ACARS报文参数的辨识

December 2006 Vo1．37 No．4(serial No．1 25) 航 窄 电 子 技 术 AVIONICS TECHNOLOGY ACARS报文参数的辨识★ 耿 宏，揭 俊，徐文艳 (中国民航大学机电工程学院，天津 300300) [摘 要] 针对由于传输差错及人为因素引起的报文准确性和完整性问题，本文介绍了 ACARS报文的种类 及其基本结构；提出了参数辨识技术，它包括报文数据的预处理、译码和校验三部分。实验结果证明，该技术 提高了ACARS报文的正确识别率，具有维护简单、扩充方便灵活的优点，对空地数据链技术在民航的有效应 用起到积极作用． 【关键词] 飞机选址通信和报告系统；空地数据链；参数辨识；数据预处理 [中图分类号]TN919[文献标识码]A[文章编号]1006—141X(2006)04—0006．06 Parameter Identifying of the ACARS M essage GENG Hong，JIE Jun，XU W en-yan (College ofAeronautical Mechanics and Avionics Engineering,Civil Aviation University ofChina，Tianjin，300300，China) Abstract： Aiming at the problems of inexa~itude and disintegrality of message due to transmission errors and human factors，the basic structure and the type of ACARS message are described；and also a parameter identifying technology is set forward in this paper．The technology as mentioned above includes message data preprocessing， decoding and checking．The experimental results show the technology improved ACARS message recognizing rate and has the advantage of simplifying maintenance and facilitating expansion．It would be helpful for actively promoting the application of air-ground data link technology to the commercial aviation． Key words：ACARS；air—ground data link；parameter identification；data preprocessing 1 引言 ACARS是由美国 ARINC公司开发、现为国 际民航通用的一种可寻址的空／地数据通信网络， 机载设备通过ACARS以数字电报形式与地面数据 中心进行数据信息的自动传输和交换。为了保证报 文传输的准确性和完整性，地面数据中心采用循环 冗余检验码 (CRC：Cyclical Redundancy Check) 对接收的报文进行校验⋯。由了二数据通信网络的传 输差错、突发干扰、人为冈素，例如，误码、报文 丢失等现象，而造成接收的报文数据不规范。随着 民刚航空事业的迅速发展，ACARS报文的数最和 种类也不断增加，传统的报文处理在处理效率、可 维护性等多方面已经不适应其发展速度 】 为了解决上述问题，本文在研究了ACARS报 文的种类及其基本结构的基础上，针对实际接收到 的非规范报文。提出了报文参数的辨识技术。该技 术包括对获取的报文数据进行预处理、译码及校验 ·基金项目：国家自然科学基金项H(60572166)：民航总局科技基金项H(MY0517413)。 6． 维普资讯 http://www.cqvip.com ACARS报文参数的辨识 耿宏等 三个过程。通过对报文参数进行辨识，使报文更具 有可读性和应用价值。例如，空管自动终端信息服 务、航空公司运营控制、远程故障诊断等。 2 ACARS报文种类及基本结构 2006年 12月第 37卷第4期 (总第 125期) 2．1 ACARS报文的种类 ACARS报文有 1 10多种，分上行链路报文和 下行链路报文【3I。从应用的角度可分为：面向航空 公司应用 的飞机运 营管理 (AOC：Airplane Operational Contro1)报文和面向空中交通管制与 服务的空管服务 (ATS"Air Traffic Service)报文【41。 