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飛機通信尋址與報告系統

飛機通信尋址與報告系統（英語：Aircraft Communication Addressing and Reporting System，縮寫：ACARS）是一種在航空器與地面站之間通過無線電或衛星傳輸短消息（報文）的數字數據鏈系統。該協議於20世紀70年代提出，當時稱之為Telex。

歷史

在數據鏈系統出現之前，地面人員和飛行人員之間的所有交流只能通過語音進行。這種通訊以甚高頻或高頻語音無線電通信方式實現。1990年代早期衛星通信技術的引入，使這種通信模式得到了進一步加強。

簡介

航空公司為了減少機組人員的工作負荷，提高數據的完整性，在1980年代末引入飛機通信尋址與報告系統。有少數飛機通信尋址與報告系統在此之前就已經出現，但未在大型航空公司得到廣泛的應用。雖然飛機通信尋址與報告系統通常出現在關於數據鏈設備（航空電子系統中的一種現場可更換單元）的敘述中，但這個術語實際上是指完整的空中及地面系統。在飛機上，飛機通信尋址與報告系統由一個稱為飛機通信尋址與報告系統管理單元(MU)的航電計算機和一個控制顯示器單元(CDU)組成。MU用以發送和接受來自地面的甚高頻無線電數字報文。在地面，飛機通信尋址與報告系統由一個有多個無線電收發機構成的網絡組成，它可以接受（或發送）數據鏈消息，並將其分發到網絡上的不同航空公司。

起初，飛機通信尋址與報告系統根據ARINC597標準設計。該系統在1980年代末期升級以滿足ARINC724標準。ARINC724定義了航空電子設備數字數據總線接口。該標準後來又修訂為ARINC724B。1990年代所有的數碼化飛機都採用了ARINC724B標準。這樣，用於飛機通信尋址與報告系統管理單元的ARINC724B規範，用於飛行管理系統的ARINC739規範，以及用於打印機的ARINC740規範就構成了一個協同工作的工業標準協議族。現在，工業領域又出現了新的ARINC規範，稱為ARINC758,它是為下一代飛機通信尋址與報告系統管理單元—CMU系統設計的。

OOOI狀態（OOOI Status）

飛機通信尋址與報告系統的第一個應用是去自動檢測和報告飛機在主要飛行階段（推出登機門——Out of the gate；離地——Off the ground；着陸——On the ground；停靠登機門——Into the Gate，工業上簡稱OOOI）的變化。這些OOOI事件是由飛機通信尋址與報告系統管理單元通過飛機上各種傳感器（例如艙門、停留剎車和起落架上的開關傳感器）的輸出信號來確認的。在每一飛行階段的開始時刻，ACARS將一個數字報文發送到地面，其中包括飛行階段名稱、發生時刻，以及其他諸如燃油量或始發地和目的地。起初這些信息被用在航空公司的自動薪酬計算系統中，因為在這些公司裏飛行人員的薪酬是與實際飛行掛鈎的。

飛行管理系統接口

除了上述功能外，飛機通信尋址與報告系統還增加了支持其他機載航電設備的新接口。於1980年代末期至1990年代初期，在飛機通信尋址與報告系統和飛行管理系統之間的數據鏈接口出現了。這個接口可以將地面發送到機載ACARS管理單元上的飛行計劃和氣象信息，轉發到FMS。這樣，在飛行過程中航空公司就可以更新FMS中的數據，使得機組人員可以評估新的氣象條件，或者變更飛行計劃。

下載維護數據

1990年代早期，飛機通信尋址與報告系統同飛行數據採集與管理（FDAMS）或飛機狀態監控系統（ACMS）之間接口出現，使得數據鏈系統在更多的航空公司得到應用。通過使用ACAS網絡，航空公司就可以在地面上實時得到FDAMS/ACMS（用以分析航空器、引擎和操作性能）上的性能數據。這樣，維護人員就不用非得等到飛機回到地面後才上到飛機上去獲取這些數據了。這些系統能夠識別出不正常的飛行，並自動向航空公司發送實時報文。詳細的引擎狀態報告也能經ACARS發送到地面。航空公司據此來監控引擎性能並規劃維修活動。

