一种基于ACARS和MACS的航空通信系统的制作方法

本发明涉及航空通信领域，具体地，涉及一种基于acars和macs的航空通信系统。

背景技术：

飞机通信寻址与报告系统(aircraftcommunicationsaddressingandreportingsystem，acars)是国内外民用航空目前正在使用的一种通信系统，于1978年正式投入使用。借助于acars数据链，能将飞机上的相关数据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。目前商业运行的主流飞机，均具备acars数据链功能。

acars空地数据链系统通过飞机机载设备和地空数据通信服务提供商的通信网络建立起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数据通信。目前常用的地空数据通信的方式有：甚高频(vhf)，卫星(satcom)，高频(hf)通信。

地空数据通信系统示意图如图1所示，包括以下部分：

1、机载设备

机载设备作为数据链系统的空中节点，能生成各种与飞行参数有关的报文，并且能将机载系统采集的各种飞机参数信息通过空地数据链发到地面接收站，同时可以接收地面网中通过地面基站转发来的信息。机载设备主要包括：通信管理单元、显示组件、多功能控制与显示组件、甚高频(vhf)电台、高频(hf)电台、卫通数据单元、打印机等。

2、地面接收基站

地面接收基站是地空数据通信系统的地面节点，用于飞机与地面数据通信网的连接，并可实现地面数据通信网节点间数据通信。针对不同的通信方式，地面需要配备不同的接收设备，包括：vhf地面站、hf地面站、卫星地面站。其主要职责是接收由飞机相关设备向地面发送的报文，并进行初步处理，然后经由地面数据通信网络发送给地面数据处理中心。

3、网络管理与数据处理系统

该系统是空地数据链系统的中心处理系统，由地空数据通信服务商管理，与外部网络连接，并与全国范围的地面接收站形成一个计算机广域网，其职责是进行地面站的控制和监测、信息的处理、信息的寻址及路由选择、日志和记账、系统配置参数设定，并实现与国际网关的连接等。

4、地面数据通信网

地面数据通信网作为地空数据通信系统的地面数据传输网络，为其提供地面通信线路，可准确、快速地实现网络上任意两点之间报文数据的传输与交换。

5、用户子系统

通过用户子系统的终端，地面空管人员、航空公司相关部分人员可以直接得到与之相关的飞机数据，通过数据链网关提供的信息服务，实现下行链路数据的分发与处理，并可由地面向飞行机组发送上行的飞行计划修改、各类应急指令以及飞行气象报等信息，实现用户与飞行的双向数据通信。

发明人研究发现：

目前，acars数据链系统主要采用vhf、hf、satcom这三种传输媒介来支持空中交通服务类(airtrafficservice,ats)应用、空中交通管制(airtrafficcontrol，atc)类应用、航空公司运行控制(airlineoperationalcommunications，aoc)类应用。

飞机在起飞之前需要通过acars数据链系统传输多种数据信息，例如起飞前放行服务。起飞前放行是使用acars地空数据链建立飞行员与塔台管制人员之间的数据通信，管制员向飞行员提供飞机起飞前放行许可服务。该应用需要飞机具备相应的机载软、硬件设备支持，较传统语音放行方式具有不可比拟的优越性，如放行数据传输准确，数据传输速度快，减轻飞行机组与管制人员工作强度等。

飞机在飞行结束后，机组必须填写的文件可经过acars数据链系统传送到航空公司，具体报文内容包括：航程日志、飞行小结，机组名单、作用、滑出-起飞-着陆-滑入时间及燃油等信息。

