CN1184769C - 飞行器与地面站间的数据链路系统和从故障中恢复的方法 - Google Patents

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Abstract

飞行器与至少一个地面站之间的数据链路系统，包括一个机载成套装置、一个地-空成套装置一个地面基站成套装置；后两个成套装置由路由选择器互联并用作分布应用介质的子网络构成。机载成套装置包括第一(10)和第二(11)应用计算机。两个计算机(10，11)不同并能相互交换，且通过机载用户接口(12)接收相同的数据，以及通过在地面用户方的与访问一个或几个处理器(14)的地-空子网络相连的接口(13)接收所提供的相同数据。

Description

飞行器与地面站间的数据链路 系统和从故障中恢复的方法
技术领域
本发明涉及在飞行器与至少一个地面基站之间的数据链路系统和从飞行器所载的应用计算机的故障中恢复以便保持工作链路的方法。
背景技术
负责控制空中交通流量的权力机构已经确定以数字通信装置来提供标准的话音通信系统，以便保持在目前空中交通流量增加的情况下的一个良好的安全水平。
国际民航组织(ICAO)正在发展和实施为了实现此目的并符合OSI标准的称之为ATN的全球通信网。
在高的交通流量方面对于这种数据链路的性能要求的增加和正常工作时限上的性能成为一个主要的目标。
航空公司目前使用着在飞机和其操作中心之间的数字通信系统。这种称之为ACARS(飞机通信和报告系统)在本说明书结尾的附录中所列的参考文件[1]和[2]中有所描述。该系统被用于交换涉及空中操作和管理的信息。
新近生产的飞机的多数都带有这种ACARS系统，这种系统已经使用了大约15年。对于航空公司对于其飞机实施的实时管理、进行维护、操作控制和性能优化操作来说，这种系统特别有用。当今的多数空中交通控制(ATC)通信使用的是VHF和HF链路。
这种ACARS系统在过去的十年中已经使得航空当局将其扩展到控制交通流量的控制。用于这种资源的使用实现的标准话音通信链路将保持当今在空中交通流量增加方面所强调的安全的高标准。
美国联邦航空管理局(FAA)已经开始在空中交通不甚稠密的南太平洋地区引入这种数字链路系统。这是对于这种结合了新的通信、导航和监视(CNS)资源的″未来的航空导航系统″(FANS)的进行广泛使用的序幕。
根据所考虑的飞行区域，性能要求随之改变；这些区域被划分成海洋的、国内的、终点的和机场区。要求最为严格的是在终点区，由于飞机行将着陆而使得交通特别稠密。性能的确定是以完备性、工作时限和系统发送时间来衡量。
与分布应用的彼此协调性目标相关的性能目标已经导致该ICAO来确定一个全球航空交通网（ATN），它与ACARS系统更为兼容。这种ATN在说明书结尾所列的参考文件[3]中有所描述。其改进涉及到通过以比特为目标的帧替代以字符为目标的帧来更新涉及到地面-空中网络的ISO标准规程。这种系统适用于开放式系统互联时间交换（OSI)。
数据链路使得地面基站和属于各种独立实体，例如导航权力机构和航空公司所机载的计算机的对话。这些计算机是由不同的生产厂商所提供并属于不同的年代。面对这种形式，确定了一套标准化的通信规程并在每一个要在数据通信中使用的计算机中进行安装生效并测试，以便使得在不同类属的计算机之间的对话成为可能。
通信装置的选择对于应用来说必须简洁。在实践中，S模式，即卫星，VHF、HF和门控链路连接不是在所有可以使用飞机的地区都能够采用。因此，为了保证服务的连续性，这种机载的ATC应用需要作出一个简洁的改变，成为在飞行期间使用的数据链路的类型。
如果这些条件都符合，则有可能将机载的或基站的计算机互联，使得它们相互地通信而与所使用的通信系统的类型无关(VHF、HF、卫星、电缆等)，并且无需写专用的适配程序。这种航空交通网络(ATN)概念是根据不同类型的子网络之间的相互协调性。这种ATN的结构和规程满足由ISO组织公布的开放式系统互联(OSI)基准模式。这种模式被用于定义在ATN中的服务和规程所使用的一个工作框架。
