专利名称：通过acars数据链监视飞机状态的方法
技术领域：
本发明涉及一种航空甚高频数据链领域，通过ACARS数据链提供飞机状态监视，实时监视飞机飞行状态和故障信息的方法。
背景技术：
目前在全球范围内广泛应用于飞机与地面系统数据通信的飞机通信寻址报告系统(ACARS)是一种基于甚高频、卫通、短波数据通信的地空数据链系统，基于字符的ACARS数据链于1978年引入民航领域。借助于ACARS数据链，飞机计算机系统的数据能自动或人工下传到地面计算机网络，使飞机成为地面控制、指挥与管理系统的一部分。ACARS数据链的优点是准确度高、抗干扰能力强、具备可与自动化系统协调发展等，能够有效解决话音通信速度慢、易出错、多信息限制和业务种类受限制的缺点。使用地空数据通信进行飞机运行控制，可以提高航空公司安全和运营管理水平，达到安全关口前移的目的。 目前，国际上较多航空公司已将ACARS等地空数据链技术作为飞行运行控制与服务、飞机/发动机远程状态监视与故障诊断、地面服务等重要业务的实现手段。波音、空客、ARINC、SITA、霍尼韦尔、柯林斯等开发出航空公司应用、空中交通管理与服务应用等诸多方面的自动化信息处理系统，这些自动化信息处理系统的投入使用，一方面为航空公司的整体运营节省了大量成本，提高了航空公司与空中交通管制部门的工作效率，另一方面提高了飞机的日利用率和飞行安全保障能力，改善了旅客服务质量。然而，现有技术应用于飞行运行控制和状态监视的ACARS数据链系统，还存在两个方面的不足之处
一是有效的传输速率低，信息量少。ACARS数据链的传输速率是为2. 4kbps，单条ACARS下行消息可传输210个字节的信息，且这些信息是基于字符的，包含的有效信息量少，通过ACARS数据链只能传输少量的飞机状态信息。二是实时性不高。飞机运营通信服务的位置报告和航空器气象资料下传服务的气象报告包含了部分飞机飞行和状态信息，但两者都是分钟级别的周期报告，实时性不高。空中交通服务提供的自动相关监视报告等信息有限，只提供飞机位置信息，不能满足飞机状态监视的需要。目前ACARS数据链各种应用相对独立，没有既监视飞机实时飞行状态，又能采集飞机系统状态信息和告警信息的应用，本发明提供的应用方法能同时兼容上述几种应用需求，同时使用低速的ACARS数据链也能满足数据量的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种通过ACARS数据链实现飞机状态监视应用的新方法，简称为飞机状态监视应用，以软件模块的形式驻留在机载数据链应用终端设备中。本方法将飞机的飞行参数和系统状态告警信息组成飞机状态监视报告，通过ACARS数据链传输到地面系统的终端应用部门，实现飞机状态监视的功能。
本发明的上述目的可以通过飞机信息处理、消息封装、数据压缩和信息编码四个措施来达到。一种通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于包括如下步骤在通信管理单元作为机载ACARS数据链应用终端的系统架构下，飞机状态监视应用模块以软件形式驻留在通信管理单元中；飞机状态监视应用模块顺序执行飞机信息处理、消息封装、数据压缩和信息编码四项操作，产生飞机状态监视报告；数据链应用模块提供航空运营通信、航空管理通信和空中交通服务等应用服务，手动和自动产生应用报告；ACARS协议模块将来自数据链应用模块的应用报告，以及来自飞机状态监视应用模块的飞机状态监视报告封装成ACARS消息，发送给通信子网接口模块。通信管理单元的通信子网接口模块通过ARINC429总线连接甚高频数台VDR、卫星数据单元SDU和短波数台HFDR。飞机信息处理、消息封装、数据压缩和信息编码包括
(1)飞机信息处理飞机状态监视应用模块从飞机系统获取的各种飞行参数、系统状态和告警信息，转换成地面要求的分辨率，按照预先定义的数据格式顺序排列成比特数据流，形成单个时刻的采样点信息，随后进入消息封装过程； (2)消息封装飞机状态监视应用模块将飞机信息处理过程产生的多个时刻的飞行状态采样点信息，组包成一条飞机状态消息，封装保存到缓存中，随后进入数据压缩过程；