因此在飞机起飞前、着陆后，均需要在机场场面通过acars数据链系统完成与管制中心、航空公司的信息交互。acars数据链的数据传输信道包括：vhf、hf、卫星通信(satcom)，在机场场面使用这三种信道主要存在的问题如下：

vhf信道

vhf信道是普遍使用的机场场面acars数据链传输信道，使用vhf必须通过数据服务提供商(dsp)，包括arinc、sita、adcc等，dsp收费较高，使用成本较高。目前航空公司为了节约成本，在机场场面只通过acars数据链传输关键信息。其他维护、管理信息均没有通过acars数据链路来传输。

hf信道

飞机位于地面时，由于hf电台发射功率较大，在地面处于抑制状态，无法传输数据以语音信息。因此，在机场场面无法将hf作为数据传输通道。

satcom信道

航行移动卫星服务是使用通信卫星向飞机提供全球通讯服务。其通过国际海事卫星通信组织(inmarsat)的空间卫星实现机载地球站与地面地球站间的数据传输。根据卫星波速和不同机载设备天线的增益方式，可完全或大部分覆盖中低纬度地区，对于高纬度地区则无法覆盖。现阶段卫星数据链主要作为vhf数据链的补充。

根据卫星特点，位于高纬度地区的机场是无法使用satcom作为数据链传输信道。并且即使在可以覆盖的中低纬度地区，采用satcom信道发送信息的费用较昂贵，且反映时间比vhf慢12-25秒。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于acars和macs的航空通信系统，解决了现有的acars的不足，将acars和macs进行结合，减轻了acars地面站负荷，并降低了航空公司数据链使用成本。

随着地空数据通信流量的爆发式增长，部分地区的飞机通信寻址与报告系统(acars)地面站的峰值流量已接近饱和状态。将航空机场移动通信系统(aeromacs)技术应用到acars数据链中，与vhf、hf、satcom链路构成完整的机场场面、空地通信网络，减轻了acars地面站负荷，并降低了航空公司数据链使用成本。

航空机场移动通信系统(aeronauticalmobileairportcommunicationssystem，aeromacs)是基于ieee802.16e(wimax)标准的一种宽带无线通信技术，这一网络能够在下一代空中运输系统(nextgenerationairtransportationsystem,nextgen)的支持下，在机场环境中为机场场面的移动、固定用户提供高速率的语音以及数据通信。为机场飞机宽带接入地面设备和机场管理提供服务，并满足民航新一代空中交通管理、机场运行管理及航空公司运行控制对机场移动宽带数据通信的需求。

aeromacs网络除了现有的机场场面应用，由于其具有较高的安全性，因此可以将acars系统在机场场面的应用逐步通过aeromacs网络来实现。基于aeromacs网络比较典型的应用包括：数字航行通告(d-notam)、飞机起飞前放行(pdc)以及航站自动情报服务(atis)。航行通告(notam)、飞机起飞前放行(pdc)以及数字化终端区信息服务(d-atis)目前使用acars系统来进行传输，aeromacs网络作为acars系统的补充，以后这两类应用也可基于aeromacs网络来实现。未来的应用如机场场面4d航迹数据链也考虑基于aeromacs网络来实现。

aeromacs频段是5000mhz-5150mhz，频率间隔为5mhz。aeromacs技术具备acars数据链所不具备的优势，除了带宽大之外，aeromacs系统还具备安全性高、移动性强等诸多特点。

aeromacs网络中通过飞机端设备(ms：mobilestation)以及基站设备(bs:basestation)完成通信，而基站设备(bs)直接接入到地面网络，实现在机场范围内飞行员与航空公司之间的数据通信。

aeromacs是首个与atn(航空电信网)兼容的可安装于飞机上的“未来通信系统”。在aoc应用实现aeromacs需要与相关的其它开发相协调，具体包括以下几个方面：