该ATN被定义为能够提供共同通信业务以满足航空流量空中(ATSC)的需要和航空公司(AISC)的需要的数据网络的互联。只要可能，这种互联可以包括和使用现存的网络和基本结构。这种提出的服务必须满足操作的安全性和由航空流量控制和航空公司在应用上所要求的存取的保密性，并提供不同等级的服务。
OSI组织把制定路由的任务交给称之为路由选择程序的计算机，从而免除末端的计算机执行这种功能。这就使得末端系统保持为十分简单。其范围可以是从所有的ATC系统到一个简单的个人计算机的一个ATN用户系统是经过一个存取点来接通该网络服务的。用户首先通过例如象Etherent网络或象Transpac的X25公共网络来接通该ATN，这就接通了子网络的订户的一个ATN路由选择程序。该用户系统经过一个实际的连接和该接通的子网络直接相连接，并且通过使用该子网络与该ATN路由选择程序通信。它经过该ATN路由选择程序接通ATN业务。该用户系统因此必须包括为用来接通该子网络的所需的硬件和软件。而且它还必须提供无连接的网络规程(CLNP)以及在末端系统(ES)和路由选择程序(IS)之间的ES-IS路由数据传送规程，该CLNP是支持在发送实体和接收实体之间的称之为数据包的信息交换的简单的规程；该ES-IS规程使得用户和接通路由选择程序彼此能够区分。
象所有的网络一样，该ATN绝对不可能达到100％的传递的可能性；但是能够通过消除低的可靠性的子网络的使用通过增加该路由选择程序的通信容量和子网络的发送并且由于这种系统的结构中所包括的冗余的作用，使得该ATN性能接近100％的传递。
开放系统互联(OSI)通信模式
OSI模式将数据通信过程分成7个服务等级。每一个服务等级(或层)直接地使用它直接的下面的等级，以便提供更为简要的服务等级。这种结构具有的优点是隐藏底层的通信系统的结构，使得有可能对于非常不同的发送系统使用同一个接口来实现电信服务。应该ATC系统能够发展和操作使用的通信系统的分别不同类型。支持这种分配使用的两个相似的ES(末端系统)计算机(一个是机载的一个是地面的)被安装在数据通信系统的每一个的末端。确定数目的中间隐藏的计算机放置在这两个计算机之间；它们的任务是对于通过该网络的数据作路由选择和中继。每一个服务等级的代表(或实体)出现在这些计算机的每一个中。这种ES计算机至少包括下面描述的前四个服务等级，而中间计算机只包括前三个等级。一个给定等级的规程使得两个相距遥远的实体交换涉及到该等级提供的服务的数据。
每一个发送系统包括把二进制数据从一个计算机发送到另一个计算机的实际的发送媒体。这种实际的媒体可以是多种媒体的之一：用于429总线的电缆，用于HF、VHF和卫星通信的无线链路，用于FFDI机载通信(OLAN)的光纤和用于门控链路的红外线。
七个等级的划分如下：
面向通信的较低的等级(1-3)
-物理层1(比特等级)被用于将二进制数据或比特传送到在记录介质上的目的地。它包括IT设备(结合点)和调制解调器的连接接口。将二进制数据传送到物理介质可能会由于外界的干扰引起服务的连续性的问题；该物理层的特征在于一个二进制误差率(BER)指示每一个被发送的错误比特的平均数目。
-链层(层2)(帧等级)利用发送校正已经在等级1中产生的误差，以便改善冗余误差速率。不是操作在比特等级，这一层在比特帧等级利用周期的冗余检测(CRC)实现其功能。该层使用例如象编址的规则和介质存取的策略，用于将物理介质划分，使之由几个幅载波共用。
-网络级(等级3)(数据包级)工作在其中存在有例如象Transpac或SITAMTN的打包数据切换数据网络(PSDN)中的更为复杂的通信结构。这些物理包括由链路等于服务连接的形成一个覆盖一个地域区域的通信结点。这种结构具有的主要的优点是将若干不同的路径到给定的用户。用户到网络的交换构成一个数据包。该网络层必须保证该数据包是正确地选择路由而经过中间结点到达最终的用户。该层具有三个主要的功能：编址、路由选择和流程控制。就是在这一等级，有两个对数据包进行路由选择的方案：连接的模式或不连接(数据包)的模式。
