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CPDLC协议的研究与实现讲解
本科毕业设计(论文)
CPDLC协议的研究与实现
学生姓名:
韩钦
专业:
通信工程
学号:
101041407
指导教师:
岳猛
所属学院:
电子信息工程学院
二〇一四年六月
中国民航大学
本科毕业设计(论文)
CPDLC协议的研究与实现
ResearchandImplementationoftheCPDLCProtocol
学生姓名:
韩钦
专业:
通信工程
学号:
101041407
指导教师:
岳猛
学院:
电子信息工程学院
2014年6月
创见性声明
本人声明:
所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果,论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果,均加以特别标注并在此表示致谢。
与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
毕业论文作者签名:
签字日期:
年月日
本科毕业设计(论文)版权使用授权书
本毕业设计(论文)作者完全了解中国民航大学有关保留、使用毕业设计(论文)的规定。
特授权中国民航大学可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计(论文)的复印件和磁盘。
(保密的毕业论文在解密后适用本授权说明)
毕业论文作者签名:
指导教师签名:
签字日期:
年月日签字日期:
年月日
摘要
近年来随着世界范围内民航业务的迅猛增长,原有的航空通信体系结构已经不能满足目前民航通信发展的需要。
空管员飞行员数据链通信(ControllerPilotdataLinkCommunications,CPDLC)是当前国际上航空系统普遍使用的空地通信数据链之一。
管制员飞行员数据链通信(ControllerPilotDataLinkCommunication)是管制员与飞行员之间利用数据通信代替话音通信的新型ATC通信方式,它使用地空双向数据链(TWDL)为管制员和飞行员提供数据通信,CPDLC具有国际规范的数据格式,可以提供包括标准的放行、期望放行、申请和报告等在内的全部管制指令。
更为重要的是,CPDLC有效地克服了很多话音通信中存在的问题和缺陷,让通信具有较强的抗干扰能力,很大程度上解决了信号失真的问题。
本文首先介绍了飞行员空管员数据通信链路(CPDLC)系统背景及国内外发展现状。
其次研究了CPDLC协议和通信过程,按照系统结构的划分,从模块化功能,管制通信实现原理,数据结构封装及编码,报文的组成结构、生成以及报文元素的优先级等多个方面对CPDLC协议进行了全面、详细的阐述。
在理论基础上,使用VC++的Socket套接字进行编程模拟,实现空管站与飞行员通信过程,并对报文进行封装和解析。
关键词:
空管员工作站;CPDLC协议;空中交通管制通信系统;空地通信报文;
Abstract
Inrecentyears,withtherapidgrowthofcivilaviationallovertheworld,theoriginalstructureofaeronauticalcommunicationsystemscouldnotmeettheneedsofthecurrentdevelopmentofcivilaviationcommunication.Theairtrafficcontrollerpilotdatalinkcommunications(ControllerPilotdataLinkCommunications,CPDLC)isoneoftheairgroundcommunicationdatalinktheinternationalaviationsystemincommonuse.Controllerpilotdatalinkcommunications(ControllerPilotDataLinkCommunication)isanewtypeofATCcommunicationinsteadofvoicecommunicationbetweencontrollersandpilotsusingdatacommunication,whichusesairbidirectionaldatalink(TWDL)toprovidedatacommunicationforpilotsandcontrollers,theCPDLCwithinternationalstandarddataformat,canprovideincludingthestandardrelease,release,expectationtheapplicationandreport,allthecontrolinstruction.Moreimportantly,CPDLCovercomesmanydefectsandproblemsinspeechcommunication,makethecommunicationhasstronganti-interferenceability,largelysolvedtheproblemofsignaldistortion.
First,thispaperintroducesthepilotATCdatacommunicationlink(CPDLC)developmentsystemathomeandabroad.Secondly,onthestudyofCPDLCprotocolandthecommunicationprocess,inaccordancewiththedivisionofthesystemstructure,functionmodulerealizationprinciplefromcontrol,communication,datastructureandcodepackage,multiplepacketstructure,generationandmessageelementpriorityonCPDLCprotocolforacomprehensive,detailed.Onthetheoreticalbasis,usingtheVC++Socketprogrammestosimulatethecontrolstationandpilotcommunicationprocess,packageandanalysisthemessage.