AOC报文主要有：O001报(OUT、OFF、ON、 IN)、故障报 (CFD)、发动机报 (DFD)和位置报 等。其中下传的 CFD报文按时间分类有：实时故 障报、实时警告报、航后报；下传的 DFD 报文按 飞行阶段划分有十余种，其中。起飞报、巡航报和 爬升报三种报文最为重要。 ATS报文主要包括：起飞前放行报 (PDC)、 自动化终端区信息服务报 (ATIS)、自动相关监视 报 (ADS)、管制员一15l行员数据链通信报(CPDLC) 等。 2．2 ACARS报文的基本结构 空地数据通信时，飞机下传的报文符合AR C 618格式，基本结构如表 1所示。它主要由报头、 正文、报尾和 BCS校验码四部分组成【’1。其中报 头包括起始标志符 (SOH)、字符的模式 (Mode)、 IS机注册号 (Aircraft Registration Number)、技术 确认 (Technical Acknowledgment)、报文标签 (Labe1)、链路块的标志位 (DBI／UBI)和结束标 志符 (STx)。 报文的正文必须由ISO．5字符集中的非控制字 符构成。长度最大为 220个字符I 1。如果超出 220 个字符，将被分成多块报 (Multi-block Message) 进行传递。 表 l ACARS报文基本结构 U U p珥， ■CI ●r· 0 I ●● t 口日I I O_脚 D-_ ■ _Dl ' 7 对于单块报，报尾用控制字符(ETX~End ofthe Text)表示：对于多块报，中间各块报文以控制字 符 (ETB：End of Block)结束，最后一块报文以 ETX结束。 块校验码 (BCS)是利用循环冗余纠错原理形 成的校验码，以保证报文的准确性和完整性。BCS 校验的对象是从报头的 SOH到报尾的 ETX，包括 ETB或ETX字符，但不包括SOH字符。 3 报文参数的辨识技术 报文参数的辨识包括对获取的报文数据进行 预处理、译码及校验三个过程。其中，预处理提高 了报文数据的正确性；译码把不具可读性、字符串 形式的报文转化成具有可读性、直观的工程值；校 验增强了译码后数据的准确性及可靠性( 。处理过 程如图 l所示。 l报文数据 H 数据顶处理l—— 译码 H 校验 l r———————。。__1 r。。。。。。。。。。。1 r——————] r 。‘。。。1 圈 l 报文参数辨识过程 3．1 报文数据的预处理 数据预处理的目的是滤除噪声数据，保证数 据的正确性，提高数据的质量及其利用率【6】。 ACARS F传的报文数据量较大，且各种类型 的报文数据混杂在一起，难免会存在一些问题，比 如，报文数据中掺杂着部分误码、部分报文不完整 (主要指报文没有报尾)等，这些乱码或不完整的 报文相对于规范的报文可以视为噪声数据。因此， 为了提高报文参数译码的正确性，有必要对报文进 行预处理，报文数据的预处理分一次过滤和二次过 滤。 (1)一次过滤 ACARS报文采用 ISO．5 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的字符集来编 码，当报文中出现超出该字符集范围的字符时，则 以误码的形式显示。因此，对报文数据进行译码前 必须过滤，即判断读取的字符是否超出ISO-5字符 集的范围，如超出字符集范围，则删除。继续读取 数据，重复判断，直至整个报文数据结束，过滤流 程如图2所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com December 2006 Vo1．37 NO．4(serial No．1 25) 航 空 电 子 技 术 AVIONICS TECHNOLOGY 图2 一次过滤 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 (2)二次过滤 经过一次过滤保存后的报文已经不再含有误 码，但仍有部分报文不完整，为了确保后续译码 ： 作的正确性，应该删除这些不完整报文，其流程如 图3所示。 图3 二次过滤流程图 3．2 报文参数的译码 由于地面接收到的ACARS报文种类繁多，且 不同机型的同种报文的格式也不尽相同。因此，应 该考虑对各种报文参数译码的方法进行整合，使报 文参数译码具有较强的适应性和扩展性。 报文的译码分报头译码和正文译码。根据 ACARS报文参数的位置及其特点，报文译码的方 法可分为固定位置参数提取法、 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 解析法和特征 提取法。其中，固定位置参数提取法用于报头译码， 模板解析法和特征提取法用于正文译码。 ． 3．2．1 固定位置参数提取法 该方法主要用于报头的译码 从表 l可知， 报头在整个报文中的位置是同定不变的：第 l位表 示 SOH：第 2位表示 Mode：第 3~9位(7个字符) 表示 Aircraft Registration Number：第 l0位表示 TAK；第 l 1~12位 (2个字符)表示 Label：第 13 位表示 DBI／UBI；第 14位表示 STX。因此，根据 报头参数的固定位置、属性 (字长)及内容，按位 截取即可实现报头译码。 报头 I 正文 ．F—GSPSIQQ9—lI．91~iflfIM6SUHHHLI：Pg"lSlIB1N6--——I ．9U-TiIiIIHQQ91HSgATA■啊UIg,ICkrSSSt 61942 1 ．F-GSPTIQQ21HIglltnFIN115UHHHLFPQI55illIll— 1 ． ．B-222 3-口 3|Q q Q ‘ B11．-~I410ACA1732ZGSZZSHC 啪 M 2 7 51m 16-- B-241 17AHil5816UXXHZSQD 9419-- l多他飞报 ． a●q口‘—’H ●岫7 I ⋯ ^ ．B一2226nQQ8—-tHi?AmJE76UHHHZSFZ●■■2■■矗2一 I ．B-625_ 呐21HfJsngce82OZGSDZ$$S07IPli657一 I 。 9"6●"■qq_。蚋B7AHUS2kkZGSZZSH9睇 ∞啊$6-- I ． — OSPHIQQ7 HN AAF¨ 矗suH删 LFPC1摹¨ 钾 一7 一 - 图4 OFF起飞报样例 如图4所示，报文正文前面 14个字符是报头 信息 (用竖线分开)。对样例中的第一条位置报的 报头用上述方法按位截取得：飞机注册号 (．F— GSPS)、标签号 (QQ)、DBI(9)等信息，实现 了对报头的译码。 报头译码完毕。随后要对报文正文译码，传 统的报文正文译码具有以下缺点：简单的针对不同 结构的报文分别 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 译码算法；需要编写大量的代 码，对代码的维护和扩充带来不利的影响；报文正 文结构的变化导致算法、程序的重新设计等。针对 这些情况，采用模板解析法能够克服上述缺点。 3．2．2 模板解析法 模板是一种具有相对固定格式的规范，是定义 和描述某一类相似事物的标准。ACARS下发的报 文种类繁杂，各种类型报文的格式不同，而同种类 型报文具有固定格式，包括报文参数的名称、类型、 位数和含义。因此，对同种类型的报文可在数据库 中创建同一种模板，而对不同类型的报文可创建不 同的模板。译码时，用一定的算法调用相应的模板 实现对该类报文的译码。具体的实现步骤如下： (1)参照 ARINC协议，以协议中某种报文 正文的固定格式为标准，在数据库中创建一个表。 以固定格式中的参数名作为该表的字段名，同时以 固定格式中与参数名相对应的字符长度作为表的记 录，最后用该报文的标签号 (类型名)保存该表， 即完成一个模板的创建。 (2)用同定位置参数提取法对报文的报头进 m 召 * 靠住垤"盘 维普资讯 http://www.cqvip.com ACARS报文参数的辨识 耿宏等 2006年 l2月第 37卷第4期 (总第 125期) 行译码，获取该报文的标签号 (类型名)，然后从 数据库中调用以相同标签号命名的模板，通过创建 报文正文结构数组，设置分解指针获取模板中的参 数名和相对应的字符长度，并以该字符长度来截取 相对应的报文，实现整个报文正文的译码。译码流 程如图5所示。 {． 遴器 罾蒜 r占．一， ● N b廿 r8la-ck毒● 舶c‘a弭 cI啊l 5-lO FIi■ht Id．Ⅱ ^H； l1 D l·s_ ．AI一 】I 艚·HH·m ch ■l 12 D．i-lm肿 s■t‘“l-^ 血．，N删n·f妇 c I” l盯 一2 1， Dt u蛐 s协Ii抽 ．^ 哺 ·f Ch粕r■c咐 ●3 I4 D卅— 呻 S_ 柙 -'^|‘ ∞¨t‘ Ch^舶cl·f_L4 Is 孕 _ -4 s■嘲m一 N’嘞螂瞳亡ch|捕ct．r蚍 16 t·ti．瑚 o钿 -ion一^ 而b-舳 ‘ icahl-亡t 2 l7 l，t·曲_瞄越 Shlion．^ 庙h Nu岫 c Chw种；坤r●3 10 D卅iIIt札i-l s哪 ●o■·^ N 吼·r Ch ●竹 ■● 器 辫 Tu’H cattrl嘛 ，o 。FF (【 萎 霉勰 23 ’ h Tem~’ 库中调用以 Label 命名的模板，获取该模板的 _QQ 报文正文结构数组，如图8所示。通过设置分解指 针。