美发达国家主导，目前缺乏研究来验证设备与标准的符合度。

由于机载设备都是由国外生产，虽然有对应的航空无线电公司（ARINC，AeronauticalRadio Incorporated）标准可以作为参考，但是国外设备就如同一个黑盒子，很难搞清楚其设备究竟是否一定按照标准来实现。因此，激活国外的航电设备是一个难题[7-8]。VHF-2100 是一款具有代表性的机载甚高频（VHF，very high frequency）电台，用于空客A318/A319/A320/A321、A330/A340 机型以及波音B737、B747-400、B777 和B787 机型。在国产大飞机的背景下，针对ACARS 机载电台无国产化的现状，激活典型的国外电台可以验证接口规范和数据交互时序关系，从而有助于机载电台的国产化并通过适航审定。

1 ACARS 系统总体架构

ACARS 系统可以分为机载子系统、地面子系统两部分[9-11]。目前基于VHF 链路的ACARS 系统总体架构如图1 所示。

图1 ACARS 数据链系统结构Fig.1 Architecture of ACARS data link system

1）机载子系统

图1 所示的机载子系统都与ACARS 数据链系统相关，其中包括：①甚高频数字电台（VDR，VHF data radio），主要负责频率的调谐，收发ACARS 数据，要激活的航材VHF-2100 就是一台VDR；②通信管理单元（CMU，communication management unit），用于生成ACARS 数据报，对VDR 进行配置，对数据进行管理与路由；③飞行管理计算机（FMC，flight management computer），用来组织、协调和综合多个机载电子设备的信息，为下行ACARS 报文提供数据源，同时也接收上行ACARS 数据；④飞机状态监视系统（ACMS，aircraft condition monitoring system），用于采集原始数据，并将其转换成ACARS 系统可用的数据形式；⑤多功能控制与显示组件（MCDU，multifunction control display unit），作为机组人员与ACARS 系统交互的显示器；⑥打印机（Printer），作为机组人员与ACARS 系统交互的另一种方式。

2）地面子系统

地面子系统中主要包含远端地面站（RGS，remote ground station）和数据服务提供者（DSP，datalink service provider）。RGS 用于飞机与地面数据网的连接，负责接收来自机载ACARS 设备发送的下行数据链报文，并通过专用的数据网络发送至DSP 中心；同时也负责接收来自DSP 管理与处理系统的上行数据链报文，并通过空地数据链发送至机载ACARS 设备。在本文的激活环境中，RGS 设备用于验证VHF-2100 是否能够收发上下行ACARS 数据，空地间的通信协议遵照ARINC 618[12-14]。

2 CMU 与VDR 接口规范

激活VHF-2100 的关键是与其直连的CMU，二者的开放式系统互联（OSI，open system interconnect）模型如图2 所示，包括：物理层、数据链路层和网络层。

图2 CMU 和VDR 的OSI 模型Fig.2 OSI model of CMU and VDR

2.1 物理层

在物理层采用ARINC429 总线传输数据[15]。ARINC 429 有两种可供选择的数据发送速度：高传输率100 kbps（±1%）和低传输率12.5 kbps（12.5～14.5 kbps），同一连接中上述两种速率的总线不能混用。CMU 与VDR 之间的接口都选择高速率传输。

2.2 数据链路层

CMU 与VDR 之间的接口协议既可以使用面向比特的协议（BOP，bit oriented protocol）版本1 也可以使用BOP 版本3。因此，CMU 与VDR 在交互消息前，需要按照BOP 协议中规定的版本协商方法定义接口使用的BOP 协议版本号。CMU 与VDR 使用的ARINC 429消息有广播离散控制字（简称广播字）、协议协商字、SOLO 字和面向比特介质访问控制协议字。

2.2.1 ARINC 429 广播离散控制字

CMU 和VDR 都会周期性地发送设备状态消息[15]。设备状态消息的格式为ARINC 429 广播字。设备状态消息的具体格式与消息的Label 和设备有关。CMU 广播字包括172 字和270 字，格式如表1 和表2 所示。