KeyWords:
Controllerworkstation;CPDLC;ATCComm;Aircraft-groundcommunicationmessage
第1章绪论
1.1研究背景及意义
自上世纪七十年代以来,随着经济、文化全球化的进程不断加快,国际民航业获得了越来越多的发展契机,俨然成为了20世纪发展最为迅速、对人类社会影响最大的科学技术产业之一。
而民航业的飞速发展使得我们对提供实时、高效的空中交通管制提出了越来越高的要求,现行的无线电话音通信方式就逐步显现出种种弊端,如信噪比较低,容易受到信道环境变化所造成的影响;随着民航业务量的增加,容易出现使用频率的拥挤;由于存在人为的短期记忆问题,容易出现由于误听、误解所导致的操作失误等等。
因此,管制员飞行员数据链通信应运而生。
管制员飞行员数据链通信(ControllerPilotDataLinkCommunication)是管制员与飞行员之间利用数据通信代替话音通信的新型ATC通信方式,它使用地空双向数据链(TWDL)为管制员和飞行员提供数据通信,CPDLC具有国际规范的数据格式,可以提供包括标准的放行、期望放行、申请和报告等在内的全部管制指令。
更为重要的是,CPDLC有效地克服了很多话音通信中存在的问题和缺陷,诸如数字通信具有较强的抗干扰能力,很大程度上解决了信号失真的问题;利用数字通信的时分多址技术,CPDLC可以有效地解决信道拥挤问题,通过数据链信息所具有的表达明确以及长期记忆特性,有效地避免了误听、误解的可能,降低了操作失误的几率;通过FANS的全球覆盖性,管制员还可以通过CPDLC在以前VHF话音通信无法覆盖到的区域内进行管制,包括沙漠地区以及越洋飞行的航线等。
对CPDLC的研究和学习,有助于我们下一步进行新航行系统(FANS)以及航空电信网ATN的建设,对我们国家未来民航业的发展有着非凡的意义。
1.2国内外研究现状
CPDLC是新航行系统为适应民航未来发展的需要而规定的新型数据通信模式,作为新航行系统FANS的重要应用,近年来随着新航行系统的不断发展和建设,与管制员飞行员数据链通信的协议和标准也不断地得到改进和深化。
管制员飞行员数据链通信系统为用户提供一个人机接口(CHI),用于产生和接收工业标准化之后的报文,CPDLC所使用的报文处理装置称为双向数据链TWDL。
1993年8月,国际航空无线电技术委员会RTCA发布了CPDLCMOPS,即RTCADO-219规范,它规定了CPDLC数据链通信系统的最低性能标准,并且,CPDLC作为一种面向比特的应用,应该有自己特殊的报文格式和编译方式,同样在RTCADO-219当中给出了对CPDLC报文编译方式的详细规定,CPDLC采用的是分组编译规则PER(PackedEncodingRules)非对齐编译方式,该方式由国际标准化组织ISO在ProposedDraftInternationalStandard(PDIS)8825-2国际标准当中给出,符合SARPS所规定的ASN.1标准。
由于空管通信要求语义无歧义、国际通用、安全性要求高以及与管制程序相结合的特点,CPDLCMOPS根据空中交通管理的需要,制定了260多种报文元素,每种报文元素对应着一种管制语言,CPDLCMOPS中对每种元素如何编译成CPDLC报文元素以及这些报文元素如何组成有效的CPDLC报文都进行了详细的规定。
1997年12月,ICAO通过了ATN标准和建议案(StandardsandRecommendedPractices(SARPs)fortheATN),在2000年2月ICAO又在ATNP/3会议上通过了文件资料DOC-9705(E3)作为SARPs的补充,其中在SARPs第二卷当中对ATN网络如何支持CPDLC应用做出了详细的说明和规定。
2000年6月,我国西部新航行系统L888航路试飞成功,标志着中国民航在新航行系统建设方面成功地迈出了第一步,该系统中管制员飞行员数据链通信CPDLC应用的成功实现也填补了我国在这一技术上的空白。