在连接模式中，发送用户必须首先接触收报人，以便同意将要控制交换的协议。信息发射机的地址和收报人被关联，以便网络等级标识什么被认为是真实的电路。在给定级次序中的数据包流安装它们发送的相同的次序到达。真实的电路和由所呼叫的数据包通行的贯穿网络的一条路径(即一个结点表)相关。包括在实际电路中的每一个结点调用资源(存储器等)，以便执行数据包的运行。在电路中还包括下一个结点的信息，这意味着数据包只要求很少量的涉及到它的起源和目的地的数据。该电路被描述为真实的电路是因为它的操作象一个电路，尽管它不具有实际的介质。
在不连接模式中的用户发送不将收报人的需求考虑在内的一个数据包，它使用数据包方法，其中的每一个数据包被认为是与其他的数据包不相干。在此情况中，数据包可以采用不同的路径并以任意的次序到达或者根本就不到达收报人。在数据包中与连接模式的基本的差异在于，该收报人的完整的网络地址必须给出，因为没有关于结点的信息被给出来实现数据包的路由选择。
这两种模式出现在OSI模块的每一个等级中。但是选择ICAO，以便包括在ATN的网络等级中的未被连接的服务。
地面-空中子网络是地面数据包切换网络(X25)的扩展，用于去除空中的副载波。它们提供一个在连接模式中的子网络。所以，在由包括SITA、法国电信、OTC有限公司(澳大利亚)和加拿大环球电信构成的AIRCOM卫星子网络中，有可能设立在飞跃大西洋的飞机和陆地Transpac用户之间的实际的电路。
                          中间层
传输层(层4)是涉及路由中的最后的一层。它结束由先前层已经实现的任务。它给用户提供满意质量的服务。在这一层发现的服务类型是从对于传输服务的编址用户的简单数据格式化/解格式化到包括误差校正和监视连接模式中在传输服务的两个用户端之间的通信的监视的复杂的功能。
                  面向较高层5-7的服务
尽管不是直接地包括在通信的本身中，但是对话(5)、表征(6)和应用(7)都是网络结构的部分。和它们的名称所包括的含义一样，对话层用于在用户之间的开始和关闭的对话中。表征层是负责在服务用户之间传送数据的句法。它把一个共同的句法语言提供到所有连接的用户。应用层给出为了接通该OSI环境的用户程序到该装置。这三个提供非常大量的服务，这些服务中的很小部分被用于满足航空通信的基本要求。另一方面，这些服务层对于通常的机载结构或通信安全没有影响。
一个层自身能够被分成几个子层。但是，不是所有的层和子层都需要包括在一个系统中。
在一个象航空通信网络这样的复杂的通信结构中，终端的系统通过由路由器互联的几个子网络交换数据。在这种结构的通信类型中，存取接口和子网络的内部操作都不受到提供服务的类型和质量之外的其他因素所控制。
根据被分解成层的ISO-OSI系统，所有和通过互联的子网络作路由选择的数据相关的功能都是该网络层(层3)的领域。
该层被分为三个子层：
-较低子层，实现子网络接通规程(SNACP)功能；该层构成在数据包等级到具体的子网络的所完全依赖的接通的接口。它因此提供该子网络的具体的服务，
-中间层，实现子网络相关转换规程(SNDCP)功能；通过把SNACP提供的服务提高到SNICP所要求的水平，把SNACP和SNICP相互适用。
-较高子层，实现子网络独立汇聚规程(SNICP)功能；它为用户提高ISO-OSI服务并同时掩盖使用的子网络的多样性。
这三个子层相互协助提高该ISO-OSI网络服务。
                      机载数据链路系统
一个机载数据链路系统包括对应于安装在交通工具(例如飞机等)上的系统的一个集合、一个地面-空中的集合以及一个地面基站的集合。这些集合包括有路由器互联的子网络并用作对于这些应用的媒介。