(3)数据压缩飞机状态监视应用模块对消息封装过程中缓存的飞机状态消息采用压缩算法进行数据压缩，随后进入信息编码过程。(4)信息编码飞机状态监视应用模块对数据压缩后的比特数据进行比特字符转换，取用该字符数据的前210个字符，把形成的飞机状态监视下行报告，送入ACARS协议模块封装成标准ACARS消息并发送，供地面系统进行飞机状态监视和远程故障诊断。本发明相比于现有基于ACARS数据链实现飞机状态监视的应用服务来说具有如下有益效果
飞机信息处理将获取的飞机飞行参数、系统状态和告警信息按照配置的数据格式进行转换，消息封装将多个时刻采样的飞机飞行和状态信息封装到飞机状态消息中，然后通过压缩算法进行数据压缩，信息编码将压缩后的比特数据转换成满足ACARS数据链传输要求的字符形式，形成飞机状态监视报告。飞机状态监视报告能实时的将飞机状态信息下发到地面，供地面系统进行飞机状态监视和远程故障诊断。所有的飞行参数、系统状态和告警信息都是面向比特的，提高了信息容量。同时经过信息编码后，又能通过ACARS数据链网络进行传输，回避了 ACARS数据链传输速率低的问题。数据压缩过程进一步提高了飞机状态消息的数据容量，在采样间隔固定的情况下，能收集更多的采样点，实时性更高。飞机状态监视报告中具体飞行参数、系统状态和告警信息，可根据用户需求配置。用户可只选取关心的数据，在信息容量和采样间隔固定的情况下，能收集更多的采样点，实时性更高，体现了应用的灵活性。对于飞机状态信息的采样间隔可配置，体现了应用的灵活性。借助本发明，地面终端部门可根据接收的飞机状态监视报告，实时还原飞机飞行过程，实时了解各个时刻飞机的飞行参数和各个系统的状态和模式，另外，根据系统故障和告警信息，提前启动保障和维修措施，能提高飞机的日利用率和飞行安全保障能力，改善旅客服务质量。
下面结合附图和实施例对本发明通过ACARS数据链监视飞机状态的方法进一步说明。图I是本发明的软件模块在通信管理单元设备中的结构示意图。图2是本发明的处理流程及消息格式示意图。图3是本发明的软件流程图。
具体实施例方式参阅图I。在通信管理单元作为机载ACARS数据链应用终端的系统架构下，数据链应用模块以软件形式驻留在通信管理单元中。飞机状态监视应用模块顺序执行飞机信息处 理、消息封装、数据压缩和信息编码四项操作，产生飞机状态监视报告。数据链应用模块提供航空运营通信、航空管理通信和空中交通服务等应用服务，能手动和自动产生应用报告。ACARS协议模块完成ACARS消息处理和链路管理，一方面将来自数据链应用模块的应用报告，以及来自飞机状态监视应用模块的飞机状态监视报告封装成ACARS消息，发送给通信子网接口模块，另一方面将从通信子网接口模块获取的上行ACARS消息传递给数据链应用模块进行处理。通信管理单元通过通信子网接口模块与甚高频数台、卫星数据单元和短波数台通过ARINC429总线连接。本发明提供的飞机状态监视应用与航空运营通信、航空管理通信和空中交通服务应用类似，驻留在数据链应用模块中。通信管理单元的飞机状态监视应用模块顺序执行飞机信息处理、消息封装、数据压缩和信息编码四个步骤。飞机状态监视应用模块首先从飞机系统获取的各种飞行参数、系统状态和告警信息转换成地面要求的分辨率，对于有效的数据，按照预先定义的数据格式顺序排列成比特数据流，形成单个时刻的采样点信息；按照配置的采样间隔获取多个飞机状态采样点信息，并按照配置的采样间隔获取飞机信息处理过程形成的飞机状态采样点，将多个时刻的采样点信息组包成一条飞机状态消息进行消息封装；对消息封装过程中缓存的飞机状态消息，使用预先配置的数据压缩算法对这条飞机状态消息进行数据压缩；然后进入信息编码程序，将压缩后的比特数据进行字符比特转换，转换成满足ACARS数据链传输要求的字符数据，并取用该字符数据的前210个字符形成飞机状态监视下行报告，送入ACARS消息协议的发送队列。