2001年10月,美国ARINC公司发布了ARINC622协议标准,它可以将CPDLC应用产生的面向位的报文通过位-字符转换,转换成为面向字符的报文,这样,CPDLC应用就可以兼容于现有的ACARS空地网络,使得在全球尚没有成熟的ATN网络之前,将CPDLC应用于现有的、较为成熟的ACARS网络,提高了管制员飞行员数据链通信系统较早应用于实践当中的可行性,加速了CPDLC发展的进程。
1.3研究内容
本文对一种未来极具发展潜力的地空双向数据链通信协议——CPDLC协议进行了深入地研究和学习,按照系统结构的划分,从模块化功能,管制通信实现原理,数据结构封装及编码,报文的组成结构、生成以及报文元素的优先级等多个方面对CPDLC协议进行了全面、详细的阐述。
并通过基于C语言的Socket套接字实验环境对协议进行了仿真模拟,真实地模拟了飞机和地面管制单位之间通过CPDLC协议进行管制数据及指令的传输和通信,以最为直观、具体的方式展示了CPDLC管制通信的原理和特点。
1.4论文结构
本文的主要内容安排如下:
第1章为绪论,主要介绍了CPDLC通信方式出现的背景以及它对未来空中交通管制发展的重大意义,之后更加细致地介绍了CPDLC通信协议现阶段的发展状况。
第2章从通信系统的结构划分角度对CPDLC通信协议进行了详细地阐述和说明。
第3章对RTCADO-219标准规范文件进行了深入地讲解和分析,从数据结构封装及编码,报文的组成结构、生成以及报文元素的优先级等多个方面对CPDLC协议进行了全面、详细的阐述。
第4章在基于C语言的Socket套接字实验环境中对CPDLC协议进行了仿真模拟,真实地模拟了飞机和地面管制单位之间通过CPDLC协议进行管制数据及指令的传输和通信,以最为直观、具体的方式展示了CPDLC管制通信的原理和特点。
第5章对本次毕业设计当中的不足进行了总结和分析,并对下一阶段的研究重点做出了计划和展望。
第2章CPDLC通信系统的结构基础
要成功实现CPDLC通信,至少应包含三部分结构基础,分别是机载的CPDLC系统、地空数据链网络以及具有CPDLC报文解析能力的地面工作站或管制塔台。
我们通常将机载的CPDLC系统简称为ATCComm,它泛指飞机上安装的用于与地面进行TWDL通信所需的包括软件系统在内的所有组件和单元。
与ATCComm相对应,地面工作站或管制塔台就是CPDLC的地面对等实体,ATCComm与地面塔台等CPDLC应用实体通过ATN或ACARS等地空网络系统来实现建立、管理和终止CPDLC连接的能力。
2.1ATCComm
ATCComm是管制员飞行员数据链通信的机载终端设备,它包含了使飞行器支持地空双向数据链通信所需的一切器件、单元、软件等设施设备。
ATCComm为飞行器提供通过ATN与地面空管单位建立、管理和终止链接的能力,一但一个正常的地空双向数据链建立成功,ATCComm就能为飞行员提供与管制员交换信息的能力。
每当接收到一个信息,ATCComm会将数据块进行解码,并对报文的紧急程度、飞行员告警需求以及飞行员回应需求做出判断。
之后,做出的上述判断会直接指导ATCComm开始处理飞行员告警、报文显示和回复等一系列操作。
ATCComm同样具有将飞行员报文进行编码并发送给地面管制单位的能力。
作为ATN网络的终端应用,CPDLC层次结构的划分以及每一层协议的规范如下图2-1所示。
图2-1CPDLC层次结构示意图
2.2ACARS网络
CPDLC作为未来航行系统FANS中的一种重要应用,在设计之初,必须建立在航空电信网ATN的基础之上,尽管世界上所有国家都在积极地向ATN过渡,但到目前为止,还没有一个国家或区域性组织有能力建设一个真正健全的ATN系统。
以我国为例,当前我国的地空数据链系统是由美国ARINC公司开发的基于VHF的ACARS数据通信系统,因此,本论文将基于ACARS系统对CPDLC协议进行研究和实现。
ACARS(Aircraftcommunicationaddressingreportingsystem)即飞机通信寻址与报告系统。
