第1章 绪论
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RTCA DO-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。
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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。
2.1 ATCComm
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2-1 CPDLC层次结构示意图
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第2章 CPDLC通信系统结构基础
2.2 ACARS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（Aircraft communication addressing reporting system）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，ARINC 620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ARINC 623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ARINC 618/633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，ARINC 758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
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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ARINC 618协议，地地数据链通信遵循ARINC 620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ARINC 622协议，并将面向比特的应用包装在ARINC 620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（Current Data Authority），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（Next Data Authority）。
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第3章 CPDLC空地双向数据链协议研究
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“Connection Request”报文，则ATCComm系统将进行如下操作：
1）如果该“Connection Request”报文的格式不合法，则发送“Disconnect Request”报并抛弃该用户数据。“Disconnect Request”报中应该包含正确信息的ERROR[errorinformation]报文元素。发送该“Disconnect Request”报文之后，ATCComm停止操作。
2）如果接收到的“Connection Request”报文格式合法，则ATCComm将发送一个只包含[versionnumber]报文元素的“Connection Confirm”报文给地面管制单位。自此，CPDLC链接成功建立，接收到该“Connection Confirm”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“Connection Request”报文，则ATCComm系统将进行如下操作：
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