表1 CMU 广播字（172 字）Tab.1 CMU broadcast word（172 word）

表2 CMU 广播字（270 字）Tab.2 CMU broadcast word（270 word）

172 字告知VDR 当前CMU 的SAL（system address label），广播速率1 次/s；270 字用于告知VDR 当前CMU 是工作CMU 还是备用CMU，广播速率1 次/s。

VDR 广播字包括172 字、270 字和377 字，格式如表3—表5 所示。

表3 VDR 广播字（172 字）Tab.3 VDR broadcast word（172 word）

表4 VDR 广播字（270 字）Tab.4 VDR broadcast word（270 word）

表5 VDR 广播字（377 字）Tab.5 VDR broadcast word（377 word）

172 字告知CMU 当前VDR 的SAL 和支持的地空协议，广播速率1 次/s；270 字用于告知CMU 当前VDR 的状态，广播速率1 次/s；377 字告知CMU 当前VDR 的标识码，广播速率1 次/s。

2.2.2 协议协商字

面向比特的协议协商遵循ALOHA（additive link on-line Hawaii system）协议，当一个系统需要和另一个系统协商协议版本时，发送端构建ALO（ALOHA）字并将其发送给接收端。接收端如果支持面向比特链路层协议，当收到ALO 字时，会中断当前任务并在一定时间内发出一个ALR（ALOHA response）字作为响应。ALO 和ALR 的格式如表6 所示。

表6 协议协商字Tab.6 Protocol negotiation word

2.2.3 SOLO 字

无论是控制和配置VDR 消息还是ACARS IP（interface protocol）消息，CMU 和VDR 的接口消息中都使用了SOLO 字[15]。SOLO 字的前8 比特为SAL 字段，填写目的设备的SAL。源端通过目的设备广播的系统地址标签消息获得目的设备的SAL。SOLO 字的25～28 位表示SOLO 字的类型，当为全1 时，为扩展SOLO 字。

1）控制和配置VDR 消息SOLO 字

控制和配置VDR 消息SOLO 字使用普通的SOLO字，其ID 字段（25～28 位）应设为2H。17～24 位为PID字段，用于区分不同的控制和配置VDR 消息类型。格式如表7 所示。

表7 控制和配置VDR 消息SOLO 字Tab.7 SOLO word of controlling and configuring VDR message

CMU 通过模式设置字请求VDR 将CMU_STATUS设为CMD 状态，模式设置请求和应答（MODE_SET.request/MODE_SET.confirm）消息的格式如表8 所示。

表8 MODE_SET.request/MODE_SET.confirm 消息Tab.8 MODE_SET.request/MODE_SET.confirm message

CMU 通过协议设置字请求VDR 设置有效的空地通信协议，协议设置请求和应答（PR_SET.request/PR_SET.confirm）消息的格式如表9 所示。

表9 PR_SET.request/PR_SET.confirm 消息Tab.9 PR_SET.request/PR_SET.confirm message

2）ACARS IP 消息SOLO 字

ACARS IP 协议中使用的SOLO 字通用格式如表10 所示，为扩展的SOLO 字。ACARS IP 消息SOLO 字的PID 字段（21～24 位）表示接口协议，对ACARS IP来说，该字段值为2H。

表10 ACARS IP 消息SOLO 字Tab.10 SOLO word of ACARS IP message

一个典型的ACARS IP 协议中的信号质量指示（SQP.indication）消息格式如表11 所示。

表11 SQP.indication 消息Tab.11 SQP.indication message

2.2.4 面向比特介质访问控制协议字（BOP3）

目前CMU 与VDR 接口协议普遍使用面向比特介质访问控制协议字（BOP3）[15]，BOP3 是在BOP1 的基础上派生出来的。一次传输的数据内容由255 个字增加到1 023 个字，并将MAC（media access control）子层独立出来，与IEEE 802 兼容。