迄今为止,ACARS系统已经使用了20多年,ACARS原先仅用于当飞机推出登机门、起飞、着陆、停靠登机门时向航空公司签派部门报告,当签派部门与飞机维护和机组管理部门综合在一起时,这个能力得到扩展。
随后,ARINC620协议定义了ACARS系统的处理和运行规范,协议规定ACARS是面向字符的数据协议,也就是说在传输用户数据的过程中,只有大写字母、数字和少量字符可以作为有效字符。
ACARS下行链路的报头信息由数据服务提供者提供解析,根据此信息,计算机和用户数据得到处理并通过地面网络按照要求进行传送。
同样,从地面用户到数据服务提供者计算机的信息则通过ACARS系统传送到飞机上。
每一个ACARS数据块由在陆地发信端进行块序列检测的计算机来保证发送信息的完好性,并在收信端完成重新计算,一个信息可由一个或多个数据块组成,每一个数据块可多达220个字节,信息多于一个块长度的就称为多块信息。
ACARS包含三种报文类型,分别是空中交通管制ATC、航空运行控制AOC和航线管理控制AAC。
ATC报文是由ARINC623规范定义的,主要用于机组请求放行,由地面人员进行放行。
AOC及AAC报文用于飞机和基站之间进行通信,这些报文或者由用户定义,或者由ARINC618/633规范定义,不同类型的报文可能包含诸如油耗、引擎性能数据和飞机位置等自由文本信息。
ACARS数据链系统主要由以下三部分组成:
1.机载设备:
主要包含一个ACARS通信管理单元CMU,一方面与标准VHF收、发信机相连,另一方面与机载的其他数字终端设备相连,主要完成数据采集、报文形成、调制解调、模式转化、话音/数字信道切换和频率管理等功能,ARINC758协议对CMU进行了规范和定义。
CMU其实相当于一个路由器,大多说情况下CMU也作为AOC报文的终端使用。
ACARS机载设备还包含一个终端,它是下传和上传ACARS消息的起点和终点。
2.数据链服务提供商:
数据链服务提供商(DSP)负责在空地之间进行消息分发,它相当于一个中央交换系统,通过网控及处理中心来实现空地终端之间的自动数据通信,DSP采用中央集成处理的方式,通过地面站网络将ACARS报文路由到合适的终端设备上。
3.地基系统:
主要是指与机载ACARS设备相对应得甚高频远端地面站(RGS),RGS包括VHF天线、收发信机和一个数据控制与接口单元(DCIU)。
地基系统是上传数据的起始地和下传数据的目的地,通常属于政府部门或航空公司管辖。
ACARS设备以25KHz为频率间隔,数据传输速率高达2400bit/s,采用单信道半双工工作方式,空地数据链通信遵循ARINC618协议,地地数据链通信遵循ARINC620协议。
虽然现阶段ACARS系统存在频率利用率低,通信质量易受大气环境扰动等缺点,但它所具有的建设成本低、维护方便、关键航路覆盖率高等优点仍旧使得ACARS系统成为了目前使用最为广泛的VHF地空数据链系统,ARINC公司为了将ACARS系统向新航行系统过渡,对其进行了优化和改造,推出了ARINC622协议,并将面向比特的应用包装在ARINC620协议当中,使得ACARS系统能够支持CPDLC、ADS等诸多面向比特的应用。
2.3地面管制单位
地面管制单位就是与ATCComm对应的CPDLC地面对等实体,它必须具有编译、发送、接收和解析CPDLC报文的能力。
与ADS等其他ATN应用不同,考虑到空中交通管制高安全性的要求,一个飞机在同一时间只能和一个地面管制单位进行CPDLC通信,也就是说在任意时刻只有一个地面管制单位能够对飞机进行管制,我们称这个管制单位为当前管制单位CDA(CurrentDataAuthority),飞机将要进入的下一个管制区的管制单位为下一管制单位NDA(NextDataAuthority)。
第3章CPDLC空地双向数据链协议研究
CPDLC协议的全称为管制员飞行员数据链通信协议,是一种空地双向的数据链通信协议,最早由国际航空无线电技术委员会在1993年提出并规范。
CPDLC在飞机与地面ATC服务单位之间提供了数据通信能力,基本服务包括与放行、信息以及请求在内的一切空中交通管制服务。