需要进行机载atc应用的改进，以便aeromacs能支持atc通信；

需要进行aoc应用层面的改进，以便aeromacs能支持aoc应用；

需要进行acars/atn协议栈的改进，以便完成vhf、hf、satcom、aeromacs四条通信链路的路由配置与管理；

座舱hmi(无线电管理面板，飞行警告)以及transverse功能(中央维护系统，配置控制系统等)也需要相应调整。

本申请提供了一种基于acars和macs的航空通信系统，所述航空通信系统包括：

飞机通信寻址与报告系统和航空机场移动通信系统，飞机通信寻址与报告系统即acars，航空机场移动通信系统即macs，所述航空通信系统将macs与acars进行结合，结合后的航空通信系统通过aeromacs链路，或vhf通信信道，或hf通信信道，或satcom通信信道完成飞机机组与航空公司以及管制中心的信息交互。

进一步的，所述航空通信系统将macs与acars进行结合具体包括：将aeromacs网络中移动用户站作为aoc应用的额外通信媒介引入acars，并依附于飞机已有的以太网中。

进一步的，将aeromacs网络中移动用户站作为aoc应用的额外通信媒介引入acars，并依附于飞机已有的以太网，具体包括：

在飞机信息系统中加装aeromacs机载设备，aeromacs机载设备用于实现aeromacsms功能、实现ip层安全性功能、实现ip路由功能、实现基于ip协议的acars信息封装、实现基于ip协议的atn信息封装；

在飞机信息系统中增加一个rdiu，用于完成acars数据链应用与aeromacs机载设备之间的数据交换；

驻留在飞机ima平台上的csa应用软件实现以下功能：vhf控制状态、频率选择、数据服务提供商选择、satcom控制状态显示、hf控制状态显示、飞机特性模块数据显示、基于arinc661标准提供a661处理机制，负责hmi界面的显示更新及响应飞行员操作；

修改csa软件，具体内容包括：增加aeromacs链路控制状态显示页面，飞行机组可通过csa软件界面查看链路状态是否正常；修改csa软件的数据处理部分，增加aeromacs数据接收、数据解析、数据发送功能；

驻留在飞机ima平台上的aoc应用软件实现以下功能：维护oooi，飞行阶段，航段状态；航班初始化、气象报告、烟雾报告、着陆报告；负责下链消息的产生和发送，上链消息的接收与处理；收集并存储网络上的广播数据，为界面提供显示数据，为界面操作提供相应动作处理方法；提供aoc软件的通信接口；基于arinc661标准提供a661处理机制，负责hmi界面的显示更新及响应飞行员操作。

进一步的，将aeromacs网络中移动用户站作为aoc应用的额外通信媒介引入acars，并依附于飞机已有的以外网，还包括：对aoc软件进行升级，具体修改内容包括：增加除冰/防冰人界交互界面；增加航油管理界面；增加维护界面。

进一步的，aeromacs机载设备，该设备包括收发主机及天线，完成5000mhz-5150mhz频段上无线信号的调制、调解、数据处理功能，该设备的研制保证等级为d级或e级，接入飞机客舱以太网络。

进一步的，所述航空通信系统将macs与acars进行结合具体包括：将aeromacs机载设备直接接入acars机载网络，通过远程数据接口单元完成与显控系统以及其他外围设备的数据交互；aeromacs机载设备作为一个与vhf、hf、satcom同等的acars数据链通信设备。

进一步的，将aeromacs机载设备直接接入acars机载网络，通过远程数据接口单元完成与显控系统以及其他外围设备的数据交互；aeromacs机载设备作为一个与vhf、hf、satcom同等的acars数据链通信设备，具体包括：

在飞机驾驶舱通信导航系统中加装aeromacs机载设备，aeromacs机载设备用于实现aeromacsms功能；实现ip层安全性功能；实现ip路由功能；实现基于ip协议的acars信息封装；实现基于ip协议的atn信息封装；

驻留在飞机ima平台上的csa应用软件实现以下功能：vhf控制状态、频率选择、数据服务提供商选择；satcom控制状态显示；hf控制状态显示；飞机特性模块数据显示；基于arinc661标准提供a661处理机制，负责hmi界面的显示更新及响应飞行员操作；