除了與FMS和FDAMS的接口，從1990年代開始，工業領域又開始升級機載維護計算機，使它可以通過ACARS實時傳送飛機的維護信息。航空公司維修人員通過這些信息和FDAMS數據，甚至在飛行過程中就可以規劃有關航空器的維修活動。

人機介面

上述處理過程都是由飛機通信尋址與報告系統及相關系統自動執行的。隨着飛機通信尋址與報告系統的發展，飛機通信尋址與報告系統控制單元現在同駕駛艙內的控制顯示單元(CDU)之間有了直接連接。CDU，通常也稱MCDU（多功能CDU）或MIDU，讓機組可以像今天收發電子郵件一樣收發消息。這項功能使飛行人員能夠處理更多類型的信息，包括從地面獲取各種類型信息以及向地面發送各種類型報告。

舉個例子，飛行員想獲得某一地點的氣象信息。通過在MCDU屏幕上輸入地點及氣象信息類型，飛行員通過ACARS系統將此請求發送到地面站，之後地面計算機處理該請求，並將應答信息發回飛機上的ACARS管理單元顯示或打印出來。

為了支持更多的應用，如氣象、風、放行、中轉航班等，ACARS的消息類型愈來愈多。航空公司為了某些特定的應用和特定的地面計算機開始定製ACARS系統。這導致了每家航空公司都在自己的班機上安裝了自己的飛機通信尋址與報告系統應用。有些航空公司為機組安裝了多達75個MCDU，而少的則只有十來個。除此之外，每家航空公司的地面站以及機載飛機通信尋址與報告系統管理單元發送和接受的消息內容及格式也各不相同。

運作

由人員或機載設備創建報文並通過飛機通信尋址與報告系統將其送達地面的人員或系統，反之亦如此。飛機通信尋址與報告系統報文可以以手工或自動方式發送。

甚高頻子網

甚高頻子網是由多個甚高頻無線電地面站組成的一個網絡，其目的是確保航空器在世界上任何一個地方都能同地面終端系統進行實時通信。甚高頻子網是在視距範圍內進行通信的，並與地面收發機（通常指遠程地面站）保持聯繫。甚高頻信號的傳輸範圍受高度影響較大，在高高度上，甚高頻信號傳輸範圍一般也就200英里。因此甚高頻通信僅在設有地面甚高頻子網的陸地區域適用。

典型的VHF ACARS報文
Mode A
Aircraft B-18722
Ack NAK
Block id 2
Flight CI5118
Label B9
Msg No. L05A
Message /KLAX.TI2/024KLAXA91A1

通信衛星及高頻子網

衛星通信(SATCOM)可以覆蓋除地球高緯地區（如飛越極地地區）外的所有地區。而新近出現的高頻數據鏈系統則於1995年才開始建設，於2001年完成。其主要目的就是為了覆蓋極地地區。安裝有高頻數據鏈系統的航空器能夠執行極地航路飛行，並保持與地面系統的聯繫（如空中交通管制中心和航空公司的運行控制中心）。ARINC是高頻數據鏈的唯一通信提供商。

數據鏈報文類型

三種報文類型：

ATC報文是由ARINC 623規範定義的。主要用於機組請求放行，由地面人員進行放行。AOC及AAC報文用於飛機和基站之間通信。這些報文或者由用戶定義，或者由ARINC 618/633規範定義。不同的報文類型可能包含諸如油耗、引擎性能數據和飛機位置等自由文本信息。

下傳鏈路例子：離場延遲

飛行員有時會通知自己的飛行運行管理部門，當地空管部門推遲了本航空器的離場時間。在這種情形下，飛行員首先在通信管理單元(CMU)或多功能控制顯示器(MCDU)上輸入延遲原因和他期望的離場時間。輸入之後，飛行員按下MCDU上的發送鍵。一旦CMU檢測到該按鍵事件，它就生成一個包含延遲信息的數字報文。該報文可能包括如下內容：航空器註冊號，始發地和目的地代碼，未延遲時的估計到達時間(ETA)，及當前期望抵達時間。然後CMU將此報文發送到現有的一種無線電設備上，如VHF,通信衛星或HF。如該報文通過VHF網絡發送，則包含該報文的VHF信號將被發送到VHF遠程地面站（RGS）。