最后将该飞机状态监视下行报告送入ACARS消息协议模块作下一步处理。飞机信息处理中使用的单个采样点的飞机状态信息分成四部分，分别是飞行参数字段、系统状态字段、告警信息字段和结束标记；采样时间间隔作为飞机状态监视应用的参数，可进行配置和手动设置。单个采样点飞机状态信息的飞行参数字段填写从飞机各个系统获得的飞行参数信息，可配置选用全部或部分飞行参数；飞行参数包括，数据采集时间、经度、纬度、气压高度、无线电高度、俯仰角、横滚角、航向、航迹角、垂直速度、地速、真空速、风向、风速、总温、静态温度、剩余燃油、预计到达时间等。飞机信息处理过程首先根据各个飞行参数的有效范围、分辨率计算出所需比特数，并将选用的飞机参数按顺序排列成比特数据流填入飞行参数字段。单个采样点飞机状态信息的系统状态字段填写从飞机各个系统获得的飞机状态信息，包含飞管系统状态，电传系统状态、惯导系统状态、大气机状态、液压系统状态、发动机参数、直流交流电源状态、起落架状态、轮载状态、襟缝翼角度和状态、水平安定面偏度和方向舵配平位置等。还可根据各系统的工作模式和状态计算出所需比特数，并按顺序排列成比特数据流填入系统状态字段。当前出现的告警信息的告警码应填入单个采样点飞机状态信息的告警信息字段中，告警码个数可变。告警码是对飞机定义的所有告警信息进行的数字编码，能唯一的代表某个告警信息。单个采样点飞机状态信息的结束标记位于信息末尾，结束标记所占比特数与每个告警码所占比特数相同；结束标记的每个比特位为1，告警码数值应避免与结束标记相同。消息封装过程即将当前时刻的飞机状态信息放在之前的采样点飞机状态信息之前。多个采样点的飞机状态信息共同形成一包飞机状态消息，并保存在通信管理单元的缓存中。时间越近的采样点信息越靠前。
数据压缩过程使用数据压缩算法对包含多个采样点信息的飞机状态消息进行数据压缩，压缩算法包括动态马尔可夫压缩算法、DEFLATE算法等无损数据压缩算法，具体选用哪种压缩算法可配置。数据压缩过程是可选项，也可不进行数据压缩直接将飞机状态消息送入信息编码过程。信息编码过程即对压缩后的数据进行信息编码，将飞机状态消息从比特流形式转换为字符形式。信息编码过程使用的信息编码表来源于ASCII(IS0#5)编码表，可选用其中64个字符形成编码表。若转换后的消息长度仍小于210个字节，则等待下一个采样时刻到来时重新进入飞机信息处理过程。若转换后的消息长度等于或超出210字节，则将信息编码后的消息作为飞机状态监视报告的正文，自动产生210个字节的飞机状态监视报告，送入ACARS消息协议模块的发送队列，并清空缓存的飞机状态消息，进行ACARS消息的发送。ACARS消息协议在ACARS报头中填写用户定义的标号，表明这是一条飞机状态监视报告，并通过甚高频、卫通或短波通信子网发送。参阅图2。每个采样间隔从飞机系统获取采样时间、经纬度、高度等飞行参数，以及液压状态、发动机状态等系统状态信息。根据配置情况，确定使用哪些飞行参数，每项参数的表示方法、分辨率以及所占的比特位，形成固定格式的飞行参数格式，按照比特顺序放入单个采样点的飞行参数字段。获取各个系统的状态和模式，按照比特顺序放入单个采样点的系统状态字段；若当前存在告警信息，则将告警码信息按顺序放入单个采样点的告警信息字段；最后填写结束标记，表示单个采样点的飞机状态信息的结束，结束标记同时也是两个采样点之间区分的标识。通过飞机信息处理过程形成单个采样点的飞机状态信息后，从缓存中取出之前保存的飞机状态消息，其中包含之前采样点的飞机状态信息。当前采样点的飞机状态信息和缓存的飞机状态消息共同组成新的飞机状态消息，并保存新的飞机状态消息。时间越靠近当前时刻的采样点在飞机状态消息中的位置越靠前。根据配置情况，若数据压缩选项选中，则选取动态马尔可夫压缩算法对飞机状态消息进行数据压缩。动态马尔可夫压缩算法是第一马尔可夫模型和Guazzo的算术编码算法的结合。具有两种优化等级，机载设备数据存储资源有限，选取优化等级O。数据压缩完成后进行下一步信息编码处理。若没有选用数据压缩措施，则直接将飞机状态消息送入信息编码进行处理。