修改csa软件，具体内容包括：增加aeromacs链路控制状态显示页面，飞行机组可通过csa软件界面查看链路状态是否正常；修改csa软件的数据处理部分，增加aeromacs数据接收、数据解析、数据发送功能；

修改驻留在riu的acars协议栈软件；

修改链路管理模块，支持aeromacs链路建立、维护和断链管理；

修改acars协议栈数据路由/链路选择功能，通过飞机轮载信号以及vhf、hf、satcom与aeromacs链路信号强度，实现vhf、hf、satcom与aeromacs通信链路的路由分析及选择。

进一步的，修改驻留在riu的acars协议栈软件，cars协议栈软件功能包括：

在acars兼容的不同空地数据链网络间协同工作；

对于支持的传输媒介，提供上行链路和下行链路的队列管理功能；

在飞机移动过程中进行acars网络自动链路建立、维护和断链管理；

同时支持hf、vhf和卫通数据链acars服务；

路由aoc消息到适当的媒介并进行队列管理，满足特定航空公司需求；

在acars端系统之间路由数据链消息；

对每个acars端系统提供至少一个完整的上/下行数据链消息进行缓存；

给每个acars端系统提供数据链状态信息来支持消息管理和机组告警功能；提供和机载无线电通信vhf、卫星通信、hf设备的接口。

进一步的，在飞机驾驶舱通信导航系统中加装aeromacs机载设备，该设备包括收发主机及天线，完成5000mhz-5150mhz频段上无线信号的调制、调解、数据处理功能；该设备的研制保证等级为c级，接入飞机驾驶舱arinc664网络。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.由于目前飞机未安装aeromacs匹配的机载数据通信设备，上机人员需携带便携式通信转换器，在机上实现信号转换后，机载电子飞行包等aoc应用数据通过wifi实现与地面电子飞行包支持系统的数据交换。对飞机进行改装，加装机载aeromacs通信设备后，可在地面自动完成电子飞行包的数据传输。

2.在机场场面aeromacs无线网络覆盖区域传输电子飞行包、aoc、atc、ats等数据时，最高传输速率达到每秒19.6mb，大大超过了传统vhf、hf、satcom传输速率(hf：300b/s、600b/s、1200b/s、1800b/s；vhf：vdlmodea：2.4kb/s；vdlmode2：31.5kb/s；satcom：600～10500b/s；)；

3.增加aeromacs信道后可传输传统acars通信信道无法支持的视频、图片等大容量数据传输；

通过采用acars和macs与结合的技术方案，在传统vhf、hf、satcom无线信道的基础上增加了具备带宽大、服务质量好、使用成本低等特点的aeromacs通信信道。在地面数据传输时，通过acars协议栈以及地面网络能自动建立通信链路以及数据分发及路由，实现机场场面ats、atc、aoc等应用数据的高速传输。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是地空数据通信系统示意图；

图2是macs与acars结合示意图；

图3是acars数据链系统机载部分架构示意图；

图4是改进后的机载部分架构示意图；

图5是采用aeromacs技术的acars机载系统架构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

aeromacs作为一种新的机场场面通信手段，可与vhf、hf、satcom一起构成了完整的机场场面、空地通信网络，支持飞行前、飞行中、飞行后的航空公司以及管制中心数据链应用。用于弥补vhf、hf、satcom通信信道在机场场面完成数据传输的不足。较vhf、hf、satcom通信方式相比，采用aeromacs信道在机场场面完成飞机机组与航空公司以及管制中心的信息交互的费用大大降低，能减少航空公司的运营成本。