應當注意的是，飛機通信尋址與報告系統報文的主體部分通常只有100到200個字符的長度。這種長度的報文可以在一次傳輸中完成。一個飛機通信尋址與報告系統報文的主體最多只能包含220個字符。長於220個字符的下傳ACARS報文只能分塊多次傳送。即便如此，任何報文也不能多於16塊。地面站也只是在收到所有報文塊後才開始處理和路由這個報文。飛機通信尋址與報告系統協議還支持失敗重傳機制，或在改變服務提供商時重新發送報文。

一旦地面站接收到完整的報文就將通過地面線(landlines)其轉發到數據鏈服務提供商(DSP)的主機系統。服務商根據主機上的路由表再將該報文轉發到航空公司或其他目的地。路由表由服務商維護，它可以根據尾號辨認出每一架飛機，並且可以辨識出它所能處理的報文類型。（航空公司必須向服務商提供自己的ACARS報文標記及每種報文的路由信息。）CMU發送的每個飛機通信尋址與報告系統報文都包含一個報文頭，該報文頭含有所需的路由信息。服務商將是根據這些信息將報文轉發到不同的航空公司的。

航空公司收到報文後，會進行進一步處理：重新格式化報文；存儲到數據庫中以待日後分析；轉發到其他部門，如航班操作部門、維修部門、財務部門等等。在上面的例子中，這個包含延遲起飛信息的報文也許會轉發到航班操作部門和目的地，通知它們飛機將延遲到達。

從飛行員按下發送鍵到航空公司的計算機處理完該報文，其間所花時間是不同的。不過一般說來，大概在6-15秒的量級內。我們稱從CMU發往地面的報文為下傳報文。

上傳鏈路例子：氣象報告

傳送到飛機上的報文為上傳鏈路報文，與下傳報文幾乎互為鏡像。例如，為響應一條請求氣象信息的飛機通信尋址與報告系統下傳報文，航空公司的計算機系統首先生成一條包含該飛機註冊號及實際氣象信息的上傳報文，之後將其送往數據鏈服務供應商（DSP）的主機系統。

供應商通過自己的地面網絡將該報文傳送到距飛機最近的甚高頻(VHF)遠程地面站。地面站將此報文通過VHF廣播出去，機載VHF接收到此信號後通過內置的調製解調器將其轉為數字報文發送至通信管理單元(CMU)。CMU驗證飛機註冊號，如果相符就繼續處理該報文。

CMU對該上傳報文的處理和依賴於特定的航空公司需求。通常該報文或者被轉發到其他航電系統，如飛行管理系統(FMS)或飛行數據訪問系統(FDAMS)，或者由CMU自行處理。對於氣象報告，CMU即為報文目的地。機組成員隨後可以通過MCDU查看或者打印出此氣象報告。

下傳鏈路例子：FDAMS報文

其他機載系統向地面站發送報文的方式和上述例子是相似的。其中一個實例就是FDAMS(Flight Data Acquisition and Management System)。FDAMS系統通過一系列算法來監控發動機的狀態（如振動和油溫）是否正常。FDAMS系統可以檢測出一個發動機異常事件，並自動生成一個飛機通信尋址與報告系統報文發送到CMU（細節可參見ARINC 619協議），再由CMU發送到地面。在此情形下，數據鏈服務商將直接將此報文路由到航空公司的維修部門，實時通知地面維修人員。

飛機通信尋址與報告系統構成

飛機通信尋址與報告系統主要由三部分組成：

  • 機載設備
  • 服務提供商
  • 地面處理系統

機載設備

機載數據鏈系統的核心是ACARS管理單元(MU)。舊版本的管理單元是由ARINC 724B規範定義的。被稱為通信管理單元(CMU)的新版管理單元是由ARINC 758規範定義的。