信息编码将基于比特的消息转换成基于字符的消息。参考信息编码表，对飞机状态消息的整个比特数据流进行转换操作，每6个比特的信息转换成一个字符，若最后不足6个比特，则添“O”。信息编码完成后，若消息长度不足210个字节，则退出处理过程，若消息长度等于或超过210个字节，则截取前210个字节的信息形成飞机状态监视报告的正文内容，并送入ACARS消息协议的发送队列，按照ACARS消息协议的要求生成标准格式的ACARS下行消息通过VHF/SATC0M/HF媒介发送出去。参阅图3。飞机状态监视应用模块的每一次处理过程都由飞机状态监视应用模块采样计时器触发。采样计时器到期后即进入处理过程，飞机状态监视应用模块首先从飞机系统获取的各种飞行参数、系统状态和告警信息，并进入飞机状态信息处理过程，按照消息格式将各个数据分别填入飞行参数字段、系统状态字段、告警信息字段和结束标记字段，形成单个采样点的飞机状态信息，然后进入消息封装流程。消息封装过程即将当前时刻采样点的飞机状态信息放在之前缓存的飞机状态消息之前，组成新的飞机状态消息，缓存该条新飞机状态消息。根据配置情况，若需要进行数据压缩，则根据选用的压缩算法对飞机状态 消息进行数据压缩，并进入信息编码过程。若不需要进行数据压缩，则直接进入信息编码过程。信息编码过程即对压缩后的数据进行信息编码，将飞机状态消息从比特流形式转换为字符形式。若转换后的消息长度仍小于210个字节，则等待下一个采样时刻到来时重新进入飞机状态监视流程。若转换后的消息长度等于或超出210字节，则将信息编码后的消息作为飞机状态监视报告的正文，送入ACARS消息协议的发送队列，清空缓存的飞机状态消息，至此飞机状态监视的一次软件处理过程结束。
权利要求
1.一种通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于包括如下步骤在通信管理单元CMU作为机载ACARS数据链应用终端的系统架构下，飞机状态监视应用模块以软件形式驻留在通信管理单元中；通信管理单元中的飞机状态监视应用模块顺序执行飞机信息处理、消息封装、数据压缩和信息编码，产生飞机状态监视报告，数据链应用模块提供航空运营通信、航空管理通信和空中交通服务应用服务，能手动和自动产生应用报告；ACARS协议模块处理来自数据链应用模块的应用报告，以及来自飞机状态监视应用模块的飞机状态监视报告，封装成ACARS消息送至通信子网接口模块；通信管理单元的通信子网接口模块通过ARINC429总线连接甚高频数台VDR、卫星数据单元SDU和短波数台HFDR。
2.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于飞机状态监视应用模块从飞机系统获取的各种飞行参数、系统状态和告警信息转换成地面要求的分辨率，按照预先定义的数据格式顺序排列成比特数据流，形成单个时刻的采样点信息，进入消息封装程序，把飞机信息处理过程产生的多个时刻的飞行状态采样点信息组包成一条飞机状态消息，封装保存到缓存中，进入数据压缩程序，采用压缩算法对上述缓存的飞机状态消息进行数据压缩，进入信息编码程序，对数据压缩后的比特数据进行比特字符转换，取用该字符数据的前210个字符，把形成的飞机状态监视下行报告，送入ACARS协议模块封装成标准ACARS消息并发送，供地面系统进行飞机状态监视和远程故障诊断。
3.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于单个采样点的飞机状态信息分为飞行参数字段、系统状态字段、告警信息字段和结束标记四部分。