在ATN通信网络的相关内容中，这些应用是呼叫通信服务的任务。
机载的数据链路模式是在考虑到操作环境而逐级安装的。
                        通信相关内容
机载有数据链路系统的交通工具相对于陆地网络而移动。结果是，涉及到通信环境的数据在不总是能够预测的旅行中改变。这些数据因此不能够事先得到而是在动态交换期间必须得到并根据在任何时刻的连接状况而被刷新。
在由OSI模式中使用的堆栈层能够得到通信服务。每一层对应于具有自己自身规程的通信层。
为了保证相关内容的管理，在没有等级的实体必须连续地识别在范围内的无线电台、相邻的路由器和它们在子网络中的编址、包括分布应用的末端系统的ATN地址、通过各种路由选择场合的优化的路由，以及在末端系统中的应用的名称和地址。
                          状态机器
远端实体之间的行为和相互作用受到规程的限定。规程是对于开放的、交互的和网络分布的系统之间的数据交换规则。
规程是使用能够采用有限状态数目的一个状态机器或可编程控制器的给定的实际形式。其行为完全确定一个实体的功能：其连接状态，事件和导致的状态。
                      正常运行性能
一个机载数据链路服务的正常运行时间被定义为功能的概率，该功能是指期望在使用中停止可得到的状态的服务。
当机载链路服务在安全角度考虑被用于交换关键信息的情况下，正常运行时间的目标是基本的要求。
本发明的目的是使用一个数据链路系统来保证在当机载应用的计算机出现故障时在飞机和地面之间的数据通信的安全。这种安全的保障是通过确保没有延迟或操作影响地应用存留一个故障而实现的。
在本说明书的结尾给出的参考文献[4]是从新近ARINC文件提取的，示出在当时还没有被国际之间们解决的在故障出现之时的传输的问题。该文件给出根据在应用计算机之间的交换的一种方案，这种应用计算机根本上不同于本发明的存活机制。
发明内容
本发明涉及在一架飞机和至少一个地面基站之间的一个数据链路系统，包括一个机载的成套装置(assembly)；一个地-空成套装置和一个地面基站成套装置；其中后两个成套装置由路由选择器互联并用作分布的应用的子网络构成，所说的应用是使用通信业务的任务，该机载成套装置包括一个应用计算机，其特征在于下列的事实，即：该机载成套装置包括一个第二应用计算机；这两个计算机属于不同种类的计算机并可以相互交换并服务于由人和/或终端用户接口提供的相同的数据，以及服务于由一个接口利用地-空子网络存取处理器或地面用户方的处理器提供的相同的数据。
本发明还涉及从故障中恢复的方法，包括在飞机机载的应用计算机的故障期间使用第二应用计算机，以便保持一个地-空操作链路，其特征在于包括下列步骤：
-利用第二计算机实时俘获数据，以便保持数据通信链路和用于操作对话的应用联系；
-对于应用成套装置和通信分层器成套装置的可编程控制器进行实时定位；
-当出现故障时，从第一计算机切换到第二计算机，同时保持在故障出现之前由第一计算机建立的实际通信电路。
利用本发明的系统，有可能通过采用没有延迟和没有任何操作冲突的故障恢复机制来保持在飞机和地面之间的通信的连续性。
环路形成的机制使得这两个计算机获得它们所需的所有数据实时获得，以便建立并保持与地面的操作链路，即使是在故障出现之后。
本发明的固有的特点是使得两个应用计算机的编程控制器以实时的方式构型。
因此本发明具有下列的优点：
-故障的恢复不终端地-空链路没有延迟或操作冲突；
-消除与重新建立数字地-空链路相关的延迟；
-由末端系统的独立操作改进系统的整体性；
-对于标准化的OSI通信软件不需要修改。
本发明的优点直接和在飞机中的数据链路系统的正常运行率相关。其实例可以通过系统的正常运行时间的操作环境的例子得出：
时间的节省：在高度集中有话音传送的区域中频率是相当紧张的。例如当把数据链路系统用于出港时，很容易节省20分钟。系统的丢失将使得故障将完全终端程序并加长延迟而不是减小延迟。
改进安全：