读取参数名数组中的元素，并以字符长数组中 的元素为长度截取相应的报文，从而实现报文的译 码。该报文译码得：Message Sequence Number (M04A)、Flight Identifier(AF0185)、Departure Station (VHHH)、Destination St~ion(LFPG)、OFF Time (15时48分)、Free Text(1026)等信息。 ●数名数组 P_·啪-II‘】 ·— S· lI啪N砌hh Fh‘H 圳 、 p岫mS■抽 D．． ∞ S 蛔 oFF ●、Fm Text]- 宇符长数蛆 charterer)嚏啦-t‘6’‘‘^198' 图 8 OFF报文结构数组 从上述例子可以看出，当报文正文的格式发 生变化时，只需要修改数据库配置，而无需重新修 改程序。因此，模板解析法具有良好的适应性、稳 定性和有效的扩展空间。 3．2．3 特征提取法 在报文译码过程中，存在以下一些情况：用 固定位置参数提取法对某些报文的报头译码，仅从 获得的标签号还不能完全确定该报文的类型；某些 同种类型报文正文中的参数在整个报文中的位置不 固定，呈动态的出现；另外，由于飞机状态参数的 采样频率不同，一个报文中某些参数有若干重复类 型的数值出现。此时，固定位置参数提取法和模板 解析法已经不能完全对这类报文进行译码，可结合 特征提取法对报文进行译码。 特征提取法是利用专家 (有经验的工作人员) 的知识建立一个知识库，在里面存放了反映报文类 型的最有效特征组及相关参数信息。针对由标签号 不能确定具体类型的报文，首先，动态地对报文进 行搜索，当搜索到一组字符与知识库中的最有效特 征组相匹配时。即可确定该报文的具体类型。其次， 从知识库中获取该类报文的参数信息，动态地对报 文参数进行搜索，查找到一个参数名，就按该参数 的字长属性截取报文，重复以上过程直到报文结 束，完成对报文的译码。其译码流程如图9所示。 现以位置报为例，如图 1O所示：由经验可知， 在标签号为 l1的报文中含有多种报文，其中含有 “POS”、“LAT”字符的报文一定属于位置报。据 此，将该组字符作为位置报的最有效特征组存入知 维普资讯 http://www.cqvip.com December 2006 Vo1．37 No．4(serial No．125) 航 空 电 子 技 术 AVIONICS TECHNOLOGY 毒．1-il 舣 )lN ll|_；-， ， LAT ， El1| ． T⋯．UTC ，厂] 量． —●■1 t．，r●I|●l tu． H lI．一I．L州 ．I"．札柚I_． ■t‘1． 1 量．i-6611011t~01mms20lp|Sga$l一．LaT H H．0a：J．L州 E11J．1盯．aLT’‘●I．0TC■¨l_ I 量．_1‘81—11●-Alala啊S2olposcnS l一．ta!■妞．■，．L删 Et12．，07．札T●¨ ●．1iTc■，●l- l 堙．·-¨’_''．，·_1舢sl¨-·lc“2U．L·T-强．一，．LOH El1|．．¨，．札T’m．urc_a·iC I参十位置报 量 ．I-6¨ ■110~')alnmslI1POSCa$w ，UiT HⅡ．啊1．L州 Ell1．1w．札T柚舳．tlTC■，‘¨ 1 孟．．’ittl1111—●■'·l咻2¨ l¨c“l一．LaT H”．■I．Lml E11，．，盯．札T·¨·．-|l_柚，厂 I t1．0-6．-ee11t-~alm 2elt|scals l■．LaT H H．■0．L0N~11：1．I"．札T●●．．．UTC Ilg“24 I 量．-·t|lI|14t_．■●m■甘2'，““ 17S．L4T H H．￡n．LOft El1|．|lll~ f 1舸，．UTC 15M$4；-- 一 一 I 。 lO 应的方法或结合几种方法同时分析，更好地实现对 报文参数的译码。 3．3 报文参数的校验 通过以上预处理和译码，能够解析出报文中 的参数，但译码输出的数据是否准确可靠，将会影 响进一步的数据分析，所以需要对译码后的数据进 行校验。 ARINC协议中，报文具有标准格式，即每种 报文参数都具有固定的表达格式、内容和范围。把 译码后的参数与其有效范围和表达格式作比对，可 以判断译码后的参数是否正确。比如，波音777故 障报中时间的标准格式是 DDMMMYY(日期、月 份、年份)，其中日期用两个字符表示，范围是 0 — 31：月份用三个字符表示，范围是JAN、FEB、⋯⋯ DEC；年份用两个字符表示。范围是 o0—59。如 果译码后的时间格式经过比对不符合上述格式，则 显示面板上不显示该时间，从而确保输出报文参数 的准确性。 4 报文参数辨识技术的应用 目前，报文参数辨识技术已经』’ 泛地应用于 民航的各个领域，比如，航空公司运营控制 (AOC)、空中交通管制与服务(ATC&ATS)等领 域。 