飛機通信尋址與報告系統機載設備由一個終端和一個路由器組成。終端是ACARS消息下傳的起點和上傳的終點。MU/CMU是一個路由器。它的功能是通過空地網絡提供最便捷的下傳路由。大多數情況下，MU/CMU也作為AOC消息的終端使用。 典型的終端系統有飛行管理系統，數據鏈打印機，維護計算機，還有駕駛艙終端。其應用包括：

  • FMS - 發送飛行計劃更改請求，位置報告等。接收清場及控制塔台指令。
  • 打印機 - 定位並自動打印一條上傳消息。
  • 維護計算機 - 下載診斷消息。在一些系統裏，地面工程師甚至可以通過數據鏈消息引導飛行員進行空中故障分析及排除。
  • 客艙終端 - 通常用於空中乘務員和有特定需求的乘客之間的交流，通知分發餐飲以及登機門變更等。

飛機通信尋址與報告系統報文通過以下三個空地通信子網中的某一個進行傳輸。

  • 甚高頻是最為廉價且通用的一種通訊方式。但由於其直線傳輸的局限性而無法跨海洋傳播。
  • 通信衛星通過INMARSAT衛星網絡可以覆蓋除極地外的全球。但卻相當昂貴。
  • 高頻網絡是新近建立起來的。其目的是為了覆蓋通信衛星的死角。

當有報文需要從航空器上發送給地面時，內建於MU/CMU的路由功能確定使用哪一個子網傳遞報文。由航空公司操作人員為CMU提供一張路由表用於選擇最佳子網。

數據鏈服務提供商

數據鏈服務提供商(DSP)負責空地之間的消息分發。 由於飛機通信尋址與報告系統網絡出現在點對點的電報網絡之後，因此其採用中央集中處理的方式。DSP通過地面站網絡將飛機通信尋址與報告系統消息路由到合適的終端設備。在電腦出現之前，報文到達中央處理站之後會被製成穿孔的紙帶，然後將該紙帶送到與預達目的地連接的機器上繼續進行報文傳輸。如今這種路由方式已電腦路由所取代，但其工作模式還是一樣的。

目前世界上主要有兩大廠商提供地面網絡服務——ARINC和SITA。一些國家則在其幫助下建立了自己的網絡。ARINC主要在北美地區，最近在歐洲建立網絡。ARINC也幫助中國建立了CAAC網絡。在泰國和南美，ARINC幫助其建立了VHF(甚高頻)網絡。SITA多年來一直在歐洲、中東、南美和亞洲經營自己的網絡。最近SITA又在美國和ARINC開始競爭。

一直以來，世界上每一地區都只有一個供應商提供服務。形勢在變化，ARINC和SITA在競爭，它們安裝的網絡開始覆蓋同一地區。

地基系統

地基系統是下傳數據的目的地和上傳數據的起始地。通常，地基系統或者屬於政府，如CAA/FAA，或者屬於航空公司。CAA地基系統提供了如放行等空中交通管制服務。航空公司則關注於運營效率，提供了諸如登機門分配、維護、乘客需求等等服務。最近航空公司開始應用Rockwell Collins公司的產品——HERMES （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館），來匯集，分析並重組飛機通信尋址與報告系統消息，並可以將它們重新傳回原飛機或其他航班。該產品最近已擴展到電子航班(eFlight （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）)的概念。

ARINC規範

由飛機通信尋址與報告系統管理單元所執行的處理過程以及基本的硬件需求是由ARINC規範[永久失效連結]定義的。下面列出涉及飛機通信尋址與報告系統的一些主要ARINC規範：[1]