目前在机场环境下机场管理局、航空公司以及民航局通过acars数据链vhf、hf、satcom通信信道完成的数据传输均能通过aeromacs链路来实现。

请参考图2，aeromacs网络中移动用户站(ms)包括机场场面的移动和固定用户。ms具体支持的应用包括：

atc通信(飞行前以及飞行后)：与机场场面的移动设备之间的atc通信；用于飞行放行的塔台数据链系统；加载飞行数据；

航空公司以及飞行员之间的aoc、咨询以及非ats语音/数据通信：电子飞行包(efb)；场面管理、登机口和匝道控制；图形化气象数据；

移动广域信息管理系统(swim)与机场场面用户之间的应用：火灾、除雪、去冰等；飞行运行安全、驾驶舱以及客舱的视频信息；

将acars和macs进行结合具有如下难度和难点：

将aeromacs技术纳入到现有民航acars数据链体系中需要对现有系统架构进行调整，并对机载以及地面设备进行改装升级，涉及工作量较大。

由于acars数据链中的atc、ats应用软件研制保证等级通常为c级，将aeromacs最为acars数据链的传输信道，aeromacs机载设备的研制保证等级须至少为c级来保证信息传输的安全性。这样就提高了aeromacs机载设备的研制难度。

因此，根据对现有系统影响程度以及实施难度采用两个方案进行实施：

aeromacs实施方案1：

在实施aeromacs的第一阶段，尽量在不影响机场通信网络现有架构的情况下，从实施难度以及实施成本角度的来考虑。

现在的acars数据链系统机载部分架构如图,3所示，改进后的机载部分架构图如图4所示：

将aeromacsms(mobilestation)作为aoc应用的额外通信媒介被引入，并依附于飞机已有的以外网中。在该方案中，aeromacs机载设备的研制保证等级可设计为d级或e级，acars数据链应用中仅aoc应用的研制保证等级设计为d级，因此该方案仅支持aoc应用。

在该方案中需要完成几方面的工作：

a、在飞机信息系统中加装aeromacs机载设备，该设备包括收发主机及天线，完成5000mhz-5150mhz频段上无线信号的调制、调解、数据处理等功能。该设备的研制保证等级为d级或e级，接入飞机客舱以太网络；

该设备的功能如下：实现aeromacsms(mobilestation)功能；实现ip层安全性功能；实现ip路由功能；实现基于ip协议的acars信息封装；实现基于ip协议的atn信息封装；

b、在飞机信息系统中增加一个rdiu(remotedatainterfaceunit远程数据接口单元)，该设备既接入到飞机驾驶舱arinc664总线网络中，又接入到后舱以太网络。完成acars数据链应用与aeromacs机载设备之间的数据交换；

c、驻留在飞机ima平台上的csa(controlandstatusapplication控制与状态应用)应用软件主要实现以下功能：vhf控制状态、频率选择、数据服务提供商(dsp)选择；satcom控制状态显示；hf控制状态显示；飞机特性模块数据显示；基于arinc661标准提供a661处理机制，负责hmi界面的显示更新及响应飞行员操作

要保证aeromacs技术在acars系统中的实施，在保留以上功能的同时须修改csa软件，具体内容包括：增加aeromacs链路控制状态显示页面，飞行机组可通过csa软件界面查看链路状态是否正常；修改csa软件的数据处理部分，增加aeromacs数据接收、数据解析、数据发送功能；

d、驻留在飞机ima平台上的aoc(airlineoperationalcommunications，航空公司运行控制)应用软件主要实现以下功能：维护oooi(out,off,on,in)，飞行阶段，航段状态；航班初始化、气象报告、烟雾报告、着陆报告等；负责下链消息的产生(自动触发和收到触发)和发送，上链消息的接收与处理(显示，参数更新)；收集并存储网络上的广播数据，为界面提供显示数据，为界面操作提供相应动作处理方法等；提供aoc软件的通信接口，包括arinc664、arinc661和apesa接口；基于arinc661标准提供a661处理机制，负责hmi界面的显示更新及响应飞行员操作。

由于aeromacs链路具有数据传输速度快、使用成本较低等特点，为了便于航空公司以及机场运营管理，可在现有数据链应用基础上增加应用内容，提高航空公司以及机场的运营与管理效率。因此，对aoc软件进行升级，保留以上功能的同时增加下述应用，具体修改内容包括：