4．1 报文参数辨识技术在航空公司中的应用 000I报中的时间参数是航空公司运营部门的 重要数据，通过参数辨识处理，把辨识后的数据输 入到航空公司的计算机可确定承受恶劣环境条件 飞．机元部件的工作时间、飞行时间和机组 J：作时 间；能够从 匕机关舱门到起飞之间的时间间隔掌握 航班的延误情况【 。 故障报和发动机报的参数也是航空公司的重 要数据，对机载实时下发的故障报和发动机报进行 参数的辨识，可以实现如下几点： (1)根据发动机的温度、转矩和功率等参数． 实现对发动机的状态监控，维修部门可据此进行故 障预测并精确地规划预防性维修，从而节省费用且 不降低安全性。 (2)根据实时下发的故障报的信息，地面 ￡ 维普资讯 http://www.cqvip.com ACARS报义参数的辨识 耿宏等 2006年 l2月第 37卷第4期 (总第 125期) 作人员可在飞机降落之前针对故障现象参考飞机维 护手册 (AMM：Aircraft Maintenance Manua1)和 故障检修手册 (TSM：Trouble Shooting Manua1) 手册，对飞机故障进行准确地分析并制定相应的维 修 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，等飞机降落后即可进行维修，从而缩短了 匕机在地面停留的时间，节省了经济开支；实现了 对 l5I机的实时跟踪和在线诊断，解决了长期困挠航 空公司机务维修部门无法及时掌握飞机状态参数的 难题。 (3)对故障信息库进行更新，为今后维修人 员进行维修提供必要的参考信息，从而辅助提高维 修水平和排故效率。 例如，中国南方航空公司利用辨识后的故障报和位 置报信息开发了远程诊断实时跟踪系统；美国 American Eagle航空公司利用辨识后的发动机性能 参数实现了对 200余架飞机的发动机性能实时监 控：GE／PW 等大型发动机生产商也利用辨识后的 发动机性能参数向其众多的发动机用户提供远程性 能分析服务 4．2 报文参数辨识技术在空中交通管制中的应用 自相关监 控 (ADS：Automatic Dependent Surveillance)是一项用于空中交通服务的监视技 术，它将来自机载设备的 匕机位置数据通过地空数 据链自动发送到地面交通管制部门【8】。地面交通 管制部门可以利用参数辨识技术对 ADS数据中的 位置信息进行处理，然后把获取的经纬度信息转换 为可用于地图显示的数据格式，在地图窗口实时地 显示飞机飞行状态，实现对飞机的在线实时跟踪， 同时绘制相关航段的航迹，对航迹进行动态地预 测、修正等，为开拓新航线提供了重要的参考信息。 例如，美国大陆航空公司利用辨识后位置报信息实 现了航行动态监控及其动态控制功能。 5 结束语 利用空地数据链报文参数辨识技术，对数据 进行预处理、译码和校验，拓展了报文数据译码的 内涵和外延，能够有效解决由于传输差错及人为因 素造成的误码。进一步提高空地数据的准确性和完 整性，增强报文参数译码的适应性和扩展性，为空 地数据的进一步开发和利用奠定了基础。同时，随 着人工智能技术的不断发展，基于模式识别的神经 网络技术也将会应用于ACARS报文参数辨识，但 需要时间和实践来检验，有待丁进一步研究。 参 考 文 献 【l】 ARINC Specification 618-5IS]．Published：August 3l，2000． 【2】 张学军，张其普．卒中交通服务电报智能处理系统[J】．北京航宅航天大学学报，．2001．4 【3】3 AR C Specification 620-4【sJ．Published：November 24，1 999． 【4】 航空公司地空数据通信使用规范【S】．中国民用航空总局飞行标准司，2005．3． 【5】 刘兴堂．现代辨识工程 ．北京：国防工业出版社，2006．5． 【6】6 边肇棋．模式识别【M】．北京：清华大学出版社，2001．1． 【7】 平实．飞机通信寻址和报告系统(ACARS)[J]．现代民航，1992(10)． 【8】 张军．现代空中交通管理 ．北京：北京航空航天大学出版社，2005．9． [收稿日期]2006．10．19 [修回日期]2006．11．05 [作者简介]耿 宏 (1964--)，男，西安电子科技大学信号与信息处理专业毕业，硕士。中国民航大学机电工程学院副 教授。主要从事民航数据分析和飞机维修工程方面研究。 揭 俊 (1981一)，男。中国民航大学机电工程学院在读硕士研究生。主要从事民航数据分析方面研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com