ARINC 607 航電設備設計導引。包括ARINC 758 CMU安裝所需的飛機個性化模塊的定義。
ARINC 429 ARINC 429廣播數據規範（接收來自其他LRU的數據）.
ARINC 618 定義了ACARS甚高頻通信的空地協議。同時定義ACARS報文格式。此格式稱為A型報文。這些特性將來會升級到VDL 2型 AOA中。
ARINC 619 定義了ACARS同其他機載航電設備的文件傳輸規範。ARINC 619 覆蓋了ACARS同FMS，FDAMS，駕駛艙終端，維護計算機，衛星通信系統及高頻收音機系統的文件傳輸協議。
ARINC 620 定義了地——地通信協議。包括了地面站之間的報文格式及路由。此格式稱為B型報文。
ARINC 622 定義了通過ACARS數據鏈發送ATC應用報文的處理過程。(包括ARINC 623 ATC報文).
ARINC 623 定義了通過ACARS系統生成和接收ATC報文的特性。(不包括由FMS系統處理的FANS-1 或 FANS-A 報文)
ARINC 724B ACARS 管理單元與ARINC 724B連接線的規範
ARINC 739 多功能駕駛艙顯示器(MCDU)規範
ARINC 740 駕駛艙打印機規範
ARINC 744
ARINC 758 採用ARINC 758連接線時的ACARS通信管理單元(CMU)規範. 此規範實際上為CMU將來可能的擴展定義了不同等級的功能. 執行當前ACARS功能的最初的CMU系統被歸為Level OA.
ARINC 文檔和規範

術語表

  • ACARS：Aircraft Communications Addressing and Reporting System，飛機通信尋址與報告系統。
  • ACMS：Aircraft Condition Monitoring System，飛機狀態監控系統。
  • AOA：ACARS Over AVLC. With the introduction of VDL Mode 2, the ACARS protocols were modified to take advantage of the higher data rate made possible by Mode 2. AOA is an interim step in replacing the ACARS protocols with ATN protocols.
  • ATN：Aeronautical Telecommunications Network，航空電信網。隨着航空運輸業的發展，ACARS已無力處理大量的數據鏈通訊。ATN計劃在將來取代ACARS，它可以提供諸如認證，安全和一種真正的網絡互聯（英語：internetworking）架構。歐洲在ATN的實現方面走在美國的前面。
  • AVLC：Aviation VHF Link Control，航空甚高頻鏈路控制。航空航天領域內的一種特殊的數據鏈通信協議。
  • CMF：Communications Management Function，通信管理功能。運行於CMU上的軟件系統，有時以一個分區(Partition)的形式被集成到一台航電計算機內。
  • CDU：Control Display Unit，控制顯示單元。
  • CMU：Communications Management Unit，通信管理單元。MU的後繼者。其特性由ARINC 758所定義。
  • FDAMS：Flight Data Acquisition and Management System，飛行數據採集與管理系統。
  • FMS：飛行管理系統（Flight Management System），其標準由ARINC 702及702A所定義。
  • HF：高頻。
  • LRU：現場可更換單元（Line-replaceable unit），一種被稱為「黑匣子」（註：此處並不是指飛行記錄器）的航空電子設備，能夠在停機位或機庫更換，無需該航空器停止運營。
  • MCDU：Multifunction Control Display Unit，多功能控制顯示單元。一包含鍵盤輸入的字符顯示設備，其特性由ARINC 739所定義。MCDU有七個輸入端口。可以用於包括CMU和FMS在內的七個系統。每個系統連接到一個MCDU並顯示自己的頁面。
  • MU：Management Unit，控制單元。通常指ACARS MU，LRU的一種，為數據鏈報文提供與地面之間的路由。
  • OOOI：基本飛行階段的縮寫 -- Out of the gate 推出登機門，Off the ground 離地，On the ground 着陸，In the gate 停靠登機門。
  • POA：Plain Old ACARS. Refers to the set of ACARS communications protocols in effect before the introduction of VDL Mode 2. The term is derived from POTS (Plain old telephone service) that refers to the wired analog telephone network.
  • SATCOM：通信衛星（Satellite Communications）。機載SATCOM設備包括一個衛星數據單元、一個高能放大器和一個波束可控的天線。典型的一套衛星通信設備支持一個數據鏈信道和幾個語音頻道。
  • VDL：VHF Digital Link，甚高頻數字鏈路。
  • VHF：甚高頻（Very High Frequency），無線電頻譜的一段。

參見

參考資料

  1. ^ ARINC规范. ARINC. （原始內容存檔於2011-05-25）.  （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
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