1）控制和配置VDR 消息文件传输

使用BOP3 的控制和配置VDR 消息文件传输格式如图3 所示。

图3 控制和配置VDR 消息文件传输Fig.3 File transfer of controlling and configuring VDR message

控制和配置VDR 消息文件的GFI（general format identifier）字段为0010B，CT（command type）字段应设为“命令”，为00B。控制和配置VDR 消息的各个字段填入LDU（link data unit）的数据域中，依次为：主标识、数据字段长度和数据字段，如图3 中绿色部分。

CMU 对VDR 的配置主要是参数配置和地址配置。参数配置请求和应答（PARAM.request/PARAM.confirm）消息如表12 所示，配置的参数包括工作频率和调制方式。

表12 PARAM.request/PARAM.confirm 消息Tab.12 PARAM.request/PARAM.confirm message

地址配置请求和应答（ADDR.request/ADDR.confirm）消息如表13 所示，地址配置用于管理VDR 使用的地址，以及地址筛选。

表13 ADDR.request/ADDR.confirm 消息Tab.13 ADDR.request/ADDR.confirm message

2）ACARS IP 消息文件传输

使用BOP3 的ACARS IP 消息文件传输格式如图4 所示。

图4 ACARS IP 消息文件传输Fig.4 File transfer of ACARS IP message

ACARS IP 消息文件类型分为COMMAND 和DATA两类，SOF（start of frame）字中的VDR 的CT 字段为00B 时，表示命令，为01B 时，表示数据。ACARS IP 消息文件类型使用扩展的BOP 文件格式。扩展的BOP文件格式定义为：SOF 字的GFI 字段为全1，数据域开头的第1 个字的第1 个字段为EGFI（extended GFI），ACARS IP 为F2H。ACARS IP 文件内容放在数据域中，依次为EGFI、主标识、数据字段长度和数据字段，如图4 中绿色部分。

ARINC 618 格式的ACARS 报文作为数据部分，封装在ACARS IP 消息文件传输格式中。下行数据报文格式如表14 和表15 所示。UNITDATA.request 消息包含了下行ACARS 报文，UNITDATA.confirm 消息用于VDR 确认收到了UNITDATA.request。

表14 UNITDATA.request 消息Tab.14 UNITDATA.request message

表15 UNITDATA.confirm消息Tab.15 UNITDATA.confirm message

VDR 接收地面站上行的ACARS 报文，将其封装在UNITDATA.indication 消息中发送给CMU。UNITDATA.indication 消息格式如表16 所示。

表16 UNITDATA.indication 消息Tab.16 UNITDATA.indication message

2.3 网络层

在VDR 和CMU 接口上运行ACARS IP 协议的目的是更好地支持ACARS 空地协议的运行[15]。当ACARS IP 协议的消息为命令类型文件传输时，一般用于ACARS IP 协议的管理及配置；当ACARS IP 协议的消息为数据类型文件传输时，一般用于ACARS 空地协议消息的传输。ACARS 空地协议消息块的一般格式（符合ARINC 618 的消息格式）如表17 所示。

表17 ACARS 空地协议消息格式Tab.17 Message format of ACARS air-ground protocol

3 CMU 与VDR 数据交互时序关系研究

CMU 与VDR 之间除了周期性广播之外，还需要按照图5 所示的时序关系交互信息，才能完成ACARS数据的收发。这个过程称为协议协商。

图5 协议协商流程Fig.5 Protocol negotiation process

上述步骤中，虚线以上部分是CMU 与VDR 之间的协议协商，虚线以下部分是发送上下行ACARS 数据。协议协商是收发ACARS 数据的前提，如果协议协商未完成，则无法收发数据。

4 VHF-2100 电气连接特性

除了接口规范和数据交互时序关系，要想激活VHF-2100 机载电台的ACARS 功能，还需要知道该设备的电气连接特性，才能搭建激活平台。VHF-2100 电台背后由3 部分电气接口组成，分别是P1TP、P1MP和P1BP。

3 部分电气接口由很多销钉组成，实现与上/下游设备的连接。其中：P1TP 提供设备位置和工作状态信号，P1MP 提供包括ACARS 在内的各种功能信号，P1BP 负责供电以及外接天线。与激活直接相关的各销钉具体功能如表18 所示。