增加除冰/防冰人界交互界面；如果机组决定完成除冰，他们可以通过aoc应用软件直接向机场除冰服务请示。得到地面关于除冰/防冰位置和时间的信息。完成防冰后，上传信息确认防冰液类型和持续时间。这样就可以在起飞前减少机组的工作量并且让飞行员处理其他的工作；

增加航油管理界面；飞机着陆或位于廊桥时，可以订购燃油并且在加油之后直接给飞行机组收据。通过数据链通信完成该信息的交换可以节省时间和机组的工作量，并且能提高过站时间较短的航班的运行效率；

增加维护界面；在飞行前、飞行后通过acars数据链系统aeromacs链路向地面传输飞行性能监控报告、发送机状态监控报告等。

上述方案实施过程中，不需要改变原有机载数据链系统硬件及软件架构，实施成本较低，具有较高的可行性。

但是该方案中，不能通过aeromac信道传输acars数据链应用中安全等级较高的数据，如atc、ats报文。

aeromacs实施方案2：

将aeromacs作为一个独立取证的c设备接入到acars网络中，如图5所示。

该方案中将aeromacs机载设备直接接入acars机载网络，通过远程数据接口单元(rdiu)完成与显控系统以及其他外围设备的数据交互。aeromacs机载设备作为一个与vhf、hf、satcom同等的acars数据链通信设备。

在该方案中需要完成几方面的工作：

a、在飞机驾驶舱通信导航系统中加装aeromacs机载设备，该设备包括收发主机及天线，完成5000mhz～5150mhz频段上无线信号的调制、调解、数据处理等功能。该设备的研制保证等级为c级，接入飞机驾驶舱arinc664网络；

该设备的功能如下：实现aeromacsms(mobilestation)功能；实现ip层安全性功能；实现ip路由功能；实现基于ip协议的acars信息封装；实现基于ip协议的atn信息封装；

b、驻留在飞机ima平台上的csa(controlandstatusapplication控制与状态应用)应用软件主要实现以下功能：vhf控制状态、频率选择、数据服务提供商(dsp)选择；satcom控制状态显示；hf控制状态显示；飞机特性模块数据显示；基于arinc661标准提供a661处理机制，负责hmi界面的显示更新及响应飞行员操作；

要保证aeromacs技术在acars系统中的实施，在保留以上功能的同时须修改csa软件，具体内容包括：增加aeromacs链路控制状态显示页面，飞行机组可通过csa软件界面查看链路状态是否正常；修改csa软件的数据处理部分，增加aeromacs数据接收、数据解析、数据发送功能；

c、修改驻留在riu(无线电接口单元)的acars协议栈软件，目前主流机型上的acars协议栈软件主要功能包括：

在acars兼容的不同空地数据链网络间协同工作；

对于支持的传输媒介，提供上行链路和下行链路的队列管理功能；

在飞机移动过程中进行acars网络自动链路建立、维护和断链管理；

同时支持hf、vhf和卫通数据链acars服务；

路由aoc消息到适当的媒介并进行队列管理，满足特定航空公司需求；

在acars端系统(包括其他外部机载系统)之间路由数据链消息；

对每个acars端系统提供至少一个完整的上/下行数据链消息进行缓存；

给每个acars端系统提供数据链状态信息(链路有效和进网/离网)来支持消息管理和机组告警功能；提供和机载无线电通信vhf、卫星通信、hf设备的接口

在满意以上功能要求的基础上，增加以下功能：

修改链路管理模块，支持aeromacs链路建立、维护和断链管理；

修改acars协议栈数据路由/链路选择功能，通过飞机轮载信号以及vhf、hf、satcom与aeromacs链路信号强度，实现vhf、hf、satcom与aeromacs通信链路的路由分析及选择。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。