4.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于飞机状态监视应用模块首先从飞机系统获取的各种飞行参数、系统状态和告警信息，并进入飞机状态信息处理过程，按照消息格式将各个数据分别填入飞行参数字段、系统状态字段、告警信息字段和结束标记字段，形成单个采样点的飞机状态信息，然后进入消息封装流程。
5.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于在飞机信息处理过程中，首先根据各个飞行参数的有效范围和分辨率计算出所需比特数，并将选用的飞机参数按顺序排列成比特数据流填入飞行参数字段。
6.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于从飞机各个系统获得的飞机飞行状态信息，包含数据采集时间、经度、纬度、气压高度、无线电高度、俯仰角、横滚角、航向、垂直速度、地速、真空速、风向、风速、总温、静态温度、剩余燃油、预计到达时间、飞管系统状态，电传系统状态、惯导系统状态、大气机状态、液压系统状态、发动机参数、直流交流电源状态、起落架状态、轮载状态、襟缝翼角度、水平安定面偏度和方向舵配平位置等。
7.如权利要求3所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于单个采样点飞机状态信息的告警信息字段填写当前出现的告警信息的告警码，且告警码个数可变；告警码是对飞机定义的所有告警信息进行的数字编码，能唯一的代表某个告警信息。
8.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于单个采样点飞机状态信息的结束标记位于信息末尾，结束标记所占比特数与每个告警码所占比特数；结束标记的每个比特位为“1”，告警码的数值不与结束标记相同。
9.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于对压缩后的数据进行信息编码，将飞机状态消息从比特流形式转换为字符形式；若转换后的消息长度仍小于210个字节，则等待下一个采样时刻到来时重新进入飞机信息处理过程；若转换后的消息长度不小于210字节，则将信息编码后的消息作为飞机状态监视报告的正文，送入ACARS消息协议的发送队列进行ACARS消息的发送。
10.如权利要求I所述的通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，其特征在于消息封装过程是将当前时刻的飞机状态信息放在之前的采样点飞机状态信息之前，多个采样点的飞机状态信息共同形成一包飞机状态消息，并保存在通信管理单元的缓存中，时间越近的采样点信息越靠前。
全文摘要
本发明提出一种通过ACARS数据链监视飞机状态的方法，在通信管理单元CMU作为机载ACARS数据链应用终端的系统架构下，飞机状态监视应用模块以软件形式驻留在通信管理单元中。飞机状态监视应用模块顺序执行飞机信息处理、消息封装、数据压缩和信息编码四项操作，产生飞机状态监视报告。数据链应用模块提供航空运营通信AOC、航空管理通信AAC和空中交通服务ATS等应用服务，能手动和自动产生应用报告。ACARS协议模块将来自数据链应用模块的应用报告，以及来自飞机状态监视应用模块的飞机状态监视报告封装成ACARS消息，发送给通信子网接口模块。通信管理单元的通信子网接口模块通过ARINC429总线连接甚高频数台VDR、卫星数据单元SDU和短波数台HFDR。借助本发明，地面终端可根据接收的飞机状态监视报告，实时还原飞机飞行过程，进行飞机状态监视和远程故障诊断。
文档编号G08G5/00GK102930748SQ20121041975
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月28日 优先权日2012年10月28日
发明者张力支, 段彬 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所