-该数据链路系统在通信和监视中的应用将有助于在空中航道中的飞机的安全此情况中的数据链路系统的正常运行时间是促进操作的效率和安全的因素。由数据链路系统对于故障的恢复保持对于被采用的分离所定义的水平的冲突的风险；但是，数据链路对于故障的丢失将影响交通的管理。
-飞行员/ATC处理：如果故障出现在一个处理期间(例如出现数据链路的丢失同时该ATC正在给飞行员一个指令，例如″爬高到FLXXX″)，对于故障来说，数据链路的丢失将影响安全的水平。
总体的集成性：这是一个目的，从系统的一个终端将信息发送到另一个终端存在有集成性。通过数据链路系统对于故障进行的恢复增强了对于这种集成性的要求的满足。在象终点区域中的数据链路系统的使用，要求改进正常运行时间的性能，实现假设具有恢复故障的能力。
附图说明
图1，2，3示出本发明的系统。
图4和5示出系统的操作。
具体实施方式
为了恢复机载端系统的功能故障，在飞行器，例如飞机和地面之间的本发明的数据链路系统包括一个第二机载端系统，用于保障在飞机和地面之间的通信的连续性。
在两个末端之间的数据交换或″交扰″技术表现有下列的问题。
-第一末端系统要求操作的数据在通信实施之前必须发送到第二末端系统；
-所有第一末端系统的可编程的控制器都与另一个控制器接触并根据在末端用户之间的地-空交换采用实时的位置。定位在第二末端系统中的各个可编程控制器的输入/输出必须被下载，以便在通信发生之时被事先定位。但是，这种下载的容量要求开发专门的软件。
如图1所示，本发明包括的结果是基于相应的可交换的两个计算机末端系统10和11，都利用在地面用户一方(E′)的一台或多台地-空子网络存取计算机14从机载用户接口12(人-机接口)(E)和接口13接收相同的数据。图1中还示出机载发射-接收机15和两个远端陆地电台17和18。虚线16表示飞机而箭头19表示飞机16的方向。
计算机10和11实施提供由OSI模式所要求的通信服务的应用和通信处理。
通过一个或多个地-空子网络存取处理器(卫星、HF、VHF、S模式、门控链路)，计算机10和11可以与一个或多个相似的地面基站通信。
由人和/或终端用户接口12提供的数据被送到计算机10和11。通过地-空子网络存取处理器或处理器从地面接收的数据单元被送到计算机10和11。
第一计算机10将它产生的数据发送到地面。因此该计算机初始地产生实际与地面接通的电路。
这种类型的结构提供了能够使得计算机10和11在用户接口和子网络获得数据的机制。第二计算机11的可编程控制器因此具有根据定位在数据链路末端定位的用户之间的交换的实时的输入/输出。
当在第一计算机10中检测到故障时，该计算机停止对于网络的发送并且该第二计算机11取代其位置进行发送。由第一计算机建立的实际的链路由第二计算机所保持。
对于地面的数据发送是以子网络等级进行排序的。
地-空子网络存取处理器14能够通过第一和第二计算机相应的地址和通过对于提供其状态的每一个数据进行解码来鉴别第一和第二计算机。
图2示出两个计算机10和11、用户接口12和地-空子网络存取处理器14。被示出的每一个发送和接收部分用于说明数据的流动。
图3也示出本发明的系统，但是其中包括示出的不同的OSI通信等级22和机载应用等级21。
三个最低的等级(阴影)取决于使用的地-空网络的类型。应用的成套装置是用户使用的部分。
桥梁的使用是用于根据所安装的终端接纳信息。
由于不存在计算机10和11之间的可编程控制器的同步机制，该可编程控制器可以直接地以实时的方式实现。当出现故障时，从第一计算机10到第二计算机的转按被实现，同时保持在故障出现之前由第一计算机10建立的实际的通信线路。
图4示出链路和第一或第二计算机10和11的SNACP层，以及这些地-空子网络存取处理器14。
可以在一定的程度上想象，由两个终端处理器10和11产生的信号可能由于不同的计算时间而不同。
SNACP层交换一个数据包和链路层的三个帧。如图5所示，在第三个帧中(阴影)的比特数目可以是不同的。