CPDLC协议正式对数据链的建立、报文的传输以及处理做出了规范和统一,是我们本章研究的重点。
3.1连接管理
3.1.1链接的建立
CPDLC链接的建立通常由地面管制单位发起,地面管制单位向某个待管制的飞机发送链接请求,由于安全需求的限制,某一飞行器同一时刻只能与一个地面管制单位建立CPDLC链接,因此根据ATCComm系统当前已建立链接数的不同,CPDLC链接的初始化包含以下几种情况。
1.ATCComm当前无链接
如果机载ATCComm系统当前即没有已经建立的CPDLC链接,也没有正在建立的CPDCL链接,而此时飞机接收到一个地面管制单位发出的“ConnectionRequest”报文,则ATCComm系统将进行如下操作:
1)如果该“ConnectionRequest”报文的格式不合法,则发送“DisconnectRequest”报并抛弃该用户数据。
“DisconnectRequest”报中应该包含正确信息的ERROR[errorinformation]报文元素。
发送该“DisconnectRequest”报文之后,ATCComm停止操作。
2)如果接收到的“ConnectionRequest”报文格式合法,则ATCComm将发送一个只包含[versionnumber]报文元素的“ConnectionConfirm”报文给地面管制单位。
自此,CPDLC链接成功建立,接收到该“ConnectionConfirm”报文的地面管制单位即为当前管制单位CDA。
之后,CDA与飞行器之间就可以进行正常的报文通信了。
2.ATCComm当前存在一个链接
如果机载ATCComm系统当前已经存在一个链接,或正在建立一个链接,此时接收到某一地面管制单位发出的“ConnectionRequest”报文,则ATCComm系统将进行如下操作:
1)如果ConnectionRequest报文的格式不合法,则ATCComm向地面管制单位发送“DisconnectRequest”报并抛弃用户数据,“DisconnectRequest”中应该包含带有正确信息的ERROR[errorinformation]报文元素,之后,ATCComm停止采取任何行动。
2)如果“ConnectionRequest”报文格式合法,但报文中指定的地面管制单位与机载数据库中的下一管制单位NDA不相符,则ATCComm发送“DisconnectRequest”报并抛弃用户数据,“DisconnectRequest”报文中要包含[icaofacilitydesignation]报文元素来指明当前管制单位。
3)如果“ConnectionRequest”报文格式合法,并且报文中指定的管制单位与机载数据库中的下一管制单位NDA相符,则ATCComm按如下顺序工作:
a)向该管制单位发送一个只包含[versionnumber]报文元素的“ConnectionConfirm”报文。
b)每次从这个链接接收到报文时就发送一个带有NotCurrentDataAuthority报文元素的报文,并抛弃接收到的报文。
此时,第二个链接,即飞机与NDA之间的链接就建立起来了,该链接不能进行普通的报文传送,因为机载ATCComm系统将所有NDA发来的报文都忽略了。
3.ATCComm当前存在两个链接
如果机载ATCCOmm系统当前已经存在或正在建立两个链接,此时收到地面管制单位发出的“ConnectionRequest”报,则ATCComm向地面发送“DisconnectRequest”报文并抛弃该管制单位发来的所有用户数据,该“DisconnectRequest”报文汇总要包含指明CDA的[icaofacilitydesignation]报文元素。
3.1.2链接的终止
通常情况下,CPDLC链接的终止是由当前地面管制单位CDA发起的,当前地面管制单位在发送ENDSERVICE报文之前,应该处理完全部挂起的上行报文,CDA发送带有“EndService”报文元素
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