表18 VHF-2100 相关销钉Tab.18 Related pin of VHF-2100

表18 中，第1～2 行表示VHF-2100 向CMU 输出的数据接口，第3～6 行表示VHF-2100 的两路数据输入接口，分别对接CMU 的A 和B 端口。表中的429A表示双极性归零码的高电平，429B 表示双极性归零码的低电平。

5 VHF-2100 电台ACARS 功能测试验证

5.1 测试平台架构

为了验证接口规范性和协议协商的正确性，搭建一个激活VHF-2100 的测试平台。判断能否激活的准则是检查此VHF-2100 能否正常收发上下行ACARS数据。总体激活环境由6 部分组成：MCDU 模拟器、CMU 模拟器、其他相关设备模拟器、VHF-2100 电台、VGS-1000 地面站和DSP 模拟器。如图6 所示。

图6 激活平台架构Fig.6 Architecture of activating platform

图6 中，MCDU 模拟器和其他相关设备模拟器负责为CMU 模拟器提供数据源，MCDU 模拟器还有显示信息和配置CMU 模拟器的功能；CMU 模拟器负责激活VHF-2100 电台的ACARS 功能；VGS-1000 地面站和DSP 模拟器用于验证VHF-2100 能否收发ACARS报文。CMU 模拟器运行于带有ARINC 429 板卡的PC机上，通过ARINC 429 总线与VHF-2100 电台相连。VHF-2100 电台和VGS-1000 地面站是真实航材，两者之间通过衰减器无线连接。VGS-1000 地面站提供RS232 串口与DSP 模拟器连接。

5.2 测试过程及结果

（1）CMU 没有与VHF 地面站建立初始链接，MCDU 页面显示如图7 所示。可以看出页面底部的“NO COMM”表示未建立空地连接。

图7 未建立连接Fig.7 No connection

（2）CMU 进入POA（plain old ACARS）扫描阶段。CMU 在期望的频率上发Label 为Q0 的报文，VGS-1000 进行连接测试，如果在该频率上收到VGS-1000上传的数据报，则建立初始连接成功。页面显示如图8所示。可以看出页面中的“POA SCAN”表示正在进行扫描。

图8 POA 扫描Fig.8 POA scan

（3）CMU 与地面站建立连接后，页面显示如图9所示，“NO COMM”消失，显示“POA COMM”和“LINK TEST SUCCESSFUL”，说明通信已经建立。

图9 POA 通信Fig.9 POA communication

（4）CMU 进入POA 通信状态后，空地之间便可发送上下行ACARS 数据报。以下行的位置报告（POSITION RPT）为例，当手动发送1 个下行位置报告时，MCDU的配置如图10 所示。图中包括当前位置、海拔、第2个报告点位置、下一报告点位置，以及对应的预估时间，还包括速度、大气静温、燃油量。

图10 位置报输入Fig.10 Input of position message

按压SEND*，CMU 发送Label 80 的报文，DSP 收到的报文内容如下：

可以看出DSP 接收到的报文和图10 中CMU 发出的报文一致，并且DSP 做出正常回复。以上测试过程以及测试结果说明VHF-2100 电台的ACARS 可以被激活，从而验证了所设计的接口规范和时序过程是正确的。

6 结语

本文对VHF-2100 机载电台进行研究，旨在激活其ACARS 功能，从而验证激活方法的正确性。分析了CMU 与VDR 之间的接口数据格式，包括广播字、协议协商字、SOLO 字和BOP3；梳理了CMU 与VDR 之间的数据交互时序关系，包括与电台的协议协商、对电台的调谐和上下行ACARS 数据的传输；以真实航材搭建ACARS 通信测试平台，使VHF-2100 电台能收发ACARS 报文。本研究对于国产机载电台的设计开发有实际的工程意义，开发者可以根据本文的方法来验证所开发的机载电台是否符合国际标准，不再需要专门购买国外设备用于生产测试，从而降低了开发成本和周期。