当从第一计算机到第二计算机的切换出现时，其差异(在示出的情况中是缺少了几个比特)被检测到并请求帧的发送，直到实现联贯20。因此其中具有误差的校正的过程。本发明的从第一计算机10切换到第二计算机11的方法包括下列步骤：
-通过第二计算机11实时地获得保持数据通信链路和操作对话的应用联系所需要的数据，
-实时地定位应用成套装置和通信层成套装置可编程的控制器，
-当出现故障时，从第一计算机切换到第二计算机11，同时保持第一计算机10在故障出现之前建立的实际通信线路。
本发明是以在飞行器上安装第二计算机而实现的。被交换的数据的性质描述如下：由应用实体使用的应用和操作数据和由通信实体使用的通信数据。没有描述其中能够实时所有的数据传送的操作方案，因为这些传送不出现在说明书中，对于终端系统的用户来说是清楚的。
参考文件
[1]ACARS，Aircraf Communicaton Addressing Report System(SDN；A340/A330；ATA23-24；April8，1994)。
[2]Aircom SITA Digital Ground-air Service System Specification(″SocietéInternationale de Télécommunications Aeronautiques”-International Society forAviation Telecommunications；EG/400；revision2，April 1992)。
[3]Part One/Internet Working(Radio Technical Commisson for Aeronautics，SC-162；D0-205；March21，1990)。
[4]ARINC Characteristic 758(Draft4；page25，June25，1996)。

Claims (2)

1、在飞行器和至少一个地面基站之间的一种数据链路系统，包括一个机载成套装置、一个地-空成套装置和一个地面基站成套装置，其中后两个成套装置由路由选择器互联并用作分布应用介质的子网络构成，其中机载成套装置包括使用一个机载发射机-接收机(15)的至少一个地-空子网络访问计算机(14)的第一接口(13)、一个第一应用计算机(10)、一个用户的第二接口(12)和一个第二应用计算机(11)，其中所述第一应用计算机(10)通过第一接口(13)接收数据，所述第二应用计算机(11)通过第二接口(12)接收数据，这两个计算机(10，11)分别通过各自的接口(13，12)接收相同的数据，所述数据链路系统还包括用于在判断出故障时从第一应用计算机(10)切换到第二应用计算机(11)并执行数据帧的重发直到连贯的装置。
2、在飞行器和地面之间保持连续通信服务的一种方法，其中所述飞行器包含具有一个第一机载应用计算机和一个第二机载应用计算机的机载成套装置，所述第一和第二机载应用计算机接收来自地面用户侧的至少一个地-空子网络访问计算机的接口的相同数据，并且该第一和第二机载应用计算机接收来自机载用户的接口的相同数据，当在所述第一机载应用计算机中检测到故障时，所述方法提供所述第二机载计算机，该方法包括以下步骤：
利用所述第二计算机实时俘获数据，以便保持数据通信链路和用于操作对话的应用联系；
由所述两个计算机实施提供符合开路系统互联模式的通信业务的应用和通信处理，这两个计算机的可编程控制器在它们之间没有同步机构而实时直接配置，以确保没有延迟和操作的冲突；
当在第一计算机中检测到故障时，停止在地-空网络上的发送，并且从第一计算机切换到第二计算机；
由第二计算机代替第一计算机在地-空网络上进行发送，并由第二计算机保持在故障出现之前由第一计算机建立的实际电路，且在从第一计算机切换到第二计算机时尽可能重发数据帧直到实现连贯为止。
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